多模式集合预估21世纪淮河流域气候变化情景

利用政府间气候变化委员会第四次评估报告(the Fourth Assessment Report of the Intergov-ernmental Panel on Climate Change,IPCC AR4)的14个全球气候耦合模式对中国淮河流域气温和降水的模拟能力进行了评估,预估了该地区21世纪的降水和气温变化。同时,还分析了14个气候模式对1961-1999年气温和降水的模拟能力,并且根据Taylor方法选取具有较好模拟能力的模式做集合分析。结果表明,不同的气候模式对淮河流域的气温和降水都具有一定的模拟能力,但大多数模式模拟的气温偏低、降水偏多;选取的模式集合可以明显改善模式的模拟能力,但是没有表现出明显的优势。对淮河流域降水和气温未来情景的预估表明,各模式给出的情景结果尽管存在一定的差异,但模拟的21世纪气候变化的趋势基本一致,即气温持续增加,降水出现区域性增加;还重点分析了14个模式集合的结果在2010-2039年、2040-2069年和2070-2099年3个时段的年平均、季节平均降水和气温变化及其时空变化特征,结果表明,3个时段的气温和降水在不同情景下都是逐渐增加的,A2情景下增幅最显著,B1情景下增幅最小。     

CMIP5气候模式对云南气候变化模拟评估及未来情景预估

基于8个气候模式和多模式集合数据(21个气候模式简单集合)和观测数据,评估了其在气候基准期内对云南气温、降水的模拟能力,在评估基础上应用多模式集合数据,预估了未来不同排放情景下云南气温、降水的空间变化情况。结果表明:①多模式集合和部分模式能较好的模拟出基准期内气温、降水的年际变化趋势;在空间分布特征上,气候模式(包括多模式集合)对降水的模拟偏差较差,对气温的模拟相对较好;但在月平均气温和月降水的年内分布模拟上,多模式集合数据的模拟效果明显优于8个气候模式数据;②预估结果表明,在未来3种排放情景下云南地区降水呈西增东减的空间部分特征,纵向岭谷地区降水增加幅度为1%～3%,而气温在3种排放情景下则表现为一致的增加,降水和气温均在RCP8.5情景下增幅最大。     

气候变化对淮河蒙洼蓄滞洪区启用风险影响评估

基于RCP情景下47个IPCC CMIP5气候模式模拟数据和大尺度水文模型VIC,预估了未来（2021-2050年）气候变化对淮河蒙洼蓄滞洪区启用的可能影响。结果表明：与基准期（1971-2000年）相比,多模式预估淮河上游未来多年平均气温一致呈增加趋势,平均增幅范围0.2～1.7℃。不同模式对降水预估差异较大,但有超过70%的模式预估降水呈增加趋势,平均增幅为3.4%～4.1%。未来气候情景下,王家坝断面洪水总体呈增加趋势,20年一遇的洪水强度平均增幅19%,洪水频率将增大,蒙洼蓄滞洪区启用可能更加频繁,启用的风险加大。     

基于CMIP6模式的东南亚极端降水未来预估及热动力成因研究

本文利用26个CMIP6全球气候模式,研究了21世纪末东南亚极端降水事件的变化,通过分解水汽收支方程分析降水变化的动力和热力效应。结果表明,21世纪末(2071—2100年)相对历史参考期(1985—2014年),东南亚大部分地区的气候态降水、极端降水事件的发生频率和强度均显著增加。除大于10 mm降水日数(R10mm)外,其他极端降水指数在SSP5-8.5情景下的变化幅度比SSP2-4.5情景更大。其中强降水量贡献率(R95pTOT)的增长幅度最大,在SSP2-4.5(SSP5-8.5)情景下增加22％(41％)。极端降水变化对气候变暖的响应存在明显的区域性差异。加里曼丹岛将出现更短时集中的极端降水。苏门答腊岛南部的极端降水频率略有减小,且可能发生较强的持续性干旱事件。进一步分析水汽收支方程可知,SSP2-4.5(SSP5-8.5)情景下,热力作用项对P-E(降水减蒸发)的变化贡献为65％(64％),并且模式间一致性更高。而动力作用项对P-E的变化呈抵消趋势,贡献为35％(36％)。这说明相比大尺度环流变化,大气比湿变化引起的水汽辐合是未来东南亚降水量增多的主要因子。     

1980—2018年黄河上游气候变化及其对生态植被和径流量的影响

黄河上游是黄河流域最重要的水源涵养地和产流区,对黄河流域的水资源安全、生态环境和粮食安全有决定性的意义。近年来在西北地区气候暖湿化的背景下,黄河上游气候生态水文等问题受到了各方的高度关注。本文利用卫星遥感数据、格点融合数据和水文监测数据,分析了黄河上游气候的多尺度变化特征及其对植被和径流量的影响。结果表明：1）1980-2018年黄河上游暖湿化趋势呈现全区域较一致的气候特征,温度增加率为0.023℃/a,降水增加率为1.09 mm/a,但同时又存在明显的区域差异性,湟水流域至甘肃中部降水增加最显著,宁蒙荒漠地带增温趋势最明显,2000年以来整个黄河上游降水明显增加。2000年后汇流区与流径区的蒸散发明显增加,但源头区南部波动减少。2）当前的暖湿化有利于黄河上游植被生长,1999年以来汇流区和源头区部分区域的植被增加率达到0.04/（10 a）;从长期趋势看,源头区、汇流区植被指数与上年降水呈显著正相关关系,而流径区植被指数与当年降水相关性显著;降水对黄河上游流域植被具有明显的改善作用,而温度对其影响较复杂,各区域不同的植被类型是导致降水、温度、蒸散影响存在差异的可能原因。3）1980-2018年唐乃亥站和兰州站的年径流量均呈减少趋势,但1998年以来两站的年径流量明显增加,兰州站年径流量的增加率是唐乃亥站的近3倍。长期趋势表明,唐乃亥站年径流量与当年降水呈显著正相关关系,兰州站年径流量与当年降水、蒸散的相关系数均明显低于唐乃亥站;从年际波动看,降水是决定年径流量的最主要影响因子,而生态植被、冻土退化、水储量变化及社会活动等因素对径流量的影响也不容忽视。该研究为科学应对黄河上游生态保护及实现黄河流域高质量发展提供了参考依据。     

黄河上游和源区气候、水文的年代际变化及其对华北水资源的影响

利用我国气象观测站1951~2000年降水、气温资料以及黄河上游有关水文测站1960~2003年的径流资料,分析了黄河上游和源区气候的年代际变化及其对径流变化的影响,并分析了黄河上游径流变化对华北水资源的影响。分析结果表明:黄河上游和源区降水从20世纪90年代有所减少,气温明显上升,导致了黄河源区和上游径流量锐减。黄河上游径流的减少是90年代黄河下游流量锐减、黄河断流天数增多的重要原因,并表明了黄河上游来水量的多少是影响华北地区水资源的重要原因。     

基于标准化时间序列加权法的IPCC-AR4多模式集成

采用对标准化时间序列作加权的方法做多模式集成,并以相关系数与均方根误差作为衡量模式模拟预估能力的标准,将IPCC-AR4的 10个气候模式模拟1961-1999年(39a)中国降水的标准化加权集成结果与气候模式修正、Taylor函数加权集成结果进行比较,结果显示前者具有明显优势。为进一步验证这种优化的性能是否具备稳定性,将由控制阶段(1961-1999年)模式与实测数据计算得到的权重系数应用于A1B排放情景下的模式降水数据,预估研究区域2000-2012年(13a)的降水,并与同时间段的模式修正、Taylor函数加权集成进行对比。结果表明,该集成结果在预估阶段(2000-2012年)仍优于模式修正、Taylor函数加权集成结果。     

基于BCC-CSM2-MR模式CMIP6试验的辽河流域气温降水模拟与预估

基于国家气候中心中等分辨率模式版本BCC-CSM2-MR开展的第六次耦合模式比较计划(CMIP6)模拟结果, 首先利用辽河流域80个气象站点观测资料对模式的性能进行了评估, 然后分析了未来不同共享社会经济路径(SSP)情景下的气温降水变化趋势。结果表明: 模式能较好的模拟气温和降水的月、季、年变化, 模拟的气温较观测气温偏低, 模拟的降水略偏多; 模式对秋季和冬季气温的模拟性能明显优于夏季和春季, 对夏季降水的模拟性能较好。模式较好地模拟了辽河流域气温南高北低的纬向分布以及降水自东南向西北逐渐减少的空间分布形势, 较好地模拟出辽河流域冷暖中心位置, 模拟的降水偏少地区位于辽河流域水系稀疏地区。相对于基准期(1995—2014年), 未来辽河流域气温、降水基本呈增加趋势, 未来不同时期不同情景气温增幅均表现为平均最低气温>平均气温>平均最高气温, 冬季和春季增温幅度较大, 夏季降水量增幅最显著。随着排放情景升高, 平均气温和平均最低(最高)气温增幅持续增大, 显著增温地区集中于辽河流域东北部。SSP1-2.6和SSP2-4.5情景下预估降水的增幅自西南向东北递减, 降水增加大值区位于辽宁西部; SSP3-7.0和SSP5-8.5情景下降水增幅自西向东逐渐递减, 降水增幅显著区域位于辽河流域上游的内蒙古和辽宁西部。     

气候变化影响下的流域水循环:以长江和黄河典型流域为例

在对IPCC提供的多种大气环流模式(GCMs)适用性评估的基础上,采用SDSM和ASD统计降尺度模型生成未来气候变化情景,驱动分布式水文模型VIC和SWAT,分别对长江和黄河典型流域进行分布式水文模拟,定量探讨气候变化对流域水循环的影响。结果表明,适应性评估可以有效降低GCMs选择的不确定性,统计降尺度方法能够明显改善全球气候模式降水和气温输出结果。与基准期(1961—1990年)相比,未来时期(2046—2065年和2081—2100年)长江下游太湖流域径流量呈现微弱减少趋势,但汛期东南部径流量增加显著,而黄河上游流域径流量则呈下降趋势。研究结果可为开展我国各大流域适应气候变化研究提供一定的参考依据。     

RCP4.5情景下中国季风区及降水变化预估

本文使用国际耦合模式比较计划第五阶段(CMIP5)中共46个全球气候模式的数值试验结果,通过对中国区域的年、夏季和冬季降水气候态的模拟能力评估,择优选取了18个气候模式用来预估RCP4.5情景下21世纪中国季风区范围、季风降水及其强度变化。结果表明,相对于1986~2004年参考时段,RCP4.5情景下多数模式和所有模式集合平均在不同时段内均模拟出中国季风区面积、季风降水及其强度的增加趋势,最明显的时段出现在2081~2099年。其中,季风区面积扩张是导致季风降水增加的主要因素。在机制上,热力与动力条件变化均有利于季风降水强度的增加以及更多的水汽进入中国东部,从而引起季风区范围的扩大。     

近50年黄河上游流域年均降水与极端降水变化分析

利用1970-2017年45个气象台站逐日降水资料分析了黄河上游流域降水空间分布规律以及年均降水和极端降水的变化趋势,将黄河上游流域按照地形地势、海拔、气候带分布等多种因素划分成源头区、产流区、出口区,并结合极端降水指数采用Mann-Kendall法、小波分析法分析了不同时间尺度下降水序列变化的周期和突变点,研究极端降水时空变化。结果表明,黄河上游流域年均降水从东南向西北扇形递减,源头区和产流区是年降水量的主要贡献区域;年均降水和极端降水均存在明显的周期振荡特征,其中源头区和产流区在22年左右,出口区在18年和8年左右;整个上游区域,极端降水和年均降水的变化趋势较为一致,但年降水量近年来呈现增长趋势,而极端降水事件的发生频率则有所降低。     

1967—2016年黄河上游河曲地区降水变化特征研究

利用1967~2016年黄河上游河曲地区的5个气象站观测气象站的逐日地面降水和气温资料,利用气候变化趋势分析、距平、Mann-kendall 时间序列突变及趋势检验方法分析了该地区气温变化特征、不同类型各等级降水量及降水日数的气候特征。结果表明：(1)近50年黄河上游河曲地区年均气温以0.459℃/10a趋势显著上升,上升速度低于全国其它地区,且在2002年气温发生突变后升温加剧；(2)年降水量和降水日数呈减少趋势,主要是由夏季小雨量和小雨日数的减少引起；(3)在2002年气温突增后,强降水对总降水量贡献率增加,且年降水量和降水日数波动幅度也明显增大,这可能预示该地区洪涝灾害的风险在增加。降水日数的贡献率增加,增加明显的是中雨日数和小雨日数,分别增加了1.1%和1.7%。     

IPCC AR4多模式对海河流域气候模拟能力的评估及预估

根据海河流域1961-2010年气象观测资料,检验IPCC AR4中全球气候模式和多模式集合的模拟能力,并预估未来2011-2050年气候变化的可能趋势,结果表明:全球气候模式以及多模式集合对海河流域都具有一定的模拟能力,其中MIUB_ECHO_G模式和多模式集合具有相对较好的模拟能力.海河流域气温和降水未来情景预估表明:气温整体呈现增加趋势,尤其是A1B情景下各模式的年升温率均高于全国水平;未来降水也呈现增加趋势,在A1B和B1情景下,各模式都为夏季降水增加显著.A2情景下,春季时各模式降水均增加显著,A1B情景下,MIUB_ECHO_G模式模拟在2013年出现突变,降水量出现显著增长,A2情景下,MIUB_ECHO_G模式和多模式集合模拟的降水量则是在2031年和2001年出现突变,出现显著增长.     

基于CMIP5资料的云南及周边地区未来50年气候预估

利用CRU(Climatic Research Unit)高分辨率观测数据及云南省124站资料,检验了参与IPCC AR5(政府间气候变化专门委员会第5次评估报告)的7个全球海气耦合模式(Coupled Model Intercomparison Program 5,CMIP5)及模式集合平均对云南及周边地区气温和降水的模拟性能,同时进行该区域不同温室气体排放量情景下2006~2055年的气候预估。结果表明:全球海气耦合模式对该区域气温和降水气候场空间分布、气温的线性趋势和春、夏季降水的年代际振荡特征具有一定的模拟能力,且模式集合能力优于单一模式,气温模拟优于降水模拟,但春、夏季的降水好于其他季节,使得全年的总降水好于秋、冬两季。对未来情景预估表明,研究区域未来50年气温呈现显著的线性上升趋势,降水量保持年代际振荡特征并有所增加,2020年之前我国云南及其南部区域将经历相对的干旱时期。     

5个IPCC AR4全球气候模式对东北三省降水模拟与预估

利用IPCC AR4中5个全球气候模式数据集和中国东北三省162个站降水实测资料,评估5个全球气候模式和多模式集合平均对中国东北三省降水的模拟能力,并对SRES B1、A1B和A2三种排放情景东北三省未来降水变化进行预估。结果表明：全球气候模式能较好再现东北三省降水的月变化,但存在系统性湿偏差;多模式集合平均能较好模拟东北三省年降水量的空间分布,但模拟中心偏北,强度略强,模式对东北三省夏季降水的模拟效果优于冬季降水;预估结果表明,三种排放情景下21世纪中前期和末期东北三省降水均将增多,21世纪末期增幅高于21世纪中前期,冬季增幅高于其他季节;就排放情景而言,SRES A1B和A2排放情景增幅相当,高于B1排放情景增幅;不同排放情景东北三省降水量增率分布呈较一致变化,A2排放情景下,增幅最显著的辽宁环渤海地区年降水量在21世纪中前期将增加7%以上,21世纪末期将增加16%。     

中国北方农牧交错带气候变化特征及未来趋势

利用1951—2006年中国台站日平均观测资料对北方农牧带过去56a气候变化特征进行了分析,指出该农牧带年降水量具有明显的年际和年代际变化特征,近10a来呈明显的下降趋势;年平均气温在20世纪90年代前期变化幅度较小,1987年之后持续偏暖,与全球及中国温度变化趋势一致;降水和温度变化具有明显的季节和区域差异。在气候特征分析基础上,利用全球海气耦合模式嵌套区域气候模式在SRES A2排放情景下对未来30a（2001-2030年）的气候变化进行了预估,对照30a模式气候场（1961—1990年）,分析了未来30a北方农牧交错带降水和温度变化的可能趋势,结果表明,未来该区平均地面气温持续升高,升温幅度达0．3℃,温度日较差将明显减小;年降水量呈增加趋势,但增加幅度较小,且降水变化具有明显的季节和地域差异;未来黄河上游地区干旱的威胁仍十分严峻。     

杭州市降水特征及极端降水趋势预估

利用国家气候观象台杭州站百年降水观测数据和CMIP5模式模拟预估数据,分析了杭州市降水长期变化特征,采用累积概率分布函数转换方式(CDF-T),降尺度预估了未来气候情景下杭州极端降水发生趋势。结果表明:杭州市年降水量在百年时序(1907—2015年)上无显著性增加或减小趋势,1980年后春季降水明显下降,下降速率约32.1mm·(10a)~(-1),冬季降水显著增加,增加速率约35.4mm·(10a)~(-1)。1988—2015年的3和6h及日降水的各重现期降水量均较1961—1987年有所增大,1961—1987年的100年一遇日最大降水已演变为1988—2015年的50年一遇甚至是20年一遇。CMIP5模式降水的降尺度分析表明,2020—2039年杭州市日极端降水强度将可能会进一步加强,2020—2039年日降水的R95值和R99p值均较现气候期(1981—2010年)有所提高,超R95p和超R99p的极端降水发生日数分别为11.08和2.24d·a~(-1),分别较现气候期平均值增加了3.52和0.69d·a~(-1)。     

基于IPCC A1B情景的中国未来气候变化预估:多模式集合结果及其不确定性

利用耦合模式比较计划(CMIP3)提供的20世纪气候模拟试验(20C3M)及A1B情景预估试验,讨论了全球增暖情景下21世纪中期中国气候的可能变化。结果表明,A1B情景下,中国夏季降水变化在-0.1～1.1mm/d,冬季降水变化在-0.2～0.2mm/d。模式对降水变化的预估存在较大不确定性。无论冬夏,预估的全国表面气温都将升高,升温幅度在1.2～2.8℃;随纬度升高,增暖幅度相应增大。模式对表面气温变化的预估能力强于对降水变化的预估能力。在A1B情景下,东亚夏季风增强,而冬季风则略为减弱,东亚夏季风雨带到达最北后南撤的时间较之20C3M滞后约一个月。     

基于EEMD的黄河中上游夏季降水预报方法的研究

传统的统计方法难以很好的对气候系统这一集非线性、非平稳性为一身的多层次系统进行处理。因此集层次化处理和平稳化处理的集合正交经验模态分解技术(EEMD)的提出,为解决上述问题提供了有效的途径。本文选取黄河中上游24个气象观测站的逐月降水资料,结合组合预报和集合预报思路,基于EEMD建立了统计预报模型。其中对降水序列中的高频部分进行了二次平稳化处理,实现对2008—2013年6—8月的降水预报,并用预报评分检测预报效果。结果表明:EEMD模型对黄河中上游夏季降水有着较强的预报能力,在该区域与气候模式和传统的统计方法相比具有更高的精度和更好的应用前景。     

全球升温1.5℃和2.0℃情景下淮河上游干流径流量研究

基于ISI-MIP（The Inter-Sectoral Impact Model Inter-comparison Project）推荐使用的5个全球气候模式数据(HadGEM2-ES,GFDL-ESM2M,MIROC-ESM-CHEM,Nor-ESM1-M,IPSL-CM5ALR),驱动SWIM（Soil and Water Integrated Model）水文模型,研究全球升温1.5℃和2.0℃情景下淮河上游干流径流量变化,得出结论：(1)淮河上游干流径流量年际变化在2种升温情景下均呈先减小后增加趋势。全球升温1.5℃时年径流量较基准期(1986—2005年)增长9.5%,而升温2.0℃情景下涨幅更明显,高达17%。(2) 4个季节径流量在2种升温情景下较基准期均有增长,其中春季涨幅最明显,达24.4%,夏、秋、冬季涨幅分别为7.1%、16.1%、13.5%。全球升温2.0℃时淮河上游干流径流量在4个季节较基准期增长率均大于全球升温1.5℃时。(3)不同气候模式输出日径流量最大值相差较大而平均值相差较小。未来2种升温情景日径流量超过王家坝闸设计流量的日次较基准期均有增加,尤其升温2.0℃情景较基准期增多22次,较升温1.5℃情景多5.8次,表明未来升温2.0℃情景下淮河上游出现极端径流事件的可能性进一步增大。