CMIP5模式对未来30a新疆夏季降水的预估

选用参与气候变化政府间合作委员会(IPCC)第5次评估报告的25个气候耦合模式(CMIP5),基于GPCP(Global Precipitation Climatology Project)降水资料,采用多种统计方法,综合评估模式历史试验对1979—2005年新疆夏季降水的模拟能力,优选出模拟性能较好的模式,进而利用其RCP8.5排放路径下的模拟结果来预估未来30 a(2021—2050年)新疆夏季降水的变化。从气候平均场和年际变率来看,25个CMIP5模式的模拟性能差异显著,部分模式可模拟出新疆夏季降水的主要空间分布特征,如伊犁河谷地区的降水中心以及南疆和东疆地区的少雨区。从优选出的9个模式的集合平均结果来看,对南疆西部山区与昆仑山北侧地区降水强度和范围模拟偏强,对年际变率的模拟偏弱,但其降水的空间分布与观测比较一致,可较准确地捕捉到高、低值中心,空间相关性也较好。因此,利用该集合平均结果对未来新疆降水进行预估是可信的。预估结果表明:(1)未来30 a北疆大部分地区和东疆部分地区夏季降水略微减少,伊犁河谷和南疆大部分地区显著增多,且增幅中心出现在南疆西部和昆仑山北侧地区;(2)山区年际变率较其他地区明显,且伊犁河谷、南疆西部和昆仑山北侧地区的年际变率呈现逐渐增大趋势;(3)降水变化与500 hPa环流配置异常密切相关,北疆地区偏南气流加强,表现为反气旋性环流,南疆地区偏东气流加强,表现为气旋性环流,因而导致未来新疆地区夏季降水南增北减。     

基于BP-CCA统计降尺度的中亚春季降水的多模式集合模拟与预估

利用中亚地区30个观测台站逐月降水资料及同期ERA-40再分析资料,结合8个CMIP5全球气候模式模拟与未来预估大尺度环流场,使用基于变形典型相关分析的统计降尺度方法（BP-CCA）建立降尺度模型,评估多个气候模式对当前气候下中亚地区春季降水的降尺度模拟能力,并对春季降水进行降尺度集合未来预估。结果表明,建立的降尺度模型能够很好地模拟出交叉检验期内春季降水的时间变化和空间结构：降尺度春季降水与相应观测序列的平均时间相关系数为0.35,最高为0.62,平均空间相关系数为0.87。气候模式对中亚春季降水的模拟能力通过降尺度方法得到了显著提高：8个模式降尺度后模拟的降水气候平均态相对误差绝对值降至0.2%—8%,相比降尺度前减小了10%—60%,模拟的降水量场与相应观测场的空间相关均超过0.77;对比降尺度前多模式集合结果,多模式降尺度集合模拟的相对误差绝对值由64%减小至4%,空间相关系数由0.47增大至0.81,标准化均方根误差降至0.59,且多模式降尺度集合结果优于大部分单个模式降尺度结果。多模式降尺度集合预估结果表明,在RCP4.5排放情景下,21世纪前期（2016—2035年）、中期（2046—2065年）和末期（2081—2100年）的全区平均降水变化率分别为-5.3%、3.0%和17.4%。21世纪前期中亚大部分地区降水呈减少趋势,降水呈增多趋势的站点主要分布在南部。21世纪中期整体降水变化率由减少变为增多趋势,21世纪末期中亚大部分台站降水增多较为明显。21世纪初期和末期可信度高的台站均主要位于中亚西部地区。     

降尺度CMIP6模式对新疆降水模拟评估

基于6个CMIP6模式的日降水量数据,采用降尺度方法将其统一分辨率到0.25°×0.25°,选取5个极端降水指数从降水气候态、极端性、季节性三个角度对新疆区域1961—2014年历史期降水模拟效果评估。结果表明,降尺度CMIP6模式能较好再现新疆区域降水的空间分布特征,最大年均降水量误差小于30 mm,夏季降水模拟效果最佳相关系数均高于0.8。模式在春秋季对降水的模拟效果差异较小,标准差比值均在1.00 ~ 1.25之间,ACCESS-CM2模拟效果最佳。模式集合均值能模拟出观测降水增多趋势,但低估了降水的年际变率,模拟结果提示新疆80年代的降水转折可能与人类活动有关。在降水极端性和季节性方面,降尺度数据对新疆的极端降水和季节性降水均有较好的模拟性能,降尺度数据对季节性降水的模拟能力（与观测均值误差小于0.001）比原始分辨率的数据（与观测误差大于0.005）效果更好。     

新疆夏季降水的环流差异分析

基于1961—2015年夏季6—8月NCEP/NCAR再分析数据和新疆81站逐月降水数据,分析了北疆和南疆夏季降水协同变化和单独变化时的环流差异。结果表明,当新疆夏季降水整体偏多时,中亚上空的异常气旋将阿拉伯海的水汽输送至新疆,西亚副热带急流位置南偏。当南疆夏季降水偏多,北疆夏季降水偏少时,中亚异常气旋南偏,至40°N以南,水汽由阿拉伯海和西北太平洋输送至南疆,急流位置南偏。当北疆夏季降水偏多,南疆夏季降水偏少时,中亚为异常的反气旋,北疆上空存在异常的气旋式切变,水汽由西北太平洋输送至北疆,急流位置北偏,强度加强。当南疆(北疆)夏季降水单独偏多时,中亚40°N以南为异常气旋(反气旋),以北为异常反气旋(气旋),急流位置南偏,水汽由阿拉伯海输送至南疆(北疆)。     

新疆夏季降水和冬季气温预测方法及效果评估

本文利用4个国内外先进的气候模式（国家气候中心、ECMWF、NCEP和JMA）业务预测数据,采用2种多模式集合方法（等权平均和超级集合）、3种降尺度方法（BP-CCA、EOF迭代、高相关回归集成）和3种统计方法（CCA、最优气候值、高相关回归集成）以及降尺度集成和降尺度-统计方法集成,分析了目前季节模式、多模式集合、降尺度、统计方法、降尺度-统计集合等目前常用气候预测技术对新疆夏季降水和冬季气温的业务预测能力。 研究表明,以上技术方法对新疆夏季降水和冬季气温的预测预测能力有较大差别。目前先进的气候业务模式的预测技巧普遍很低,多模式超级集合和降尺度方法的技巧常高于单个模式,并且最佳的降尺度方法通常技巧高于最佳多模式集合方法。同时,统计方法和降尺度方法的预测技巧通常较为接近,而对二者进行超级集合可以具有相对很高的预测技巧。此外,现有常用气候预测技术方法对新疆夏季降水和冬季气温的趋势有一定的预测能力,但对气候异常的空间分布基本无预测能力。建议新疆气候预测技术围绕统计和降尺度方法集合发展。     

中国东部夏季降水与东亚垂直环流结构及其预测试验

本文在分析中国东部夏季降水的时空分布特征基础上, 从东亚高、中、低层大尺度环流异常着手, 选取对中国东部夏季降水异常有显著影响的大气环流预报因子, 分别应用逐步回归和最优子集回归法两种统计降尺度方法, 以动力气候模式CAM3.1预报输出的大气环流预报因子为基础, 以中国东部夏季降水的典型空间分布型为预报对象, 建立动力与统计相结合的中国东部夏季降水预测模型, 并对1981～2000年的中国东部夏季降水进行回报试验。结果表明: 中国东部夏季降水具有4类典型的空间分布型式, 且具有显著的准2年和年代际尺度振荡周期; 东亚高、中、低层大气环流异常的特定配置, 对东部夏季降水的空间分布型有显著影响; 使用两种降尺度方案建立的动力与统计相结合的预测模型对中国东部夏季降水异常具有一定的预报技巧, 可以在一定程度上提高动力模式对中国东部夏季降水的预报效果。     

多模式集合优选方案在淮河流域夏季降水预测中的应用

基于国家气候中心提供的1981—2010年4种季节气候预测模式的资料,将两种互为补充的降尺度因子挑选方案应用于淮河流域夏季降水预测,利用距平符号一致率ASCR、等级评定PG、距平相关系数ACC方法,评定了每种模式及其所采用的两种降尺度方法对淮河流域夏季降水的预测效果,并采用了一种优选方案进行多模式集合。结果表明,从4种模式的降水预测效果来看,NCEP_CFSv2和TCC_CPS1模式的评分较高,NCC_CGCM1和ECMWF_SYSTEM4模式相对较低;采用2种基于最优子集回归的降尺度方法后,NCC_CGCM1、TCC_CPS1和ECMWF_SYSTEM4模式的降尺度方法相对于模式降水预测为正订正,NCEP_CFSv2模式为负订正;将模式和降尺度预测方案进行优选,其集合平均的评分不仅高于模式降水预测的集合平均,也优于降尺度方法的集合平均,该方法发挥了不同模式的区域性优势,改进了原始集合平均的效果,为提高多模式解释应用水平提供了一种参考性方案。      

一种基于全球动力模式和SMART原理结合的统计降尺度区域季节气候预测方法

针对江苏夏季旱涝和高温热浪等异常气候的预测难题，以江苏夏季站点降水和气温为预测目标，建立了一种基于全球动力模式BCC_CSM1.1（m）和最优可预测气候模态和异常相对倾向（SMART）原理结合的统计降尺度季节气候预测方法。利用历史观测资料和SVD方法提取决定中国夏季降水异常相对倾向的同期热带地区向外长波辐射（Outgoing Longwave Radiation，OLR）和北半球中高纬500 hPa位势高度场异常相对倾向的最优可预测气候模态，并利用逐步回归法构建其与同期江苏站点降水和气温异常相对倾向同期关系的统计降尺度模型；将动力模式对最优可预测气候模态的预测带入统计降尺度模型，实现对区域降水和气温异常相对倾向的预测；最后通过引入观测的近期背景异常实现对降尺度的降水和气温总距平的预测。通过对1991—2019年江苏夏季降水和气温的回报检验表明，本文建立的统计降尺度模型效果较BCC_CSM1.1（m）动力模式的直接预测效果有显著提高，为区域精细化季节气候预测提供了一种有效的手段。     

黄淮地区夏季降水的统计降尺度预测

利用1991-2011年黄淮地区夏季降水、NCEP/NCAR再分析资料和国家气候中心第2代动力气候模式（BCC_CSM1.1m）夏季回报结果,研究黄淮地区夏季降水降尺度预测模型和可预报性来源。诊断发现,黄淮地区夏季降水与同期南亚高压、乌拉尔山附近阻塞高压、西风急流、西太平洋赤道上空200 hPa纬向风场呈明显正相关。分析BCC_CSM1.1m对夏季环流的回报结果发现,模式对200 hPa和500 hPa位势高度场、200 hPa纬向风场和850 hPa经向风场上影响黄淮地区夏季降水的部分关键区域有较好的模拟能力。利用模式预报技巧较高且对黄淮地区夏季降水的影响有物理含义的环流特征作为预测因子,对比预测因子进行独立性筛选前后分别建立的降尺度预测模型发现,黄淮地区夏季降水预测与实况的距平符号一致率由61%提高到72%。预测技巧来源分析发现,降尺度预测能力与BCC_CSM1.1m对影响黄淮地区夏季降水的3个关键因子乌拉尔山附近环流、南亚高压、西太平洋赤道上空西风强弱的预测技巧密切相关,尤其是模式对西太平洋赤道上空西风的模拟能力起到决定性作用。     

FGOALS/RegCM动力降尺度对南亚夏季气候变化的预估

基于CORDEX计划的试验设计,利用区域气候模式Reg CM3对全球模式FGOALS-g2在RCP8.5情景下的预估结果进行动力降尺度,预估了南亚地区未来近期(2016~2035年)和远期(2080~2099年)的夏季气候变化特征。结果显示,未来两个时段的气候变化空间分布类似,只是远期的变化幅度更大。具体表现为:高低空急流减弱,低空急流中心向北移动。南亚地区整体降水减少,但其北部降水显著增加。降水变化的空间分布主要受降水频率的控制,且降水频率随强度分布的变化表现出明显的地域差异。降水的未来变化特征与水汽输送的变化有密切联系。在区域模式中,受低空急流减弱和北移的影响,水汽输送减弱,对应降水减少。而在全球模式中,虽然季风环流也在减弱,但可降水量增加起主导作用,使得预估的水汽输送增强、降水量增加。     

2017-2019年南疆西部和昆仑山北坡大气可降水量变化特征

基于2017-2019年南疆地基GPS大气可降水量（下文简称“GPS-PWV”）、常规探空水汽廓线计算的大气可降水量（下文简称“RS-PWV”）和逐时降水资料，统计分析南疆西部和昆仑山北坡GPS-PWV时空变化特征、夏季不同海拔高度不同降水量级下GPS-PWV变化与实际降水的对应关系。结果表明：（1）南疆西部和昆仑山北坡GPS-PWV与RS-PWV，二者具有符合预期的很高的相关性。（2）不同海拔高度站点GPS-PWV空间分布差异明显，大部分站点GPS-PWV随海拔高度的增加而降低。（3）各站点GPS-PWV逐月变化均呈单峰型，冬季12月或1月最小，夏季7、8月最大；春、夏季各站GPS-PWV距平日变化为单峰型，秋、冬季GPS-PWV距平日变化除秋季乌恰站、若羌站为单峰型外，其它均为三峰或四峰型。（4）各站有、无降水时PWV平均值差异明显，昆仑山北坡差异更大；降水发生前GPS-PWV已开始上升，南疆西部PWV峰值主要出现在降水前0～1 h，昆仑山北坡PWV峰值主要出现在降水前0～3 h和7～9 h。     

中国夏季降水的组合统计降尺度模型预测研究

现阶段的动力气候模式尚不能满足东亚区域气候预测的实际需求,这就需要动力和统计相结合的方法,将动力模式中具有较高预测技巧的大尺度环流信息应用到降水等气象要素的统计预测模型当中,以改善后者预测效果。本文中所介绍的组合统计降尺度模型,可将动力气候模式预测的大尺度环流变量和前期观测的外强迫信号作为预测因子来预测中国夏季降水异常。交叉检验结果显示,组合统计降尺度预测模型的距平相关系数较原始模式结果有较大提高。在实时夏季降水预测中,2013～2018年平均的预测技巧相对较高,趋势异常综合检验（PS）评分平均为71.5分,特别是2015～2018年平均的PS评分预测技巧达到72.7分,总体上高于业务模式原始预测和业务发布预测的技巧。该组合统计降尺度模型预测性能稳定,为我国季节预测业务提供了一种有效参考。     

夏季东天山中段一次强对流天气过程的数值模拟

利用常规气象观测资料、区域自动站观测资料和FY-2D卫星逐时TBB资料,采用WRF中尺度数值模式,对2011年夏季发生在东天山中段一次强对流天气过程进行数值模拟和诊断分析,研究了天山特殊地形对降水过程的动力结构、水汽输送和云降水微物理机制的影响。结果表明,西风气流东移时受东天山的阻挡,气流从东天山南北两侧绕流,北侧急流经博尔塔拉谷地越过北天山西段后,急流右侧气流反气旋转向形成北支气流;南侧急流遇吐鲁番地区反气旋系统阻挡而转向北进形成南支气流。两支气流受地形动力抬升在东天山中段北坡汇合,为此区域局地强对流降水的形成和发展提供动力条件,北支气流为主要的水汽供应源。高空西南气流引导的冰相云系与低层局地对流云在东天山中段北坡结合,分别持续提供冰晶和云水,促使云微物理过程发展旺盛,致使局地暴雨过程产生。     

新疆1960-1999年第一对流层顶高度变化及其突变分析

采用1960-1999年新疆12个探空站逐日观测资料,按气候特点把新疆划分为阿尔泰山、天山南坡、天山北坡和昆仑山4个区域进行研究。分析了40 a来新疆第一对流层顶年平均高度变化空间分布差异,用Mann-Kendall法和移动t检验法进行了突变检验。结果表明：1960年以来,新疆第一对流层顶年平均高度总体为上升趋势,期间经历了两升两降的变化,较为突出的是1987-1999年的明显上升过程。年代际变化上,20世纪60年代到70年代初第一对流层顶高度有所下降,70、80和90年代的30 a则明显上升,累计上升了百米之多。新疆阿尔泰山、天山南坡和北坡分别于1972、1973和1976年发生了均值突变,昆仑山未发生显著气候突变。尽管存在差异,但在80年代末期至1999年各地呈现的上升趋势却具一致性。     

天山北坡一次特大暴雨过程诊断分析

利用常规资料、NCEP1°×1°再分析资料对2007年7月16—17日天山北坡出现的特大暴雨过程进行了诊断分析。结果表明：暴雨发生在100hPa南亚高压呈双体型、500 hPa中亚低值系统在天山北坡东段稳定维持的环流背景下;沿天山两侧的强东西风切变组织了系统性的强上升运动、低层向山的偏北气流与天山北坡向北开口的喇叭口地形产生的辐合上升运动促使暴雨强度增大;暴雨区与低层辐合、高层辐散的气旋性涡柱区相对应;来自孟加拉湾沿高原东侧偏南气流北上的水汽,通过中高层的西南气流和低空的偏东气流两条路径接力输送到暴雨区;正位涡异常与暴雨的发生关系密切。     

乌鲁木齐一次暴雪过程地形敏感性试验

以NCEP资料为初始场和侧边界条件,利用WRF模式对东、西天山地形对2015年12月9—12日大暴雪影响进行敏感性试验,从降水强度和分布等方面对比分析模拟结果,探讨地形在暴雪过程中的作用,对成因进行初步研究分析,结果表明:(1)此次强降雪发生是高空西南急流抽吸、低层风切变及风速辐合、偏北风与地形强迫抬升、地面冷锋移动缓慢等共同造成的。(2)此次暴雪天气过程,地形对强降雪的落区、强度影响很大,东、西天山高度与强降雪强度正相关,东、西天山高度降低、强降雪落区沿环流方向移动。(3)地形动力强迫整体上增强次级环流圈。近地面上升速度中心出现在迎风坡山脚至山腰区域,并向两侧递减,与此次大暴雪中心落区以及乌鲁木齐附近测站降雪量分布吻合,东、西天山地形高度降低50%,近地面上升速度中心值减少30%。地形强迫东、西天山峡谷近地面生成辐合中心和辐合线,辐合中心强度与地形高度正相关。(4)地形强迫抬升有加强水汽辐合汇聚的作用,东、西天山地形高度降低50%,水汽通量与水汽通量散度减少30%。     

北疆冬季持续性低温事件特征及大气环流异常分析

利用新疆天山山区及其以北地区（北疆）45个气象站1961-2010年冬季逐日最低气温资料,提出了45站低温日标准和区域性持续性低温事件的定义,并分析了持续性低温事件的时空分布和变化特征,研究了低温事件的年代际变化环流差异特征、大尺度环流背景、冷空气影响路径及强度特征。结果表明：(1) 低温日阈值呈东北向西南升高的分布趋势,低温日阈值最小值分布于准噶尔盆地和新疆北部阿勒泰地区,阈值为-34～-30℃,而西部伊犁地区和天山山区低温日阈值为-24～-20℃;(2) 1961-2010年出现35次大范围持续性低温事件,1月和2月发生频次均为0.29次/年,12月为0.14次/年;低温事件持续时间为5~25 d,其中超过10 d有16次,5~9 d有19次。持续性低温事件发生频率呈年际和年代际显著减少趋势,但强度无显著变化趋势;(3) 北半球大范围环流异常造成新疆持续低温事件,以经向环流异常为主,根据冷空气影响路径可分为4类：西西伯利亚横槽、中西伯利亚低槽东灌、北风带和西北风带、北脊南槽（涡）,这4类冷空气影响路径表现为500 hPa冷空气从极地或西伯利亚以超极地、西北和偏东路径进入新疆后,-32℃冷空气南压位于北疆地区,海平面气压场同时表现为蒙古高压盘踞欧亚大陆,高压中心达1045 hPa以上且位于阿勒泰山地区,1035 hPa冷高压控制北疆地区,这种环流配置造成新疆持续性低温事件。     

南疆夏季降水异常的环流和青藏高原地表潜热通量特征分析

利用1980—2004年NCEP/DOE新再分析月平均资料及我国225个测站1980—2004年月降水量资料,通过诊断分析,研究了南疆夏季降水异常的环流和高原地表潜热通量特征。结果表明:南疆夏季降水偏少年,南亚高压西部偏强,西风急流位置偏北,500 hPa中高纬环流经向度减弱,伊朗高压偏北、偏东,西太平洋副热带高压偏西、偏南;降水偏多年则相反。南疆夏季降水偏少年,高原北部和南疆地区为下沉的垂直环流距平,Ferrell环流增强;降水偏多年则相反。南疆夏季降水偏少年和偏多年的前期冬春季开始孟加拉湾、青藏高原和南疆地区地表潜热通量具有相反的变化,南疆夏季降水与高原北部地表潜热通量呈显著正相关,与南部地表潜热通量呈反相关关系。     

新疆北部暖季短时强降水的时空分布特征

基于2013—2019年暖季新疆北部518个自动站逐时降水资料,运用常规统计、归一化及其偏离程度、降水集中度(PCD)和集中期(PCP)等方法,研究该区短时强降水(Flash Heavy Rain,FHR)时空分布和统计特征。结果表明:(1)近7 a新疆北部FHR发生频次年变化大,2016年最多,2014年最少,前者是后者的3.9倍。(2)FHR集中发生在6—7月,6月下旬为峰值,且日变化呈明显的单峰型,峰值主要在17:00—19:00。(3)FHR发生频次集中在山脉的迎风坡和喇叭口地形附近。(4)FHR PCD呈现由南向北、由西向东逐渐集中,阿勒泰地区最集中;PCP自伊犁河谷至天山北坡,从克拉玛依向西、向北逐渐推迟,阿勒泰地区最晚。(5)PCD伊犁河谷、天山北坡年变化呈增大的趋势,其它区域呈减小的趋势。PCP阿勒泰地区、博州、天山北坡年变化呈增大趋势,其它区域呈减小的趋势。     

基于树轮宽度的伊塞克湖入湖径流量重建与分析

中亚区域气候与水文变化特征及其对全球气候变化的响应重要而复杂,伊塞克湖流域周边山区分布的天山云杉原始森林为揭示区域过去几百年气候水文变化事实和规律提供了良好的载体。本文利用伊塞克湖周边山区4个点的树木年轮宽度、入湖年径流量以及CRU格点气象资料,基于对树轮宽度指数对区域水文和气候要素响应关系分析,利用区域树轮宽度差值年表重建了伊塞克湖355a来的入湖径流量变化历史,二者线性转换方程的方差解释量为30．2％。重建径流量的丰枯阶段变化与天山北坡的玛纳斯河、乌鲁木齐河相对应。但与天山南坡的阿克苏河流域的径流量的低频变化特征不一致,在1850年前的变化趋势相反。空间相关分析发现伊塞克湖流域重建径流量变化能较好地代表中亚天山北坡以及哈萨克斯坦东南部和新疆北部平原区降水变化。此外,还发现了伊塞克湖径流量与北大西洋长周期年代际震荡（AMO）在年代际尺度的同步变化。