EMD在广西季节降水预报中的应用

气候系统是一种耗散的、具有多个不稳定源的非线性、非平稳系统。该文利用支持向量机(SVM)算法在处理非线性问题中的优越性和经验模态分解(EMD)算法在处理非平稳信号中的优势,采用将EMD与SVM相结合的短期气候预测方法,并应用到广西季节降水预报中。选取广西88个气象观测站1957—2005年6—8月逐年降水量的距平百分率序列作为试验数据,通过EMD算法将标准化处理后的距平百分率序列分解成多个本征模态函数(IMF)分量和一个趋势分量,在分解中针对EMD算法存在的端点极值问题选择两种方法分别进行处理,对比得出极值延拓法效果更好。对每个分量构建不同的SVM模型进行预测,并通过重构形成最后的预测结果。试验中采用不经EMD处理的反向传播(BP)神经网络和SVM算法进行对比验证,结果表明:相对于直接预测方法,该文提出的方案均方误差最小,能够较为准确地反映出降水序列未来几年的变化趋势,具有更高的预测精度和较好的推广前景。     

宇宙-地球物理因素在天气气候上的反映及其在长期天气预报中的应用

中国科学院地理研究所气候研究室长期天气预报组1976年3月在“从宇宙-地球物理因素研究天气气候和长期天气预报的几个问题”一文中,提出内容要点有:一、宇宙-地球物理因素在天气气候上的反映1.地极移动振幅的6—7年周期在气候上有明显的反映。如近年来发现贵州地区极移振幅高值年的降水量以正常或多雨为主,云南水旱有7年周期,豫东平原旱情有7年周期,华北降水也有7年周期,汉口、     

地球自转与东北地区夏季温度变化

该文研究了东北地区夏季温度与地球自转速度变化的关系.得到:地球自转减慢时东北温度偏低, 当自转年变量ΔU≤-22时出现典型的低温冷害年; 自转加快时东北温度偏高.东北地区夏季温度与极移振幅的位相也有较好的关系:在极移振幅的峰值年附近容易发生冷夏年, 在极移振幅的谷值年附近容易发生热夏年.     

奇异谱分析方法在夏季降雨预测中的应用

运用奇异谱分析方法对石家庄市83年降水进行了统计分析，结果表明：石家庄市近百年夏季降水的趋势变化不太显著，主要以波动变化为主，主振荡周期分别为5－6年、10年左右及30－40年左右的长周期变化，各重建分量振幅、位相具有明显的年代际变化。利用重建分量进行降水趋势预测，1998－2001年试报表明，效果较好。     

中国近50年气温变化准3年周期的普遍性及气温未来的可能变化趋势

利用全国98个测站的年和冬季气温资料,采用Marr小波分析方法,分析了近50年(1961—2009年)中国8个气候区的年和冬季气温变化,研究了中国气温变化的周期性,并对未来20年(2010—2029年)气温的可能变化趋势进行了预测。结果表明,我国8个气候区气温的年际变化以高频变化为主,普遍存在着准3～4年周期变化,尤其是冬季气温的准3年周期变化显著,而且这种周期变化具有相对的稳定性。而年气温的周期特征存在显著的南北差异。周期叠加外推的结果表明,未来20年,中国将继续保持增暖趋势,北方地区和青藏高原的升温要大于除西南地区外的南方地区。如果按照线性趋势升温,2010-2029年气温上升幅度不会超过1℃。     

DERF2.0模式对宁夏不同时间尺度降水的预测评估

基于DERF2.0 1983—2013年回报和2016—2017年预测的降水资料以及宁夏19个评分站降水实测资料,采用短期气候预测业务中常用的检验方法,对DERF2.0预测的宁夏未来1～50d月、候尺度降水及持续性异常降水过程进行了检验评估。结果表明:DERF2.0对月降水趋势异常预测综合评分(Ps)平均为53.2%,超前1～10d预测效果相差不大;Ps超过60%的仅有4月和11月,且年际间波动较大,最差年与最好年相差近30%。DERF2.0对月异常少雨预测Ps高于异常多雨,春、秋季Ps较高,夏季相对较低;对多雨年份降水预测Ps高于少雨年份。DERF2.0超前30d之内预测的候降水和实况以正相关为主,第1候相关最好,9月至次年3月相关系数相对较大;超前30d之内预测的候降水较实况偏大30%左右;对未来1～6候降水趋势预测正确率为40.8%,偏多趋势正确率达79.5%,明显高于偏少趋势;1月趋势预测正确率最小,8月最大;候降水偏多趋势预测正确率冬季高于夏季,偏少趋势则相反;随着超前时间的增长,趋势预测正确率下降;趋势预测正确率自北向南增大。DERF2.0对持续性异常降水过程预测的正确率为60.3%,超前时段为4～14d,对全区性过程预测效果较好,同一次过程南部预测效果好于北部,预测的降水量小于实况降水量。     

未来气候变化对淮河流域径流的可能影响

采用新安江月分布式水文模型, 结合1961—2000年历史月气候资料和4个CGCMs的3个SRES排放情景下 (B1, A 2, A 1B) 未来降水和气温情景模拟结果, 对过去淮河流域的径流进行模拟检验并对未来2011—2040年的径流影响进行评估, 为水资源管理和规划提供依据。结果表明:水文模型能较好地反映年、月流量以及多年平均值和季节的变化; 年流量模拟一般好于月流量, 淮河干流主要控制水文站如王家坝、鲁台子、蚌埠的年流量模型效率系数均在80%以上; 多年平均值模拟效果好, 平均绝对相对误差为10%。多数CGCMs不同排放情景下气候模拟结果表明:未来2011—2040年, 淮河流域气候将趋于暖湿, 但年径流量将可能以减少趋势为主。这对淮河地区水资源的可持续发展以及东线调水工程水资源统一调配和管理提出了较大的挑战。淮河流域大部分区域2011—2040年月径流量减少将主要发生在1月和7—12月, 变化趋势较为确定; 4—6月, 径流量将以增加趋势为主, 不确定性较大; 2—3月, 径流具有增加趋势的地区多分布在淮河以北地区, 具有减少趋势的地区则多分布在淮河干流及以南地区和洪泽湖、平原区, 这些地区增加或减少趋势的不确定性较大。     

SRES A2情景下未来30年我国东部夏季降水变化趋势

采用与全球海气耦合模式 (NCC/IAPT63) 嵌套的区域气候模式 (RegCM2_NCC), 对东亚区域进行了30年的气候积分 (1961—1990年), 作为控制试验的气候背景场, 在此基础上, 在IPCC第三次评估报告SRES排放情景A2下对我国未来30年 (2001—2030年) 的气候变化趋势进行了预估, 重点分析了我国东部季风区夏季降水的变化趋势及区域特征。结果显示:未来30年夏季平均降水量在北部地区呈现增加的趋势, 以降水量距平代表的夏季主要雨带转到长江以北地区, 且北方地区降水量增加主要以对流性降水量增加为主, 长江以南地区降水量有所减少, 特别是华南地区降水量减少较为明显, 据此预测结果, 未来30年华北地区夏季干旱可能有所缓解。未来30年夏季低层空气湿度也将发生明显变化, 主要表现为中高纬度地区湿度增大, 较低纬度地区湿度减小, 东亚夏季风有所增强, 特别是西南气流明显加强, 有利于暖湿空气向北方地区输送。由于预估结果的可信度取决于全球模式和区域模式的模拟性能以及温室气体排放浓度的准确性, 因此还需要更多的试验及进一步的综合比较, 以减少未来气候变化趋势预估的不确定性。     

PDO的时空分布特征及其与ENSO的关系

利用1900~2013年美国国家气候数据中心ERSSTv3b2°×2°数据,通过EOF分析、小波分析、曼-肯德尔法、累积距平法分析太平洋年代际振荡(The Pacific Decadal Oscillation,简称PDO)的时间、空间分布规律。结果表明,PDO指数存在准48年的周期变化,周期内“冷-暖”相位交替出现,1925年左右和1975年左右,由冷相位转变为暖相位;1941年左右和1995年左右,由暖相位转变为冷相位。北太平洋海温大致以40°N为轴南北对称分布,其大值区域分布从北美西海岸—墨西哥半岛向北一直延伸到阿拉斯加,小值区域出现在夏威夷群岛北侧和日本群岛东侧。PDO指数与Nino3.4指数的相关系数是0.43,是显著正相关关系。PDO指数异常年与Nino3.4指数异常年对应率平均值是51.42%。      

地极移动与河川径流的关系研究

在总结地极移动(以下简称极移)和径流之间可能存在的相互作用机制的基础上,利用受人类活动影响较少的青藏高原雅鲁藏布江的月径流资料和极移资料以及格兰杰因果关系检验方法,从统计学角度探索了在月、季和年尺度上,极移变化与径流变化之间可能存在的联系。结果显示,在月尺度上,极移X分量变化量在滞后1~8个月和10~21个月后是径流变化量的格兰杰原因;极移Y分量变化量在滞后1~9个月和17~24个月后是径流变化量的格兰杰原因。在季尺度上,极移X分量变化量只有在滞后2个季的情况下是径流变化量的格兰杰原因;而极移Y分量变化量在滞后4~6个季的情况下是径流变化量的格兰杰原因。在年尺度上,未检测出格兰杰因果关系。从径流到极移的检测中发现,月尺度上,径流变化量在滞后3~25个月后为极移X分量变化量的格兰杰原因;径流变化量在滞后1个月和3~25个月后为极移Y分量变化量的格兰杰原因。在季尺度上,径流变化量在滞后2~8个季的情况下是极移X分量变化量的格兰杰原因;径流变化量在滞后1~8个季后是极移Y分量变化量的格兰杰原因。在年尺度上,未发现径流变化量和极移变化量存在格兰杰因果关系。在月、季和年尺度上,极移变化量和径流变化量的不同格兰杰因果关系表明,利用极移资料可能在月和季尺度上提高资料稀缺区域的水文预测精度。     

基于Hurst指数的黑龙江省作物生长季降水趋势研究

基于黑龙江省78个气象站1971—2016年逐日降水资料,综合采用墨西哥帽小波分析、Hurst指数分析等方法,对黑龙江省作物生长季(5—9月)降水量变化和未来趋势进行分析及预测。结果表明:1971—2016年,黑龙江省生长季、5月、6月降水量存在7 a、14 a、7 a左右的主周期,7月、8月、9月降水量存在2 a、3 a、7 a左右的第1主周期及6 a、11 a、21 a左右的第2主周期,各月均存在最近几年降水偏多的趋势;作物生长季降水量年际间为波动式振荡变化,7月、8月振荡幅度相对较大。年代际变化总体存在增加—减少—增加趋势,20世纪80年代、90年代降水量普遍偏多,2010年以来出现急转升高变化;单站各月Hurst指数均在0.5以上,降水存在比较明显的赫斯特现象;降水主要出现在夏季且以7月最为集中,最近几年降水偏多、7月异常降水集中以及主要流域未来7月降水的持续增加趋势在农业防灾减灾上值得关注。     

气候变化情景下黄淮海区域热量资源及夏玉米温度适宜度

利用黄淮海区域90个站点1971—2000年逐日气象资料以及国家气候中心发布的未来气候变化情景(A1B)下区域气候模式(Reg CM3)模拟的黄淮海区域1951—2070年0.25°×0.25°格点气象资料,结合夏玉米主要生育期对温度的需求,构建了黄淮海区域的温度适宜度和变异系数模型,并对1951—2070年黄淮海区域热量资源、夏玉米主要生育期的温度适宜度及其变异系数的时空变化特征进行分析。结果表明:1)黄淮海区域≥10℃积温和80%保证率下日平均温度≥10℃的初日均呈现由北向南依次增加的趋势,且随时间推移,分别呈增加和提前趋势。2)黄淮海区域夏玉米播种—出苗期的温度适宜度随时间整体呈逐渐上升的变化趋势、其变异系数随时间呈降—升—降的变化趋势;出苗—抽雄期的温度适宜度随时间呈先降后升的变化趋势、其变异系数呈降—升—降—升的变化趋势;抽雄—成熟期的温度适宜度空间上呈现2010年前北低南高、未来情景下中部低四周高的分布趋势,时间上呈2010年前稳定、未来情景下先降后升的变化趋势,其变异系数呈相反变化趋势;3)黄淮海区域夏玉米温度适宜度及其变异系数从播种—出苗期—出苗—抽雄期—抽雄—成熟期均呈反相位的变化关系。     

中国近百年地面温度变化自然因子的因果链分析

采用格兰杰(Granger)因果检验法,从自然因素的角度,即从天文因子(太阳黑子数SSN)和地球运动因子(地极移动X方向和Y方向)的角度,对我国近百年地面温度(TC)的变化进行了归因分析。所得结果如下:滞后1~11年内,SSN都不是TC的Granger原因;对于TC和极移X方向,当滞后6年时信度最高,此时极移X方向是TC的Granger原因(87%信度)。研究结果可能暗示,极移X方向的变化可能会导致6年后中国地面气温的变化。     

桂北地区近四十年来降水的气候诊断分析

本文根据广西桂北地区四个站点的四十年(1948—1988年)降水量资料,运用功率谱分析方法,寻求该地区年降水量振动的主要周期,并对未来若干年内桂北地区年降水量进行变化趋势预测。结果表明:桂北地区四站年降水量振动具有明显的周期性,以7—9年周期最显著,2至3年周期次之。在未来若干年内,年降水量以桂林、都安,沙塘呈递增趋势,柳州年降水量呈递减趋势。     

青藏高原中东部冬夏高层水汽时空特征分析

利用青藏高原中东部地区16个探空站的1979—2008年各标准等压面上的月平均探空资料对青藏高原中东部地区500～200hPa高层水汽冬夏季时空分布特征及变化趋势进行了研究,结果表明:①空间分布上,青藏高原的水汽空间分布冬夏两季呈现出一致明显的西北—东南走向,高原南部水汽年际变化波动较大,北部较稳定;夏冬两季水汽总体呈现一致变化,同时夏季还存在南北向的反相位区域异常变化,冬季则表现为东西向的反相位变化;②时间变化上,青藏高原夏季水汽总体呈现出较弱的上升趋势,1979—1995年水汽有下降趋势,1996—2005年转为增加趋势,突变主要在1997、2006年;冬季水汽总体为弱下降趋势,1979—1984年水汽为下降趋势,1985—2004年增长并保持稳定,突变主要在1986、2005年;同时青藏高原水汽还存在西部水汽增加而东部水汽呈减少趋势的区域变化特征。     

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。     

中国近代土地利用变化对区域气候影响的数值模拟

利用国家气候中心改进的高分辨率区域气候模式(RegCM-NCC)模拟研究了中国近代历史时期土地利用/覆盖变化对中国区域气候的影响,模拟结果显示,1700年以来,以森林砍伐、草地退化及相应耕地面积扩大为主的土地利用变化可能对中国区域降水、温度产生了显著影响。1700—1900年期间,由于土地利用的变化使华北、西南等地区降水呈减少趋势,其他区域变化不明显,但近50年来却使长江中下游地区、西北、东北部分地区降水有所增加。1700—1800年间的土地利用变化使得除东北及长江流域地区外的大部分地区温度呈下降趋势,1900年以后有所升高,特别是近50年来中国大部分区域平均气温升高,与这一时期由于大气中温室气体排放浓度增加造成的温度升高相一致。另外,土地利用变化不仅使大气温度、湿度发生变化,还可引起基本流场的变化,使东亚冬、夏季风气流有所增强,这主要是由于植被变化改变了地面温度,使海、陆温差进一步增大的结果。因此,土地利用变化对区域尺度气候变化的影响是不容忽视的。     

2013年初夏长江下游降水低频分量延伸期预报的多变量时滞回归模型

用长江下游降水低频分量和南半球中纬度地区850 hPa低频经向风主成分,建立多变量时滞回归 (multivariable lagged regression, MLR)模型,对2013年6—7月长江下游降水低频分量进行延伸期逐日变化预报试验。结果表明, 20~30 d时间尺度的长江下游低频降水预测时效可达25~30 d。进一步对2001—2012年资料分别构建的MLR模型的历史回报预测试验表明,对于20~30 d振荡较强和正常的年份,南半球中纬度绕球遥相关(south circum global teleconnection, SCGT)波列是预测初夏长江下游低频降水未来30 d变化的显著信号。基于南半球SCGT的发展和演变,对于提前20 d以上预报长江下游地区2013年7月上旬持续强降水过程异常变化过程很有帮助,南半球热带外环流低频变化是影响初夏长江下游地区延伸期强降水变化的重要因子之一。     

近30年新疆博州降水量和降水日的变化特征

根据博州4个国家基本气象站1981—2010年逐日降水量资料,通过计算趋势系数等现代统计诊断方法,对新疆博州近30a各量级降水量及其雨雪日数的气候特征和变化进行了研究。结果表明,博州地区夏半年降雨量占年降水量的81%,其中5—8月占年降水量近60%,而小雨(雪)量占年降水量的近50%,夏、冬半年及年降水量均自西向东随海拔的降低而减少。降水量总体以0.76mm/a的速率呈不明显的增多趋势;年有效降水日数中以小雨(雪)日数为最多,有效降水日的长期变化呈明显的增多趋势;年降水量增加的主要由有效降水日数的增加和降水强度的增强造成。     

党河水库入库径流量的变化特征及对气候变化的响应

气候变化对陆地水文系统有着重大影响。利用1955—2015年我国西北干旱区党河水库入库流量资料,结合下游敦煌站1951—2015年平均气温与降水量逐月数据,采用线性趋势分析、滑动平均、Mann-Kendall法与R/S法等分析方法,分析了党河水库入库径流量及气温和降水量的变化特征,以及其未来可能变化趋势,并探讨了入库径流量对气温和降水量变化的响应关系。结果表明:(1)1955—2015年党河水库入库径流量年际变化大,丰枯水年出现频率符合正态分布特征,入库径流量呈显著增加趋势,其线性增加率为0.16亿m~3·(10 a)-1,且这种增加趋势在未来变化中持续性极强;(2)1951—2015年,敦煌地区年均气温与年降水量均呈上升趋势,显著升温和降水微弱增加的趋势在未来变化中持续性极强,且二者均发生突变,突变年前者是1997年前后,后者为1970年和1986年前后;(3)年入库径流量对年均温度和年降水量变化的响应分析发现,年均温度变化是导致党河水库入库径流量变化的主要因素,降水是次要因素。