北京市快速城市化对短时间尺度降水时空特征影响及成因

快速城市化对区域降水过程的影响已成为人类活动对不同时空尺度水循环影响研究的热点。基于北京全区2011-2015年20个自动气象站逐小时降水资料,利用Circular统计法等多种方法,在揭示北京市降水总体特征基础上,进一步从日、场次、小时等多种精细化时间尺度来探究北京市不同类型降水特征。研究表明：① 场次暴雨平均降水量、场次降雨持续时间及降水强度高值中心主要位于北京城区,与郊区降水过程相比,城区总体降水过程历时较长、雨量较大。城市雨岛效应可能是上述降水指标在城区具有高值中心的原因之一。② 北京全区降水日分布不均,不同区域降水类型有较大差异。北京市的暴雨雨型主要以午后型为主,占总雨型的47.53%。山区总体及北部近郊、远郊区、南部近郊分别以午后型、正午型、夜晚型降水为主。而城区的暴雨类型显示出主城区的东西两侧有较大的差异,西侧受山谷风环流及热岛环流影响类型较为复杂,东侧以傍晚型为主。③ 场次暴雨的降水峰值出现时间主要集中在12:00-19:00,且城区降水峰值发生时间较郊区降水峰值发生时间推迟。海拔的升高会使日降水峰值的出现时间的不确定性增大。④ 极端降水量指标及持续干燥、湿润指标均在城区显示出高值区,极端降水频率指标高值区位于城区下风向。城市化可能通过人口膨胀、土地利用类型变更等方式间接提高极端降水发生的风险。     

东北气候和生态过渡区近50年来降水和温度概率分布特征变化

文章从中国160个站的观测资料中选取位于东北气候和生态过渡区内9个测站的冬、夏季降水和温度资料,分析该地区近50年来冬夏季降水和温度的年际变化及其概率分布特征,结果表明,东北气候和生态过渡区的冬夏季降水和温度有明显的年代际变化特征,在不同的年代际变化阶段,降水和温度的总体概率分布特征差异较大,这种概率分布形式的差异与高温、干旱等极端天气气候事件的频繁发生具有密切关系。20世纪80年代以来降水处于平均值减小的总体分布中,温度则处于平均值增加的总体分布中,因此该地区冬季发生暖冬和少雨(雪)的机会增大,夏季出现严重干旱和高温的可能性增大。     

1961—2015年中国降水面积变化特征研究

基于中国0.5°×0.5°逐月与逐日降水量网格数据集,采用线性趋势、克里金插值（Kriging）、森斜率等方法,分析1961—2015年中国3个自然区的降水量和降水面积的变化特征。结果表明：（1） 中国1961—2015年年均和季节平均降水量呈现由东南沿海向西北内陆递减的空间分布特征,中国一半以上的地区年均和四季降水量呈增加趋势。（2） 日变化特征上,东部季风区、西北干旱区和青藏高寒区均以小雨和中雨为主,其日降水面积多年平均值分别为：1 112.75×10³ km²、52.65×10³ km²,1 380.57×10³ km²、92.83×10³ km²,1 253.9×10³ km²、34.3×10³ km²,暴雨和大暴雨占的面积较小;三个区域不同等级日降水面积年内变化均符合二次函数曲线,三个区小雨日平均降水面积年际变化均呈略微减少趋势,青藏高寒区和西北干旱区大雨、暴雨和大暴雨均呈略微增加趋势,大暴雨整体波动较大。（3） 季节变化特征上,三个区四季均以小雨为主,暴雨和大暴雨所占面积较少。春季和秋季三个区小雨降水面积均呈减少趋势,春季和夏季三个区暴雨降水面积均呈增加趋势,冬季三个区中雨和大雨降水面积呈增加趋势。（4） 东部季风区春季和秋季,西北干旱区年均和四季,青藏高寒区春季、秋季和冬季不同等级降水量对应的降水面积均符合负指数分布规律。km²     

Assessing Changes in Rainstorms in Beijing During the Last 50 Years

With global warming, rainstorms and other extreme weather events are occurring frequently, leading to urban waterlogging disasters. A study on spatiotemporal variation characteristics of rainstorms in urban areas can provide scientific support for the design of urban drainage facilities to mitigate the damage of urban flooding disasters. Drawing on daily rainfall data from 20 meteorological stations during 1960-2010, this study analyzed change trends for annual rainstorms in Beijing, using the Mann-Kendall approach and cumulative departure curve as methodology. The results show that annual days of rainstorms in Beijing decreased non-significantly, but the precipitation of rainstorms and annual maximum daily precipitation declined significantly. The frequency of rainstorms generally decreased from southeast to northwest, with the greatest decrease occurring in the southeast plain areas. The results of this study contribute to the understanding of rainstorm risk in Beijing.     

1961-2010年新疆极端降水过程时空特征

采用新疆50个气象测站1961-2010年逐日降水资料,选用14个极端降水指数探讨新疆极端降水事件的发生与变化。结果表明：无论平均降水过程还是极端降水过程,均能反映新疆明显的湿润化趋势。伴随降水量的增加,降水强度及降水频率均增大,除CDD变化表现为下降趋势外,其他指数变化均呈上升趋势。分析各极端降水指数序列变化,20世纪60-70年代年际变化幅度小,稳定性好;80-90年代年际差异大,稳定性差;新疆东部各极端降水指数上升与下降趋势小幅交替出现,而北疆、南疆及全疆极端指数序列则呈明显且单一的上升趋势。各极端降水指数最大概率变异年为1986年、2009年;降水变异后,新疆弱降水过程变化不明显,但强降水过程变幅增大,易导致洪旱灾害等极端气象水文事件的发生。     

1961—2017年华北地区降水气候特征分析

基于华北地区1961—2017年的均一化降水数据,从降水量、降水强度、降水日数和降水量贡献率等方面揭示了华北地区降水的气候特征。结果表明：1961—2017年华北地区年降水量以3.2 mm/10a的速率减少,其主要原因是夏季降水的减少。空间上,降水量大值区的降水趋势变化呈减少特征;降水强度呈增大趋势,降水的时间分布更加集中;小雨、暴雨和大暴雨及以上量级降水日数和贡献率呈减小趋势,而中雨和大雨则有所增加;分析各等级降水对华北地区空间分布的贡献率,小雨事件对华北地区西部降水的贡献最主要,大雨、暴雨和大暴雨对华北东南部地区降水量的贡献最为主要,这进一步解释了小雨、暴雨和大暴雨及以上量级降水量的减少造成了华北地区西部和东南部地区降水总量的下降。华北地区降水气候特征研究可为区域气候变化以及暴雨、干旱等灾害应对提供科学支撑。     

库姆塔格沙漠周边地区极端降水的时空变化特征

根据中国气象局信息中心提供的库姆塔格沙漠周边地区20个气象站1960-2014年逐日降水量资料,分析了库姆塔格沙漠周边地区1960-2014年极端降水的时空变化特征。结果表明：（1）库姆塔格沙漠周边地区极端降水主要集中在夏季且存在很大的地域性差异。（2）1960-2014年库姆塔格沙漠周边地区极端降水事件、年大雨频次、年大降水事件降水量和年降水量显著增加。（3）库姆塔格沙漠周边地区西部极端降水主要由频数很少的暴雨贡献,而东部极端降水则由暴雨和大雨共同贡献。（4）库姆塔格沙漠周边地区极端降水指数在夏季和年尺度的空间分布相似,且强降水指数在年和夏季尺度的空间分布均呈“鞍型场”型。     

中国主要经济区的近期气候变化特征评估

论文在中国《第三次气候变化国家评估报告》基础上,根据2012年以来的最新研究成果和中国气候公报,综合评估了环渤海经济区、长江经济带、华南经济圈和东北经济区的近期气候变化特征。主要结论有：① 1961—2018年,环渤海经济区、长江经济带、华南经济圈和东北经济区的平均气温上升趋势分别达0.35 ℃/10 a、0.20 ℃/10 a、0.20 ℃/10 a和0.33 ℃/10 a;尽管在1998—2014年间这些区域均出现了增暖趋缓特征,但除东北经济区外,环渤海经济区、长江经济带和华南经济圈均在2014年之后突破了其前最暖年的年均气温记录。② 1961—2018年各经济区(圈、带)的降水趋势变化虽均低于1 mm/10 a,但其间年际和年代际波动显著;2012—2018年降水虽总体偏多,但时空差异较大,其中东北经济区2013年和长江经济带2016年降水为1961年以来最多,而辽宁2014年降水却为1961年以来最少。③ 2014—2018年,各经济区(圈、带)最高气温超历史极值或极端阈值(发生概率≤10%的分位值)的极端高温事件频发,同时环渤海和东北经济区的区域性跨季连旱和极端特大暴雨等事件的发生频率增多,长江经济带暴雨日数偏多,华南经济区受台风影响呈加重态势;长江经济带和东北经济区在增暖同时也出现了多次大范围的极端低温事件。     

中国降水观测误差分析及其修正

在1980s 乌鲁木齐河流域进行的降水误差观测试验结果基础上, 依据我国726 个气象站1951~2004 年逐日观测资料, 对降水的动力损失、微量降水以及湿润损失进行系统的修正, 以期获得更准确的长系列降水资料, 为区域乃至全球水热循环过程和水文学研究提供基础资料。修正结果表明, 在大部分地区由风速作用引起的动力损失是主要的误差来源, 但在降水较少的地区湿润和微量降水观测损失也起着重要作用, 全国726 个台站年降水修正量在8~740 mm 之间, 平均约125 mm, 相应的修正幅度在5%~72%, 平均约18%。从时间看, 冬季修正系数大于夏季, 但冬季修正量小于夏季; 从空间分布看, 西北地区年修正量一般小于50 mm, 东南地区大于100 mm, 总修正系数由西北向东南地区减少, 其中西北地区大于30%, 而西南地区小于20%, 这一修正系数高于全球的11%左右的平均修正量。     

中国东部沿海地区暴雨对植被活动的影响

构建1982~2015年的长时间序列NDVI（Normalized Difference Vegetation Index）数据集和收集190 个地面气象站点的降雨数据,运用空间数理统计方法在像元尺度上分析34 a来中国东部沿海地区暴雨灾害发生频率的变化与NDVI变化之间的关系。结果表明：1982~2015年中国东部沿海地区暴雨发生频率在0~13次/a,平均为2次/a。1982~2015年中国东部沿海地区总的暴雨发生次数在逐渐增加,主要集中在夏季。1982~2015年中国东部沿海地区NDVI均值为0.54,植被总体生长状态良好。NDVI分布呈明显的南高北低的空间特征,且总体表现为增加趋势,平均增加0.002/10a。1982~2015年中国东部沿海地区夏季暴雨灾害对NDVI具有明显的抑制作用。总体来看,暴雨灾害发生频率每增加1%,研究区植被NDVI将降低0.01%,但空间上表现为苏北和山东地区显著的抑制性,而河北与广东和广西北部表现为显著的促进作用。     

Temporal and spatial trends of precipitation and river flow in the Yangtze River Basin, 1961–2000

The suspected impact of climate warming on precipitation distribution is examined in the Yangtze River Basin. Daily precipitation data for 147 meteorological stations from 1961–2000 and monthly discharge data for three stations in the basin have been analyzed for temporal and spatial trends. The methods used include the Mann–Kendall test and simple regression analysis. The results show (1) a significant positive trend in summer precipitation at many stations especially for June and July, with the summer precipitation maxima in the middle and lower Yangtze River basin in the 1990s; (2) a positive trend in rainstorm frequency that is the main contributor to increased summer precipitation in the basin; and (3) a significant positive trend in flood discharges in the middle and lower basin related to the spatial patterns and temporal trends of both precipitation and individual rainstorms in the last 40 years. The rainstorms have aggravated floods in the middle and lower Yangtze River Basin in recent decades. The observed trends in precipitation and rainstorms are possibly caused by variations of atmospheric circulation (weakened summer monsoon) under climate warming.     

变暖背景下陕西极端气候事件变化分析

利用1961-2010年陕西省78个气象观测站的逐日最高温度、最低温度、平均温度以及日降水量资料,采用趋势分析方法对该地区极端气候事件的变化进行了分析。结果表明:①近50 a来陕西降水极端事件没有显著的增减变化趋势,但存在明显的阶段性。②近50 a来区域严重干燥事件在显著增加而严重湿润事件趋于减少,2000年以后严重干湿事件均偏多,区域降水有向不均衡、极端化发展的趋势。③区域年极端高（低）温事件在近50 a来呈现显著的增加（减少）趋势,其空间分布具有较好的一致性。极端温度事件的变化在各季节存在差异,冬、春季变暖的趋势比较显著。在显著变暖的20世纪90年代以后,相对于降水极端事件,温度极端事件显现地更为突出。     

基于广义加性模型估算1979-2014年三峡库区降水及其特征分析

高精度、长时间序列、空间连续的降水产品是气候分析、水文模拟等众多研究领域中的重要输入。近期欧洲研究人员融合了3种不同类型的降水数据：站点观测、遥感产品、再分析资料,制作了全球1979-2014年3小时一次0.25°空间分辨率的降水产品（Multi-Source Weighted-Ensemble Precipitation, MSWEP）,凭借高时空分辨率及其对多源信息的挖掘和融合,该产品一经发布即受到广泛关注。本文利用三峡库区及附近地区气象站点的降水资料对MSWEP月降水数据进行评估,采用广义加性模型算法（General Additive Model,GAM）融合站点降水空间插值结果和MSWEP产品,对三峡库区融合后降水进行分析。主要结论为：① 降水估算精度呈现冬春季偏高、夏秋季偏低的特征,MSWEP产品与站点插值方法具有互补性,前者对夏秋季降水估算精度更高,后者对冬春季降水估算精度更高;② GAM算法可以充分发挥站点插值和MSWEP数据各自的优势,提高区域降水估算精度,与融合前相比,均方根误差减少了17%~50%,相关系数r提高了10%~30%;③ 2003年库区蓄水前后降水变化的主要特征有：库区中部长江以南地区汛期降水（5-10月）下降,库区西部干季（1-4月,11-12月）降水增加,库区外围西北部（大巴山地区）汛期降水增加,降水空间格局异质性增加,干季降水占全年降水比例升高。     

1961-2010 年中国降水强度变化趋势及其对降水量影响分析

探讨区域降水强度的时空变化趋势对于揭示区域气候变化规律、有效应对气候变化水资源影响等具有重要意义。利用756 个气象观测站1961-2010 年50 年逐日降水资料,分析了中国不同等级降水（小雨、中雨、大雨、暴雨及年均降水）强度的年际、年代际的变化趋势,以及不同等级降水变化在降水量增量中的贡献。结果表明：在年际变化中,降水强度总体呈现上升趋势,显著上升区域主要分布在中国东部秦岭-淮河线以南的地区;在不同等级降水强度中小雨强度变化趋势最为显著,中雨以上级别降水强度则相对稳定。在年代际变化中,各区域年代际降水强度变化差异明显,20 世纪60 年代和70 年代下降显著,80 年代、90 年代、21 世纪的前10 年则上升明显。此外,降水强度对降水量增量贡献由东至西呈“大-小-大-小”的相间带状分布;在中国西部,小雨、中雨、大雨强度对降水量增量起主导作用,而在中国东部暴雨降水强度在降水量贡献中起主导作用,且在东北区东南、黄淮海西北以及西南中部作用更加明显。     

基于CLDAS融合降水的中国降雨侵蚀力研究

气象站和卫星降雨资料估算降雨侵蚀力时存在无法反映空间异质性且精度差的问题,基于CLDAS多源融合降水,利用EI₆₀模型从不同的时空尺度对中国的降雨侵蚀力进行评估,并结合降雨量、侵蚀性降雨次数、侵蚀密度等指标,探讨降雨对土壤侵蚀的潜在作用。结果表明：（1） CLDAS降雨侵蚀力与地面实测数据在不同的时间尺度均有良好的回归关系,相关系数达到0.8以上,与CMORPH降雨侵蚀力相比,其相对误差显著降低,可以准确反映全国范围的降雨侵蚀力季节性变异。（2） 在2001—2020年,不同雨量区的降雨侵蚀力、降雨量和侵蚀性降雨次数的变化趋势基本一致,高雨量区的年际变化波动剧烈,侵蚀性降雨次数和暴雨过程协同影响降雨侵蚀力的大小。（3） 空间上,中国的降雨侵蚀力值的特点为东南沿海地区高、西北内陆地区低。时间上,侵蚀性降雨集中在5—8月,夏、秋两季对土壤造成的侵蚀影响更大。（4） 通过对年降雨量、年侵蚀密度和年暴雨量进行分区定量分析,结果表明暴雨量与侵蚀密度成正相关关系,即年降雨量一定,暴雨事件越多,降雨侵蚀密度越大。     

Stochastic modeling of daily precipitation in China

1IntroductionWeather Generator (WG) is a stochastic model that can be used to simulate daily weather based on parameters determined by historic records. Precipitation, maximum temperature, minimum temperature, radiation and more can all be simulated by WG. Recently WG has gained renewed attention and has been extensively applied in studying impacts of climate change on a variety of systems including ecosystem and risk assessment. Specifically, it has been used in the following ways. 1) WG …     

中国近46年来冬半年日降水变化特征分析

中国总体冬半年降水总量、日降水强度以及强降水日数都有不同程度的增加趋势。西北地区的变化相对显著,其平均降水量、降水日数及日降水强度都呈增加趋势,特别是20世纪80年代后期发生跃变。华北和中部地区降水总量趋于减少。南方3区多为增加趋势,其中东南和华南与冬季风及欧亚遥相关型有显著的负相关关系,而西南地区日降水参数则与温度和北极涛动指数显著相关。东北地区降水指标没有明显的一致趋势。     

Stochastic modeling of daily precipitation in China

A stochastic model for daily precipitation simulation in China was developed based on the framework of a 'Richardson-type' weather generator that is an important tool in studying impacts of weather/climate on a variety of systems including ecosystem and risk assessment. The purpose of this work is to develop a weather generator for applications in China. The focus is on precipitation simulation since determination of other weather variables such as temperature is dependent on precipitation simulation. A framework of first order Markov Chain with Gamma Distribution for daily precipitation is adopted in this work. Based on this framework, four parameters of precipitation simulation for each month at 672 stations all over China were determined using daily precipitation data from 1961 to 2000. Compared with previous works, our estimation for the parameters was made for more stations and longer observations, which makes the weather generator more applicable and reliable. Spatial distributions of the four parameters are analyzed in a regional climate context. The seasonal variations of these parameters at five stations representing regional differences are discussed. Based on the estimated monthly parameters at 672 stations, daily precipitations for any period can be simulated. A 30-year simulation was made and compared with observations during 1971-2000 in terms of annual and monthly statistics. The results are satisfactory, which demonstrates the usefulness of the weather generator.     

中国天气发生器的降水模拟

A stochastic model for daily precipitation simulation in China was developed based on the framework of a ‘Richardson-type‘ weather generator that is an important tool in studying impacts of weather/climate on a variety of systems including ecosystem and risk assessment. The purpose of this work is to develop a weather generator for applications in China. The focus is on precipitation simulation since determination of other weather variables such as temperature is dependent on precipitation simulation. A framework of first order Markov Chain with Gamma Distribution for daily precipitation is adopted in this work. Based on this framework, four parameters of precipitation simulation for each month at 672 stations all over China were determined using daily precipitation data from 1961 to 2000. Compared with previous works, our estimation for the parameters was made for more stations and longer observations, which makes the weather generator more applicable and reliable. Spatial distributions of the four parameters are analyzed in a regional climate context. The seasonal variations of these parameters at five stations representing regional differences are discussed.Based on the estimated monthly parameters at 672 stations, daily precipitations for any period can be simulated. A 30-year simulation was made and compared with observations during 1971-2000 in terms of annual and monthly statistics. The results are satisfactory, which demonstrates the usefulness of the weather generator.     

基于GPD分布的黑河流域极端降水频率特征分析

采用广义帕雷托分布(GPD)对黑河流域极端降水的频率特征进行了分析。采用百分位数法、Hill图法、年交叉率法选取了极端降水阈值,借助L矩法对GPD分布的参数进行了估计;采用Mann-Kendall和Pettitt方法对超阈值日极端降水序列的平稳性进行了检验。结果表明：① 采用百分位数法和Hill图法得到的日极端降水阈值差别很大,在综合考虑以上两种方法的基础上,结合年交叉率法,最终确定了流域各站点日极端降水的阈值;② 根据Mann-Kendall和Pettitt方法,超阈值日极端降水序列基本满足平稳性假定;通过Kolmogorov-Smirnov检验以及理论频率曲线和经验频率曲线的拟合程度可以看出,GPD分布能够很好地拟合研究区极端降水的分布特征;③ 通过分析理论累积频率达到90%以上的极端降水可以发现,黑河流域20世纪60年代发生极端降水的次数最多,其次是90年代以后,70年代、80年代发生极端降水次数较少;在过去51年间,下游发生极端降水的次数最多,其次是中游和上游。