基于3种指数的全球干湿变化年代际特征

通过对比AI指数、PDSI指数和土壤湿度的变化发现,3种指数能够较为一致地反映全球干湿变化的时空分布特征,在此基础上,研究了全球及不同气候区干湿变化的长期变化趋势和周期信号,并重点分析干湿指数的年代际演变及其变化机制。结果表明:近67 a来,全球整体呈现干旱化趋势,其中半湿润区干旱化最为显著,其次为极端干旱区、湿润区和半干旱区,而干旱区表现为变湿趋势;全球干湿变化存在准20 a的显著周期信号,但不同气候区的主要变化周期存在差异,其中干旱区、半干旱区和湿润区的主周期为准20 a,而极端干旱区和半湿润区为准30 a;潜在蒸散量的显著增加趋势是导致全球干旱化的主要原因,而全球干湿变化的准20 a周期主要由降水振荡所控制。     

中国干湿区变化与预估

本文采用干湿指数对1962~2011年中国干湿区范围变化进行了集中分析,并利用CMIP5（Coupled Model Intercomparison Project Phase 5）模式对其变化趋势开展了预估研究。结果表明,1962~2011年平均极端干旱区、干旱区、半干旱区、半湿润区和湿润区分别占中国陆地总面积的2.8%、11.7%、22.4%、32.6%和30.5%。期间,中国区域年干湿指数总体上呈现下降趋势,空间上表现为西部湿润化和东部干旱化的特征。显著缩小的是湿润区和极端干旱区,半湿润区、半干旱区和干旱区则显著扩大,这表明中国气候敏感区域在扩张。春季和秋季干湿指数变化趋势的空间分布与年平均的较为一致,冬季西北呈干旱化,夏季东南部地区为湿润化。相对于参考时段1986~2005年,在RCP4.5（Representative Concentration Pathway 4.5）情景下18个气候模式中位数的预估结果中,降水仅在东南南部减少,而潜在蒸散发在全区域增加,由于潜在蒸散发的增量超过了降水的增幅,中国区域将整体趋于干旱化,仅在西北地区呈湿润化特征;未来湿润区、干旱区和极端干旱区缩小,气候敏感性高的半湿润区和半干旱区仍将扩大。     

RCP4.5情景下中国未来干湿变化预估

本文采用国际耦合模式比较计划第五阶段(CMIP5)中21个气候模式的试验数据, 利用土壤湿度以及由其他8个地表气象要素计算所得的干旱指数, 预估了RCP4.5(Representative Concentration Pathway 4.5)情景下21世纪中国干湿变化。结果表明:全球气候模式对1986～2005年中国现代干湿分布具备模拟能力, 尽管在西部地区模式与观测间存在一定的差异。在RCP4.5情景下, 21世纪中国区域平均的标准化降水蒸散发指数和土壤湿度均有减小趋势, 与之对应的是短期和长期干旱发生次数增加以及湿润区面积减小。从2016到2100年, 约1.5%～3.5%的陆地面积将从湿润区变成半干旱或半湿润区。空间分布上, 干旱化趋势明显的区域主要位于西北和东南地区, 同时短期和长期干旱发生次数在这两个地区的增加幅度也最大, 未来干旱化的发生时间也较其他地区要早;只在东北和西南地区未来或有变湿倾向, 但幅度较小。在季节尺度上, 北方地区变干主要发生在暖季, 南方则主要以冷季变干为主。造成中国干旱化的原因主要是由降水与蒸散发所表征的地表可用水量减少。     

近代中国北方干湿变化趋势的多时段特征

利用CRU(Climate Research Unit)月降水和月平均气温资料, 通过构造一个既包含降水变化又考虑温度变化对潜在蒸发影响的干湿指标, 对我国北方近100年(1901～1998年)、 50年(1951～2002年)、 20年(1981～2002年)和近10年(1991～2002年)干湿变化趋势进行了系统的检测和分析, 突出了在全球增暖背景下温度变化对干湿变化的重要影响, 揭示了中国北方四个不同时段干湿变化趋势的基本特征.结果表明: 由于受温度升高的影响, 近100年我国西部地区降水尽管增加但并不存在变湿趋势, 而东部地区降水显著增加的地区明显呈现出变湿趋势, 显著变湿的范围较降水增加的范围大, 且强度明显增强, 这与这个地区温度的降低有关.在近50年, 100°E以东的北方地区是明显的干旱化趋势; 西北西部显著变湿的范围较降水显著增加的范围为小, 而东部干旱化区域的范围较降水显著减少的区域大.这充分说明了增暖能够减弱降水增加对地表水分收支的贡献, 也就是加剧降水减少的干旱化程度.在近20年, 新疆北部尽管降水量有所增加, 但并未改变该地区干旱化的时空格局, 也未发现显著的变湿趋势存在, 这个时段北方大部分地区仍然以干旱化趋势为主.特别值得注意的是, 在有些地区干湿指标的变化趋势与降水的变化趋势完全相反.在20年和近100年时段上, 我国西部大部分地区仍处在一个干旱化的进程中, 而华北地区在20年和50年时段上均表现为一个干旱化的趋势.     

末次间冰期亚洲中部干旱区干湿变化的模拟研究

利用国际古气候模拟对比计划第四阶段的多模式结果,分析了末次间冰期亚洲中部干旱区的干湿变化及机制。多模式集合平均结果表明,末次间冰期亚洲中部干旱区年降水减少0.7％,其中中亚地区的年降水减少2.8％,新疆地区年降水增加1.8％。水汽收支方程表明,末次间冰期中亚地区在雨季（冬春季）的降水变化主要与垂直动力项有关,新疆地区在雨季（夏季）的降水变化主要与垂直动力与热力项有关。此外,基于Penman-Montieth方法计算的亚洲中部干旱区的干旱指数在末次间冰期减小约10.2％,表明末次间冰期亚洲中部干旱区气候明显变干且存在旱区扩张的现象,这主要受到潜在蒸散变化的调控。潜在蒸散的增加进一步受到有效能量增加与地面风速增大的调控。本研究从模拟的角度揭示了末次间冰期亚洲中部干旱区干湿变化的可能特征及机制,在一定程度上有助于理解旱区气候在增暖情景下对轨道参数的响应特征。     

北美和欧亚大陆冬季快速增温与地表干湿变化

采用东英吉利大学气候研究中心（CRU）提供的月地表温度和降水资料,分析了全球年平均及冬季地表温度变化趋势,发现在北半球中高纬地区半干旱区冬季快速增温。在此基础上通过分析帕默尔干旱指数（PDSI）研究了北美和欧亚大陆冬季地表干湿变化的时空特征和差异,并讨论北美和欧亚大陆冬季快速增温对地表干湿变化的影响。结果表明,北美大陆南部微弱变湿,加拿大北极群岛变湿明显,而在北美大陆的中西部有明显的变干趋势;欧亚大陆大部分地区在冬季有一定的变干趋势,其中尤以西欧南部,中国华北、东北,蒙古中北、东北部及俄罗斯远东地区变干最为显著。但北美和欧亚大陆1950-2008年冬季降水并无显著变化趋势,地表干湿变化主要受气温的影响,尤其是在冬季增温最为快速的地区。     

中国北方干旱化年代际特征与大气环流的关系

用CRU和ECMWF资料分析了近代中国北方干湿变化特征及其与东亚大气环流异常特征的关系.结果表明:中国北方干旱化具有显著的年际、年代际特征,20世纪70年代末干湿发生显著转变,西北东部和华北地区变干趋势明显,北方大部分地区干旱现象严重;中国北方地区当前的干旱化时空格局与东亚夏季风异常特征密切相关,夏季风减弱以及由此造成水汽输送量减少是导致干旱化发展的主要原因,而低层大气反气旋环流增强和气旋性环流减弱是引起干旱化的异常环流特征.     

中美半干旱区地表能量通量变化特征比较

为了更为全面的认识中美半干旱区域陆气交换过程中地表能量水分循环机制,选取分别位于亚欧大陆和北美大陆上2个不同的典型半干旱区(中国北方半干旱带和北美半干旱区)作为研究区域,从地表通量交换的分析入手,以期全面深入认识半干旱区气候变化的物理机制和特点,进一步分析认识其干旱化趋势。结果表明,感热通量冬季最小,夏季次之;高净辐射、低土壤含水量的季节感热通量一般较高。在40°N以北的测站,降水较多的季节潜热通量较大。1979-2008年30年间,中国东部、东北部的半干旱地区气候变干,且在年代际尺度上可能具有持续干旱化趋势;北美各站点感热通量的长期变化趋势与温度变化的趋势相符,潜热通量和降水有较好的一致性,但站点并没有一致的变干或变湿趋势。中美半干旱区感热的年际变化和趋势明显受温度和平均土壤含水量的影响。潜热通量的年际变化和降水呈正相关,同时也受到温度变化的影响。     

中国南方和北方气候干燥程度的变化特征及差异性分析

基于Climatic Research Unit(简称CRU)的高分辨率月值平均潜在蒸发量和降水资料,构建我国近112年干燥度指数,采用线性倾向估计、Morlet小波分析等方法研究我国东部气候干燥度南北之间的差异及其各自的变化特征。结果表明,近一个多世纪以来,中国东部整体呈现变干趋势,20世纪60年代之后干旱化趋势更加明显。相比南方,北方气候干燥程度对降水的依赖性更强,干旱化速度更大,旱涝随时间的转变更为剧烈;南湿北干的差异进一步扩大,温度的升高对潜在蒸发量的增强作用加剧了干旱化程度。我国东部地区干湿季变化存在差异,干季年际年代际变率明显高于湿季,且干季变化较湿季具有更好的南北空间一致性;南北干湿季的出现时间在近半个世纪也有所变化,干季延后到来,湿季则提前到来的现象,说明干湿季的持续时间均有所延长;此外近半个世纪,北方干湿季均呈现明显的干旱化,南方未表现出类似特征。     

黄淮海地区1961~2006年干湿状况时空变化

自20世纪60年代以来,黄淮海地区的气候出现了降水减少、气温升高的变化趋势,分析气象要素之间的关系及其变化规律,对于合理规划水资源,保障经济可持续发展具有积极的意义.利用干燥度指数对该地区的干湿状况进行了分析,将该地区划分为湿润、半湿润、半湿润半干旱、半干旱半湿润和半干旱5个干湿气候区,其中以半干旱区范围最大.不同干湿类型区域间有明显的纬向分布特征,地势起伏亦对于湿区域的空间分布产生影响.对季节间干湿状况差异分析结果表明,该地区以夏季最为湿润,而冬春两季最为干燥.对年代间干湿状况变化分析表明,20世纪60年代和80年代半干旱区的范围相对较大,80年代半湿润和半湿润半干旱区的范围最大.对逐年干燥度变化趋势的分析表明,随着时间的推移.黄淮海地区干湿区域间的差异有变得更加显著的趋势,即半干旱区干燥度指数逐渐增大,而半湿润和湿润区的干燥度指数趋向减小.     

The Contribution of Extreme Precipitation to the Total Precipitation in China

Using daily precipitation data from weather stations in China, the variations in the contribution of extreme precipitation to the total precipitation are analyzed. It is found that extreme precipitation accounts for approximately one third of the total precipitation based on the overall mean for China. Over the past half century, extreme precipitation has played a dominant role in the year-to-year variability of the total precipitation. On the decadal time scale, the extreme precipitation makes different contributions to the wetting and drying regions of China. The wetting trends of particular regions are mainly attributed to increases in extreme precipitation; in contrast, the drying trends of other regions are mainly due to decreases in non-extreme precipitation.     

An assessment of monsoon precipitation changes during 1901�C2001

Changes of global land monsoon precipitation are assessed by using three sets of rain-gauge precipitation data for the period of 1901?C2002 compiled by GPCC, CRU and Dai-dataset, respectively. The three datasets show consistent long-term changes of precipitation over the monsoon region with slightly different amplitudes. During 1901?C2001, global land monsoon precipitation (GMI) exhibits multi-decadal variations, with an overall increasing trend from 1901 to 1955, followed by a decreasing trend up to 2001. The upward trends of global and Northern hemispheric land monsoon precipitation during 1901?C1955 are mainly resulted from the increased precipitation over the North African, Indian and East Asian monsoon domains. For the whole period of 1901?C2001, precipitation averaged over the Northern Hemisphere and global land monsoon areas both exhibit a decreasing trend although it is only statistically significant at the 5% level for the Northern Hemisphere. The robust decreasing trend of Northern hemispheric land monsoon precipitations during the twentieth century mainly comes from the downward trend of North African and eastern part of Indian monsoon precipitation and occurs mainly after the 1950s. The first leading mode of Empirical orthogonal function (EOF) analysis of precipitation annual range features a coherent change of North African, South Asian, Northeast China, southern South African, eastern Australian and western American monsoon, and a coherent change over the equatorial South African monsoon and eastern American monsoon. The corresponding principal component time series also indicate that the majority of global land monsoon precipitation has experienced an increasing tendency from 1901 to 1955 and a decreasing trend since the 1950s. Examination on the impact of station number change indicates a negligible influence on the results, especially after 1905.     

The relative contributions of radiative forcing and internal climate variability to the late 20th Century winter drying of the Mediterranean region

The roles of anthropogenic climate change and internal climate variability in causing the Mediterranean region’s late 20th Century extended winter drying trend are examined using 19 coupled models from the Intergovernmental Panel on Climate Change Fourth Assessment Report. The observed drying was influenced by the robust positive trend in the North Atlantic Oscillation (NAO) from the 1960s to the 1990s. Model simulations and observations are used to assess the probable relative roles of radiative forcing, and internal variability in explaining the circulation trend that drove much of the precipitation change. Using the multi-model ensemble we assess how well the models can produce multidecadal trends of realistic magnitude, and apply signal-to-noise maximizing EOF analysis to obtain a best estimate of the models’ (mean) sea-level pressure (SLP) and precipitation responses to changes in radiative forcing. The observed SLP and Mediterranean precipitation fields are regressed onto the timeseries associated with the models’ externally forced pattern and the implied linear trends in both fields between 1960 and 1999 are calculated. It is concluded that the radiatively forced trends are a small fraction of the total observed trends. Instead it is argued that the robust trends in the observed NAO and Mediterranean rainfall during this period were largely due to multidecadal internal variability with a small contribution from the external forcing. Differences between the observed and NAO-associated precipitation trends are consistent with those expected as a response to radiative forcing. The radiatively forced trends in circulation and precipitation are expected to strengthen in the current century and this study highlights the importance of their contribution to future precipitation changes in the region.     

陆面过程对全球变暖的响应及可能机制—基于CMIP3的多模式集合分析

利用“国际耦合模式比较计划” (Phase 3 of the Coupled Model Intercomparison Project, CMIP3) 12个模式对20世纪 (The Twentieth-Century Climate in Coupled Models, 20C3M) 和21世纪SRES (Special Report on Emissions Scenarios) A1B 情景下的模拟结果, 通过21世纪 (2001～2099年) 与20世纪 (1901～1999年) 陆面能量和水文变量的对比分析, 揭示了陆面过程对全球变暖响应的基本特征, 并探讨了其可能的响应机制。结果表明, 与20世纪相比, 21世纪全球陆面平均的表面温度、 地表净辐射、 潜热通量明显增加; 而感热通量有所减小。降水、 径流、 蒸发等地表水循环分量也表现出不同程度的增加, 而土壤含水量有减小趋势。通过分析近地层主要大气强迫变量与陆面变量之间的联系, 发现陆面能量平衡过程对全球变暖的响应主要受向下长波辐射和气温变化的影响, 而温度的变化对陆面水文过程的影响起决定性的作用。进一步分析表明, 陆面过程对全球变暖的响应存在明显的区域性差异, 陆面温度和感热对全球变暖响应最显著的区域位于北半球中高纬, 而净辐射和潜热对全球变暖的响应在亚洲中部和非洲大陆最显著。相对于20世纪, 21世纪主要是长波辐射和温度对陆面能量平衡过程的贡献重要。对于陆面水文过程, 径流和土壤含水量对全球变暖的响应在亚洲中部以及北美最显著。在全球变暖背景下, 21世纪相对于20世纪, 温度对陆面水循环的影响更加显著, 主要体现在北半球中纬度地区。     

三江源地区近50年降水变化分析

利用西北及三江源(黄河、金沙江及澜沧江)地区122个气象观测台站1956—2004年近50年的逐日降水量及月总降水量资料,分析了三江源地区降水变化特征。结果表明:近50年来三江源地区的年降水量呈减少趋势,减少幅度为6.73mm/10a;降水日数的趋势变化呈较为明显的减少趋势,递减率为2.7d/10a;平均降水强度总体呈弱的增强趋势,增强速率平均为0.20mm/d/10a,增强幅度比中国西北地区平均水平强;从4~9月最长无降水日数趋于增长反映出西北地区干旱化的趋势。     

1951-2005年中国区域气候变化与干旱化趋势

摘 要：利用1951-2006年中国区域160个站的月降水及月平均气温资料,对中国区域近56 a气候要素的变化及其与干旱化联系的事实进行了分析。结果表明：降水减少的地区主要位于我国北方的西北东部、华北及东北;在南方,西南的降水减少趋势与上述地区具有类似特征。气温基本为增温趋势,而西北东部及西南地区气温也在20世纪80年代发生转折性变化,由80年代中期以前的降温趋势转为其后的增温趋势。地表湿润指数分析的结果指出：我国西北东部、华北、东北及西南地区当前正处于一个干旱化过程,但不同地区干湿变化特征及干旱化的持续时间和位相却有差别。     

青藏高原及其周边地区降水的水汽来源变化研究进展

近几十年来,随着全球气候变暖,青藏高原降水整体呈现增加趋势,气候暖湿化趋势明显;与此同时,位于青藏高原东南缘的中国西南地区整体上呈现暖干化趋势,干旱事件频发。探讨青藏高原及其周边地区降水的水汽来源变化、揭示降水趋势性变化的原因已经成为当前研究热点。本文评述了近年来青藏高原降水的水汽来源研究,重点关注青藏高原变湿、西南地区变干的水汽来源变化原因以及青藏高原南北水汽来源差异,讨论了尚未解决的科学问题,展望了未来研究方向。现有研究表明,青藏高原以西的西风带控制区蒸散发贡献的水汽整体呈现减少趋势,青藏高原以南和以东的季风控制区蒸散发贡献的水汽整体呈现增加趋势,上述水汽源区贡献变化导致了青藏高原及其周边不同区域降水趋势性变化的差异。展望未来,水汽来源分析的模型和数据需要进一步验证及减少不确定性,青藏高原下垫面和蒸散发变化对周边地区降水的影响机制研究有待加强,全球变化与青藏高原降水水汽来源变化的关系尚需深入分析。     

中国区域1961~2010年降水集中指数(PCI)的变化及月分配特征

降水的年内变化(月分配和季节变化)对农作物生长、水资源利用及管理具有重要意义,同时也是增暖背景下水循环发生变化的关键过程之一。降水集中指数(PCI,Precipitation Concentration Index)能较好的表征降水的年内集中程度,被广泛应用于相关研究。本文利用中国583个站点1961~2010年的逐月降水和气温观测资料,对中国及各典型区域的PCI进行了计算分析,研究了PCI的气候特征、变化趋势、降水月分配变化及PCI与气温季节较差的关系。结果表明,我国PCI的气候态呈现出由东南向西北逐渐递增的空间分布格局。湿润区PCI在11~17之间,年内降水较为均匀;半湿润区PCI为17~24;半干旱区PCI在24~27之间;而干旱区PCI则由27至47不等,降水集中程度较高。除华南地区外,1961~2010年间全国大部分地区PCI均呈现显著的下降趋势,并于1980年前后发生跃变,降水集中程度大幅降低,其中西北西部地区PCI 下降速率最大,为－2.47 (10 a-1)。华南地区PCI的变化则具有明显的阶段性特征,2003年以前呈弱的下降趋势,但2003年PCI发生突变,降水集中程度大幅增加。对典型区域的比较发现,干旱半干旱区和青藏高原降水集中程度的降低主要表现在夏季降水占全年总降水量比例的减小;而湿润区PCI和降水月分配的变化则存在明显的区域性差异,其中西南地区8~12月降水占全年降水的比例减少,而长江中下游及华南地区春秋季降水占全年降水的比例减小,冬夏季降水所占比例增大。     

Intensified reduction in summertime light rainfall over mountains compared with plains in Eastern China

Based on daily rainfall data from 1960 to 2007, this study investigated the difference in rainfall trends between seven mountain stations and 21 nearby plain stations in eastern China for the months June–August. The amount and frequency of light rain (≤2.5 mm/day) over the mountain areas showed a greater decreasing trend than over the surrounding plain regions. The trend of light-rainfall frequency at mountain stations is ??4.8%/decade, approximately double that at plain stations (??2.3%/decade). The trend in light-rainfall amount at mountain stations is ??5.0%/decade, approximately three times that at plains station (??1.4%/decade). Reduced wind speed may explain the enhanced decrease in light rainfall over mountain areas through the weakened orographic lifting. Further study is needed to determine whether the precipitation difference between mountain and plain (urban) regions is exacerbated by air pollution in East China through its indirect effects and influence on regional air stability and wind speed.     

Extreme climate events in China: IPCC-AR4 model evaluation and projection

Observations from 550 surface stations in China during 1961–2000 are used to evaluate the skill of seven global coupled climate models in simulating extreme temperature and precipitation indices. It is found that the models have certain abilities to simulate both the spatial distributions of extreme climate indices and their trends in the observed period. The models’ abilities are higher overall for extreme temperature indices than for extreme precipitation indices. The well-simulated temperature indices are frost days (Fd), heat wave duration index (HWDI) and annual extreme temperature range (ETR). The well-simulated precipitation indices are the fraction of annual precipitation total due to events exceeding the 95th percentile (R95T) and simple daily intensity index (SDII). In a general manner, the multi-model ensemble has the best skill. For the projections of the extreme temperature indices, trends over the twenty-first century and changes at the end of the twenty-first century go into the same direction. Both frost days and annual extreme temperature range show decreasing trends, while growing season length, heat wave duration and warm nights show increasing trends. The increases are especially manifested in the Tibetan Plateau and in Southwest China. For extreme precipitation indices, the end of the twenty-first century is expected to have more frequent and more intense extreme precipitation. This is particularly visible in the middle and lower reaches of the Yangtze River, in the Southeast coastal region, in the west part of Northwest China, and in the Tibetan Plateau. In the meanwhile, accompanying the decrease in the maximum number of consecutive dry days in Northeast and Northwest, drought situation will reduce in these regions.