全球变暖背景下珠江流域极端气温与降水事件时空变化的区域研究

利用中国气象局最新编制的0.5°×0.5°逐日地面气温、降水网格数据,统计了16种极端气温与降水指数来定义极端气候事件,通过改进的Mann-Kendall趋势检验方法对珠江流域极端气温与降水事件的时空变化特征进行了研究,并从区域的视角检验了变化趋势的显著性和一致性,最后通过偏Mann-Kendall检验探讨了极端气温和降水事件变化与自然界大尺度气候振荡的潜在联系。研究发现:1在过去半个多世纪里,珠江流域总体上呈现出极端高温事件增多,极端低温事件减少,短时间极端降水增多,长时间极端降水减少的趋势,珠江流域面临着高温干旱和暴雨洪涝的威胁;2极端气温事件的变化趋势具有区域尺度上的显著性和一致性,而极端降水事件在区域层面上的趋势则不明显,并且区域差异大;3反映了大尺度气候振荡的多变量ENSO指数年际变化对珠江流域极端气温与降水事件的变化趋势没有显著的影响,在一定程度上说明了极端气温与降水事件的变化趋势并不是自然界大尺度气候振荡导致的必然结果,而可能是与人类活动共同作用的结果。     

中国极端降水事件的频数和强度特征

使用1951-2004年中国738个测站逐日降水资料,采用百分位的方法定义极端降水事件的阈值,分析了不同持续时间的极端降水事件的时空分布及变化趋势特征。结果表明,极端降水事件多发于35°N以南,特别是在长江中下游和江南地区以及高原东南部,且在这些地区极端降水事件持续时间也较长。季节分布上,主要出现在夏季,以低持续性事件为主。在中国东部地区,持续时间越长的极端降水其强度往往越强。趋势分析表明,全国持续1d极端事件的相对频数具有上升趋势而平均强度具有下降趋势,其空间上均表现为全国大部分上升、华北和西南等地下降的趋势。持续2d以上极端事件在长江中下游流域、江南地区和高原东部等地区有显著增多和增强的趋势,而在华北和西南地区有减少和减弱趋势,但全国平均的趋势不显著。     

里下河地区极端降水时空变化及未来趋势分析

随着全球变暖,极端天气事件逐渐增加,影响着社会经济发展,揭示区域极端降水时空变化对防洪减灾具有重要意义。基于1960—2019年的逐日降水,通过MK趋势检验、小波分析、重标极差以及克里金插值方法,从强度、频率和持续性三方面分析里下河地区的极端降水指数,并进一步探究其未来趋势变化。结果表明：（1）里下河地区多年平均降水为1017.25 mm,呈不显著增加趋势;空间分布差异明显,总体呈自西北向东南逐渐增加的分布。（2）研究区内各站点极端降水指数变化不同,总体而言,极端降水强度、频率均呈现增加趋势,持续性呈减少趋势。（3）极端降水指数变化过程中存在3类尺度的周期性变化,在整个时间尺度上存在3个偏多中心和2个偏少中心。（4）除R10mm和R20mm未来变化趋势与过去趋势相反且呈弱持续性,其他极端降水指数未来变化趋势与过去相一致,且过去总体趋势对未来趋势的影响时间长度在9~16年左右。研究结果为里下河地区科学合理应对气象灾害、合理配置水资源提供依据。     

我国新疆北部地区夏季极端降水事件的特征分析

基于1961 - 2017年6 - 8月新疆北部47个观测站点的逐日降水资料, 根据百分位法定义不同站点的夏季极端降水阈值, 分析了新疆北部地区夏季极端降水事件和最大日降水的时空分布特征、 贡献率及其与海拔的关系。结果表明： 新疆北部地区夏季极端降水事件和最大日降水量的各个特征量分布存在明显的时空差异, 空间上夏季极端降水事件、 最大日降水量表现为山区高、 盆地低的特点,在海拔2 000 m左右存在一个最大降水带; 夏季极端降水事件和最大日降水量呈增多、 增强的趋势, 并从20世纪90年代前后开始有明显的增加。夏季极端降水事件主要以单日为主, 夏季极端降水贡献随时间呈缓慢增加的趋势, 而夏季极端降水过程贡献和最大日降水贡献随时间变化呈下降趋势。     

1961-2010年西北干旱区极端降水指数的时空变化分析

结合绝对阈值和百分位法定义极端降水事件的优点,提出了一种更灵敏的检测极端降水事件的方法. 该方法不仅能检测出常用降水指数无法检测到的降水量稀少地区尤其干旱区的极端降水事件,同时也能过滤掉其检测到的降水量丰富地区的虚假极端降水事件. 此方法首次被应用于统计1961年1月至2010年2月西北干旱区72个气象站点的年和季节的极端降水指数（大降水和强降水指数）,并分析了极端降水指数的时间变化趋势及其空间分布特征. 结果表明：西北干旱区春（3-5月）、秋（9-11月）、冬（12月至次年2月）三季极端降水指数无显著（P>0.05）变化趋势,夏季（6-8月）大降水的频率和降水量以及大降水降水量占总降水量的比重都显著增加;新疆地区极端降水指数为增加趋势的区域基本都分布在海拔较高（约海拔1 000 m以上）的地区;西北干旱区东部极端降水指数变化趋势的空间分布有明显的季节差异,表现为夏、秋季大部分地区为增加趋势,冬、春季大部分地区为减小趋势.     

广东省近50年极端降水事件的时空特征及成因分析

利用广东省境内25个测站1961~2010年逐日降水资料,综合运用Mann-Kendall检验、正交分解函数和Morlet小波分析等方法,剖析了广东省极端降水的空间结构分布与时间变化特征,并从水汽辐合的角度解释了极端降水的时空特征。结果表明:全省极端降水事件的总量、频次、强度空间分布差异较大,从北到南,极端降水总量和强度增加,频次减少;全省大部分区域极端降水总量和频次都有增加的趋势;广东省极端降水受大尺度天气系统的影响,存在全区一致的多雨或少雨,但也存在东西、四周、中心以及南北的差异;极端降水空间异常可分为4个气候区(异常型),即粤东北区,粤西区,粤中部区以及粤东沿海区,各降水异常区存在20a左右的长周期、10a左右较长周期的和3~4a的短周期振荡;广东省极端降水与极端水汽辐合对应关系较好,区域内水汽辐合的改变可能是影响广东省极端降水变化的重要气候因子。     

MSWEP降水产品在中国大陆区域的精度评估

基于1979-2015年中国大陆824个气象站点逐日降水观测资料,采用相对误差、相关系数以及探测率等指标,评估新发布的格网化降水产品Multi-Source Weighted-Ensemble Precipitation（MSWEP）在中国大陆区域的精度;采用改正的Mann-Kendall趋势法,对比分析MSWEP在降水量趋势分析中的可靠性。研究表明:① MSWEP对中国大陆区域降水整体上存在高估现象,而在华北区域存在低估现象;② MSWEP对微量降水和强降水事件分别存在高估和低估现象;③ MSWEP和降水资料在年和月尺度上具有较好的相关系数,在日尺度上相关系数较低;④ MSWEP和站点观测的年降水量变化趋势存在较大空间分布差异,但在春季、秋季和冬季,空间分布特征较为一致。     

天山地区夏季极端降水特征及气候变化

基于1961—2007年天山地区32站的逐日降水资料,分析了夏季天山地区极端降水事件的气候分布和时间变化特征.结果表明:夏季天山地区的极端降水量、极端降水日和极端降水比分布存在明显的区域差异.局地极端降水频繁,平均3～4d就有1次发生,大范围极端降水较少发生.连续性极端降水以1d为主.极端降水量在天山南北坡均随地形增加而增多,地形高度对降水的影响,北坡要大于南坡.在相同高度范围内,北坡极端降水量基本均大于南坡.天山地区的极端降水事件呈增多趋势,在1970年代中后期至1980年代中前期,极端降水事件为低值期,而1990年代是高值期.     

北疆极端降水事件的区域性和持续性特征分析

基于新疆北部1961—2007年43个站点的逐日降水资料,采用百分位方法定义极端降水事件的阈值,分析了北疆地区极端降水事件的区域性和持续性特征.结果表明:春夏秋冬四季,大范围发生极端降水事件的区域分别位于北疆的东北部地区、北部地区、东北部地区和西北部地区以及东南地区,发生持续性较强的极端降水事件的频数大值中心分别集中在伊犁河谷、中东天山地区、北疆西南部和北疆盆地.持续1d的极端降水对总降水贡献四季分布均匀,夏季略高.差异主要表现为由春季到冬季,大值中心呈现出从北疆的东天山地区向中天山和盆地地区移动的趋势.持续2d的极端降水对总降水贡献四季之间差异较显著,一般夏、冬季的较大而春、秋季的则较小.各类持续性极端降水平均强度表明,北疆地区的强降水灾害多数是由持续时间较长的极端降水事件所造成的,四季北疆地区区域平均的持续性极端降水均为显著的线性上升趋势.     

近40年中国平均气候与极值气候变化的概述

随着中国气象局对近50年来逐日气象观测资料的释放,人们从不同的角度对中国平均气候和极端气候的分布特征有了更多的了解.从目前研究的结果来看,这些认识需要有一个集成,即需要有一个总体的归纳和解释.通过中国近40年来的温度极值和降水极值事件的分析认识到全球增暖和区域环流异常决定着气候极值事件的分布格局.与全球增暖相联系的是:我国微量降水在空间上表现为一致的减少趋势,我国北方寒潮事件显著减少,冷夜和冷日的减少与暖夜和暖日的增多并存,以及极端强降水有增多的趋势.与东亚季风气流和西风带气流异常对应的我国有效降水在区域分布上发生了显著变化,东部季风区中的"北涝南旱"从1970年代末转型为"南涝北旱",与华南的偏干一起形成了东部季风区降水从华南、长江到华北的"-、 、-"异常分布型,但华南在1991年出现了转湿的突变;东北和西北先后从1983年和1987年前后转为暖湿气候.极端温度和极端降水趋势的空间分布与平均温度和平均降水趋势的空间分布一致.     

额尔齐斯河流域上游地区近50 a来气温和降水变化的DFA分析

为查明新疆境内额尔齐斯河流域年及季节性气温和降水变化规律,并对未来的可能变化趋势做出预测,基于去趋势波动分析法（DFA）对流域近50 a来的气温、降水序列的平均值和极端值进行分析. 研究表明,年降水及春、夏的降水序列有较好的长程相关性,在较长时间尺度内均有继续保持原有趋势的可能,即年降水继续增加,春、夏降水维持稳定;秋、冬季降水则呈现弱持续性和强随机性,在短时间尺度上保持现状,长时间尺度上则存在改变的可能. 年均温及夏、秋、冬温也将继续保持升温的趋势,春季长时间尺度上存在改变的可能. 流域内温度和降水都将保持增长的趋势,而且温度的持续上升相对降水具有更高的可能性. 由DFA方法确定的极端阈值及相应极值序列显示：20世纪80年代以来,极端高温和极端降水事件开始增多,且量值增大,准周期变短,但极端高值并没有显著提高;极端低温事件的发生次数减少显著,平均值增大,同时低温极值增高明显,冬季气温对全球变化的响应更为敏感.     

长江中下游地区雨涝指数构建及其应用

为客观识别区域暴雨洪涝过程、定量评估区域暴雨过程强度,基于极端事件中持续时间和强度关系理论,采用近5 d最大降水强度作为降水相当强度指标,构建雨涝指数和区域雨涝过程强度的算法,利用1961-2019年长江中下游地区逐日降水资料,分析长江中下游地区的区域雨涝过程次数、强度以及雨涝趋势变化特征。结果表明:① 1961-2019年长江中下游地区区域雨涝过程次数整体呈增加趋势,21世纪以来区域雨涝过程发生次数明显增多,持续5~9 d的区域雨涝过程占全部雨涝过程的2/3以上;②区域内雨涝日数总体呈现南多北少分布,雨涝日数变化趋势表现为西北部减少、东南部增多;③年降水量和雨涝趋势的时空变化使得长江中下游地区的旱涝差异进一步增大,降水多的东南部更涝,降水少的北部和西部愈加干旱。     

中国大陆降水时空变异规律——Ⅲ. 趋势变化原因

中国大陆现代降水表现出若干长期变化特征,对现代降水趋势性变化的原因,目前还没有很好了解。结合多种资料分析以及前人研究成果,对中国大陆近几十年降水变化趋势的原因进行了探讨,得到以下初步认识:① 现代降水量变化趋势具有明显的地域性差异,全国平均没有表现出显著增加或减少的长期变化,但强降水事件频率和降水量出现明显增多,而小雨事件特别是痕量降水事件显著减少。② 再分析资料表明,最近几十年全国水汽净收支量在一定程度上增加了,实际观测资料显示近地面和对流层中下层空气比湿或大气可降水量出现较明显上升趋势。③ 代用资料序列分析显示,全国大部地区近几十年降水变化仍处于晚近历史时期正常自然波动范围内;近百年观测的降水量序列也表明,黄淮海地区降水具有多重时间尺度相互叠加作用特点,低频自然气候变异的影响信号有清晰表现。④ 人类活动引起的大气中温室气体浓度增加对全国或东部季风区现代降水变化影响的信号,目前仍难以识别;区域性近地面风速减弱导致的雨量观测系统偏差以及大范围气溶胶浓度增加,可能是东部季风区大多数台站观测到的强降水事件频率增加和小雨频率显著减少的两个重要原因。⑤ 主要与城市化影响相关的地面观测资料系统偏差,可以部分解释现有分析表明的短历时强降水事件频率和累计降水量增加现象,同时也很可能是城市台站小雨和痕量降水事件频率明显下降的另一重要原因。     

塔里木河北源及干流区域降水变化趋势与多尺度特征对比:

选择塔里木河北源及干流区12个代表气象站1959-2004年的年降水系列资料,采用线性回归、平滑方法和Morlet小波功率谱等分析方法,对比分析了塔里木河北源与其干流两个不同区域降水变化趋势与多尺度特征.趋势分析表明:近46a来,两区域年降水都存在增加的趋势,但北源区增加的幅度要明显大于干流区;两个区域在1986年前后,降水增加更趋明显.多尺度分析显示,两区域年降水存在集中于2～8a尺度带上的显著周期.其中,北源区域年降水尺度较为分散,大部分站点年降水集中在2～4a尺度带上,准5a～准8a尺度上也有少量分布;干流区域则主要集中于准3a尺度上.另外,由于时间序列长度的限制和其它不确定因素的影响,两区域部分站点检测出的16a以上的年代际尺度不显著.     

青海省近50年极端降水事件时空分布特征

基于线性倾向估计、小波分析、Mann-Kendall检验及空间插值等方法,对1962—2013年28个均匀分布在青海省内的气象站点数据近50 a(1962—2013年)极端降水事件的时空特征进行了分析。结果表明,在长期趋势上青海省极端降水事件呈上升趋势,其强度与频数变化分别具有28 a和15 a±的主周期,并且少数站点在20世纪90年代发生突变;青海省内的极端降水事件在空间上存在明显差异,整体呈自西向东逐渐增强的特征,极端降水事件在南部地区发生频率总体高于北部地区,东南部发生极端降水的频率最高;近50 a青海省内大部分地区极端降水事件的强度与频数均呈上升趋势,其中东北部地区极端降水事件的强度上升趋势较为明显,仅有东南端与西北端呈现下降趋势,极端降水事件频数的上升趋势由东南端及西北端分别向中部加强。     

新疆阿勒泰地区近50 a夏季极端降水事件变化特征

利用新疆阿勒泰地区近50 a(1961-2010年)7站夏季(6-8月)逐日降水资料、NCEP/NCAR资料及大气环流指数,采用百分位定义法确定各站夏季极端降水事件阈值,运用线性趋势、突变分析、滑动t检验、Morlet小波分析及相关分析等方法来分析该地区夏季极端降水事件的气候变化.研究表明:阿勒泰地区各站夏季极端降水事件阈值为9.0~13.1 mm·d^-1,阈值存在明显的空间分布差异,且地形及海拔高度对该地区夏季极端降水事件阈值均有影响,海拔高度与阈值两者基本呈指数关系.近50 a来阿勒泰地区夏季极端降水频数及强度的年代际变化具有较好的同步性,均表现为20世纪80年代中期之前频数(强度)偏少(弱),80年代中期以后频数(强度)增多(增强),并于20世纪90年代中期达到最多(最强),但进入2000年后频数(强度)开始减少(减弱).近50 a来阿勒泰地区夏季极端降水事件年际变化的持续性较好,大部分站均没有出现显著性突变,只有阿勒泰、富蕴站在20世纪80年代末期及90年代初出现了明显的突变.北非大西洋北美副高脊线、北非副高脊线、西藏高原A指数是影响该地区夏季极端降水事件的主要因子.     

气候变暖对湖泊热力及溶解氧分层影响研究进展

气候变暖对湖泊物理、化学、生物和生态系统有着复杂而深刻的直接和间接影响,而具体影响随研究区域和水体表现不尽相同。气候变暖通过改变湖泊热力和溶解氧分层进而影响湖泊生物过程和生态系统结构与功能。从全球湖泊变暖趋势、长期缓慢气温上升、极端高温事件以及气候情景模拟等方面详细综述了气候变暖对湖泊热力及溶解氧分层影响的研究进展。研究表明,全球不同区域湖泊均存在不同程度的变暖趋势;长期缓慢气温上升和短期极端高温均会造成湖泊热力分层提前,分层结束推迟,分层时间延长,混合层和温跃层深度下降,以及热稳定性增加;相伴随的是溶解氧扩散深度和氧跃层深度明显下降,加剧了湖泊底部好氧和厌氧环境。除了这种直接影响外,气候变暖引起的流域降水、入湖物质的变化以及风速的变化也会对湖泊热力和溶解氧分层产生许多间接的影响,因此未来仍然需要更多的实验证据、经验和数值模型来验证和预测气候变暖对湖泊热力及溶解氧分层的影响。     

长江流域极端水文气象事件时空变化特征及其对植被的影响

利用1982-2015年高时空分辨率地面气象再分析数据,识别以降水和大气饱和水气压差（VPD）为指标的极端干旱（Dry-VPD和Dry-PRE）和极端湿润（Wet-VPD和Wet-PRE）事件,分析其年际变化趋势;结合归一化植被指数（NDVI）,探讨植被与不同极端事件发生频数的相关关系与差异。结果表明:除Wet-VPD外,Dry-VPD、Wet-PRE和Dry-PRE总体呈上升趋势,特别是1998年以后Dry-VPD在长江上、下游流域显著增加;长江流域植被对极端干旱事件的敏感性（以负相关为主）高于极端湿润事件,且长江上游植被对Dry-VPD敏感,而中下游植被对Dry-PRE敏感。综上,长江流域极端干旱事件日趋严重,相较于降水干旱限制植被生长的传统认识,本研究指出在长江上游地区大气干旱对植被的负效应更加明显。     

台风活动对中国沿海地区极端降水的影响

基于1961—2020年格点化数据集逐日降水资料及中国气象局台风最佳路径数据集,计算台风降水对中国沿海地区极端降水事件的贡献率;利用混合和单一元统计极值分布模型量化台风对降水极值概率分布的影响,探究其量化结果的影响因素,并通过典型流域进行流域尺度的应用验证。结果表明：从台风降水的贡献来看,台风降水主要影响中国沿海及部分临近沿海的内陆地区的高重现期极端降水事件;在量化台风影响方面,利用考虑台风降水分布的混合元统计极值分布模型可提高研究区大部分地区降水极值概率的估计,并且沿海地区台风降水的影响大于内陆地区,北方沿海地区的影响大于南方各分区;台风极端降水贡献率、台风与非台风降水差异是台风影响中国沿海地区降水极值概率分布的重要因素。     

从第三极到北极： 气候与冰冻圈变化及其影响

第三极和北极地区对于区域和全球环境、 社会经济以及国家战略的重要性日益凸现。通过对第三极和北极气候与冰冻圈研究的现状、 趋势进行梳理总结, 为未来的系统研究提供借鉴。结果显示, 第三极和北极气候系统与冰冻圈正在发生显著变化并预计将持续下去。第三极和北极地区气温在以全球平均升温速度两倍的速率变暖, 且在20世纪70年代以来, 变化总体趋势高度一致; 降水变化总体呈增加趋势, 但变率和不确定性较大; 极端事件（尤其是极端降水）的频率增加; 积雪范围总体上呈现减少趋势, 雪水当量、 积雪天数的变化存在区域和周期性差异; 多年冻土温度升高, 活动层厚度增加, 亦呈现较大的区域差异。这些变化不仅对生态、 水文、 碳循环产生重要影响, 而且对基础设施、 社会经济以及人类健康产生不可忽视的影响, 包括重金属污染、 食品安全等。气候及冰冻圈快速变化会通过反照率反馈、 水汽反馈等机制被放大, 并通过一系列大气及海洋环流过程, 对周边乃至全球气候系统产生广泛影响。目前第三极和北极研究中面临的重要共同问题包括极度稀疏的地面观测资料、 模型物理机制和精细化描述不足以及缺少与周边地区乃至全球系统关联的量化研究和可靠证据。这些问题的解决都需要依赖地面监测网络的扩展以及对冰冻圈和气候系统物理过程理解的提升。从第三极到北极, 不仅是研究视角的扩大, 更是全面理解第三极和北极在地球系统中作用的必经之路。