中国天气发生器的降水模拟

天气发生器是气候影响评价研究的重要工具,在气候变化、地球生态系统及极端气候事件发生的风险分析等方面有着广泛的应用。为了建立一个适用于中国广大地区的天气发生器,需要对各种模拟模型及其参数的估计进行深入的研究。其中降水的模拟及其参数的估计是关键,因为气温、辐射等其他气候要素的模拟依赖于降水的发生。本文重点介绍了常用的随机降水模拟模型：两状态一阶马尔科夫链和两参数GAMMA分布。根据中国672个气象站点1961~2000年的逐日降水资料,计算了降水转移概率P (WD)、P (WW) 及GAMMA分布参数ALPHA和BETA,并分析了4个参数在中国各地的空间分布特征与不同地区各参数的季节分布特征。最后根据各地不同月份计算的四个降水模拟参数对中国各地的逐日降水进行模拟,并利用1971~2000年的实测数据对30年模拟结果在统计意义上进行了检验,模拟结果较好。     

中国天气发生器降水模拟参数的气候变化特征

利用中国672个站点1951-2007年的逐日降水资料,分1951-1978和1979-2007两个时段分析了中国天气发生器BCC/RCG-WG降水模拟参数的气候变化特征.结果表明,在气候变化背景条件下,我国各地干日到湿日的降水转移概率P(WD)和湿日到湿日的降水转移概率P(WW)除了西部部分地区有增大的趋势外,其余大部地区均有减小的趋势.相对于P(WW),全国各地P(WD)的减小幅度更大.日降水量GAMMA分布形态参数ALPHA除西北地区西部部分地区有减小趋势外,其余大部地区略有增大趋势,尺度参数BETA在全国各地基本都保持增大的趋势,其中西北地区西部等地增大趋势尤为明显.相对于BETA的变化幅度,ALPHA的减小幅度较小,基本在6%以内.     

BCC/RCG-WG天气发生器非降水变量模拟参数气候变化特征

利用中国699 个气象站点1951-2007 年的逐日最高气温、最低气温和日照时数资料,分1951-1978 年和1979-2007 年两个时段分析了气候变化对BCC/RCG-WG天气发生器中我国各地逐日非降水变量模拟参数的影响.结果表明,最高气温、最低气温和日照时数三个变量平均值傅立叶级数展开式的年平均值和基波振幅较标准差傅立叶级数展开式的年平均值和基波振幅的变化幅度明显偏大,而平均值傅立叶级数展开式的基波位相变化幅度较标准差的基波位相变化幅度明显偏小;三个变量当天以及后延一天之间的相关系数的绝对变化较小.说明在气候变化背景下,最高气温等三个非降水变量的年平均值和年内变幅有明显的变化,而三个变量年际间的变异、峰值出现时间以及各变量之间的相关性变化较小.     

三种多站点随机天气发生器日降水模拟对比研究——以嫩江流域为例

天气发生器是对气候模式低分辨率输出数据进行统计降尺度的一种重要工具,可为气候变化对生态、水文、作物生长和土壤侵蚀等地表过程的影响评价提供高时空分辨率气候输入数据。特别是针对流域或区域尺度的模拟,为保留降水等变量的时空相关性,需使用多站点天气发生器。当前多站点天气发生器众多,但其适用性缺乏系统评估。本文利用嫩江流域及其周边区域75个气象站点1961—2020年日降水数据,对比了三种主流的多站点日尺度天气发生器,分别为MulGETS模型（Multi-site weather GEneraTor）、TSWG模型（Two-Stage Weather Generator）和EHS(EOFA+HHT+SS)模型,在日、月和年降水量均值和极值,日降水空间相关性和时间相关性等方面的模拟精度。结果表明：(1)三个模型中EHS模型表现最佳,除了年降水偏态系数以外,其余参与评估指标的平均绝对百分比误差均在15%以下;TSWG模型表现其次,除了年降水偏态系数、月降水偏态系数和一阶自相关系数以外,其余参与评估指标的平均绝对百分比误差在30%以下。(2) TSWG模型对95%分位数日降水量、最大连续降水日数、最大...     

中国北方沙尘天气的气候条件

利用1954～2000年全国700多个测站的气象资料分析了近50年来我国沙尘暴和扬沙天气的季节变化和年际变化特征,特别着重分析了大风、降水等气象要素对沙尘天气形成的影响.结果表明:我国的沙尘天气受到多种气候要素的综合影响,西北地区和内蒙古西部沙尘多发区的沙尘天气频数受气象条件影响最为显著;风速、湿度在沙尘天气的季节变化中影响最大,降水在沙尘天气的年际变化中影响最大.上一年夏季的降水对春季的沙尘天气具有一定的预报意义.     

中国沙尘天气变化的时空特征及其气候原因

根据中国大陆1954-1998年338站沙尘天气频次（日数）资料、1948-1999年NCEP/NCAR850hPa位势高度资料、1950-1998年中国160站月降水和气温资料分析了中国沙尘天气与降水、气温及扰动涡旋的相关关系，分析发现，沙尘天气的出现与气温和扰动涡旋的关系密切，表现为沙尘天气频次与冬春气温存在显著的负相关，而与春季850hPa上的扰动涡旋有显著的正相关，基于上述关系建立了一个描述中国沙尘天气特征的指数：沙尘指数，通过分析发现沙尘指数能较好地反映中国北方除新疆以外地区沙尘天气的变化规律。     

中国降水未来情景的降尺度模拟

基于长时间序列(1964～2007年)的全国降水观测数据, 结合经纬度数据以及DEM、 坡向、坡度等系列地形特征数据, 利用空间统计方法, 在构建年平均降水降尺度模型的基础 上, 运用高精度曲面建模(HASM)方法对经过降尺度分析的HadCM3的A1Fi、A2a和B2a 三种情景T1～T4时段的全国未来平均降水进行高精度曲面模拟。模拟结果显示, 在T1～T4 时段内, A1Fi、A2a和B2a三种情景的全国平均降水均呈持续增加趋势。其中, 平均降水在 A1Fi情景中增加速度最快, B2a情景中增加速度最慢;A1Fi和A2a两种情景的平均降水均呈 加速增加趋势, 而B2a情景的平均降水则呈减速增加趋势。模拟结果表明, 本文构建的降尺 度模拟方法可以有效地实现IPCC GCM 的低分辨率的降水情景数据降尺度转换成高分辨率的 降水数据。     

武威市降水pH值和电导率对沙尘天气的指示意义

对武威市2013年7月至2014年6月收集的降水样品pH值、电导率和主要阴阳离子浓度进行测定和分析。结果表明：（1）降水样品的pH值6.69～8.84,平均值7.52。降水样品电导率33.9～766 μS·cm^-1,平均182.07 μS·cm^-1。（2）电导率冬季 >春季 >夏季 >秋季,pH值春季 >夏季 >秋季 >冬季。pH值与电导率呈显著的负相关,与风速呈正相关;电导率与降水量呈显著的负相关,与风速呈显著的负相关。（3）pH值和电导率都会随着沙尘事件的发生表现出增加的趋势。当沙尘事件发生的情况下,Na⁺、K⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、SO₄^2-、Cl^-和NO₃⁺的离子浓度都呈现增加的趋势,但从各离子浓度变化幅度对沙尘事件的响应来看,Na⁺、K⁺和NO₃^-对沙尘天气比较敏感,反应强烈。     

中国高分辨率温度和降水模拟数据的验证

PRISM模型是一种基于地理特征和回归统计方法生成气候图的模型。基于中国及其周边国家地区2450多个气象台站观测数据,以PRISM模型模拟生成了中国2.5′×2.5′(≈4～5km)逐月温度和降水数据。利用独立于模拟数据的中国生态系统研究网络18个野外观测站的长年气候观测数据,检验了PRISM模型的模拟结果,表明PRISM模型较好地模拟了我国温度和降水的空间分布及季节变化,除了在高山和亚热带地区由于地表覆盖和局部地形的差异影响模拟结果,其模拟值与实测值之间的趋势线同1∶1线基本一致,具有显著相关关系,其中降水效果略差     

土壤侵蚀研究中降雨过程随机模拟综述

土壤侵蚀是中国严峻的环境问题之一。土壤侵蚀模型是诊断和防治土壤侵蚀问题的有力工具。降雨随机模拟模型可以弥补观测资料在时空尺度上的不足,满足土壤侵蚀模型对降雨过程数据的需求。论文总结了降雨过程基本特征、随机模拟的研究进展以及未来的发展方向。主要结论有：① 最小降雨间歇(Minimum Inter-event Time, MIT)为分割次降雨的最小时间间隔,当干期小于该临界值,则合并为1次降雨;否则分割为2次独立的次降雨事件。采用指数方法计算得到中国中东部最小降雨间歇变化于7.6~16.6 h 之间,平均值为10.7 h;当MIT值较小时,次降雨过程参数如次雨量、历时、平均雨强与峰值雨强等对MIT的变化敏感。② 降雨的时程分配特征反映次降雨量在降雨过程中的分配,是降雨过程随机模拟的重要方面。采用Huff雨型分析方法得到中国降雨以峰值出现在前期的降雨为主,峰值出现在前1/2时段的降雨占65.1%;峰值出现在前期的降雨事件,与峰值出现在后期的降雨事件相比,历时较短、雨强较大。③ 美国农业部水蚀预报项目WEPP中自带的天气随机模型CLIGEN能较好地模拟日雨量,整体上低估次降雨历时,高估峰值雨强;且对于不同大小的日雨量等级,次降雨历时和峰值雨强的偏差方向和程度不一致。④ CLIGEN的参数输入需要降雨过程观测资料,难以获取,小时降雨观测资料相对更易获取,基于此,发展了使用小时降雨数据计算CLIGEN中2个与降雨过程相关的参数TimePk和MX.5P的方法。未来需加强随机模型对极值的模拟能力,以及建立多站点、多气象要素相关的天气条件约束型随机模型。     

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 …     

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.     

Changes in daily extreme precipitation events in South China from 1961 to 2011

Based on the daily precipitation from a 0.5°×0.5° gridded dataset and meteorological stations during 1961-2011 released by National Meteorological Information Center, the reliability of this gridded precipitation dataset in South China was evaluated. Five precipitation indices recommended by the World Meteorological Organization (WMO) were selected to investigate the changes in precipitation extremes of South China. The results indicated that the bias between gridded data interpolated to given stations and the corresponding observed data is limited, and the proportion of the number of stations with bias between -10% and 0 is 50.64%. The correlation coefficients between gridded data and observed data are generally above 0.80 in most parts. The average of precipitation indices shows a significant spatial difference with drier northwest section and wetter southeast section. The trend magnitudes of the maximum 5-day precipitation (RX5day), very wet day precipitation (R95), very heavy precipitation days (R20mm) and simple daily intensity index (SDII) are 0.17 mm·a-1, 1.14 mm·a-1, 0.02 d·a-1 and 0.01 mm·d-1·a-1, respectively, while consecutive wet days (CWD) decrease by -0.05 d·a-1 during 1961-2011. There is spatial disparity in trend magnitudes of precipitation indices, and approximate 60.85%, 75.32% and 75.74% of the grid boxes show increasing trends for RX5day, SDII and R95, respectively. There are high correlations between precipitation indices and total precipitation, which is statistically significant at the 0.01 level.     

Stable isotope in precipitation in China: A review

The isotope ratios in precipitation are associated with various meteorological processes and display obvious spatial and temporal distributions, and thus can be used as important techniques in inversing atmospheric processes, tracing vapor sources, and reflecting the local weather and climate conditions. The composition and distribution of stable isotopes in precipitation in China are summarized and the factors that influence isotope ratios are elucidated. An overview of related research progress in China during the past several decades is presented and the prospects for future work in this subject area are described.     

1951-2010年中国季平均降水高精度曲面建模分析

利用1951-2010年中国711个气象观测站的月降水资料,对多年季平均降水根据中国农业气候类型进行分区模拟。针对中国降水特点,首先分析了影响各分区降水的地理、地形因素及局部地形因素,利用多项式回归和逐步回归的方法对各分区降水进行了趋势拟合;在此基础上,采用改进的高精度曲面建模(HASM)方法,对各模拟区域去掉趋势后的残差进行迭代修正,并比较验证了模拟效果。同时,为保证HASM在边界附近的模拟精度,根据区域内站点间的距离,对每一分区设置一个缓冲区,将HASM实际插值区域扩展为缓冲区内的部分。模拟结果表明:HASM方法的模拟精度在不同区域不同季节内均比经典的插值方法模拟精度高。利用上述方法分析了同一季节各分区降水的分布特点,并模拟了不同季节内多年平均降水的空间分布状况,模拟结果符合我国降水的实际分布特点。     

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     

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。