近30多年江淮流域极端气温指数的时空变化分析:站点观测和再分析的对比

利用1979—2011年江淮流域的区域站点、NCEP/DOE和ERA-Interim再分析资料中的逐日最高、最低气温资料集,对比分析了近33 a江淮流域极端气温指数的时空变化特征,对再分析资料的再现能力进行检验和评估。结果表明:(1)近33 a来大部分极端气温指数及其趋势系数的空间分布都表现出南北向梯度分布特征,而极端最高、最低气温的极值区分布在长江三角洲地区;(2)夏日指数、作物生产指数、极端最高、极端最低、暖期长度指数和高百分位指数在年际变化中均有上升趋势,而且多次出现异常低值和异常高值;近10多年来,极端气温频率指数和百分位指数的年际变化趋势有所减缓;(3)月最高气温在近30 a中不断被突破,最低气温不断上升,而且高温天气日数也在不断增加,但低温日数逐渐减少;(4)再分析资料能较合理地再现大部分极端指数的时空变化和线性趋势特征,ERA-Interim比NCEP/DOE具有更好的再现能力。     

1971~2020年藏东南极端降水指数的时空变化特征

基于1971~2020年藏东南4个气象站逐日降水量资料,选取最大1日降水量（RX1day）、最大5日降水量（RX5day）、降水强度（SDII）、中雨日数（R10mm）、大雨日数（R20mm）、连续干燥日数（CDD）、连续湿润日数（CWD）、强降水量（R95pTOT）、极强降水量（R99pTOT）和年总降水量（PRCPTOT）共10个极端降水指数,采用线性趋势、Mann-Kendall非参数检验、R/S趋势分析、Morlet小波等方法,分析了藏东南极端降水指数的时空变化特征及其与大气环流指数、太阳黑子、海温指数之间的关系。结果表明:1971~2020年藏东南各极端降水指数变化幅度不大;RX1day、R20mm、CWD、R95pTOP、PRCPTOP呈下降趋势,尤其是近30 a（1991~2020年）PRCPTOP减幅显著,达?38.43 mm·10a?1;其他指数趋于增加,以CDD增幅最大（1.31 d·10a?1）。年代际变化尺度上,极端降水指数在20世纪90年代为正距平,21世纪前10年为负距平。极端降水指数的Hurst指数大多表现为较强或强持续性,未来将保持近50 a以来的变化趋势,仅CDD在2002年发生了气候突变。极端降水指数大多存在显著的3~4 a振荡周期。除CDD、CWD外,其他极端降水指数之间具有显著的正相关关系;而各极端降水指数均与年降水量、汛期降水量存在显著的相关性。多个极端降水指数与大气环流指数的相关性不显著,只有RX1day、RX5day、R95pTOT与亚洲极涡面积指数有显著的负相关,RX5day还与西太平洋副高强度指数有显著的正相关。绝大多数极端降水指数与太阳黑子的相关性不显著,仅有CWD与之有显著的正相关。RX5day、PRCPTOT和CDD与赤道太平洋次表层海温指数存在显著的相关关系。RX5day与印度洋暖池面积和强度指数存在显著的正相关,CWD与西太平洋暖池面积指数为显著的负相关。      

1971—2020年金华地区极端降水变化特征

利用浙江省7个国家气象站逐日降水数据和8个极端降水气候指数,应用线性拟合、Mann Kendall检验、小波分析和反距离权重插值等方法,分析1971—2020年金华地区极端降水指数时空分布特征。结果表明：金华地区除了持续干期（CDD）呈下降趋势外,年降水量（PRCPTOT）、平均日降水强度（ISDII）、强降水量（R95p）、极强降水量（R99p）、最大1 d降水量（Rx1day）、暴雨日数（R50）和持续湿期（CWD）均呈逐渐增大趋势。金华地区极端降水指数具有一定的周期性和突变特征,PRCPTOT、ISDII、R50、Rx1day、R95p和R99p第一主周期为23—25 a;CDD和CWD周期较短,第一主周期分别为2 a和4 a。PRCPTOT、ISDII、R95p和R50突变主要出现在21世纪初,Rx1day和R99p主要出现在20世纪80年代和21世纪初,均是由相对偏少期突变为相对偏多期。ISDII和CDD空间分布表现为东北部大于西南部外,除此之外的6个指数总体表现为西部大于东部。     

未来气候变化对西南地区地质灾害的可能影响

本研究利用区域气候模式RegCM4提供的RCP8.5(高排放)和RCP4.5(中排放)情景下的逐日平均气温和降水量,计算并分析了西南地区21世纪不同阶段平均气温、平均降水、连续干旱日数(CDD)、> 20mm的降水日数(R20mm)、连续5天最大降水量(Rx5day)和单日降水强度指数(SDII)相对于参照期(1986～2005年)的变化特征,进而定性地给出未来气候变化对西南地区地质灾害的可能影响。结果表明:未来西南地区因平均气温升高、平均降水量变化、持续干旱变化、强降水变化、降水集中程度变化和单日降水强度变化将导致地质灾害发生的可能性增大,但诱因不同、影响区域有差异;另外温室气体浓度越高,平均气温、平均降水以及相关极端指数相对于基准期变幅基本上都越大,相关地质灾害风险增加的可能性也越大。      

CMIP6全球气候模式对中亚极端降水模拟能力的评估

本文基于NOAA再分析逐日降水数据和22个CMIP6模式的降水模拟数据,选取了6个极端降水指数,从气候态和相对变率两个角度对CMIP6模式在中亚地区极端降水方面的模拟能力开展了评估。结果表明,在气候态方面,中亚地区降水的空间分布表现为由西南向东北递增,其东南部山地迎风侧降水偏多;多模式集合对SDII(简单降水强度)和CDD(最大无雨期)模拟的平均误差分别为-5.43%和0.45%,对PRCPTOT(年总降水量)、R1mm(有雨日数)、Rx5day(最大连续五日降水)和CWD(最大雨期)的模拟结果存在明显高估,且在中亚东南部高海拔地区误差偏高。在相对变率方面,多模式集合模拟的中亚极端降水的相对变率偏小,其中对CWD的模拟效果相对较好,平均误差为-4.78%;对R1mm的模拟效果最差,平均误差为-36.16%。模式间进行比较,TaiESM1、EC-Earth3-Veg-LR和GFDL-ESM为22个CMIP6模式中模拟能力最好的前3个模式。     

近60年来中国主要流域极端降水演变特征

在全球增暖背景下,中国极端降水事件及洪涝、干旱等次生灾害近年来频发,严重影响生态系统、人民的生产生活和社会经济发展。本文基于气候变化检测和指数专家组（ETCCDI）定义的10个降水指数,利用中国台站日降水资料,系统分析了1961～2017年中国及九大流域片降水变化情况,并利用空间场显著性检验考察不同降水指数的显著变化是否与外强迫作用有关。结果表明,各降水指数的变化具有区域性特征。整体而言,全国范围内平均降水、降水强度、极端强降水和连续性强降水呈增强趋势的台站数多于呈减弱趋势的台站数,呈显著增强趋势的台站占比不可能仅由气候系统内部变率引起,还受到外强迫的影响。此外,中国大部分站点连续干旱日数（CDD）减少,观测中CDD呈显著减弱趋势的台站占比也与外强迫作用有关。九大流域片中,内陆河片能够观测到平均降水、降水强度、极端强降水和连续性强降水的增多以及连续干旱日数的减少,有洪涝灾害增多的风险,且上述变化可归因为外强迫的作用。长江流域片、东南诸河片和珠海流域片平均降水、极端强降水和连续性强降水均增强,其中强降水的变化与外强迫作用有关。西南诸河片极端强降水增强,但大部分站点CDD呈增加趋势,有干旱增加的风险。黄河流域片、海河流域片、淮河流域片及松辽河流域片的大部分站点及区域平均结果中,降水指数多无显著变化趋势。增暖背景下,不同流域片呈现出不同的降水变化特征,将面临不同的气候灾害风险。     

不同时间尺度下中国东部夏季最高温度观测与再分析资料的比较

利用中国气象局中国气象数据网提供的地面观测资料集及JRA-55、ERA-Interim、NCEP/NCAR和NCEP/DOE四种再分析资料集的日最高温度资料,运用线性分析、方差分析、EOF分析和滤波等方法,对1979—2013年中国东部地区夏季不同再分析资料和观测资料日最高温度的多时间尺度特征进行对比分析。结果表明:夏季最高温度多年平均由南向北逐渐降低,长江以南在30℃以上,JRA-55对东部地区夏季日最高温度的多年平均特征的再现能力较优;近35年东部地区夏季日最高温度整体呈增长趋势,长江中下游以及内蒙古东部地区增长趋势明显;再分析资料对最高温度长期变化特征的再现能力在不同地区各有优劣,JRA-55略优于其他资料。夏季最高温度空间上以长江中下游以南与其以北地区反位相变化为其主要特征,其中ERA-Interim的空间分布特征与观测资料较为相似,其次为NCEP/DOE;时间变化则以年际变化为主,ERA-Interim的年际变化特征最接近观测资料。JRA-55、NCEP/NCAR以及NCEP/DOE在21世纪之后变化特征与观测资料较为相似,表现为振幅减弱而后回升的趋势;在季节内尺度上,夏季日最高温度主要周期为20~60天,其方差贡献在云贵、东北地区以及甘肃东部、陕西一带较大,再分析资料对季节内时间尺度的再现能力由高到低依次为JRA-55、ERA-Interim、NCEP/DOE、NCEP/NCAR。     

基于RegCM4模式的我国西南地区极端降水变化预估研究

基于5个全球气候系统模式结果驱动的高分辨率区域气候模式(RegCM4)模拟输出,系统评估了RegCM4模式对中国西南地区极端降水变化的模拟性能,并科学预估了中国西南地区极端降水的未来演变特征。结果表明,RegCM4模式能合理再现西南地区极端降水变化特征,但模拟的四川中部的湿偏差较大而四川盆地干偏差较大;进行偏差校正后,模拟性能有所提升,对西南地区极端降水模拟偏差有所减小。相较于当代气候(1986—2005年),就区域平均而言在21世纪(2021—2098年),有效降水总量(Prcptot)、强降水日数(R10 mm)、日最大降水量(Rx1day)和极端降水量(R95p)都明显增加;在RCP4.5和RCP8.5情景下,Rx1day和R95p在西南大部分地区增多,到21世纪末RCP4.5情景下增加幅度分别为16.0％和12.6％;Prcptot和R10 mm未来变化存在一定的区域差异,但Prcptot和R10 mm变化在空间上较为相似,在云南南部和四川盆地地区呈现减少趋势,其余地区增加明显;且RCP8.5高排放情景的变化幅度明显大于RCP4.5情景。     

广元市降水特征及变化趋势分析

为揭示广元极端降水的变化趋势,利用1961~2015年逐时和逐日降水数据分析广元降水特征和极端降水事件变化。结果表明,广元降水总量年际变化不明显,小时降水越来越极端;在02~06时,小时降水量呈增加趋势,苍溪和青川降水年际倾向率日变化为单峰单谷型,旺苍、广元和剑阁为双峰单谷型。广元市大部分地区短时强降水次数逐年增加,在1980s和2000年后有明显增加,特别是1980s的旺苍站,增幅达到71%;广元小时及日降水最大值有增加趋势。1961~2015年,日降水量≥25mm天数(R25mm)、日降水强度(SDⅡ)和极端降水量(R95)的年际倾向率分别为0.0558d·a~(-1)、0.0168mm·d~(-1)·a~(-1)和0.5998mm·a~(-1),而持续降水日数(CWD)则以-0.0202d·a~(-1)的速率减少,广元每年降水的持续天数在减少,但降水情况越来越极端。     

近53年江淮流域梅汛期极端降水变化特征

基于1961—2013年江淮流域梅汛期（6—7月）逐日降水资料,利用百分位法确定极端降水阈值,对江淮流域梅汛期极端降水的时空分布及突变特征进行分析,结果表明：95%分位极端降水阈值多在50 mm以上,大值中心主要位于湖北东部到安徽南部一带;平均极端降水强度与阈值大小的空间分布相似。极端降水量和极端降水日数整体呈现由安徽南部向四周递减的空间分布特征,极端降水量约占梅汛期降水总量的1/4~1/3。从季节内分布上看,极端强降水站次在梅汛期呈单峰型分布,各候间差异明显,其中6月第5候到7月第2候最多。极端降水量、极端降水日数以及极端降水量占梅汛期总降水量百分比均具有明显的年际变化,且上升趋势显著;江淮流域梅汛期极端降水量和极端降水站次的这种上升趋势均在1980年发生突变。     

Simulation of extreme precipitation indices in the Yangtze River basin by using statistical downscaling method (SDSM)

In this study, the applicability of the statistical downscaling model (SDSM) in modeling five extreme precipitation indices including R10 (no. of days with precipitation ≥10?mm?day^?1), SDI (simple daily intensity), CDD (maximum number of consecutive dry days), R1d (maximum 1-day precipitation total) and R5d (maximum 5-day precipitation total) in the Yangtze River basin, China was investigated. The investigation mainly includes the calibration and validation of SDSM model on downscaling daily precipitation, the validation of modeling extreme precipitation indices using independent period of the NCEP reanalysis data, and the projection of future regional scenarios of extreme precipitation indices. The results showed that: (1) there existed good relationship between the observed and simulated extreme precipitation indices during validation period of 1991–2000, the amount and the change pattern of extreme precipitation indices could be reasonably simulated by SDSM. (2) Under both scenarios A2 and B2, during the projection period of 2010–2099, the changes of annual mean extreme precipitation indices in the Yangtze River basin would be not obvious in 2020s; while slightly increase in the 2050s; and significant increase in the 2080s as compared to the mean values of the base period. The summer might be the more distinct season with more projected increase of each extreme precipitation indices than in other seasons. And (3) there would be distinctive spatial distribution differences for the change of annual mean extreme precipitation indices in the river basin, but the most of Yangtze River basin would be dominated by the increasing trend.     

Tropical cyclone genesis potential index over the western North Pacific simulated by CMIP5 models

Tropical cyclone(TC) genesis over the western North Pacific(WNP) is analyzed using 23 CMIP5(Coupled Model Intercomparison Project Phase 5) models and reanalysis datasets. The models are evaluated according to TC genesis potential index(GPI). The spatial and temporal variations of the GPI are first calculated using three atmospheric reanalysis datasets(ERA-Interim, NCEP/NCAR Reanalysis-1, and NCEP/DOE Reanalysis-2). Spatial distributions of July–October-mean TC frequency based on the GPI from ERA-interim are more consistent with observed ones derived from IBTr ACS global TC data. So, the ERA-interim reanalysis dataset is used to examine the CMIP5 models in terms of reproducing GPI during the period 1982–2005. Although most models possess deficiencies in reproducing the spatial distribution of the GPI, their multimodel ensemble(MME) mean shows a reasonable climatological GPI pattern characterized by a high GPI zone along 20?N in the WNP. There was an upward trend of TC genesis frequency during 1982 to 1998, followed by a downward trend. Both MME results and reanalysis data can represent a robust increasing trend during 1982–1998, but the models cannot simulate the downward trend after 2000. Analysis based on future projection experiments shows that the GPI exhibits no significant change in the first half of the 21 st century, and then starts to decrease at the end of the 21 st century under the representative concentration pathway(RCP) 2.6 scenario. Under the RCP8.5 scenario, the GPI shows an increasing trend in the vicinity of20?N, indicating more TCs could possibly be expected over the WNP under future global warming.     

7个IPCC AR4模式对中国地区极端降水指数模拟能力的评估及其未来情景预估

利用中国区域550个站点1961～2000年日降水量资料, 考察参与政府间气候变化委员会(IPCC)第四次评估报告的7个新一代全球模式及多模式集合对现代气候情景下(20C3M)5个极端降水指数的模拟能力, 同时进行中国区域未来不同排放情形下极端降水事件变化的预估, 结果表明: 最新全球模式能较好地模拟出极端降水指数气候场的空间分布及其中国区域的线性趋势, 且模式集合模拟能力优于大部分单个模式, 但在青藏高原东侧、 高原南部存在虚假的极端降水高值区, 模拟的东部季风区的极端降水强度系统性偏低, 区域平均序列年际变率的模拟能力也较低。中国地区21世纪与降水有关的事件都有趋于极端化的趋势, 极端降水强度可能增强, 干旱也将加重, 且变化幅度与排放强度成正比。     

利用多种再分析资料对比分析青藏高原夏季大气水汽含量变化情况

利用ERA-Interim、MERRA和NCEP/NCAR三套再分析资料,分析1979~2014年夏季青藏高原大气水汽含量的时空变化特征,同时对比了各套资料异同点,结果表明:(1) ERA-Interim和MERRA资料均显示出夏季青藏高原大气水汽含量呈现显著的上升趋势,在1994~1995年前后发生明显突变,大气水汽含量由偏低时期向偏高时期转变;而NCEP/NCAR资料并没有出现类似的显著上升趋势和突变年份;ERA-Interim资料与MERRA资料的夏季青藏高原湿池指数之间的相关性明显强于NCEP/NCAR资料与它们任何一个之间的相关性。(2)夏季青藏高原大气水汽含量呈现出自高原东南边缘地区向西北部递减的分布形式。其中,MERRA与ERA-Interim资料显示的水汽含量分布更为相似,而NCEP/NCAR资料反映的水汽含量在高原中部往北递减不明显,湿度中心较为分散。(3)从空间分布上,MERRA与ERA-Interim资料显示青藏高原大部分地区夏季水汽含量均呈显著的增加趋势,而NCEP/NCAR资料仅在高原东北部小部分区域存在显著的增加趋势。(4)从夏季青藏高原大气水汽含量的年际变化特征分析来看,ERA-Interim和MERRA资料相对于NCEP/NCAR资料也更为接近。      

Comparison of surface variables from ERA and NCEP reanalysis with station data over eastern China

This study compared precipitation, mean air temperature (MAT) and mean sea level pressure (MSLP) from two widely used reanalysis datasets (ERA-40 and NCEP) with those from observed stations across eastern China. The evaluation was based on a comparison of both temporal and spatial variability and included several assessment criteria such as the mean values, normalized root mean square error, Mann–Kendall test, empirical orthogonal functions (EOFs) and probability density functions. The results showed that both the ERA-40 and NCEP datasets could capture temporal and spatial variability of the observed precipitation, MAT and MSLP over eastern China. The results showed that the two reanalysis datasets performed better for MAT and MSLP than for precipitation. Overall, the two reanalysis datasets revealed reasonable agreement with observations according to the evaluation. ERA-40 was better at capturing the temporal and spatial distributions for these three variables than NCEP, especially for MAT and MSLP. NCEP tended to overestimate the annual precipitation for both mean and extreme values, while ERA-40 tended to underestimate it, particularly for extreme values. The two reanalysis datasets performed better in the east and northeast regions of the study area than in other regions for capturing the temporal variability of MAT and MSLP. ERA-40 was poor at capturing the temporal variability of precipitation in northeastern China. According to the trend analysis, the two reanalysis datasets showed lower trends for MAT and precipitation and higher trends for MSLP. Both ERA-40 and NCEP had larger explained variances for the first two EOFs than the observed precipitation. This implies that both reanalysis datasets tend to simulate a more uniform spatial distribution for precipitation in the study area.     

华东地区极端降水动力降尺度模拟及未来预估

利用CMIP5（Coupled Model Intercomparison Project Phase 5）数据集中的全球模式IPSL-CM5A-LR及其嵌套的区域气候模式WRF（Weather Research and Forecasting）,分别评估了模式对1981~2000中国华东区域极端降水指标的模拟能力,并讨论了RCP8.5排放情景下21世纪中期（2041~2060年）中国华东极端降水指标的变化特征。相比驱动场全球气候模式,WRF模式更好地再现了各个极端指数空间分布及各子区域降水年周期变化。在模拟区域气候特点方面,WRF模拟结果有所改进,并在弥补全球模式对小雨日过多模拟的缺陷起到了明显的作用。21世纪中期,华东区域的降水将呈现明显的极端化趋势。WRF模拟结果显示年总降雨量、年大雨日数、平均日降雨强度在华东大部分区域的增幅在20%以上;年极端降雨天数、连续5 d最大降水量的增幅在华东北部部分区域分别超过了50%和35%,同时最长续干旱日在华东区域全面增加;且变化显著的格点主要位于增加幅度较大的区域。未来华东区域会出现强降水事件和干旱事件同时增加的情况,降水呈现明显的极端化趋势,且华东北部极端化强于华东南部。