长江上游近千年来的洪水变化——比较气候-水文模型模拟数据与重建数据

了解水文过程对温室气体水平上升的响应,对气候变化影响研究至关重要.然而,由于缺乏长期的观测数据来了解气候系统的长期行为,这方面的研究往往受到一定限制.结合重建数据和模型模拟(全球气候模式和水文模型)数据将有助于更好地理解气候和水文过程在过去几十年到几个世纪的时间尺度上的变化.在本研究中,利用模型链方法研究长江上游过去千年至21世纪末的洪水变化.首先,利用四个全球气候模式(BCC-CSM1.1、MIROC-ESM、MRI-CGCM3、CCSM4)的降水和温度数据驱动水文模型,模拟长江上游在过去千年(850～1849年)、历史时期(1850～2005年)和未来时期(2006～2099年)的日径流过程.在此基础上,评估了模拟降水、温度和极值流量是否与文献记载的干湿期、温度变化和古洪水记录具有相似的统计特性.最后,通过模型模拟结果探究了极值流量从过去千年到未来的变化.结果表明:(1) MIROC-ESM模式不同于其他三种气候模式,从温暖期(中世纪暖期; MCA)到寒冷期(小冰期; LIA),温度增加,而其他模式的温度变化与历史记录相似;(2) BCC-CSM1.1模式的模拟降水与记录的干湿期之...     

第三代再分析水汽资料的气候态比较

基于再分析资料,分析和理解水汽的大时空尺度变化规律,是气候变化研究中的重要环节.但不同再分析资料间水汽变量的差异,会导致相关气候变化研究的不确定性.因此,本文对比研究了三种当前最新的第3代再分析资料,即ERA-Interim,MERRA和CFSR的多年(2000~2012年)全球大气柱水汽含量气候态分布的异同并分析了可能原因.研究结果表明,三种再分析水汽资料尽管在描述全球水汽的主要变化模态方面有很高的相似性,但在全球分布、时间序列及变化趋势等方面仍存在一定的差异.其中,洋面上三种数据的年际变化较为相似,而差异主要集中在赤道两侧辐合带和暖云区,这可能是源于不同模式暖云模拟和对流参数化方案的不同,以及水汽对卫星遥感数据同化的敏感性差异.总体而言,三者与卫星观测均较为一致.而陆地上的差异主要集中在非洲中部、南美洲亚马逊流域以及一些高原地区,其主要原因是由于模式对复杂下垫面处理的不同,以及相应区域探空等地基观测数据的缺乏.并且,三者都较探空实测数据明显偏低.本文研究结果将有助于理解再分析资料间的气候态差异特征,可为气候研究时水汽数据的选取提供参考依据.     

青藏高原北部马兰冰芯记录的近千年来气候环境变化

根据青藏高原北部可可西里马兰冰芯记录, 重建了该地区1129A.D.以来的气候环境变化. 马兰冰芯中δ¹⁸O记录表明, 近千年来该地区暖季气温呈上升趋势, 20世纪升温在其自然变化范围之内, “中世纪暖期”和“小冰期”在该冰芯记录中均有表现. 在该冰芯记录时段内, 最暖的世纪是17世纪, 最暖的年代是1610 s. 马兰冰芯中污化层厚度比率是沙尘天气发生频率的良好指标, 据此建立了该地区近870 a来沙尘天气发生频率的变化过程, 并发现该冰芯记录的沙尘天气发生频率变化与气温变化之间在10¹~10² a时间尺度上存在显著的负相关关系. 通过对青藏高原北部相关冰芯、树轮等记录的综合分析, 揭示出温湿气候时期沙尘天气发生频率较低, 而冷干气候时期沙尘天气发生频率较高. 近200 a来沙尘天气发生频率呈现明显减少趋势.     

中国气候干湿变率与ENSO的关系及其稳定性

利用1951-01~2000-10中国160站气温和降水月平均资料, 计算了自修正PDSI指数. PDSI指数EOF分析第一模态空间场分布和1951~2000年PDSI指数的变化趋势分布十分相似, 第一模态时间系数反映了空间场随时间的演变情况. 研究发现, EOF分析所揭示的中国气候干湿变率和ENSO有着很好的关系. 这种关系表明, 在典型的ENSO暖状态, 中国大部分地区都偏干, 特别是华北地区更易偏干, 长江以南地区和西北容易偏湿, 而长江中下游地区处于变干和湿的过渡区, 变干或湿不明显. 在典型的ENSO冷状态则情况相反. 而中国气候干湿变率年际和年代际变化都对应着强El Niño事件; 反过来当发生强El Niño事件时, 中国气候干湿变率在年际和年代际尺度上有可能发生剧烈变化. 最近20~30 a中国气候干湿的年代际变化, 特别是华北自20世纪70年代末的变干和西北自80年代中期的变湿, 与ENSO朝更暖的状态变化及全球变暖有着紧密的联系. 1951~2000年中国气候干湿变率和ENSO关系的稳定性分析表明, 中国气候干湿变率和ENSO之间在3~8 a变化周期上存着很好的相关关系, 但这种相关关系不稳定, 存在着年代际变化: 1951~1962和1976~1991年两个时间段两者相关关系很高, 而在1963~1975和1992~2000年两时段内, 两者相关关系较差.     

格点大气环流模式GAMIL2参数不确定性的量化分析与优化

物理过程参数化方案的不确定性是目前气候系统模式不确定性的重要来源之一.随着模式内在复杂度攀升,模拟场景多样化,参数化方案中基于先验的和人工的物理参数选取方法已经逐步成为限制模式模拟能力的瓶颈之一.为此,本文设计并提出了初选与寻优相结合的两步法参数优化方案.初选阶段用全因子采样方法对不确定参数空间进行初始敏感性分析,估计最优解所在区域;寻优步采用单纯型下山法,基于初选阶段确定的参数组合快速寻优.将两步法应用于中国科学院大气物理研究所(英文缩写:IAP)大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室(英文缩写:LASG)格点大气模式第2版:GAMIL2,选取其深对流方案和云量方案中的3个重要参数开展寻优,优化以综合减小模式降水、风场、温度、湿度、位势高度以及辐射通量的误差为目标.这些变量用GAMIL2标准版本标准化后形成单一的目标. 结果显示,优化后的目标函数值比GAMIL2 标准版本改进了7.5%.机理分析表明,调优后的参数优化了大气中的水汽凝结作用,进而减少模式的湿度偏差,改进云量的模拟效果;同时水汽凝结作用的变化通过大气内部动力和热力相互作用及响应影响温度、位势高度和风场的模拟.     

近5000a的气候波动与太阳变化

对JohnA .Eddy提出的过去 5 0 0 0a中 1 6个明显的太阳活动变化 ,金川泥炭纤维素δ18O温度代用记录有很好的一对一的响应 .每当较长期的太阳活动水平低落时 ,δ18O值就减小 ,地表气温下降 ;反之 ,在高的太阳活动水平期间 ,δ18O值增大 ,温度上升 .据此讨论了未来 5 0～ 1 0 0a地表气温的演变趋势     

南半球夏季纬向平均环流的垂直结构异常及其与AAO和ENSO的联系

利用NCEP/NCAR月平均再分析资料,研究了南半球夏季（12~2月）纬向平均环流的垂直结构异常及其与南极涛动（AAO）和ENSO的联系.结果表明,南半球夏季纬向平均［u］的异常分布的主要模态（EOF1）显示出极区、50°S~70°S、以及50°S以北的区间内“三极”型振荡.EOF1 既反映了AAO的特征又与ENSO有着显著的关系.由于AAO指数与Nino3区指数之间存在着统计相关,为进一步弄清AAO和ENSO在南半球纬向平均气流变动的相关分量及其结构,利用Nino3区指数使用一元回归方法滤除ENSO影响,再对剩下的部分作EOF分解,得到了独立于ENSO的纬向平均［u］的第一模态AEOF1.相关分析表明AEOF1为与AAO相对应的纬向平均［u］异常的分布.用南半球纬向平均［u］去掉其与AAO相联系的模态AEOF1,进行EOF分解得到的第一模SEOF1,其与Nino3 区指数的相关高达0.9.由此给出了纬向平均气流的变动与ENSO无关的模态和与ENSO有关的模态.时间变化分析表明,近30年中,除了年代际变化和3~7年的年际变化外,纬向平均的纬向基本气流尚有极地西风减弱、副极地西风加强、副热带西风减弱、热带东风加强的长期趋势.     

北京沙尘频次的年际变化及其全球环流背景分析

本文采用相关和合成的分析方法,研究北京沙尘频次的年际变化及其冬、春季的全球环流背景.结果表明北京沙尘频次有年际变化的特点,并与全球范围内的环流异常相联系,特别是南、北半球的中高纬的环流异常.南半球环流异常与沙尘的联系在冬、春两季有很好的持续性和显著性,北半球中高纬环流异常与沙尘的联系冬季较春季显著.春季对流层高层的东亚西风急流增强能使低空的蒙古气旋加强和锋生,从而引起地面大风,为沙尘天气频次的增加提供动力条件.     

孢粉-气候对应分析重建上海西部地区8.5 ka B.P.以来的气候

利用现代和化石孢粉资料,借助于对应分析方法,进行了古气候定量重建尝试,取自中国东部区域的表土层孢粉数据被用来建立孢粉－气候转换函数,对取自上清青浦县赵巷有^14C测年的钻孔孢粉数据进行转换,重建了上海地区8．5kaB.P.以来年年温度和降雨量系列,结果表明：约8．5kaB.P.以来,本区温度和降雨量持续升高,约8．2－6．0kaB.P.期间为全新世气候适宜期,年均温和降水量值平均高于现今值0．9℃和160mm,约8．0kaB.P.达到最高值（湿度和降雨量为18．5℃和1575mm);但气候波动剧烈;约6．0－4．0kaB.P.期间为温凉干燥期,气候波动平缓,年均温度和降雨量平衡低于现今值,最低值为13．5℃和827mm(4.1kaB.P.);约4．0－2．0kaB.P.,期间温度和降水回升,但暖湿程度远不及全新世大暖期。2．0kaB.P.以来温度和降雨又呈下降趋势。8．0kaB.P.、7．6kaB.P.和27kaB.P.前后的出现高温高湿峰值,7．5kaB.P.、7．3kaB.P.和4．0kaB.P.前后出现低温低湿谷值。气候变化对本区古文化的发展可能有重要影响。     

全球变暖背景下春季Hadley环流与东亚夏季风环流年际对应关系的多模式预估

观测事实揭示,春季Hadley环流在年际时间尺度上与东亚夏季风环流和降水具有密切联系.在未来全球变暖背景下,春季Hadley环流与东亚夏季风环流和降水的这种年际关系是否会发生变化？针对该问题,本文在评估的基础上选取五个气候模式,分析了A1B排放情景下春季北半球Hadley环流年际变率的未来变化及其与东亚夏季风环流和降水的年际关系.多模式集合(MME)预估结果表明,在全球变暖背景下,与20世纪末期(1970—1999年)相比,到21世纪末期(2070—2099年),春季北半球Hadley环流的年际变率强度将减弱,减弱幅度达32%.随着春季Hadley环流年际变率的减弱,其与夏季西太平洋副热带高压和东亚夏季风强度的联系将变弱.MME模拟结果还显示,春季Hadley环流与夏季东亚西风急流和降水的关系也降低,但各单个模式间存在较大差异.     

淮河流域夏季降水的振荡特征及其与气候背景的联系

利用1922~2007年淮河流域和长江中下游夏季降水量资料,使用小波变换、广义极值分布等方法,分析了近86年来淮河流域夏季降水的年际、年代际振荡和概率分布特征.在此基础上,分析了东亚夏季风、太平洋海表温度及东亚遥相关环流等气候背景与淮河流域夏季降水年际和年代际振荡的联系.另外,还比较了淮河流域与长江中下游夏季降水年代际振荡特征及其气候背景的差异.结果表明：①淮河流域夏季降水存在显著的准2年振荡和年代际振荡特征.准2年振荡的强弱变化与年代际振荡强弱变化一致.20世纪90年代末以来,淮河流域夏季降水处在年代际偏多期,准2年振荡特征突出,极端强降水事件的概率亦显著增加;②淮河流域夏季降水年代际振荡与PDO及东亚夏季风年代际振荡关系密切,当PDO处于冷位相年代际阶段且东亚夏季风处于年代际偏弱时,淮河流域夏季降水呈年代际偏多趋势;③淮河流域夏季降水的准2年振荡主要受到东亚夏季风准2年振荡的控制,同时与东亚环流系统从高纬至低纬的＂＋,？,＋＂特定配置有关;④淮河流域与长江中下游夏季降水存在年代际位相差异,其差异主要与西太平洋副热带高压强度和位置的年代际变化有关.     

台湾高山湖泊沉积记录指示的近4000年气候与环境变化

海拔3310m嘉明湖的沉积物,记录台湾高山近ka来的古气候变动,即2.2kaBP之前的湿暖期,相当于全新世大暖期之后半段,以及2.2kaBP以来的降温期;并且在大暖期结束前,出现一段特别湿暖的时期(2.2～2.4kaBP).鸳鸯湖及七彩湖的沉积物,也显示大暖期似乎结束于2～2.3kaBP.另外,在降温期中出现一短暂暖期(820～1320AD),似乎对应于中世纪暖期;而自1320AD开始,气候又转变为干冷,意味着小冰期来临.这些气候变动也可与大鬼湖所记录的相对应.     

一类广义Radon变换的反演:迭代重建再投影的外插算法

本文对不完全数据下的一类广义Radon变换的反演问题,建议用迭代重建再投影的外插算法重建图像。数值模拟结果表明,迭代重建再投影的外插算法对重建图像是有效的。     

中国2050:气候情景与胡焕庸线的稳定性

基于NCAR/PSU的Reg CM4.0,取A1B情景对中国未来气候变化作了模拟估计,结合1981~2000年数据和中国未来时期(2041~2060年)的温度、降水模拟值,计算获得了中国相应时期及未来时期的蒸发量模拟值,并且计算了中国的农业生产潜力,得到了中国各地区可能达到的期望农业产量.通过比较1981~2000年和未来(21世纪中叶)时期农业生产潜力的变化,发现届时秦岭淮河一线仍然是中国农业生产潜力变化的重要分界线,淮河以南地区农业生产潜力呈下降态势,而淮河以北地区农业生产潜力呈上升趋势,未来农业生产潜力的南北差距将有明显的缩小,对中国东部地区而言未来以秦岭淮河作为中国水稻和小麦的地理分界线可能会北推到黄河一线.更为重要的是,中国传统上农业生产潜力分界线——胡焕庸线对中国农业的锁定正在被突破.突破主要在云南省北部地区和川西地区,农业生产潜力明显提高,秦岭淮河以北的黄淮海平原地区的农业生产潜力也有了提高.农业生产潜力降低最大的区域集中在长三角地区、浙江、福建、贵州等南方省份.胡焕庸线以东秦岭淮河线以北的东北、华北、关中地区,以及秦岭淮河线以南、四川盆地地区的农业生产潜力上升幅度最为明显.此外,本文研究了气候变化下农业生产潜力的变化对中国人口分布的冲击,发现由于气候变化导致农业生产潜力提高的原因,胡焕庸线以西省区的人口占比将增长1.03%.气候变化虽在一定程度上可以缓解中国东西部人口分布不均衡的现象,但并没有从根本上破坏胡焕庸线的人口分布规律.     

决定北半球冬季哈得莱环流年际变率的三维大气环流图像:观测分析和数值模拟

本文利用NCEP/NCAR再分析资料,分析了1979~2008年北半球冬季哈得莱(Hadley)环流年际变化的特征,在此基础上,讨论了在观测海温驱动下大气环流模式的模拟结果.观测分析表明,近30年北半球冬季哈得莱环流年际变率的主导模态呈现出空间上的非均匀变化,哈得莱环流圈位于热带部分与其位于副热带部分的强度变化符号相反,这在表征其年际变化特征的另一指标——经向风垂直切变中亦有显著体现.大气环流模式AMIP积分试验结果表明,北半球冬季哈得莱环流强度的上述年际变化源于海温强迫.分析发现,热带中东太平洋和南印度洋暖海温距平强迫导致了哈得莱环流强度年际变化的主导模态呈现出空间上的非均匀变化.ElNio的局地作用和大气桥作用激发的太平洋局地哈得莱环流(30°S~30°N,150°E~90°W)和大西洋局地哈得莱环流(30°S~30°N,90°W~10°W)并非呈现出整体一致的变化,尽管二者纬向平均后分别使气候平均的哈得莱环流圈强度加强和减弱.ElNio遥强迫作用激发的西北太平洋反气旋(0°~30°N,100°E~150°E)使北半球Hadley环流圈强度减弱,ElNio和南印度洋暖海温距平共同强迫出的南印度洋反气旋(30°S~0°,60°E~100°E)使南半球Hadley环流圈的强度亦减弱.上述局地哈得莱环流的变化叠加后,因纬向平均的太平洋局地哈得莱环流强度在(副)热带部分的增强大(小)于纬向平均的大西洋局地哈得莱环流和西北太平洋、南印度洋局地哈得莱环流在(副)热带地区的减弱,结果使得哈得莱环流圈的强度在(副)热带部分偏强(弱);较之南半球,北半球强度变化稍强.因此,北半球冬季哈得莱环流年际变率的主导模态在空间上呈现出非均匀变化.     

卫星反照率产品的多尺度验证与不确定性分析

中低分辨率卫星反照率产品反映了局地与全球尺度地表吸收太阳短波辐射的能力,在气候变化与能量平衡研究中具有重要应用.卫星产品的精度通常基于地面观测值进行验证,而中低分辨率卫星反照率产品的验证需面对卫星与地面观测尺度的差异这一难题.引入高分辨率反照率作为尺度转换桥梁是一种常用验证策略,但高分辨率反照率数据本身的误差,以及它与地面观测、中低分辨率产品的互匹配都可能给验证结果带来不确定性.本文验证策略对这些不确定性进行了控制:以不确定性最小原则设计地面采样策略,用地面观测值对30 m分辨率反照率(用国产HJ-1a/b卫星数据反演得到)进行了校正,用校正后的30 m反照率升尺度后,选择不确定性更小的像元评价中低分辨率反照率的精度.以中国黑河流域中游为研究区开展了对GLASS和MODIS两种1 km分辨率反照率产品的验证试验.验证结果表明,尺度转换后的HJ反照率可以精确的检验低分辨率反照率产品的精度,但是必须考虑验证过程中的不确定性,并在验证时排除不确定性过大的像元.     

1970年云南通海地震损失、救灾、重建史实与数据的再分析

1970年云南通海大地震是1949年建国以来死亡人数仅次于唐山与汶川地震的地震。由于发生在特定的历史时期,社会及媒体对地震的历史情况产生了质疑,提出了一些看法,本文针对质疑的灾害损失、救灾力度和恢复重建及相关问题,从文献、档案资料、统计数据进行调查分析,试图得出符合历史情况的结果。     

长江三角洲城市热岛与太湖对局地环流影响的分析研究

发展了一个适合于长江三角洲地区的细网格区域气象模式, 利用这个模式成功模拟了长江三角洲地区海陆风、湖陆风、城市热岛等小尺度天气现象, 并研究了该地区地面风切变线形成的特征和机理, 指出海风和湖风的相互作用, 是地面切变线形成、维持的一个主要因素.     

东亚降水格局:季风与瞬变涡动的竞争

利用再分析资料ERA-40计算了东亚气候平均对流层水汽输送(MT)、平均气流水汽输送(MMT)、瞬变涡动水汽输送(EMT)及其散度,并同降水场进行比较分析.结果表明,季节平均水汽散度场同东亚降水分布型存在一定的配置关系,水汽辐合区对应于降水大值区,辐散区降水较少.东亚大部分地区MMT散度大于EMT,但符号相反,即MMT是MT的主要部分,决定了后者散度空间分布特征.夏季风期间,东亚MMT表示季风水汽输送,其大尺度辐合区对应于季风降水区,辐散区覆盖了西北内陆干旱区.中高纬EMT四季均为恒定向北的水汽输送,是内陆干旱区和非夏季风控制区降水水汽的主要供给者.从夏到冬EMT水汽辐合区扩大,MMT辐合区缩小,后者的散度决定了东亚干湿气候区分布.因而季风与瞬变涡动竞争形成东亚独特的降水格局.这些特征的揭示为东亚区域气候形成与变异机理研究提供了新思路.1998年夏季案例分析表明,长江、松花江和嫩江发生流域性洪涝灾害主要是大尺度夏季风水汽输送异常辐合造成,瞬变涡动贡献不大.     

地震危险性分析中潜在震源区范围与震级上限的不确定性分析

目前进行的地震危险性分析计算中, 潜在震源区范围和震级上限的确定过程中存在很大的不确定性。 采用二级划分和三级划分潜在震源区的方法, 对潜在震源区范围不确定性进行了研究; 用震级上限的单边正态分布模型代替固定的震级上限模型, 分析了这种改进对地震危险性分析结果的影响及其工程意义。 结果表明, 用三级划分潜源的方法代替二级划分潜在震源方法可降低局部地区的地震危险性, 对于在潜在震源区附近选址和降低工程成本有重要意义。 震级上限的改进, 使得地震危险性降低, 这对百年使用年限的工程更具有实用性。