NCEP/NCAR再分析气温在南极中山站-Dome A考察断面的适用性研究

以东南极冰盖边缘地带LGB69、冰盖内陆Eagle、冰盖顶点Dome A自动气象站2005—2006年记录的日平均气温为基础,辅以南极大陆边缘中山站2005年的连续气温资料,根据4个站点的海拔、气温、气压和地形,选择最接近气象站观测点的气压层,通过改进的9格点反距离加权内插法,分析NCEP/NCAR再分析气温在该断面的适用性.结果表明:NCEP/NCAR再分析气温与中山站、LGB69站、Eagle站和Dome A站实际观测值之间的相关系数分别高达0.624、0.648、0.744和0.705(p0.001,n≥365),能够反映本地区气温的年变化和季节变化.但与实测值相比,再分析资料具有气温普遍偏高、年温差和标准偏差偏小、春夏季适用性强而秋冬季适用性差等特点.此外,从南极冰盖边缘至内陆,再分析气温误差有增大的趋势.     

基于Polar WRF的南极Dome A极端低温事件分析

南极作为地球的寒极, 其最高点Dome A地区于2013年8月1日气温达到-93.0 ℃的极低值。利用Polar Weather Research and Forecasting （Polar WRF） 3.8.1模式, 对发生在南极Dome A地区的3次极端低温事件进行数值模拟分析。通过与自动气象站实测数据对比验证, 模拟效果较为理想。结果表明： 印度洋和大西洋交界区域的高压加强, 其高压脊开始向南极内陆延伸, 导致Dome A地区气压升高, 使得该地区天气晴好, 云量极低, 为极端低温事件发生奠定基础; 同时, 南极中心冷涡加强, 长时间的冷平流和稳定的逆温层为Dome A地区提供了足够的降温条件, 并且加强了夜间辐射降温效应, 稳定的垂直场、 极低的向下长波辐射使得Dome A地区的极端低温事件得以维持。     

基于ERA5-Land数据集的玛纳斯河径流模拟研究

气象数据是水文过程研究的关键要素,再分析数据的发展为资料缺乏地区的径流模拟提供了新的解决方案。为研究ERA5-Land再分析数据集在径流模拟中的适用性,本文以玛纳斯河流域肯斯瓦特水文站以上流域为研究区,选取多个评价指标对ERA5-Land降水和温度进行准确性评价,并采用经验模态分解(EOF)分析其在研究区内的分布特点。在准确性方面,ERA5-Land与实测数据具有较好相关性,降水探测率为0.96,能反映大多数的降水事件,但与实测数据相比总体偏高21.81%,气温准确性好于降水,总体拟合效果较好,最优范围为-520 ℃,在极值部分不确定性有所增加。EOF决定性模态表明研究区内降水、气温变化趋势基本一致,即易受大尺度天气系统影响。利用该数据集驱动SWAT模型在月、日尺度上对玛纳斯河流域进行径流模拟,在验证期纳什系数(NSE)分别为0.88和0.82,具有较好的模拟效果。ERA5-Land再分析数据集可为西北缺乏实测气象资料地区径流模拟提供参考。     

东南极中山站-昆仑站断面最高和最低气温变化特征

利用中山站-昆仑站断面自动气象站2 m气温和同期再分析资料分析了南极沿海到内陆高原的最高和最低气温的变化特征, 并通过个例讨论了气温出现极端过程的天气背景. 结果表明: 南极中山站-昆仑站断面最高和最低气温季节变化趋势基本相似, 年际变化不明显. 最高气温标准偏差大于最低气温, 冬季气温标准偏差明显大于夏季, 且夏季气温变化幅度远小于冬季. 随海拔的增加, 最高气温年较差逐渐增大, 最低气温年变化的无芯率(气温没有明显的最小值程度)呈增大趋势, 夏季气温变化幅度逐渐增大, 冬季气温变化幅度的区域性差异不明显; 2005年7月25-31日的极端降温过程主要受到极涡、地面冷高压及下降风的共同影响.     

过去60年来南极冰盖近地面气温时空变化研究

如何将十分有限的器测资料和再分析资料有机联系起来,充分借助它们各自的优势,分析南极冰盖气温时空变化具有重要意义。以CFSR（the Climate Forecast System Reanalysis）、ERA5（the European Centre for Medium-Range Weather Forecasts Fifth-generation Reanalysis）和MERRA-2（the Modern-Era Retrospective Analysis for Research and Applications,version 2）再分析资料分别作为背景场,利用南极冰盖具有超过50年连续观测的站点气温观测资料,分别重建了1960~2019年冰盖近地面月气温时空数据集,借助于未参与重建的70个站点观测资料进行了验证分析。在此基础上,利用精度最高的重建数据集探讨了冰盖过去60年来气温时空变化特征。精度验证结果表明：基于ERA5重建的月气温数据集精度最高,相关系数为0.70,均方根误差为0.49℃。1960~2019年,南极半岛和西南极冰盖呈现显著增温趋势,而且显著变暖延伸到60°~180°E的东南极内陆大部分区域。全球变暖停滞事件在南极半岛和西南极冰盖发生,且增温减缓程度更明显：1999~2019年间年和春季平均气温均呈明显降低趋势。1960~1998年,整个东南极冰盖气温没有显著变化,但是1999~2019年东南极冰盖内陆较大区域呈现了显著变暖趋势。这些结果有助于增进对不同时间尺度南极冰盖气温变化区域差异性的理解。

     

基于积雪数据的HBV模型改进及应用

大渡河流域内站点分布较少,历史观测数据不足,给该地区的融雪径流预报带来困难。基于欧洲中期天气预报中心提供的最新一代高分辨率陆面再分析数据集ERA5-Land,将积雪覆盖率和积雪平均深度引入度日因子雪量计算公式中,对HBV模型的积融雪模块进行改进,以提升融雪径流计算的可靠性。以大渡河上游为研究对象,选取1961—2018年的水文气象资料对模型进行率定和验证,并以2019年为例进行试预报研究。结果表明,通过引入ERA5-Land再分析数据,以及对积融雪模块进行改进,发挥了其在模拟积融雪上的优势,有效提升了融雪径流预报精度,对大渡河流域具有适用性。研究成果可为稀缺资料地区融雪径流模拟预报提供经验。     

不同降水产品在长江流域的偏差校正研究

基于长江流域135个站点1983—2020年的月降水量观测数据,分别对ERA5-Land、PERSIANNCDR和MSWEP等三种降水产品进行了适用性评估,并对比使用了多种偏差校正方法来提高降水产品的观测精度。结果表明,MSWEP对于长江流域的降水模拟效果较好,空间相关系数高达0.91,相对偏差仅为1.64%;ERA5-Land则对长江流域降水高估严重,精度较差。经偏差校正处理后,三种降水产品的适用性均得到了不同程度的提升,尤其是ERA5-Land,KGE(Kling-Gupta Efficiency)指标值从校正前的0.72增加到了0.82。对比不同偏差校正方法的应用效果发现,线性缩放法和分段伽玛分布校正法在长江流域表现最优,且后者更加稳健。本研究可为降水产品及气候模式输出等的后处理工作提供指导。     

明清时期中国东部高温事件年表重建和分析*

气候变化的背景下,极端暖事件的频率有增加的趋势。通过“语义差异法”识别了明清时期的高温事件,对其高温程度进行分级,建立了1350—1910年中国东部的高温事件年表,并对高温事件的发生时间、年代际特征进行了分析。结果表明: 明清时期有41个年份记录了高温事件,36个年份出现极端高温事件;高温事件发生频率和强度存在一定的阶段性变化,这种阶段性变化与北半球及中国气温的冷暖阶段变化有一定对应,与极端冷事件频率基本呈反相变化,1700—1749年和1800—1859年是明清时期极端高温事件发生频率最高且强度最大的2个时段,分别对应小冰期中期1710—1760年较温暖的时期和小冰期末期,16世纪末至17世纪是小冰期中最寒冷的一个阶段,极端高温事件相对不频繁,极端冷事件则发生频繁;高温事件还具有连年或隔年再发的特点。尝试利用现代器测资料和站点相关的计算方法对高温事件记录点所可能反映的地理范围进行了探讨,长江下游地区和华北平原的案例分析表明,历史时期记录有限,但区域的单点高温记录可能反映了范围比较广的极端高温事件。     

GPM IMERG降水产品在珠江流域的适用性分析

以珠江流域为研究区域,以CMFD再分析降水数据集为基准值,对2010～2018年的GPM卫星降水产品进行适用性评价,主要从多时间尺度精度表现、日降水探测能力、极端降水监测能力等方面进行分析。结果表明,该降水产品在珠江流域具有较高的观测精度,多年平均相对偏差仅为3.78%,皮尔逊相关系数高达0.96;该卫星降水产品对日降水的探测能力与降水强度关系密切,降水强度越大,探测能力越弱,当日降水强度为5 mm/d左右时,探测能力最佳;此外,该卫星降水产品对珠江流域极端降水事件的监测能力较好,能准确刻画出极端降水的空间分布特征。整体来看,GPM卫星降水产品在珠江流域具有较高的应用潜力,可为流域降水监测、降水过程再现等工作提供数据支持。     

区域气候模式水平分辨率对黄淮海流域当代气候模拟的影响

区域气候模式是进行流域尺度气候变化研究的重要工具,其中水平分辨率对流域模拟结果的影响亟待评估。本文使用区域气候模式RegCM4,在ERA-Interim再分析资料驱动下,进行2种水平分辨率（50 km和25 km）1990-2010年东亚区域的长时间连续积分模拟。通过与观测资料的对比,评估RegCM4对黄淮海流域的模拟性能,同时分析水平分辨率对模拟结果的影响。结果表明:① 2组模拟均可以较好地再现黄淮海流域冬季、夏季平均气温和降水的空间分布,以及气温和降水的年循环变化;对极端气候事件指数的分布模拟效果也较好,且对与气温有关的极端气候事件指数模拟效果优于与降水有关的极端气候事件指数。②与观测相比,也存在一定的偏差,如模拟的冬季气温存在冷偏差,夏季气温存在暖偏差,冬季、夏季降水在大部分地区偏多等。③ 2组模拟对比来看,对冬季、夏季平均气温的量级和空间分布,25 km模拟与观测更加接近;对冬季、夏季平均降水,50 km模拟与观测的空间相关系数分别为0.86和0.44,较25 km模拟有较大提高;对极端事件,2组模拟差别不大。模拟结果可为后续此版本模式在黄淮海流域气候变化研究中的应用提供参考。     

明清时期中国东部高温事件年表重建和分析

气候变化的背景下,极端暖事件的频率有增加的趋势.通过“语义差异法”识别了明清时期的高温事件,对其高温程度进行分级,建立了1350-1910年中国东部的高温事件年表,并对高温事件的发生时间、年代际特征进行了分析.结果 表明:明清时期有41个年份记录了高温事件,36个年份出现极端高温事件;高温事件发生频率和强度存在一定的阶...     

辽宁省气温变化趋势中的城市化影响研究

利用1961 - 2017年逐日平均、 最低、 最高气温资料、 DMSP/OLS卫星夜晚灯光数据, 定量分析了城市化对辽宁省平均气温和极端气温指数趋势变化的影响。研究表明： 辽宁省气温呈显著增加趋势, 城市站增温速率明显快于乡村站; 平均最低气温增温率最快, 平均气温次之, 平均最高气温相对较慢; 四季增温速率依次为： 冬季>春季>秋季>夏季; 最低气温的城市化影响贡献率最大, 平均气温次之, 最高气温相对较小; 城市站最低气温的明显升高和最高气温增幅较小, 必将导致日较差明显减小和日较差城市化影响贡献率的增大。城市化加剧了辽宁省极端低温事件的显著减少和极端高温事件的明显增加, 城市化对极端气温事件影响显著。与冷事件有关的极端气温指数的城市化影响均为负值, 与暖事件有关的均为正值; 相对指数的城市化影响贡献率较大, 持续时间指数次之, 除气温日较差以外的绝对指数相对较小。基于最低气温的极端气温指数比基于最高气温的极端气温指数受城市化影响更显著, 其原因可能是城市热岛强度的非对称性以及城市站和乡村站气溶胶浓度之间的差异, 导致最高气温的增加没有最低气温的增加显著。     

基于二元混合分布分位数映射法的长江 上游区域气候模式模拟降水偏差校正

采用4组多参数的二元混合分布QM法对RegCM4模式输出的长江中上游流域日降水进行偏差校正，并对不同单分布和混合分布QM法的偏差校正性能进行评估。结果表明：在选取的单分布中，伽马分布对长江上游流域降水的适用性最高，超过50%的降水事件可由其解释，耿贝尔分布适用性最差，仅能解释10%左右的降水事件。采用二元混合分布QM法订正的模拟降水在均方根误差、和方差、相关系数等性能参数整体优于单分布QM法的校正结果。基于伽马-广义极值分布的QM法对流域内降水的订正效果最佳，能显著降低RegCM4模式中模拟的降水湿偏差。     

21世纪前中期三江源地区极端气候事件变化趋势分析

利用国家气候中心发布的IPCC SRES A1B温室气体排放情景下水平分辨率为25 km的连续气候变化模拟试验数据, 分析了三江源地区极端气候事件变化趋势.结果显示: 2001-2050年冷暖等级呈显著增高趋势, 其中以夏季变化最为明显, 冬季变化最小; 极端高温事件发生频次呈显著增多趋势, 而极端低温事件总体呈显著减少趋势; 干湿等级呈不显著增高趋势, 四季中只有冬季干湿等级呈减小趋势, 其余三季均呈升高趋势; 干燥和暴雨事件发生频次均呈显著增多趋势.地形尤其是经、 纬度和海拔对极端气候事件的变化趋势有明显的影响.     

黄河源区气温变化特征及预估分析

利用黄河源区青海段9个代表性站点1961-2017年逐日气温资料和未来RCP4.5排放情景下的预估数据,分析和预估了黄河源区年平均、年平均最高、年平均最低和极端气温变化特征。结果表明：近57年来年平均最高、年平均、年平均最低气温均呈显著上升趋势且倾向率依次增大。年平均气温和年平均最高气温在1997年存在显著突变。通过分析1961-1997年、1998-2007年以及2008-2017年阶段性变化可知,年平均气温持续上升,年平均最高气温先上升后趋于稳定,而年平均最低气温升温速率在1998-2007年最大,2008-2017年升温速率较1998-2007年有所降低。暖昼日数持续增多,霜冻日数和冰封日数持续减少,冷夜日数在1998-2007年减少速率最低,近10年来减少速率增大。未来33年黄河源区年平均、年平均最高、年平均最低气温和极端暖事件均呈明显的增加趋势,极端冷事件呈减少趋势。对黄河源区过去和未来气温变化规律进行了探讨,将为该区域气温变化对策的制定与实施提供理论依据。     

冻结季沱沱河源多年冻土区活动层土壤水分含量分析

活动层含水量是表征多年冻土区气候、水文和生态过程的关键参数。长期以来,由于受多年冻土区活动层水分实测样点数量稀少的限制,各类基于遥感反演、模式模拟乃至数据融合和同化等手段生产的土壤水分空间数据均存在着较大的误差。2020年10—11月在青藏高原腹地（沱沱河源区）测定了 1 072组活动层土壤含水量数据并进行分析,探讨了该时段该区域活动层土壤水分的空间差异,并与全球陆面数据同化系统数据产品（GLDAS-Noah）和欧洲中期天气预报中心发布的第五代再分析资料（ERA5-Land）进行了对比分析。结果表明,在该区域平均厚度为2.72 m的活动层内,土壤质量含水量（总含水量）约为14.0%,活动层土壤含水量与植被发育情况存在正相关关系。除高寒沼泽草甸类型外,高寒草甸与高寒草原类型的活动层含水量随深度的增加呈现出先减小后增大的变化趋势。不同坡位类型的活动层含水量呈上坡位>下坡位>中坡位>平坡位,阳坡水分高于阴坡且两者活动层剖面水分变化相似。多年冻土区浅表层0~350 cm深度范围内的土壤含水量大于区内融区同深度的土壤含水量,两者土壤剖面水分分布均呈现出先增大后减小再增大的特征。该区域的GLDAS-Noah同化水分产品与实测数据对比的误差在10%以内,比ERA5-Land再分析土壤水分数据更为准确,但两种数据产品对土壤剖面上的水分垂直分布情况描述均与实测数据有较大差异。该研究结果可以为数据同化系统的模式冻融参数化方案优化及遥感水分产品研发提供科学依据。     

1979—2100年青藏高原夏季大气0 ℃层高度变化分析

大气0 ℃层高度是决定青藏高原冰冻圈消融状态的重要指标。基于ERA5再分析资料,分析了1979—2019年青藏高原夏季大气0 ℃层高度时空变化,发现青藏高原夏季大气0 ℃层高度介于4 423~5 972 m之间,以高原中南部（30°~32° N,83.5°~88.5° E）为高值中心,呈纬向分带状向四周逐渐降低。过去41 a青藏高原夏季大气0 ℃层高度总体呈持续上升趋势,高原北部上升趋势大于南部,祁连山地区上升趋势最为明显,为60 m?（10a）^-1,而在高原西南部略呈下降趋势。平均而言,青藏高原夏季地面温度每升高1 ℃,大气0 ℃层高度升高122 m。利用CMIP6模式数据,预估在SSP1-2.6、SSP2-4.5、SSP3-7.0和SSP5-8.5四种社会共享路径情景下,2020—2100年期间青藏高原夏季大气0 ℃层高度都呈现升高趋势,但不同情景下升高趋势在空间上差别较大。相对于1979—2014年参考时段,在四种情景下,到2081—2100年青藏高原夏季平均大气0 ℃层高度将分别升高265 m、394 m、576 m 和729 m;相对应的是到2081—2100年,在高原上处于夏季大气0 ℃层高度以下的冰川面积分别为第二次冰川编目数据的79%、86%、94%和98%。仅从夏季大气0 ℃层高度变化角度看,在SSP5-8.5情景下,到本世纪末期,预估除帕米尔高原和昆仑山西北部地区外,青藏高原其他地区的冰川在夏季将不存在积累区。     

骤发干旱前期气象驱动条件及可模拟性分析

骤发干旱（简称骤旱）是一种以短历时、高强度、快速度为特征的极端事件,其形成速度已超出现有干旱监测工具的能力范围,监测模拟难度大。基于欧洲中心再分析产品（ERA）土壤含水量数据,构建考虑旱情开始速度的骤旱识别方法,提取中国1979—2018年骤旱事件,剖析旱情初期气象要素异常值的变化规律,探讨利用气象条件模拟骤旱的可行性。结果表明:①开始速度在空间上呈现显著的南北差异,长江以南地区较快,西北地区较慢;②骤旱比缓慢干旱具有更强的气象驱动力,骤旱各气象要素异常值的均值、峰值及变化幅度比缓慢干旱变化更为显著,尤其是峰值,约超过缓慢干旱0.5个标准差;③综合考虑骤旱爆发前后不同时段多个气象要素异常,能够较好地模拟开始速度,可用于监测与模拟骤旱。     

基于可靠性集合平均方法的全球1.5/2.0℃变暖下中国极端气候的未来预估

全球变暖下我国气候响应的研究对进一步预估我国未来气候变化相关风险及制定适应和减缓政策具有重要意义。利用第六次耦合模式比较计划中25个全球气候模式的模拟结果,评估比较了各种可靠性集合加权方案对中国区域气候的模拟性能,基于表现最好的可靠性集合平均方案预估了SSP2-4.5和SSP5-8.5情景下中国极端气候指数在全球增暖1.5和2.0℃下的未来变化。结果表明,改进的可靠性集合方案模拟中国气候指数表现最好,与观测的偏差最小。未来中国区域温度明显增加,极端温度的增幅强于平均温度,极端降水整体也增加,且SSP5-8.5情景下增幅略强于SSP2-4.5情景。SSP5-8.5情景下,中国区域平均温度、最高温和最低温在全球增暖1.5(2.0℃)下较1995—2014年分别增加了1.11、1.18和1.31℃(1.88、1.98和2.14℃),总降水和强降水分别增加了5.6%和14.4%(10.5%和25.7%)。中国北方和青藏高原部分区域为增温的大值区,中国西部为降水增加的大值区。额外0.5℃增暖对中国地区产生显著影响,几乎整个中国地区温度指数的增幅都将超过全球平均。极端降水也将进一步增加,SSP5-...     

4种再分析气温资料在羌塘国家级自然保护区的适用性研究

利用1979 - 2018年羌塘国家级自然保护区边缘的3个气象站点狮泉河（西部）、 申扎（中部）和安多（东部）的观测气温（OT）, 与ERA-Interim（ET）、 NCEP/NCAR（NT1）、 NCEP/DOE（NT2）和JRA-55（JT）4种再分析气温资料, 从年际变化和年变化两方面采用多年气温变化趋势、 均方差、 相关性等参数方法在羌塘自然保护区进行了适用性研究。结果表明： 从多年平均气温年际变化来看, 4种再分析资料在狮泉河（西部）的适用性较差, JRA-55资料在安多（东部）和申扎（中部）的适用性较好, 且冬季再分析气温资料与观测气温的相关性好于夏季; 从多年平均气温年变化来看, 均表现为冬季（1月或12月）最低, 夏季（7月或8月）最高的“单峰型”变化。综合来看, JRA-55资料在羌塘自然保护区的适用性较好, ERA-Interim对多年气温趋势变化表现不准确, NCEP/NCAR和NCEP/DOE与观测气温相比显著偏低。