我国南方冬季气候变暖前后极端降水事件分析

利用我国南方逐日降水资料及逐月温度资料,采用Mann-Kendall突变检验方法,并计算极端降水的GPD(Generalized Pareto Distribution)重现值,讨论了气候变暖前后我国南方冬季极端降水事件的变化。结果表明,我国南方冬季气候变暖的突变发生在1991年前后,且气候变暖后我国南方冬季的极端降水强度普遍有所增加。利用NCEP/NCAR再分析资料进一步分析气候变暖前后的环流场特征,发现东亚热带冬季风异常与我国华南、江南地区降水异常有显著的相关关系。东亚热带冬季风偏强(弱),华南、江南地区降水偏少(多)。气候变暖后中高纬度环流经向度加大,有利于北方的冷空气向南输送。此外,气候变暖后我国南方地面气温升高,海陆热力差异减小,东亚热带冬季风减弱,有利于西太平洋的暖湿气流向我国大陆东南部输送,并在东南部形成异常的水汽通量辐合,有利于形成强降水。气候变暖后,中高纬度与中低纬度异常环流系统的相互作用是我国东南部降水强度增加的主要原因。     

中国夏季和冬季极端干旱年代际变化及成因分析

依据1961～2009年中国区域540个气象站的夏、冬季气温和降水数据,首先采用气候变化趋势转折判别模型（简称PLFIM）分析了中国区域8个分区夏、冬季气温和降水的年代际变化,而后利用PDSI干旱指数研究了夏、冬季极端干旱在年代际尺度上的时空变化特征及其成因。结果表明:1961～2009年中国夏季极端干旱发生率北方大于南方,冬季则为在东部多而在西部少。夏季和冬季极端干旱发生概率在最后一次年代际转折后都呈增加趋势。在区域尺度上,夏季东北、华北和西北地区增加明显,冬季东北、华北、华南、西南地区增加显著。其中,降水在20世纪90年代以前的极端干旱变化中起主导作用,而后由于气候变暖所引起的极端干旱增加趋势逐渐增大,与降水变化的作用相互叠加。     

极端降水特性分析研究进展

极端降水是极端天气气候变化的重要指标,研究其时空分布特征对于正确认识全球气候变暖背景下的极端天气气候过程具有重要意义。就近年来国内外极端降水的特征及其与大气、海洋异常的关系研究进行简要的回顾,最好提出了其存在的不足方面。     

MIROC_Hires模式模拟我国极端降水非均匀性在CO2浓度增加下的响应

利用日本东京大学气候系统研究中心、日本环境研究所和日本地球环境研究中心联合研制的全球海气耦合气候系统模式(MIROC_Hires)输出的逐日降水资料,探讨CO2浓度增加下我国极端降水非均匀性的响应及其可能机制。结果表明:(1)就气候平均而言,CO2浓度增加后,我国南部地区极端降水事件的发生更为集中,而北方地区的极端降水事件分布较平均。(2)从年际变率来看,我国南部地区极端降水事件集中度在"A1B试验"中偏小,年际之间的差异不大,而北方地区的极端降水集中度增加,年际之间变化剧烈。(3)CO2浓度增加后,南方和北方地区在水平和垂直上的增温幅度不一致,且整层大气平均的稳定度呈现出南北反相差异。这种不均匀增暖的分布很可能是导致我国极端降水非均匀性在CO2浓度增加后变化的原因。     

青藏高原冬、春植被归一化指数变化特征及其与高原夏季降水的联系

青藏高原气候独特,影响高原夏季降水的原因是十分复杂的和多方面的。文中利用1982—2001年的卫星遥感植被归一化指数(NDVI)资料和青藏高原55个实测台站降水资料,应用经验正交分解(EOF)、奇异值分解(SVD)等方法分析了青藏高原冬、春植被变化特征及其与高原夏季降水的联系,得到以下几点初步认识:青藏高原冬、春季植被分布基本呈现东南地区植被覆盖较好,逐渐向西北地区减少的特征。其中高原东南部地区和高原南侧边界地区NDVI值最大,而西北地区和北侧边界地区NDVI较小。EOF分析表明,20年来冬、春季高原植被的变化趋势是总体呈阶段性增加,其中尤以高原北部、西北部(昆仑山、阿尔金山和祁连山沿线)和南部的雅鲁藏布江流域植被增加明显。由SVD方法得到的高原前期NDVI与后期降水的相关性是较稳定的。青藏高原多数区域冬、春植被与夏季降水存在较好的正相关,且这种滞后相关存在明显的区域差异。高原南部和北部区域的NDVI在冬春两季都与夏季降水有明显的正相关,即冬春季植被对夏季降水的影响较显著。而冬季高原中东部玉树地区附近区域的NDVI与夏季降水也存在较明显的负相关,即冬季中东部区域的植被变化对夏季降水的影响也较显著。由此可见,高原前期NDVI的变化特征,可以作为高原降水长期预报综合考虑的一个重要参考因子。     

青藏高原热力作用对南海及周边区域夏季气候的影响研究进展

针对青藏高原热力强迫作用对东亚夏季风强度、南海夏季风爆发早晚、南海周边区域旱涝的影响,以及在全球变暖背景下其对降水格局的影响等科学研究进行了总结回顾,并就青藏高原热力作用对南海周边区域夏季气候的影响科学问题进行了探讨。研究表明,高原冬春积雪异常通过影响雪盖反照率、改变辐射平衡和通过积雪-水文效应改变土壤湿度两个途径来影响东亚夏季风;通过改变大陆-海洋经向热力对比影响南海季风爆发早晚;通过改变西太平洋副高位置和季风环流变化来影响华南和长江流域夏季降水的分布。在全球变暖背景下,青藏高原感热加热的减弱可能对降水年代际“南涝北旱”格局的形成具有重要贡献。随着全球变暖减缓,青藏高原中部和东部的感热呈现出复苏态势,“南涝北旱”的降水格局分布在将来有可能被打破。      

近20年气候变暖对东北农业生产水热条件影响的研究

针对东北气候变化影响研究中对增温正效应关注较多, 而对水热匹配等综合影响研究不够的情况, 利用东北地区1961~2000年56个气象站的气象资料, 对近20年东北气候变暖的特点, 温度升高的同时大气干湿程度及水热匹配状况的变化等相关现象进行了较详细的分析。提出东北气候变暖主要表现于冬季, 20世纪90年代变暖明显, 南部大于北部; 夏季增温幅度有限, 不很稳定, 仍时有温度偏低发生, 并同时出现高温日数增多等极端异常气候事件; 最低温度升高幅度大于最高温度的升高幅度, 导致温度日较差变小, 冬季更加明显; 大气水分盈亏状况和水热状况在10年时间尺度上没有明显的变化, 但20世纪90年代中后期出现暖干化趋势, 并由春季转至夏季, 西部和南部比较明显, 对农作物不利等结论。为克服盲目性, 客观评估东北气候变化及其影响, 正确进行农业布局和种植结构调整提供一定的科学依据。     

中国冬季气温变化的趋向性研究

使用160个测站冬半年月平均气温资料,对中国最近几十年(1951/1952—2003/2004)的冬季气温变化趋向的气候特征进行分析。分析方法包括趋势分析、主分量分析。结果表明,中国冬季的前冬和后冬气温的变化存在明显的年际、年代际趋向性差异。趋向性差异在年际的变化方面的表现,中国南方地区冬季气温变化,最主要的特征是变化趋向的一致性,即前冬有变暖的趋向,后冬也有变暖的趋向,但是前冬变暖趋向不明显。而北方地区与南方地区有不同,表现在冬季气温变化,虽然也存在变暖趋向,但是前冬变暖的趋向比南方趋向明显。第2个气候变化特征,南方地区是前、后冬相反的变化趋向,即前冬暖(冷),后冬则冷(暖)。而北方地区这种特征表现不明显。趋向性差异在年代际的趋向性变化方面的表现更加明显。南方地区在1980年以前,前后冬的气温变化趋向都是下降的,但是后冬下降速度较前冬缓和,在1980年以后,前后冬的气温变化趋向都是上升的,但是后冬上升速度也较前冬缓和。而北方地区在1980年以前,前后冬的气温变化趋向同样都是下降的,但是后冬下降速度较前冬加快,而在1980年以后,前后冬的气温变化趋向都是上升的,但是后冬上升速度也较前冬加快。不同的前冬和后冬气温序列不同时段标准化距平的平均值也存在差异。南方地区1980年以前,大部分地区,气温均比常年偏低。但是后冬偏低程度较前冬缓和,而在1980年以后,气温均比常年偏高,后冬偏高的程度也较前冬缓和。而北方地区在1980年以前,冬半年气温均比常年偏低,后冬气温偏低的程度较前冬大。而在1980年以后,冬半年气温均比常年偏高,而且后冬偏高的程度较前冬大。     

中国台站冬夏季气温、降水的气候变化特征及其显著性检验

利用1951—2010年中国160站气温、降水资料,分析中国代表性台站冬季和夏季气温、降水的气候值及气候变率在前后30 a的差异,并对结果使用不同方法进行显著性检验。结果表明,季气温气候平均值的变化总体与全球增暖一致,以升温为主,但夏季在秦岭以南及长江中游地区出现显著局部变冷现象;季气温气候变率的变化相对较小,冬季总体不显著,夏季仅有少数台站显著。降水的气候变化总体不明显,季降水气候值变化的空间分布复杂,冬季南方地区、夏季东部地区总体增加,冬、夏季降水气候变率的变化均不显著。理论检验方法（t检验、F检验）与随机模拟方法（EMC法）的显著性检验结果,对气温的差别较小、对降水的差别较大,这与样本距平序列是否服从正态分布有关。EMC法可在确保样本统计特征不变的情况下,通过多次随机模拟,无需考虑其理论统计分布特征,使检验结果更为可靠。     

不同气候背景下我国冬夏两季极端气温特征分析

利用全国175个测站1960—1999年间的日平均气温资料,分别选取1960—1989年(气候态A)、1970—1999年(气候态B)作为气候背景,采用蒙特卡洛显著性检验法检验了这两个气候态背景下我国冬夏两季季节平均气温的差异显著性。并在此基础上利用气候百分位法分别分析了在这两个气候态背景下2000—2010年间我国冬夏两季的极端气温特征。分析结果表明,相对于夏季,冬季气候态A、B背景下季节平均气温的差异更为显著。冬夏两季,我国大部分地区极端低温事件的发生频率相对较低,而极端高温事件的发生频率相对较高。由于气候态B包含了全球变暖特征最为显著的20a,故在气候态B背景下,冬夏两季极端低(高)温事件的发生频率要高(低)于气候态A,这与全球变暖的趋势相吻合。     

全球变暖形势下中国陆表水分的变化

利用政府间气候变化委员会第四次评估报告（IPCCAR4）中的10个耦合模式CO：加倍试验和控制试验的模拟结果,分析了全球变暖背景下中国水分的变化。结果表明,随着全球变暖,东亚夏季风增强,冬季风减弱,使得冬夏季向中国区域输送的水汽都增强;中国区域降水,夏季除长江流域外基本都增加,冬季除华南外都增加。夏季降水蒸发差（P—E）除了在东北和南方增加外,从长江流域一直到西北有一带状减小带;冬季几乎所有模式的P—E表现为北方增加、南方减小。在全球变暖背景下,降水、蒸发和径流的综合结果以及积雪的作用使得土壤湿度在干旱区增加,且冬季干旱区土壤变湿的强度和范围大于夏季,然而在其他区域土壤湿度减少。上述结论是基于多模式集合平均结果,对未来气候的预估具有一定的参考价值,然而模式间存在较强差异性,仍具有较大不确定性。     

SIMULATING THE RESPONSE OF NON-UNIFORMITY OF PRECIPITATION EXTREMES OVER CHINA TO CO2 INCREASING BY MIROC_HIRES MODEL

The response of non-uniformity of precipitation extremes over China to doubled CO2has been analyzed using the daily precipitation simulated by a coupled general circulation model,MIROC_Hires.The major conclusions are as follows:under the CO2increasing scenario(SRES A1B),the climatological precipitation extremes are concentrated over the southern China,while they are uniformly distributed over the northern China.For interannual variability,the concentration of precipitation extremes is small over the southern China,but it is opposite over the northern China.The warming effects on the horizontal and vertical scales are different over the northern and southern part of China.Furthermore,the atmospheric stability is also different between the two parts of China.The heterogeneous warming is one of the possible reasons for the changes in non-uniformity of precipitation extremes over China.     

冬季西太平洋和海洋性大陆热源变化特征及其影响

利用ERA-interim再分析资料、中国地面降水资料、全球海温(SST)和降水资料研究了冬季西太平洋和海洋性大陆大气热源变化特征及其对区域气候的影响。结果表明:冬季西太平洋和海洋性大陆热源具有显著的年际变化,海洋性大陆热源同时存在明显的年代际变化。冬季西太平洋热源强年相较弱年,东亚副热带急流轴线偏北3~4 °,东亚冬季风显著加强;热源强度与中国东部大部分地区冬春季降水呈显著负相关。由于西太平洋热源与ENSO事件密切相关,去除ENSO影响后,西太平洋热源对急流和冬季风的影响明显减弱,且与华东南部和华南地区降水无显著相关,但仍与华东中北部和华北地区呈显著负相关,相关关系仍可从同期冬季持续到后期春季。海洋性大陆热源在1993年左右发生显著突变,突变后海洋性大陆附近SST显著升高,海平面气压显著降低。进一步分析表明,海洋性大陆地区大气热源与Walker环流在年代际尺度上存在很好的对应关系,海洋性大陆岛屿整体增暖趋势快于周围海洋,导致海陆热力差异增大,这可能是触发局地热源和Walker环流长期变化的主要原因,进而影响太平洋SST分布和全球增暖的进程。      

China coldwave duration in a warming winter: change of the leading mode

Changes of extreme climate in a warming climate may be different from place to place. How the China cold extreme events change is still an outstanding issue. From observational and modeling perspectives, this study investigates the change of the leading mode of the China coldwave duration (CWD) in a warming climate. CWD significantly reduces across China during 1957–2009. The reduction in northern China is much more than that in southern China. The CWD leading mode derived from the Empirical Orthogonal Function analysis is characterized by extreme value centers located in northern China during the cold period (1957–1979) and shifting to southern China during the warm period (1980–2009). This indicates that southern China may experience longer or shorter coldwaves in the past three decades, while those in northern China tend to vary less vigorously. The multi-model ensemble of seven state-of-the-art climate models from the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) show that under the IPCC SRES A1B scenario, the maximum loading of the CWD leading mode extends to southern China at the end of twenty-first century (2080–2099). These results indicate that the primary change of the CWD leading mode in a warming climate might be the southward shift of the variation center and such position change may lead to more intense coldwave variations in southern China as observed in the past decades. Possible physical mechanisms on the variation of the CWD major mode are also investigated in this study.     

温室效应对我国东部地区气候影响的高分辨率数值试验

使用RegCM3区域气候模式,单向嵌套NASA/NCAR 的全球环流模式FvGCM的输出结果,对中国东部地区进行了在实际温室气体浓度下当代1961~1990年和在IPCC A2温室气体排放情景下21世纪末期2071~2100年各30年时间长度,水平分辨率为20 km的气候变化模拟试验。首先分析全球和区域模式对中国东部地区当代气候的模拟情况,结果表明全球模式对中国东部地区气温的总体分布型模拟较好,但存在冷偏差,区域模式在对这个冷偏差有所纠正的同时,提供了气温地理分布更详细的信息。全球模式模拟的年降水中心位于长江流域,与观测差别较大,区域模式对此同样也有改进,降水高值区主要位于区域南部,并表现出较强的地形强迫特征。区域模式的模拟结果还表明,至21世纪末期,在温室效应作用下,中国东部的气温将明显升高,年平均气温的升高值在2.7~4.0℃之间,其中北部升温大于南部,冬季升温大于夏季。冬季升温表现出明显的随纬度增加而增加的分布型。模拟区域内年平均降水将增加,增加值一般在10%以上,部分地区达到30%。降水增加在夏季较明显,区域内以普遍增加为主,冬季降水自山东半岛至湖南地区将减少,其他地区增加。此外,对夏季高温日数和冬季低温日数及年平均大雨日数的变化也进行了分析。     

近60a新疆区域气温降水变化事实分析

利用1961～2017年新疆89个国家级气象观测站57年气温和降水量整编资料,采用一元线性回归进行趋势倾向估计,用最小二乘法反映气候要素的年平均增加、减少速率及年变化趋势。结果表明：新疆及北疆、天山山区、南疆各分区的年和四季平均气温呈现一致的上升趋势,其中新疆年平均升温速率为0.31℃/10a,90年代后期以后出现了明显增暖。冬季升温趋势最明显,夏季最弱。全疆和各分区的年、四季降水量呈现一致的增多趋势,新疆年降水量增加速率为10.14mm/10a。2010年代以来比1960年代增多了30%。冬季降水量增多趋势最明显。1961～2017年新疆气候变化较明显,总体在向暖湿方向变化。     

不同升温情景下中国东北地区平均气候和极端气候事件变化预估

利用区域气候模式RegCM4的逐日气温和降水资料,预估1.5℃和2.0℃升温情景下,东北地区平均气候和极端气候事件的变化。结果表明：RCP4.5排放情景下,模式预计在2030年和2044年左右稳定达到1.5℃和2.0℃升温;两种升温情景下,东北地区气温、积温、生长季长度均呈增加趋势,且增幅随着升温阈值的升高而增加;1.5℃升温情景下,年平均气温增幅为1.19℃,年平均降水距平百分率增幅为5.78%,积温增加247.1℃·d,生长季长度延长7.0 d;2.0℃升温情景下气温、积温、生长季长度增幅较1.5℃升温情景下显著,但是年和四季降水普遍减少,年降水距平百分率减小1.96%。两种升温情景下,极端高温事件显著增加,极端低温事件显著减少,极端降水事件普遍增加。霜冻日数、结冰日数均呈显著减少趋势,热浪持续指数呈显著增加趋势;未来东北地区降水极端性增强,不仅单次降水过程的量级增大,极端降水过程的量级也明显增大,随着升温阈值的增大,极端降水的强度也逐渐增大。     

IMPACT OF ENSO ON THE PRECIPITATION OVER CHINA IN WINTER HALF-YEARS

In this paper, the impact of ENSO on the precipitation over China in the winter half-year is investigated diagnostically. The results show that positive precipitation anomalies with statistical significance appear over southern China in El Nio episodes, which are caused by the enhanced warm and humid southwesterlies along the East Asian coast in the lower troposphere. The enhanced southwesterlies transport more water vapor to southern China, and the convergence of water vapor over southern China increases the precipitable water and specific humidity. In La Nia episodes,although atmospheric elements change reversely, they are not statistically significant as those in El Nio periods. The possible physical mechanism of the different impact of ENSO cycle on the precipitation over southern China is investigated by analyzing the intraseasonal oscillations(ISOs) in El Nio and La Nia winter half-years, respectively. By comparing the characteristics of ISOs in El Nio and La Nia, a physical mechanism is proposed to explain the different responses of the precipitation over China to ENSO in the winter half-year. In El Nio episodes, over western North Pacific(WNP) and South China Sea(SCS) the ISOs are inactive and exert little effect on water vapor transport and convergence, inducing positive precipitation anomalies with statistical significance over southern China in El Nio episodes. In La Nia episodes, however, the ISOs are active, which weaken the interannual variation signals of ENSO over WNP and southern China and lead to the insignificance of the interannual signals related to ENSO. Therefore, the different responses of precipitation over China to ENSO in the winter half-year are possibly caused by the difference of intraseasonal oscillations over WNP and SCS between El Nio and La Nia.     

Recent Progress in Studies of Climate Change in China

An overview of basic research on climate change in recent years in China is presented. In the past 100 years in China, average annual mean surface air temperature (SAT) has increased at a rate ranging from 0.03℃ (10 yr)-1 to 0.12℃ (10 yr)-1 . This warming is more evident in northern China and is more significant in winter and spring. In the past 50 years in China, at least 27% of the average annual warming has been caused by urbanization. Overall, no significant trends have been detected in annual and/or summer precipitation in China on a whole for the past 100 years or 50 years. Both increases and decreases in frequencies of major extreme climate events have been observed for the past 50 years. The frequencies of extreme temperature events have generally displayed a consistent pattern of change across the country, while the frequencies of extreme precipitation events have shown only regionally and seasonally significant trends. The frequency of tropical cyclone landfall decreased slightly, but the frequency of sand/dust storms decreased significantly. Proxy records indicate that the annual mean SAT in the past a few decades is the highest in the past 400-500 years in China, but it may not have exceeded the highest level of the Medieval Warm Period (1000-1300 AD). Proxy records also indicate that droughts and floods in eastern China have been characterized by continuously abnormal rainfall periods, with the frequencies of extreme droughts and floods in the 20th century most likely being near the average levels of the past 2000 years. The attribution studies suggest that increasing greenhouse gas (GHG) concentrations in the atmosphere are likely to be a main factor for the observed surface warming nationwide. The Yangtze River and Huaihe River basins underwent a cooling trend in summer over the past 50 years, which might have been caused by increased aerosol concentrations and cloud cover. However, natural climate variability might have been a main driver for the mean and extreme precipitation variations observed over the past century. Climate models generally perform well in simulating the variations of annual mean SAT in China. They have also been used to project future changes in SAT under varied GHG emission scenarios. Large uncertainties have remained in these model-based projections, however, especially for the projected trends of regional precipitation and extreme climate events.     

1961—2010年南方双季稻区气候资源变化分析

中国南方双季稻播种面积占到全国水稻的85%以上, 研究该区域对气候变化的响应有助于科学地规划和管理双季稻生产。以江南、华南双季稻区为研究对象, 选取1961—2010年南方双季稻区275个数据完整性较好的气象观测站点, 对双季稻区平均气温、日照时数、降水量等气候资源演变规律及其可能变化的分析表明: 该研究区域正处于气温显著上升阶段, 气候倾向率为2℃/(10 a), 尤其是1997年气温突变之后升温幅度进一步增大, 气候倾向率增大为5℃/(10 a), 且秋冬季增温更为显著。研究区域降水年际波动较大, 无明显增减趋势; 从季节上看, 春秋降水有减少趋势, 而冬夏有增加趋势, 且使降水分布更为集中。从空间演变看, 双季稻区气候资源的演变趋势存在较大的差异, 其中华南稻区呈暖湿化, 对喜温好水的双季稻生产是利大于弊; 而江南稻区则呈暖干化趋势, 对水稻生产不利; 同时秋旱风险加大, 尤其是西部地区将面临水资源减少、水稻种植用水不足。另一方面, 随着双季稻区气候变暖, 早稻适宜播种期提前、早晚稻生长季延长, 热量资源增加以及薄膜育秧技术广泛应用等, 都将使双季稻种植格局调整。双季稻区高温日数增多, 早晚稻生长发育无效热量也随之增加, 整体上江南热量资源的有效性低于华南, 尤其是江西和湖南两省, 热量有效性均 < 85%;华南大部地区热量有效性均高于95%。因而, 各地可根据所处区域气候资源要素演变规律及热量有效性分布选取产量与品质更好的中晚熟品种种植, 提高水稻种植积极性, 促进早晚稻安全生产。