中国西北近50 a来气温变化特征的进一步研究

 利用国家气象信息中心最新整编的西北地区135站1960—2005年逐月资料,通过对该地区温度变化特征的分析,在前人研究成果的基础上,进一步揭示出了近50 a来西北地区气温变化的一些新特征: ①西北地区的年和各季节均表现为一致的增温趋势,但陕西南部在夏季出现降温的趋势。冬季和秋季,从塔里木盆地西侧到河套地区,在35°—40°N的带状区域内是增温趋势最强的区域。西北区域整体年平均气温的变化幅度达0.37℃/10a,冬季增温可达0.56℃/10a。无论是年或四季平均的增温率,西北地区都比全国平均的要高。②西北地区冬季和年的平均气温在20世纪80年代中期以后开始表现为明显上升趋势;但春季、夏季和秋季均到了20世纪90年代中期以后,才开始出现气温明显上升的趋势。③西北地区年气温异常首先表现为全区一致的变化型,然后依次为南北相反变化型和陕南气温变化与其他地区不同的独特性。且整体一致型变化近50 a来呈加强态势,而陕南与西北其他地区气温非同步变化的趋势在逐渐缩小。④西北地区近50 a来年气温可分为南疆-高原区、北疆区、西北东部区3个主要空间异常气候区。且从长期倾向来看,南疆-高原区和北疆区有明显的上升变化倾向,西北东部区则表现为波动式的上升趋势。     

1960—2016年黄土高原干旱和热浪时空变化特征

基于1960—2016年黄土高原49个气象台站日最高气温和月降水数据,论文利用百分位高温阈值和标准化降水指标对黄土高原干旱和热浪时空变化特征进行了分析,识别并探讨了干旱和热浪同时发生事件的演变规律。结果表明：① 黄土高原热浪频次整体呈增加趋势,日高温热浪增加趋势最大,增速达到0.29次/a,1995年之后增加趋势更为明显,显著增加区域集中在山西东北部、青海省东部和甘肃中南部;② 1960—2016年黄土高原旱涝指数呈下降趋势,即表现为由涝转旱,20世纪90年代初为旱涝变化的转折点,年旱涝指数下降趋势显著区占整个研究区的62%,其中黄土高原沟壑区南部、陕北南部、山西南部、甘肃东部干旱趋势较为明显;③ 干旱和热浪同时发生事件总体呈现增加趋势,增速为0.66次/10 a,其中1960—1979年呈下降趋势,降速为-0.26次/a,1980—2002年呈增加趋势,2003年之后变化趋势较为平稳;空间上,山西东部、陕北南部和甘肃东南部发生频次较高,并且显著增加区主要位于山西东北部、甘肃中东部和宁夏北部。     

2001−2018年西北地区植被变化对气象干旱的响应

基于2001?2018年逐月的MODIS NDVI数据,以归一化植被指数（Normalized Difference Vegetation Index, NDVI）和植被状态指数（Vegetation Condition Index, VCI）作为植被生长状况指标,结合2001?2018年的月降水和月均温数据计算的标准化降水蒸散指数值,分析西北地区植被状况和气象干旱指数的变化趋势及其空间分布特征,以及多时间尺度下植被对气象干旱的响应。结果表明：2001?2018年西北地区植被的生长状况整体呈好转趋势,但空间分布上差异明显,东部植被改善状况高于中西部地区。近18 a西北地区5种不同时间尺度标准化降水蒸散指数（Standardized Precipitation Evapotranspiration Index,SPEI）均值整体上均呈增加趋势,表明干旱程度降低;空间上,干旱化趋势整体上表现为中西部高,东部低。植被生长状况在大部分区域均与SPEI呈现不同程度的正相关,总体表现为,西北地区东部植被对气象干旱的响应程度最高,西部次之,中部最低;不同植被类型中,草地对SPEI-12的响应最强,耕地次之,而林地的响应最弱;各植被类型在生长季的多数月份中对SPEI-3和SPEI-12的响应普遍较高。     

中国西北地区季节间干湿变化的时空分布——基于PDSI数据

利用帕尔默干旱指数(PDSI) 全球数据库, 提取覆盖中国西北地区的56 个PDSI 栅格点数据, 对1953-2003 年间各个季节均值和年均值进行旋转经验正交函数(REOF) 分析。REOF 空间分区结果发现西北地区各个季节均值和年均值表现出较为一致的主要空间异常型, 依据 PDSI 年均值数据可以将中国西北地区划分为5 个空间型: 北疆型、南疆型、高原北部型、蒙 古西部型以及西北东部型。其中北疆型、南疆型主要位于西北地区西部, 高原北部型、蒙古西部型位于西北中部, 西北东部型位于西北东部。各个空间型特征点的PDSI 序列及二项式 拟合对比发现西北东部、西部存在完全相反的干湿变化: 西北西部主要受西风带影响, 自20 世纪80 年代开始有逐渐变湿的趋势; 西北东部主要受亚洲季风的影响, 有逐渐变干的倾向, 特别是夏秋季, 西北地区东南部变干的趋势更加明显。西北地区受西风带、亚洲季风以及青藏高原的影响明显, 在全球变暖的情景下, 不同区域的干湿状况的响应存在较大的差异。     

1901-2012年中国西北地区东部多时间尺度干旱特征

以干旱的多时间尺度特征出发,利用CRU最新数据,计算了考虑降水和气温双因子影响的标准化降水蒸散指数(SPEI),并与标准化降水指数(SPI)进行对比,分析中国西北地区东部1901-2012年不同时间尺度的干旱特征。本文不仅对百年来CRU资料的可靠性进行检验,而且对SPEI在西北地区东部的适应性进行讨论。结果表明:CRU资料可靠性较好,但由于CRU资料本身的属性,1920年以前资料的可靠性不确定。从干旱事件的发生强度及干旱范围分析,SPEI在西北地区东部具有较好的适用性。SPEI与SPI在不同时间尺度下的波动变化一致,短时间尺度主要表现年内或季节特征,长时间尺度则侧重表现年际、年代际特征。将研究区分为高原东北区和陕南区进行分析,1901-2012年高原东北区有4个干期,陕南区有5个干期。针对温度变化对西北地区东部干旱的影响及与SPI对比表明,高温对干旱的贡献不容忽视。     

近159 年东亚夏季风年代际变化与中国东部旱涝分布

利用1850-2008 年我国东部地区90 个测站的旱涝等级和北半球夏季海平面气压格点等资料,使用BP 典型相关等方法,分析了近159 年旱涝等级与东亚夏季海平面气压的耦合相关关系。利用关键区域的海平面气压资料,定义出与我国东部旱涝分布有密切联系的东亚夏季风指数,在此基础上分析了东亚夏季风年代际变化对我国东部旱涝分布的影响。结果表明：(1) 近159 年中国东部旱涝具有4 种典型空间分布型,即华南与中国东部其他地区旱涝趋势相反型、黄淮地区与长江流域及其以南旱涝趋势相反型、江淮流域与中国东部其他地区旱涝趋势相反型和中国东部与西部旱涝趋势相反型。近159 年东亚夏季海平面气压场主要呈现亚洲大陆与西太平洋海平面气压强弱相反的分布特征;(2) 本文定义的夏季风指数的年代际变化与我国东部旱涝典型分布型的年代际变化有密切关系,但两者的相关关系并不是稳定不变的,存在显著的年代际位相差异,即20 世纪20 年代之前,当东亚夏季风偏强(弱) 时,长江流域以北容易偏旱(偏涝),长江流域及其以南容易偏涝(偏旱),20 世纪20 年代以后,当东亚夏季风偏强(弱) 时,长江流域以北容易偏涝(偏旱),长江流域及其以南容易偏旱(偏涝)。可见,使用较长年代资料进行考察,研究结论丰富了大多数使用近50-60 年资料的研究结果。东亚夏季风与我国东部旱涝分布之间关系的年代际位相差异,可能与东亚夏季风对太阳活动等外强迫的非线性反馈相联系     

530年来中国东部旱涝分区及北方旱涝演变

使用我国东部地区530年来100个站的旱涝等级序列作REOF分解,根据前7个旋转空间模上高荷载区分布,将中国东部地区分成7个旱涝气候区,即东北区、华北北区、华北南区、西北区、长江中下游地区、华南区及西南区.在分区基础上,着重研究了中国北方季风边缘地带旱涝演变特征.自1470年以来中国北方的旱涝存在明显的阶段性和区域性.16～17世纪上半叶,中国北方干旱频繁,尤其在东北区、华北南区及西北区普遍出现严重干旱.18～19世纪,华北北区干旱发生较多,东北区以涝为主;而华北南区及西北区旱涝交替发生,但变化幅度相对较缓.华北北区及华北南区分别在19世纪末及20世纪初突然从涝相气候跃变为旱相气候,这两地区的干旱持续近百年,是我国北方干旱最严重的地区.五百多年中,东北区、华北北区及西北区极端干旱呈现出相似的变化趋势,具有两头多而中间显著减少的特征;而华北南区一直是极端干旱多发区.中国北方各个旱涝气候区的旱涝具有多时间尺度的年代际振荡特征.4个地区的旱涝变化都存在20～30年时间尺度的周期振荡;除西北区外的三个地区的旱涝变化都存在70～80年时间尺度的周期振荡;东北区及西北区的旱涝变化存在40～50年时间尺度的周期振荡;另外,准10年时间尺度的周期振荡存在于华北北区和南区.     

基于多源数据的西藏东南部历史干旱监测与分析

干旱作为频发的全球性自然灾害之一,造成了严重的社会、经济和生态环境问题。以西藏主要耕作区为研究区,2001—2015年MODIS、TRMM和SRTM DEM数据为数据源,利用植被状态指数（VCI）、温度条件指数（TCI）和降水状态指数（PCI）〖WTBZ〗等模型参量,采用空间主成分分析方法构建区域干旱综合监测模型,对模型精度和可靠性进行检核验证,并以所建模型对研究区2001—2015年逐月干旱进行识别,采用地理时空分析方法对研究区干旱变化特征及趋势进行研究。结果表明,干旱综合监测指数（DCMI）能够较好地反映区域土壤相对湿度与标准化降水蒸散指数（SPEI）的变化,干旱综合监测模型具有较好的适用性;研究区全年干旱频率在空间分布上呈现出西高东低的特征,大部分地区干旱频率小于20%,约12.41%的区域干旱频率超过20%;从不同等级干旱发生频率来看,日喀则市为轻旱、中旱易发区,重旱易发区则集中于日喀则市和昌都市的中部及东部地区;区域月际干旱频率空间格局差异较大,全年干旱易发生于1、8、11月等月份,局部地区干旱易发月份存在差异;区域年内旱情变化趋势差异性较大,10月~次年9月,旱情加剧区域呈现出随月份变化由耕作区东部向西部逐渐转移的趋势。     

基于标准化降水指数的1960—2011年中国不同时间尺度干旱特征

利用1960—2011年中国566个气象站逐日降水资料,采用标准化降水指数对近52年中国的干旱特征进行了详细分析。结果表明：近52年来,中国存在一条由东北向西南延伸的干旱趋势带,东北、内蒙古中东部、华北、西北地区东部以及西南地区东部趋于干旱,而西北地区西部的北疆地区、青海中部以及西藏中北部等地呈显著变湿趋势;华北地区干旱化主要是夏季趋于干旱引起的,东北和西南地区的干旱化主要是夏、秋季趋于干旱引起的,西北地区东部和长江中下游地区主要是春、秋季趋于干旱。东北地区20世纪70年代和2000年后轻旱以上日数较多,60年代干旱日数最少;华北地区和西北地区东部90年代最多,60—80年代旱日较少;西南地区东部2000年后干旱日数最多,60—70年代较少;长江中下游地区60年代和21世纪后干旱日数偏多,80年代较少。60年代,易旱区主要位于西北地区中、西部以及长江中下游部分地区;70年代,西北西部和东北地区是干旱的高发区;80年代,易旱区位于华北、黄淮、内蒙古中西部以及西南东部等地;90年代,易旱区转移到中部,西北地区东南部、华北、黄淮、江淮以及江汉等地是干旱的高发区;进入21世纪后,东北、内蒙古东部、西北地区东部、西南东部以及长江中下游的部分地区干旱高发。     

1961-2009年中国区域干旱状况的时空变化特征

 利用1961—2009年中国589个气象站月降水和月平均气温资料,采用经验正交函数(EOF)／旋转经验正交函数(REOF)、小波变换及Mann-Kendall 突变检验等方法,对年标准化干旱指数的空间异常特征和时间变化规律进行了研究。中国前10个主要干旱异常区为:河套-华北、长江中下游、华南地区、东北大部、陕西南部-青海东部、滇黔-广西丘陵地区、新疆北部、川西高原-青藏高原东部地区、辽东及山东-河南东北部。有7个区域呈现干旱化趋势,其中干旱化最明显的区域为滇黔-广西丘陵地区,其次为河套-华北地区。新疆北部、川西高原-青藏高原东部地区和长江中下游地区呈现变湿趋势,其中变湿最显著的区域为新疆北部。选择变干和变湿最典型的区域进行突变分析。滇黔-广西丘陵区突变发生在1980年前后,新疆北部突变点也出现在1980年前后。小波能量谱显示,中国区域干旱化变化存在多时间尺度特征,2～4 a左右的时间尺度的周期振荡最显著。小波谱分析结果表明,中国区域干旱化主要存在3 a左右的显著主周期,其中陕西南部-青海东部还存在显著8 a和22 a主周期。     

西北地区东部汛期降水季节内分布特征分析

基于西北地区东部1961-2015年54个台站汛期（5~9月）逐日降水资料,通过表征时间分配特征的参数-降水集中度和集中期,对西北地区东部5~9月逐旬降水的季节内非均匀性分布特征进行分析,结果表明：西北地区东部5~9月降水集中度和集中期的平均空间分布存在明显差异,从集中度来看,其东北部降水较集中,西南部较分散,而集中期主要在7月中旬到8月上旬,相比较甘肃陇东地区集中期较晚;从降水集中度与集中期的异常特征来看,第一模态均表现为全区一致性,第二模态均表现西北和东南反向变化特征,而集中度第三模态表现为东北和西南反向变化特征,集中期第三模态表现为东西反向变化特征;从降水集中度与集中期的变化趋势来看,近50 a来降水集中度越来越小,而降水集中期越来越早;另外从汛期降水量同同期降水集中度与集中期的关系来看,其与两者均存在正相关,其中集中度与降水的显著相关区在内蒙古西部以及陕西和宁夏北部,而集中期与降水的显著相关区在陕西和甘肃南部。另外利用前期大气环流指数对降水集中度和集中期建立的预报模型具有一定的预测能力,从而为西北东部汛期降水的季节内非均匀性分布特征的短期气候预测提供参考依据。     

气温变暖对西北西风带冬季气温的影响分析

利用中国西北西风带139个气象站1961—2006年历年冬季气温资料,采用线性趋势分析、多项式拟合、EOF、REOF、Mann-Kendall、滑动t-检验、子波分析和功率谱分析等方法,分析了46 a西北西风带冬季气温对气候变暖的响应。结果表明:①中国西北西风带冬季气温近46 a增温率为0.55 ℃/10a. 增温显著的地方是陕西西部、甘肃、宁夏、内蒙古大部、青海中北部-塔里木盆地。仅青海的河南州局地有显著的下降趋势。表明除青海高原局部地区外其余大部分区域增温显著,同步响应全球变暖。②大部分区域冬季气温的年际变化稳定性差,青海高原相对稳定。③冬季气温的演变在西风带一致性程度较高。从20世纪60年代中期开始发生降温-升温转型,1986年有一次显著突变,其后气温达到一个更显著的增暖时期,21世纪初略有回落;全区性的前10个偏热年,80%出现在20世纪90年代及以后,各分区的异常偏热年,90%也出现在1990年以后;气温异常变化存在5 a左右的年际周期,在20 a以上的气候变化层次上,气温趋势还处在偏高的位置。④冬季气温演变存在地域差异。一是蒙新区和陕甘宁青区南北变化相反;二是蒙陕甘宁区和青海新疆区东西变化相反。⑤根据REOF分析将该区冬季气温异常细分为蒙陕甘宁区、高原区、北疆区和南疆区4个分区。冬季气温的转折高原区有异于其他区域,高原区单调增温,无明显转折,而其他区基本一致,在70年代初期转为上升,90年代中期转为下降阶段;冬季气温的突变也是高原区有异于其他区域,高原区1997年发生一次突变,而其他区域则一致为1986年突变。     

基于相对湿润度指数的西北地区春季第一场透雨研究

目前西北四省区春季第一场透雨标准的确定主要来自业务人员长期的工作经验积累,针对此,利用陕西、甘肃、青海、宁夏249个气象站1960—2016年的日资料,通过分析西北地区相对湿润度指数,结合潜在蒸散特征,确定了春季第一场透雨阈值.与已有研究相比,本方法充分考虑了研究区各地相对湿润度指数的气候特征与各地的能量及水热平衡,理...     

中国西北地区气候态变化对极端天气监测的影响

中国西北地区对气候变化的响应极其敏感,西北地区1961-2013年气候变化趋势,分为Ⅰ态（1961-1990年）、Ⅱ态（1971-2000年）、Ⅲ态（1981-2010年）和Ⅳ态（1961-2013年）等4个气候态。利用西北地区年平均气温和降水资料、日最高气温极值和日最大降水量极值资料,基于两种极端天气事件的定义,分析了气候态变化对极端天气监测的影响。结果表明：年平均气温变化受气候态改变的影响较年降水量更为明显。在Ⅰ态和Ⅱ态下进行气温要素评价分析,会突出气温升高的现象,在Ⅲ态下会出现气温降低,气候态改变对降水量等级影响很小。Ⅰ态、Ⅱ态和Ⅲ态下,在20世纪70年代和90年代以来的两个时段内,日极端高温和日极端降水事件均出现增多,其中Ⅰ态增多幅度最大,Ⅲ态的影响最小。在空间分布上,西北地区受气候态影响的敏感区域,主要是新疆北部、青海北部、甘肃中部和东部、宁夏大部和陕西部分地区。     

近50年来中国西北地区干湿状况时空分布

根据西北地区77个气象台站气候资料,并利用改进的Penman公式,计算了该地区1958年~2001年的44年平均潜在蒸散量的时空分布,并分析了与降水量变化之间的关系,得到4种类型潜在蒸散量与降水量年际变化的组合分布型。其中年平均潜在蒸散量减小而年降水量增大的组合占研究区站点总数的40%以上。分析潜在蒸散量及观测蒸发量与各气候因子的相关性,发现干旱区的蒸发与太阳辐射和风速有关。定义干燥指数为潜在蒸散量与降水量的比值,用来描述西北干旱区的干湿状况。对干旱区四个季节(春、夏、秋、冬)干燥指数近50年的线性变化趋势分析结果显示,干旱区春季大部分区域干燥指数呈增加趋势,即趋于变干;夏季大部分地区趋于变湿,但仅在新疆东部和甘肃西部较为明显;秋季新疆大部、甘肃西部和青海北部等地区趋于变湿,而干旱区东部区域则趋于变干。冬季干旱区大部分区域趋于变湿,只有新疆西南部和西北部及东部部分地区、甘肃西部和内蒙西部等地有变干趋势。     

1959-2008 年黄土高原地区年内降水集中度和集中期时空变化特征

本文基于黄土高原地区1959-2008 年51 个地面气象台站的逐日降水资料, 计算了降水集中度(PCD)和集中期(PCP), 并结合EOF、趋势分析以及相关分析等方法对我国黄土高原地区年内降水不均匀性特征及其趋势进行了分析。结果表明:①黄土高原地区PCD在0.53~0.75 之间, 自东南向西北逐渐增加, 而PCP变化不大, 主要集中在7 月中旬和下旬;②近50a 黄土高原地区PCD主要以南北反向型分布为主;③从变化趋势来看, PCD增加趋势较明显的区域主要分布在宁夏的同心和山西的五台山等地, PCD减小比较明显的区域主要分布在山西的阳泉以及青海的门源等地区;而PCP整体上呈现提前趋势, 只有青海的门源站附近有小幅推迟趋势;④年降水量与PCD有较好的相关性, 大部分地区都通过了显著水平为0.05 的检验;而年降水量与PCP的相关性并不显著, 通过显著水平0.05 检验的区域仅分布在山西的兴县、陕西的洛川以及宁夏的固原等地。     

西北地区农业旱灾与预测研究

西北地区干旱灾害在中国乃至世界上具有代表性,常常对农业生产、社会经济和人民生活带来巨大威胁。利用西北五省区(陕西、甘肃、宁夏、青海、新疆)1951～2000年的50年农业旱灾面积统计资料,分析了农业旱灾的时空强度变化。表明西北地区农业旱灾有增加趋势,以20世纪90年代增加最明显。利用西北地区均匀分布的40个站点50年的降水和气温资料,采用变换的Z指数法,探讨了干旱强度和地表径流量的时间变化与西北地区农业旱害的关系。表明降水量的减少及河川径流枯期与农业旱灾面积负相关关系密切。应用波谱分析与逐步自回归方法,分别建立了西北地区干旱指数的拟合回归预测模型,农业旱灾面积、成灾面积和绝收面积预测模型,并对西北地区干旱灾害的趋势进行了预测。表明西北地区干旱灾害在21世纪前十年有所减缓。经检验,模型预测效果良好,根据预测结果可以采取有针对性的减灾措施,减少西北地区农业灾害损失。     

基于K-means聚类分区的西北地区近半个世纪气温变化特征分析

采用K-means聚类分区,Sen’s斜率估计,Kendall-Tau非参数检验等方法,分析和讨论了近半个世纪（1960—2015年）我国西北地区不同区域的气温变化特征。发现近半个世纪西北地区气温保持了持续的显著上升,年均最低气温上升速率高于年均气温和年均最高气温。从空间的角度来看,新疆北疆地区的东北部,内蒙古北部、西部中东部,甘肃中部、西部,青海北部、中部,宁夏中部、北部地区以及陕西北部是升温最快的区域。虽然西北地区气温总体是上升趋势,但在时间上并不均匀一致。从1998年开始,西北地区气温升温减缓,部分地区出现了下降趋势。近半个世纪西北地区季节气温与年际气温变化趋势并不一致,变暖减缓在该地区不同季节的响应不同。1998—2015年,冬季是增温幅度最小的季节,多数子区冬季存在升温趋势减缓,甚至转为下降趋势。     

中国西北地区降水异常的气候分析

利用中国西北地区128个气象站1971—2009年逐月的降水资料,用经验正交函数（EOF）、旋转经验正交函数（REOF）、小波分析以及突变分析等方法对西北地区降水的空间异常特征和时间变化规律进行了诊断分析。结果表明:西北地区降水类型可分为降水一致型、东-西型、以及南-北型,并且重要程度依次递减;整个西北地区可以分为6个降水区域,分别为高原东北侧区、北疆区、渭河流域区、高原区、河西走廊区、南疆区;尽管在1971—1909年近40年中西北地区整体呈现出少雨、多雨交替的波动变化特征,却未有明显的变干或变湿的倾向,但是各个异常区的气候变化呈现出了不同的趋势倾向;每个降水异常区域都有明显的周期性和年际、年代际变化特征,普遍存在3~5年左右的短周期和10年、20年左右的长周期,各个异常区所盛行的主要周期以及同一异常区在不同年代所盛行的主要周期均有所差异。