中国夏季极端气温与降水事件日数随平均气温变化的定量分析

极端高温、极端低温、极端降水事件日数对全球平均气温变化都有较强响应。本文利用全国1960-2005年549个站点逐日均一化温度资料以及559个站点逐日降水数据,定量分析了中国夏季极端气温与降水事件日数随气温变化的特征。结果表明:全球平均气温升高1℃,全国平均的极端高温、低温和降水日数的变化量分别为5.69,-5.3和0.69天;区域尺度上,全球平均气温升高1℃,东南沿岸和四川地区极端高温日数可增加8～10天,东北地区极端低温日数减少10天左右,西北地区极端降水日数可增加4～6天。基于以上结果,利用模式对未来全球平均气温的预估表明:2006-2099年我国平均的极端高温、低温、降水日数变化量在RCP8.5情景下最大,分别增加23天、减少22天和增加3天;区域尺度上,RCP8.5情景下2006-2099年我国东南以及西南地区极端高温日数可增加42天左右,我国北方大部分地区极端低温日数减少33天左右,而西北地区极端降水日数可增加16天左右。该研究结果表明一系列应对气候变化的措施势在必行。     

1961~2010年西北地区极端气候事件变化特征

利用1961~2010年西北地区131个气象站的逐日平均气温、最高和最低气温及逐日降水资料,分析了西北地区极端气候事件的变化趋势及空间分布特征。结果表明:气候变暖背景下,西北地区近50 a来气温整体呈增加趋势,极端高温事件增多,极端低温事件减少;降水量呈微弱的增加趋势,极端降水事件增多;极端高温日数分别在1982年和1996年发生转折,95%、99%极端低温日数均在1980年前后发生突变,95%、99%极端降水日数分别在2000年和1980年出现转折,这与气温和降水的变化趋势一致。极端低温日数减少的幅度大于极端高温日数增加的幅度,表明气温日较差呈减小趋势,存在非对称性增温特征。空间上,增温率大的区域其极端高温日数增加,极端低温日数显著减少;95%、99%极端降水日数增率大的区域多位于降水量倾向率较高的地区。     

江苏省近45a极端气候的变化特征

利用江苏省35个测站1960—2004年45 a的逐日最高温度、最低温度、日降水量资料集,分析了近45 a江苏省极端高温、极端低温以及极端降水的基本变化特征。结果表明:(1)多年平均年极端高温的空间分布表现为西高东低,而极端低温则表现为自北向南的显著增加,极端降水的发生频次自南向北逐渐减少;(2)极端高温在江苏中部以及南部大部分地区有上升趋势,而西北地区则有弱的下降趋势;全省极端低温表现为显著的升高趋势;极端降水频次在南部地区有增加的趋势,北部减少趋势,中部则无变化趋势。(3)江苏极端高温、低温和极端降水的年际和年代际变化具有区域性差异,其中极端降水频次变化的区域性差异最为明显。     

西北地区极端高温变化及其对气候变暖停滞的响应

利用国家气候中心整编的中国西北地区日最高气温的观测资料,通过对中国西北地区极端高温变化特征进行较全面的分析,揭示了近20 a(1996—2015年)与近55 a(1961—2015年)中国西北地区极端气温变化的新特征。结果表明:除新疆维吾尔自治区部分和陕西省南部部分地区外,1961—2015年西北地区极端高温事件出现频次普遍呈增加的趋势,大值中心集中分布在新疆维吾尔自治区东南部、青海省北部、甘肃省西部和宁夏回族自治区中部地区,线性增加率为3.00次/10 a以上,其中大部地区增加趋势通过了99.5%以上信度的显著性检验,与全球气候变暖的特征较为一致。近20 a来西北地区极端高温事件出现频次呈西部和南部地区增多、东部和北部地区减少的空间变化特征。近20 a西北地区极端高温事件出现频率呈"西南部地区多、北部和东部地区少"的变化趋势,与前20 a(1961—1980年)极端高温事件出现频次的变化趋势相近,与近30 a(1981—2010年)极端高温事件出现频率的"西南部地区少、中东部地区多"的变化趋势相反。近55 a西北地区极端高温事件平均出现频次呈增加的趋势,平均值为1.73次/10 a;主要阶段变化率分别为:前20 a极端高温事件平均出现频次为0.06次/10 a,近30 a极端高温事件平均出现频次为3.90次/10 a,近20 a极端高温事件平均出现频次为-0.46次/10 a。近20 a西北地区极端高温事件出现频次呈弱递减的趋势与全球1998年以后增温的停滞现象较一致,说明西北地区的区域极端高温事件减少的特征对全球气候变暖停滞现象存在响应。由西北地区极端高温事件出现频次异常偏多年和偏少年的典型温度场可知,西北地区夏季异常高温变化对印度洋和太平洋的海温变化具有明显的正响应。西北地区极端最高气温和极端高温事件的温度强度分布主要取决于海拔高度,其次与局地地形和下垫面性质有关。     

近56年中国极端降水事件的时空变化格局

基于中国693个地面观测站1961-2016年的逐日降水资料,全面分析了全国和各分区极端降水事件、连续性极端降水事件及其起止时间的时空分布和变化特征。结果表明,近56年,全国极端降水事件明显增多,极端降水量和极端降水日数呈增加趋势的站点占总站数的68%,且主要集中在东南沿海和西部地区。华东地区是全国极端降水量增长幅度最大的地区,增速达18. 2 mm·(10a)~(-1),西北地区的极端降水日数增速最快,每10年增加0. 37天。全国平均的连续性极端降水事件表现为不显著的增加趋势,其中仅西北地区的连续性极端降水量和降水频次的增加趋势达到0. 01显著性水平,华北和西南地区的连续性极端降水事件表现为不显著的下降趋势。全国平均的极端降水事件的开始时间和结束时间分别呈现出明显的提前和推迟趋势,西北、青藏和东北地区极端降水事件的开始时间显著提前,西北地区的结束时间显著推迟,受其影响,西北地区的极端降水事件持续期增长幅度最大达到10. 4 d·(10a)~(-1)。     

1955-2005年中国极端气温的变化

利用1955-2005年中国234站逐日最高、最低气温资料,通过计算趋势系数等,研究了中国年、季极端气温变化趋势的时空特征。结果表明：空间分布上,我国年和四季的极端低温均表现出稳定的增温趋势;年、春季和夏季极端高温在黄河下游地区出现了较明显的降温趋势,而在华南地区增温趋势较显著;时间演变上,无论年还是四季,极端低温的增温幅度明显大于极端高温的增幅;极端气温在四季均有增温趋势,尤其以冬季的升温最明显;年极端高温和低温的年代际变化基本一致。     

全球升温1.5℃与2.0℃情景下中国极端低温事件变化与耕地暴露度研究

基于区域气候模式COSMO-CLM（CCLM）模拟的1960-2100年逐日最低气温数据及2000年中国土地利用数据,采用强度-面积-持续时间（Intensity-Area-Duration,IAD）方法,以全球升温1.5℃（RCP 2.6情景）和2.0℃（RCP 4.5情景）为目标,研究不同持续时间中国极端低温事件变化特征、最强极端低温事件强度与面积关系和最强中心空间分布,分析极端低温事件下耕地面积暴露度的变化规律。研究发现:（1）全球升温1.5℃情景下,持续1至9 d的极端低温事件频次相对于基准期（1986-2005年）下降30%-54%,强度变化-1%-8.8%,影响面积下降7%-21%;升温2.0℃,频次下降48%-80%,强度上升6%-11.5%,影响面积则在-14%-19%变化。（2）全球不同升温情景有可能发生强度和面积超过基准期最强事件的极端低温。全球升温1.5-2.0℃时,同等面积上的最强极端低温事件强度明显下降,但最强极端低温事件中心由西北和西南转移到华中和华南等地。（3）不同升温情景下,暴露于极端低温事件的中国耕地面积明显少于基准期,且升温幅度越高下降程度越大。最强极端低温事件的耕地暴露度则随温度的升高而增大。升温1.5℃时,华东、华北与华中等地暴露在最强极端低温事件的耕地面积相对于基准期有所增大,升温2.0℃时,华东与华北等地有大幅度上升。全球不同升温情景下,极端低温事件频次与影响面积持续下降,但强度上升;随着升温幅度的增大,这种差异变化特征越来越明显;特别应注意的是,随着温度上升,发生强度和面积超过当前记录到的最强极端低温事件的可能性增大;应加强极端事件的预警、预报和监测,减缓经济社会的损失。      

2016年1月寒潮天气过程极端性分析及集合预报检验

利用欧洲中期天气预报中心(ECMWF)再分析资料和集合预报极端天气预报指数（extreme forecast index,EFI）,对2016年1月21—25日强寒潮天气环流异常性和EFI对极端低温事件的预报进行了分析和检验。中亚地区一直维持标准化异常度在3个标准差以上的高压脊,冷涡系统不断发展增强,随着横槽转竖,冷空气爆发南下使得我国中东部出现极端低温。最低温度EFI可以提前7 d预报出低温信号,随着EFI预报时效的延长所对应的最大TS评分随之降低,对不同时效预报需选取合适的EFI阈值。对5%百分位的低温事件短期时效（1~3 d）最低温度EFI临界阈值为-0.6,中期时效（4~7 d）临界阈值为-0.5;对1%百分位的低温事件临界阈值则为-0.7。5%百分位的低温事件各时效最低温度EFI在江南、黄淮、江淮、江汉等地表现最好,华北、华南、西南、西北地区表现次之,在东北地区表现相对较差。     

新疆阿勒泰地区冬季极端低温事件特征分析

利用阿勒泰地区7个测站1961～2011年冬季(11月到翌年3月)逐日最低温度资料,采用百分位定义法给出各站发生冬季极端低温事件的阈值。采用气候趋势系数和气候倾向率、Gumbel分布函数及R/S分析等多种统计方法分析阿勒泰地区各站冬季极端低温事件的气候特征。结果表明:阿勒泰地区各站冬季极端低温事件发生阈值为-26～-36℃。阿勒泰地区冬季极端低温事件频次倾向率均呈减少趋势,强度倾向率均呈减弱趋势。50 a一遇冬季极端低温事件极值东部较低,西部较高。阿勒泰地区西部地区冬季极端低温强度<-50℃的概率较小,东部地区冬季极端低温事件强度<-50℃概率较大。根据R/S分析,阿勒泰地区冬季极端低温事件未来发生频次可能会有所增多,冬季极端低温事件未来发生强度可能会有所增强。     

1951-2009年冬季北京极端低温事件变化分析

根据1951-2009年冬季北京观象台逐日最高、最低气温资料,对近59 a冬季北京极端低温事件的发生频次、强度进行了分析.结果表明,近59 a冬季北京极端低温事件呈减少趋势,且在1984年冬季存在气候突变点,1984年后为极端低温事件相对低发期;随着极端低温事件发生频次减少,强度也趋于减弱,20世纪80年代之后极端低温...     

我国西北地区地面最高和最低气温变化及分布的特征

通过对西北地区70个代表站1961—1990年最高、最低气沮距平值的计算和分析，认为我国西北地区沮度变化主要以冬季夜间变暖为主，变暖的趋势和全球基本一致。另外还发现西北地区最高最低气沮的变化在高海拔地区较为显著，新疆乌鲁木齐及青海省德令哈两地的最高、最低气沮变化是我国西北地区近30年来的最显著区。     

基于小波分析的西北区智能网格气温客观预报方法的检验评估

基于中国气象局(China Meterological Administration,CMA)高分辨率数值预报产品、欧洲中期数值预报中心(the European Center for Medium-range Weather Forecast,ECMWF)精细化数值预报产品和国家级地面观测站数据,采用小波分析方法及滑动训练、最优融合等技术对模式误差序列进行时频处理,实现了对模式系统误差和局地误差的订正,发展了西北区智能网格气温客观预报方法(northwest intelligent grid temperature objective prediction method,NWTM)。以2017年3月—2018年2月数据作为训练样本,对2018年3月—2019年1月西北区239个国家基本站进行检验。结果表明:1)NWTM对CMA和ECMWF两种模式产品的气温预报能力有显著的提升;随着预报时效增长,两种模式订正产品的误差增大。2)NWTM对ECMWF西北区最高气温的订正效果要明显优于CMA,但就最低气温而言,NWTM对CMA的订正效果更为显著。其中,就24 h最高气温而言,ECMWF在宁夏的订正效果最好,CMA在青海的订正效果最好;而对于24 h最低气温的预报,CMA在西北4省的订正效果相差不大,ECMWF在陕西的订正效果最好。3)空间误差检验表明:针对最高气温的预报,ECMWF订正产品的订正能力明显优于CMA,特别是在甘肃河西走廊和中东部、陕西北部和南部、宁夏中南部及青海大部。就最低气温的预报而言,ECMWF和CMA对甘肃河东和陕西南部的订正能力较好;ECMWF订正产品在宁夏中南部及青海南部的订正能力高于CMA,而CMA订正产品在陕西中部的订正能力更优。     

1961~2014年中国冬季极端低温变化特征分析

利用中国691个无缺测站点的经均一化处理及质量控制的逐日最高、最低气温资料,基于冷昼日数、冷夜日数、霜冻日数、冰冻日数、月最低气温极大值以及月最低气温极小值等6个由世界气象组织定义的极端气温指数,分析了1961~2014年中国冬季的极端低温变化特征。结果表明:冷昼日数、冷夜日数、霜冻日数以及冰冻日数在全国大部分地区均呈现下降的趋势,下降趋势较为明显的区域集中在东北南部、华北、西北东部、华东、华中、西南及高原地区,全国整体上下降幅度分别为-0.9 d/10 a、-1.7 d/10 a、-1.5 d/10a和-1.4 d/10 a。最低气温极大值和最低气温极小值在全国范围内则主要呈现上升的趋势,全国整体上分别为0.4℃/10 a和0.6℃/10 a;极端低温天数在20世纪60年代至70年代中后期呈现波动状,随后自20世纪70年代末80年代初至21世纪初呈明显下降趋势,从2006年左右以后其下降趋势较之前有所减缓,是对全球变暖减缓背景下的气候响应;与其他时间段相比,20世纪60年代至70年代为冬季极端低温事件较为频发的时间段,这可能与该时段陆地冷高压频繁活动有关。     

1961～2016年中国春季极端低温事件的时空特征分析

利用1961～2016年中国529个台站逐日最低气温资料,研究了中国春季极端低温事件的时空变异特征。旋转经验正交分解结果显示,中国春季极端低温事件的频次在空间上可以分为5个区域,即东北—华北东部地区、江南地区、西北东部—华北西部地区、西南地区和新疆北部地区。小波分析表明,这5个区域春季极端低温事件的频次在年际尺度上呈现出2～4年的振荡周期,其中江南地区、西北东部—华北西部地区和新疆北部地区2～4年的振荡周期在整个研究时段都显著,但东北—华北东部地区和西南地区2～4年的显著周期分别出现在20世纪80年代之前和80年代到90年代中期。在长期变化上,这5个区域春季极端低温事件的频次总体均呈减少趋势,但突变年份具有明显差异。Mann-Kendall和滑动t检验结果表明,东北—华北东部地区春季极端低温事件频次的突变时间为1987/1988年、江南地区为1995/1996年、西北东部—华北西部地区为1990/1991年、西南地区为1987/1988年、新疆北部地区为1997/1998年。伴随着春季极端低温事件频次的降低,5个区域春季极端低温事件的强度在过去半个多世纪也呈现出显著的下降趋势。但近10年来,中国东部地区春季极端低温事件的频次和强度却有所增加,需要引起关注。     

新、旧气候态差异及对中国地区气候和极端事件评估业务的影响

利用1961—2020年中国区域2089个地面观测站资料,分析了1991—2020年和1981—2010年新、旧气候态下,平均气温、最高气温、最低气温和降水量等变量的空间变化特征,探讨对气候距平值、极端事件等评估结果的影响。结果表明：新气候态下,全国三类气温年和季节平均均一致升高,年降水增加,空间上气温偏高（低）、降水偏多（少）的特征将弱（强）化;华北东部、华东中部和北部以及青海西南部的年平均风速和日照时数距平增加;极端高温年减少,低温年增多,其中平均气温和最低气温受到的影响较最高气温更大;夏季南北方两条雨带极端强降水年的发生概率降低,冬季东北中部和南部、华北、华东北部、西北东部极端弱降水年概率显著增加;全国超过一半的站点极端日高温、低温和强降水事件的历史频次发生改变;新气候态还减弱了极端日高温事件的增速,加快了极端日低温事件的降速。     

土地利用变化对我国区域气候影响的数值试验

使用RegCM2区域气候模式单向嵌套澳大利亚CSIRO R21L9全球海-气耦合模式,通过将中国区域植被覆盖由理想状况改变为实际状况的数值试验对比分析,探讨了当代中国土地利用变化对中国区域气候的影响,并对结果进行了统计显著性检验。研究表明,土地利用的变化,会导致我国西北等地区年平均降水减少,导致年平均气温在内陆部分地区升高和在沿海个别地区降低,引起许多地方夏季日平均最高气温升高,而冬季日平均最低气温则在我国东部部分地区降低的同时在西北地区升高,土壤湿度的变化表现为大范围的降低。研究同时表明,相同的土地变化在不同的地理环境下引起的气候要素变化有一定的不一致性。     

兰州近50a冬季气温变化及其可能原因分析

利用1960—2010年兰州等3站逐日观测资料,分析了兰州冬季气温变化及其可能成因。结果表明：近50 a兰州冬季气温、日较差、冷日数、冷积温及极端高、低温日数的变化速率均在1980s发生跃变。平均气温持续显著的增温,在1960s、1970s最低气温增温起主要作用,日较差、冷积温及极端低温日数显著减少,在1980s后由最低、最高气温共同增温所致,日较差减小变缓,冷积温稳定维持在较低水平,极端高温日数显著增加。大气环流异常和城市化共同影响,导致兰州冬季显著增温,二者对增温的贡献率分别约为37.24%和62.76%。1980s中期之后中高纬度欧亚上空对流层中层盛行纬向环流,两槽一脊的振幅减弱,西北地区位于中国上空异常反气旋西部偏南气流控制下,且同期城市热岛效应更加显著,这些均有利于兰州冬季增温。     

中国西北干旱、 半干旱区感热的年代际变化特征及其与中国夏季降水的关系

利用1951～2000年我国西北干旱、 半干旱区地温、 气温和表面风场逐日4个时次 (02、 08、 14和20时) 的台站观测资料, 计算并分析了我国西北干旱、 半干旱区春、 夏季感热的年代际变化特征。分析结果表明: 中国西北干旱、 半干旱区春、 夏季感热输送出现相反的年代际变化特征, 春季感热从20世纪70年代中期开始增强, 而夏季感热却减弱了。并且还分析了中国西北干旱、 半干旱区4月感热与中国夏季降水的相关关系, 其结果表明了中国西北干旱、 半干旱区的春季感热输送与中国夏季降水有很好的相关关系, 其中正相关区分别位于东北地区和长江中下游地区, 而负相关区分别位于华北地区和西南地区。作者还利用欧洲中心 (ECMWF) 1958～2000年再分析资料分析水平和垂直环流的年代际变化特征, 在1977～2000年期间, 中国西北地区春季感热增强, 使此地区上升气流增强, 华北地区上空下沉气流增强, 不利于华北地区夏季降水偏多, 并出现持续性干旱, 而长江流域的上升气流增强有利于长江中下游地区夏季降水增多, 出现洪涝。因此, 西北地区春季感热异常可以作为我国夏季降水的一个预报因子。     

中国东部冬季气温异常与海表温度异常的关系分析

采用SVD、 相关分析及EOF方法, 分析了中国东部冬季地面气温与北大西洋及北太平洋海温异常变化的关系。结果表明： （1）中国东部冬季气温变化的一致性较高; （2）冬季气温异常与前一年9月北大西洋海域关键区（16°～40°N, 60°～24°W）海温和当年2月西北太平洋关键区（20°～40°N, 124°E～180°）海温呈显著的正相关分布, 即前一年9月北大西洋和当年2月西北太平洋海温异常偏高（低）, 东部冬季气温亦偏高（低）, 即前一年9月北大西洋海温的异常是否为我国冬季气温的气候预测提供了一种前期信号; （3）关键区海温对中国东部冬季气温的影响存在区域差异。北大西洋前期海温与中国东部冬季气温有密切的关系, 而西北太平洋的海温主要影响长江流域及其以北的季风中部区; （4）海温影响气温的可能机理是西北太平洋海温异常升高, 使乌山脊减弱, 阿拉斯加脊减弱, 东亚大槽减弱向东移动, 纬向环流加强, 高纬度的冷空气不易南下, 导致我国东部大部分地区冬季气温偏暖, 反之亦然。在年代际尺度上, 纬向环流和东亚大槽对海温有显著的响应; 但在年际变化方面, 东亚大槽对海温的响应不显著。     

中国西北夏季气温变化及其对青藏高原地面感热异常响应的诊断与数值试验

利用陕、甘、宁、青、新五省（区）９０个测站,１９６０～１９９０年历年夏季月平均气温,采用主成分分析、旋转主成分分析和全球大气环流模式,对中国西北夏季气温变化的时空异常特征及其对青藏高原地面感热通量强弱变化的响应进行了诊断分析和数值试验。结果表明：中国西北地区气温变化在空间上具有较好的一致性,但由于地形和下垫面的影响,夏季气温异常主要表现为６种气候类型（区）,即青海高原区、河套区、北疆区、渭水流域区、南疆西部区、东疆－河西走廊区。５０年代以来气温演变的主要特点是除青海高原和北疆外的西北大部分地方夏季由暖变冷。当北半球５００ｈＰａ高度距平场呈欧亚型振荡,则有利于中国西北大范围气温偏高（低）。青藏高原地面感热通量的异常增强,可引起西北夏季西部偏暖,东部偏冷。