Urbanization Impact on Regional Climate and Extreme Weather: Current Understanding,Uncertainties, and Future Research Directions

Urban environments lie at the confluence of social,cultural,and economic activities and have unique biophysical characteristics due to continued infrastructure development that generally replaces natural landscapes with built-up structures.The vast majority of studies on urban perturbation of local weather and climate have been centered on the urban heat island(UHI)effect,referring to the higher temperature in cities compared to their natural surroundings.Besides the UHI effect and heat waves,urbanization also impacts atmospheric moisture,wind,boundary layer structure,cloud formation,dispersion of air pollutants,precipitation,and storms.In this review article,we first introduce the datasets and methods used in studying urban areas and their impacts through both observation and modeling and then summarize the scientific insights on the impact of urbanization on various aspects of regional climate and extreme weather based on more than 500 studies.We also highlight the major research gaps and challenges in our understanding of the impacts of urbanization and provide our perspective and recommendations for future research priorities and directions.     

在气候影响研究中引入随机天气发生器的方法和不确定性

通过采用不同的随机天气发生器生成一定气候背景下各种气候变率情景，许多学者在最近的研究中已经认识到气候变率对农作物生长发育影响的重要性。传统的气候影响评估方法直接以大气环流模式的模拟试验结果作为未来气候情景，这样不可能理解如上的重要性。本文着重评述将随机天气发生器应用于气候变化影响研究的一般方法框架，以及作者的具体个例研究方法。文中最后分析了目前该领域研究中还存在的一些不确定性。 在当前的气候变化影响研究中，有不同的方法用来研制一种称为WGEN的典型随机天气发生器的参数化方案及其随机试验方法。不同的研究者也有不同的参数调控方法。通常的思路是通过气候控制试验和2×CO2试验之间的气候变量平均值和方差的变化来扰动随机天气发生器的参数，以生成未来逐日气候变化情景。本文作者根据短期气候预测模式的输出产品建立了一套WGEN的参数化方案及其随机试验方法，并且在时间和空间两个尺度上检验和评估了此参数化方案下WGEN的模拟能力。另外，作者由未来降水的变化，调试随机天气发生器参数，生成了气候变率变化情景。这些参数调节可以产生各种不同类型和定性大小的气候变率变化，用于气候影响评估的敏感性分析。通过如上方法，作为一个个例，文中评估了未来气候变率变化     

极端天气气候事件监测与预测研究进展及其应用综述

极端天气气候事件(简称"极端事件")分为单站极端事件和区域性极端事件。本文回顾了极端事件的研究进展,首先回顾了单站极端温度、极端降水和干旱事件的观测研究及相关指数,进而对近年来不断增多的区域性极端事件研究做了简要回顾,最后还回顾了极端事件气候预测研究进展。同时,对国内外在极端事件气候监测和预测业务现状进行了初步总结,并指出:在极端事件气候监测方面中国的业务产品较丰富,并率先开展了针对区域性极端事件的监测业务,但在产品表现形式上缺乏统一组织,特别是英文产品表现力严重不足;在极端事件气候预测方面,国家气候中心发展了两种方法:一个是基于物理统计的BP-CCA和OSR的干旱预测方法,另一个基于国家气候中心月动力延伸预报模式(DERF)的高温预测方法。最后,对极端事件监测和预测业务发展及相关科学问题给出展望,指出应根据极端事件的业务需求继续加强相关研究和业务能力建设。     

2005年极端天气和气候事件及其他相关事件的概要回顾

极端气候在2005年创下了多项记录:2005年北半球的平均温度达到有历史记录以来的最高值;印度孟买,7月27日的暴雨使降雨量在24 h内达到了944 mm,创下历史最高;10月飓风“文斯”袭击西班牙海岸,成为第一个登陆欧洲大陆的飓风。此外,达到最高强度等级的飓风“卡特里娜”、“丽塔”和“威尔玛”给美国、墨西哥等美洲国家造成重创;我国东南沿海和台湾等地多次遭强台风袭击,华南、东北和渭河流域经历特大洪涝灾害;葡萄牙、西班牙等欧洲国家遭遇了自20世纪40年代后期以来最严重的旱灾。这些都表明2005年是极端天气和气候发生频繁及气象灾害很严重的一年。     

2010年极端天气和气候事件及其他相关事件的概要回顾

2009/2010年冬季,英国等欧洲国家经历自1981年来持续时间最长的寒流;2010年2月27日,罕见强风暴“辛加(Xynthia)”袭击欧洲多国;季风季节,巴基斯坦遭遇80年来最严重的暴雨洪涝;7～8月中旬,俄罗斯的极端高温干旱引发多起森林火灾;7～9月,亚马逊部分地区经历40年来最严重的干旱;10月中旬,超强台风...     

2009年极端天气和气候事件及其他相关事件的概要回顾

2009年初欧洲遭遇罕见寒流,大雪低温造成多人死亡;南半球夏季,高温热浪导致澳大利亚发生严重火灾,上百人丧生火海;9月,台风"凯萨娜"先后袭击菲律宾和越南,造成近500万人受灾;11月,飓风"艾达"袭击美洲多国,导致20多万人受灾;秋末冬初,北半球中高纬多地经历严寒天气,创下降雪偏早新纪录。在我国,强台风"莫拉克"重创台湾;50年来最严重春旱困扰黑龙江、内蒙古等地;50年罕见秋旱灼伤南方大地;11月,罕见强对流天气侵袭我国7省。2009年是1850年有气象记录以来第5个高温年,全球极端天气和气候灾害频发。     

2004年的极端天气和气候事件及其他相关事件的概要回顾

韩国3月暴雪,德国7月飞雪,我国华南近50年最严重的秋冬连旱、东北百年一遇的春旱,加勒比海地区连续异常猛烈的飓风,欧洲夏季高温,东太平洋上出现一次弱El Nino现象.2004年仍是气象灾害频繁发生的一年,创历史记录的极端天气继续出现.     

2008年极端天气和气候事件及其他相关事件的概要回顾

2008年1～2月,我国南方地区遭受50年不遇的雨雪冰冻天气.2008年3月上旬,澳大利亚南部大部分地区经历破纪录的热浪.5月2日,20年来亚洲破坏力最强的热带气旋"纳吉斯(Nargis)"给缅甸造成有史以来最严重的灾害.2008年大西洋飓风季,"古斯塔夫(Gustav)","汉娜(Hanna)"和"艾克(Ike)"等强飓风给加勒比海地区和美国部分地区造成严重洪灾.入秋以后,我国华北、黄淮、西北东北部及四川西部、西藏等地遭遇严重干旱.2008年,全球平均气温比过去30年(1961～1990年)的平均温度高出0.31℃,全球极端天气和气候灾害并没有缓和的迹象;我国也经历了许多极端天气和气候灾害.     

2007年极端天气和气候事件及其他相关事件的概要回顾

2007年2月热带气旋"Gamède"在法属留尼旺创下72 h降水3 929 mm的世界纪录;5月末莫斯科气温达到1891年以来同期的最高温度;截止8月底美国一半以上的地区干旱缺水.2007年我国云南、甘肃、河南、湖南和江西等地经历50年不遇的干旱;7月淮河发生仅次于1954年的流域性大洪水.2007年全球平均温度比过去30年的平均温度高出0.41 ℃.同时,今年北极海冰覆盖面积减小到历史记录的最小值.世界许多地方发生破坏性洪水、干旱和风暴等极端天气和气候事件.     

2011年极端天气和气候事件及其他相关事件的概要回顾

2011年世界各地极端天气事件频发。1月,朝鲜半岛经历1945年来最长的寒潮天气;同期,强暴风雪袭击美国,1亿人受影响;4月8日,持续干旱大风导致德国北部小镇遭遇沙尘暴;7～10月的季风强降水致使泰国遭遇自1942年以来最严重的洪灾;高温少雨致使东非地区、南美洲地区的古巴经历严重干旱;9月北极海冰的体积达历史最小。5～9月,我国平均高温日数为1961年以来历史同期次多,多地刷新高温历史极值;2011年我国平均年降水量创60年来最低,多地遭遇严重干旱;而华西和黄淮经历异常严重秋汛。     

Understanding and Attribution of Extreme Heat and Drought Events in 2022:Current Situation and Future Challenges

Extreme weather events and their consequential impacts have been a key feature of the climate in recent years in many parts of the world, with many partly attributed to ongoing global-scale warming. The past year, 2022, has been no exception,with further records being broken. The year was marked by unprecedented heatwaves and droughts with highly unusual spatial extent, duration and intensity, with one measure indicating an aggregated and overall intensity of extreme heat events worldwide not se...     

2006年极端天气和气候事件及其他相关事件的概要回顾

2006年1月中旬欧洲东部地区经历10年来的最低温天气;2月,非洲南部地区遭遇20年以来的最强降水;2006年上半年美国路易斯安那州经历111年来最干旱的时期;7月,欧美地区经历破纪录的高温炎热天气;菲律宾、印尼、印度等东南亚国家遭受暴雨洪灾。2006年春季,我国北方地区遭受18次沙尘天气的侵袭;夏季重庆等地区遭遇百年一遇的大旱;我国东南沿海等地受到多次强台风袭击;波及全国31个省(市、区)的冰雹、雷雨等强对流天气……。2006年是全球有气象记录以来的第6个高温年,极端天气和气候灾害并没有缓和的迹象;我国又经历了许多极端天气和气候灾害。     

2003年的极端天气和气候事件及其他相关事件

气候变化正在进行着,极端天气和气候事件似乎在增加.2003年出现了一些创历史记录的极端事件,例如,年初俄罗斯和美国的暴风雪与严寒,3月份中东地区的强沙尘暴,印度季风前的热浪,夏季欧洲南部和中国南方大范围的炎热酷暑,6月底、7月初我国淮河流域的暴雨洪灾,9月份南极上空创历史记录最大最深的臭氧洞等等.这些极端天气和气候事件产生的机制及其可预测、预报性,有待深入的分析与研究.     

Responsibility for Past and Future Global Warming: Uncertainties in Attributing Anthropogenic Climate Change

During the negotiations on the Kyoto Protocol, Brazil proposed a methodology to link the relative contribution of Annex I Parties to emission reductions with the relative contributions of Parties to the global-mean temperature increase. The proposal was not adopted during the negotiations but referred to the Subsidiary Body for Scientific and Technological Advice for consideration of its methodological aspects. In this context we analyze the impact of model uncertainties and methodological choices on the regionally attributed global-mean temperature increase. A climate assessment model has been developed to calculate changes in greenhouse gas concentrations, global-mean temperature and sea-level rise attributable to individual regions. The analysis shows the impact of the different choices in methodological aspects to be as important as the impact of model uncertainties on a region's contribution to present and future global temperature increases. Choices may be the inclusion of the anthropogenic non-CO₂ greenhouse gas emissions and/or theCO₂ emissions associated with land-use changes. When responsibility to global temperature change is attributed to all emitting Parties, the impacts of modeling uncertainties and methodological choices on contributions of individual Parties are considerable. However, if relative contributions are calculated only within the group of Annex I countries, the results are less sensitive to the uncertainty aspects considered here.     

气候变暖对黑龙江省气候和极端天气事件的影响及防御对策

黑龙江省1980年以来气候变暖已成为事实，气候变暖导致天气气候极端事件的发生，依此提出防御时策。     

诊断天气气候时间序列极值特征的一种新方法

将平稳过程的交叉理论用于天气气候极值分析,提出了一种诊断天气气候时间序列极值特征量的新方法,在正态假设下,推证出天气气候记录中,极值出现频数、持续时间和等待时间的估计公式,论证了极值出现频数与其频谱结构的对应关系及其相互推算方法.实例应用表明,其理论计算值与实测值相当一致,这种方法对于气候变化诊断与预测和天气预报具有很强的实用价值.     

Reducing the Prediction Uncertainties of High-Impact Weather and Climate Events:An Overview of Studies at LASG

This paper summarizes recent progress at the State Key Laboratory of Numerical Modeling for Atmospheric Sciences and Geophysical Fluid Dynamics(LASG), Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences in studies on targeted observations, data assimilation, and ensemble prediction, which are three effective strategies to reduce the prediction uncertainties and improve the forecast skill of weather and climate events. Considering the limitations of traditional targeted observation approaches, LASG researchers have developed a conditional nonlinear optimal perturbation-based targeted observation strategy to optimize the design of the observing network. This strategy has been employed to identify sensitive areas for targeted observations of the El Ni?o–Southern Oscillation, Indian Ocean dipole, and tropical cyclones, and has been demonstrated to be effective in improving the forecast skill of these events. To assimilate the targeted observations into the initial state of a numerical model, a dimension-reducedprojection-based four-dimensional variational data assimilation(DRP-4DVar) approach has been proposed and is used operationally to supply accurate initial conditions in numerical forecasts. The performance of DRP-4DVar is good, and its computational cost is much lower than the standard 4DVar approach. Besides, ensemble prediction,which is a practical approach to generate probabilistic forecasts of the future state of a particular system, can be used to reduce the prediction uncertainties of single forecasts by taking the ensemble mean of forecast members. In this field, LASG researchers have proposed an ensemble forecast method that uses nonlinear local Lyapunov vectors(NLLVs) to yield ensemble initial perturbations. Its application in simple models has shown that NLLVs are more useful than bred vectors and singular vectors in improving the skill of the ensemble forecast. Therefore, NLLVs represent a candidate for possible development as an ensemble method in operational forecasts. Despite the considerable efforts made towards developing these methods to reduce prediction uncertainties, much challenging but highly important work remains in terms of improving the methods to further increase the skill in forecasting such weather and climate events.     

宁波城市化进程对夏季极端气温和高温热浪的影响

利用浙江省沿海宁波鄞州站(城区)、台州洪家站(郊区)和宁波石浦站(海岛)1956-2018年夏季(6-8月)逐日最高、最低气温和1978-2017年宁波城市化进程参数资料,研究城市化进程与夏季极端气温及高温热浪之间的关系。结果表明:1)宁波城区夏季的最高、最低气温的增幅分别为0.306℃/10a、0.271℃/10a,台州郊区增幅与之接近,海岛增幅最小;城区气温的突变时间均早于郊区和海岛的;热岛效应对城区的最高、最低气温变化贡献率分别为57.8%和53.5%,不仅对气温增幅占比大,而且其突变时间要早于城区及对比站气温本身的突变时间。2)宁波是高温热浪袭击较为频繁的城市,20世纪90年代开始强高温热浪较集中,21世纪以来高温热浪尤为严重;台州郊区20世纪各级高温热浪频次变化不大,但21世纪较20世纪明显增多。3)宁波城市化发展对高温热浪影响显著,城市化对高温热浪贡献率,相对于郊区站为46.1%,相对于海岛站接近100.0%。4)宁波城市化进程参数K的突变时间与城区的夏季平均最高、最低气温的突变时间一致,与高温日数、平均及极端最高气温、高温热浪频数均显著正相关,其中与平均最高气温的相关性最高。