基于均一化资料的广州近百年气温变化特征研究

利用RHtest软件结合台站元数据对广州1908—2019年平均气温进行非均一性检验和订正,结果显示在1912、1928、1942、1988、1995、2004和2010年有7个显著的非均一间断点,订正后升温速率为1.39℃/(100 a),较订正前显著增加,具有准50 a和准3 a的显著周期。运用DB16正交小波分析其多时间尺度变化特征,结果显示方差贡献最大的是趋势分量,其次是准3 a和准6 a周期分量。趋势分量从20世纪40年代开始呈现持续的升温趋势;20世纪80年代中期至20世纪末的快速增暖是准50 a和准20 a周期分量的上升期叠加于趋势分量的结果;1998—2014年增暖停滞特征是准50 a、准20 a和准10 a这3个年代际周期分量的降温位相叠加在趋势分量上引起的。     

河北保定气象站长序列气温资料缺测记录插补和非均一性订正

基于多源的气温月值资料,在数据整合和初步质量控制基础上,同时采用标准化序列法和多元线性回归法对河北保定气象站1913-2014 年月平均气温、最高气温和最低气温资料进行了插补。通过交叉检验法分析发现,标准化序列法插补得到的气温序列效果较好,并且气候统计特征与同区域周边站的研究结果更具一致性。利用惩罚最大F 检验（PMF）对插补后序列的均一性进行了检验,结果表明：通过插补得到的保定站百年气温月值序列的均一性相对较好,仅月平均最低气温序列存在2 个显著间断点,分别由同类型仪器的更换和台站迁移导致,研究中采用分位数匹配（QM）对其进行了订正,建立了保定站百年气温月值序列。通过与邻近单站及我国中东部区域均一化百年气温序列的综合对比显示,本文建立的保定站百年气温月值序列与邻近单站的相关性基本达到0.8 以上;从增暖趋势来看,保定站与中东部区域平均序列分别达0.121 ℃/10a、0.204 ℃/10a,基本在同一量级内：这一定程度上说明建立的保定站百年气温序列相对合理。     

利用多模式对中国气温序列中不连续点的检测

发展了一种对元数据依赖程度较小的气候序列均一化思路,在缺乏元数据的基础上,采取3种不同的方法,对中国东南部地区年平均最高、最低气温序列进行了均一性检验;并对其中不连续的气温序列进行了订正.对比表明,订正后序列较订正前更为合理.在检验过程中发现,对于最低气温检验可以明显得出比最高气温更多的不连续点.为了进一步认识这个问题,对此进行了进一步分析,认为最低温度对变化更为敏感主要是由于其物理特征:最低温度一般出现在夜间,夜间大气较为稳定,因此一些变化(如仪器,迁站)可能引起明显的不连续现象,而最高气温往往出现在白天,因此大气混合比较充分,空间的均一性要明显强于最低温度.另外,热岛现象、台站密度等因素均是影响气温序列均一化的因素.     

1880-2020年安徽芜湖气温长序列构建及年代际特征

完整的百年气温长序列是气候变化分析的基础,局地百年气温变化既有共性,也存在一定的差异。本文利用1880—1937年、1952—2020年安徽芜湖站气温观测资料和1901—2020年英国东英吉利大学气候研究中心（Climatic Research Unit,CRU）格点气温资料,首先对芜湖站气温观测资料进行检验和订正。在此基础上,采用多元逐步回归分析方法,构建芜湖站1880—2020年月平均气温序列,并统计分析气温的年代际变化特征。结果表明：差值和均一化订正进一步提高了芜湖站1880—1937年月平均气温观测数据质量。用1901—1937年、1953—2020年观测的月平均气温和1901—2020年CRU格点气温拟合的两套气温平均值插补,能够更好地反映芜湖站1938—1951年月平均气温的变化。近140 a来,芜湖春、夏、冬季增温显著,春季气温增幅最明显,而秋季增温趋势不显著;各季节均存在冷暖交替的年代际变化特征,但近20 a增温有所停滞,且存在40～50 a、20～30 a的周期变化。     

中国探空观测与多套再分析资料气温序列的对比研究

为比较中国探空观测与再分析气温的差异,利用中国118站850—30 hPa经质量控制和均一化处理后逐月气温和NCEPv1、NCEPv2、ERA-40、ERA-Interim、JRA55、20CR、MERRA和CFSR等8套再分析月平均气温,通过对比1981—2010年探空观测与多套再分析气温序列的平均偏差、相关系数、标准差和变化趋势,分析两者在数值、年际变率、离散度及长期变化的差异。结果表明,中国探空温度原始序列存在较为显著的非均一性,均一化对原始气温序列总体为负订正,对流层上层至平流层下层(200—100 hPa)订正值最为显著。均一化气温去除了原始序列中由仪器换型和系统升级等因素导致的系统误差,与再分析气温相关较原始序列明显提高。再分析气温与均一化气温偏差约1℃,多数再分析气温较均一化气温在对流层偏低、平流层偏高。再分析与均一化气温年际变率较为一致,正相关达到显著。多数再分析与均一化气温均在对流层中低层呈上升趋势、平流层中层呈下降趋势。对流层上层和平流层下层不确定性较大。总体上,ERA-Interim、JRA55和MERRA与其他再分析相比更相近中国均一化探空气温。      

1998年:中国近一个世纪以来最暖的一年

１８８０￣１９９９年中国年平均气温序列显示,１９９８年是近一个多世纪以来中国最暖的一年,气温距平达到了＋１．３８℃。１９９８年的全球年平均温度也是有观测记录以来的最高值,距平达到了＋０．５７℃。１９９８年我国气温创近百年来的最高纪录并不是一个偶然现象,与全球大尺度气候变暖有密切联系。气温变暖的原因及可能后果必须引起人们的高度重视。     

广东2月“冷干”和“暖干”年代际特征对比及其与海温异常的联系

根据1961—2019年广东86个站点的降水和气温以及大气环流和海温资料,采用统计分析方法,研究广东2月降水和气温的时空分布特征及其相应的大气环流与海温特征。结果表明:近59年广东2月有两个年代际降水偏少时段,但对应的气温特征显著不同,分别是1961—1981年“冷干”和1999—2019年“暖干”,其对应的大气环流特征表明,第一时段1961—1981年（第二时段1999—2019年）500 hPa高度场以经向（纬向）环流为主,东亚大槽偏强（弱）,东亚冬季风偏强（弱）,低层受异常北（南）风控制,地面冷高压偏强（弱）,偏强的冷空气阻碍了来自海上的水汽输送（偏弱的冷空气不能南下至广东）,使得广东处于水汽辐散区（青藏高原表现为反气旋式环流,南支系统不活跃,对广东地区水汽输送不足）,最终导致广东2月低温少雨（高温少雨）。进一步的分析表明,热带东太平洋和北太平洋中部海温异常是影响广东2月降水的重要外强迫因子,其中第一时段1961—1981年（第二时段1999—2019年）是热带东太平洋（北太平洋中部）海温异常偏冷（暖）通过850 hPa经向风切变偏弱（北太平洋中部异常反气旋环流）来影响广东降水。热带印度洋全区一致型、西太平洋暖池区和北太平洋中部海温异常是影响广东2月气温的外强迫因子,其中前两者主要通过东亚大槽这一环流影响广东气温,而北太平洋中部海温仅影响“暖干”期下广东2月的气温。      

自20世纪90年代中后期夏季巴伦支海海冰与秋季中国西南地区干旱的联系加强

研究夏季7—8月巴伦支海海冰和秋季9—11月中国西南地区干旱的年际变化的联系,并探讨了其可能机制。结果表明：1979—1997年夏季巴伦支海海冰和秋季中国西南地区干旱在年际尺度上相关不显著,但到1998—2019年,海冰和干旱指数的相关系数增长至-0.69,置信水平达到99%。当夏季7—8月巴伦支海海冰增多时,有利于秋季9—11月中国西南地区发生干旱;当夏季7—8月巴伦支海海冰减少时,则反之。进一步分析其原因可知：1998—2019年,当夏季巴伦支海海冰异常偏多时,海冰异常可以持续到秋季,导致巴伦支海表面湍流热通量负异常,新地岛以西地区的大气变得更加稳定,激发了异常下沉运动。通过异常经向环流作用,进一步促进地中海附近出现上升运动。由此产生的地中海北部对流层高层300 hPa异常辐散风激发了罗斯贝波,波列沿着55°N向东传播,在贝加尔湖地区向南传播至中国北部和西南地区,导致中国西南和华东地区上空出现异常高压,这有利于中国西南地区降水减少、温度升高,进而导致干旱发生。此外,相比于1979—1997年,1998—2019年夏季巴伦支海海冰更大的年际变率可能是导致二者联系加强的一个重要原因。     

“暖北极—冷欧亚”模态的年代际变化及其与北大西洋海温的联系

本文利用美国航空航天局戈达德空间研究所地表气温、美国国家海洋和大气局—环境科学协作研究所20世纪再分析资料,以及第六次国际耦合模式比较计划的多模式Historical试验结果,去除外强迫影响后,研究1910/1911～2019/2020年冬季（DJF）欧亚中高纬地区“暖北极—冷欧亚”（WACE）模态的年代际变化特征及其物理原因。结果表明:WACE具有显著的年代际变化,在WACE正位相时期,乌拉尔阻塞发生频率偏高,有利于热量向极区输送使得极区出现异常暖平流,且水汽向极区输送导致极区水汽辐合,向下长波辐射增加,另外对流活动增强导致潜热释放,进而极区温度上升。与此同时,极涡及欧亚大陆西风减弱且乌拉尔阻塞发生频率偏高,有利于冷空气侵袭欧亚大陆造成异常冷平流,且欧亚地区水汽辐散,向下长波辐射减少,对流活动减弱进而潜热释放减少,导致欧亚大陆温度降低。最后利用CAM3.0大气环流模式模拟了北大西洋海温正异常对WACE的影响,模式结果与统计结果相符合,进一步说明了北大西洋海温正异常可以通过强迫低层与高层大气环流异常,导致极区水汽辐合,欧亚大陆水汽辐散,进而影响WACE的年代际变化。     

基于均一化资料的中国大陆极端温度的长期趋势

近百年来,全球气候变暖。这与暖日和暖夜增加,冷日和冷夜减少相关联。文章研究结果进一步证实了这一发现。本文基于1960-2012年中国大陆542个台站均一化气温资料,通过将中国大陆划分为8个次区域,利用百分位定义法计算了极端温度指数序列,同时,运用时间趋势分析法,对中国大陆各区域极端温度和极端温度指数的时空分布及变化趋势特征进行了分析。结果表明:在全球变暖的背景下,从地理分布而言,中国大陆在过去53年除西南地区外,大部分地区最低和最高温度有显著的升高趋势,其中,东北温度升高最为明显;从季节而言,冬季极端温度升高最为明显,夏季升高最少;最低温度明显升高,最高温度也有所升高,但是最低温度的升高幅度更大。冷夜和冷日出现频率呈减少趋势,暖夜和暖日出现频率呈增加趋势,其中以冷夜指数变化最为突出,均呈现一种区域差异的现象。本文利用更新的资料验证了前人的工作,也进一步分区分析,结果可为更多地区评估以及进一步的相关研究提供参考。     

基于均一化格点资料的全球变暖趋缓期中国气温变化特征分析

利用1961-2014年水平分辨率为0.5°×0.5°的均一化气温网格数据,分析全球变暖趋缓期（1998-2014年）中国气温的变化特征。结果显示：1998-2014年中国气温上升趋缓明显,与增暖期（1985-1997年）相比,年平均气温和年平均最高气温由升温趋势转为降温趋势,分别为-0.05℃/10a和-0.11℃/10a,而年平均最低气温仍保持弱的上升趋势（0.06℃/10a）。全球变暖趋缓期中国的增暖型发生了显著变化：北方地区由增温趋势转为降温趋势,青藏高原和西南地区则呈现出相对强的增温趋势;从季节来看,冬季降温最强、夏季增温较其他季节偏强,而冬季（强降温）正是中国增暖趋缓的主要贡献季节。增温最强的要素仍然是最低气温。     

热带印度洋偶极子与中国夏季年际气候异常关系的年代际变化

利用中国站点观测逐月降水和月平均气温资料以及NCEP/NCAR再分析资料,揭示了热带印度洋偶极子(IOD)与中国夏季气候异常关系的年代际变化.结果表明:IOD与中国夏季年际气候异常的关系既有稳定的一面,又存在着年代际变化.较为稳定的关系表现为:IOD与同年夏季长江黄河之间的降水变化存在显著负相关,与四川气温变化存在显著正相关;IOD与次年夏季四川降水存在显著正相关.伴随发生在20世纪70年代末的大尺度环流年代际转型,IOD与中国气候年际异常的联系亦发生变化:IOD正位相年的同年夏季降水异常型,由中国大部分地区偏少变为长江以南(北)偏多(少),气温由西南地区东部偏暖变为长江以南(北)偏冷(暖);次年夏季降水由全国大部分地区偏多变为长江以南(北)偏少(多),气温由全国大部分地区相关不显著变为黄河以南大部分地区显著偏暖.在IOD负位相年,中国夏季气候异常的特征与IOD正位相年相反.在20世纪70年代末的大尺度年代际气候转犁前后,与IOD相关的东亚大气环流异常特征明显不同.在IOD发展阶段,在70年代末以前,印度夏季风和南海季风偏强,副热带高压势力偏弱,导致中国华南大部分地区降水偏少,华北西部以及内蒙古中部等地降水偏多;70年代末以后,东亚大陆中纬度为弱的东风距平,导致新疆北部降水偏少,气温偏高,华南降水偏多.在IOD次年夏季,70年代末以前,华南、河套以及四川等地盛行偏南气流,降水偏多;70年代末以后,南亚高压和西太平洋副高偏西偏强,华南、江南降水偏少.     

中国气温和降水序列年代际分量的显著性检验

对1951—2008年中国160站年和四季的气温、降水序列是否服从正态分布进行显著性检验,以此为基础进一步对气温和降水序列中的年代际异常分量显著性作了严格的统计学分析,结果表明：1）大多数测站气温序列服从正态分布,大多数测站降水序列不服从正态分布;气温、降水序列是否服从正态分布与地域有一定联系。2）气温、降水序列中年代际变化分量的显著性存在明显差异,多数测站气温序列年代际分量显著,只有少数测站降水序列的年代际分量显著。3）因为1951—2008年中国160站年、季气温和降水序列不全服从正态分布,特别是降水序列的非正态性严重,建议对它们的统计显著性检验采用Monte Carlo方法。     

ENSO与中国夏季年际气候异常关系的年代际变化

利用热带太平洋海表温度和中国降水和气温站点观测资料,通过滑动相关分析,揭示了ENSO与中国夏季年际气候异常关系的年代际变化事实。结果表明:ENSO与中国夏季年际气候异常的关系既有稳定的方面,又存在年代际变化特征。稳定的关系表现在:处于发展阶段的ENSO事件往往造成华北夏季降水偏少;处于衰减阶段的ENSO事件则易引起长江流域及江南地区夏季降水偏多。而二者关系的年代际变化表现在:1970年代中后期,处于发展阶段的ENSO事件引起的夏季降水异常在华南地区由偏少变为偏多,东北地区则由偏多变为偏少,而江淮地区偏多的现象不再明显,华北和东北夏季气温异常也由偏冷转变为偏暖,而华南则有偏冷趋势;处于衰减阶段的ENSO事件引起的夏季降水异常在华北地区由偏多变为偏少,江淮地区降水由偏少变为正常甚至偏多,华北夏季气温异常则由偏冷变为偏暖,长江流域和华南也有偏暖趋势。利用NCEP/NCAR再分析资料合成分析表明,在不同的年代际背景下ENSO引起的东亚中高纬度大气环流异常型发生了明显改变是ENSO和降水气温关系发生年代际变化的原因。     

不同年代际背景下AO与冬季中国东北气温的关系

采用1951—2006年北极涛动指数序列、NCEP/NCAR再分析资料和我国160站气温资料,利用滑动相关分析研究了不同年代际背景下北极涛动与冬季中国东北气温年际异常关系的变化情况。结果表明,两者的关系在20世纪60年代中后期显著增强,在80年代中后期减弱。不同年代际背景下,与AO相关联的中高纬度大气环流异常发生的明显改变是AO与东北冬季气温关系发生年代际变化的原因。强相关年代,西伯利亚高压与阿留申低压均明显减弱,东亚冬季风偏弱,对流层中下层异常东南风控制东北地区,对流层中层东亚大槽明显减弱,环流的经向性减弱,使该地区冬季气温偏高;相关较弱的年代则以上表现不明显。     

西伯利亚高压的年际和年代际异常特征及其对中国冬季气温的影响北大核心CSCD

利用NCEP/NCAR再分析资料和中国160个气象站的气温资料,采用谐波分析、相关分析和奇异值分解等方法,研究了冬季西伯利亚高压(Siberian High,SH)的年际和年代际异常特征及其对中国冬季气温的影响。结果表明:(1)年代际尺度上SH在20世纪60年代末后减弱、收缩、东界西撤、南界北退,21世纪以来SH面积扩张。年际尺度上SH面积的年际方差最大。(2)SH强度、面积和东界经度的年际变率在21世纪以来都增大,SH特征量的年代际变率均在1975年前后由大转小。(3)中国冬季偏冷年的SH较为强大且东扩南伸,同期500 hPa高度类似遥相关欧亚型(EU)正位相的异常分布和增强的欧亚脊对SH发展起主要作用,反之亦然。年际尺度上当SH加强扩张并东扩南伸时,强度的影响最大,中国大部为冷冬,尤其是南方。年代际尺度上面积的影响最强,SH加强扩张(减弱收缩)并东伸(西撤)时,黄河以北气温偏低(高)。(4)年际尺度上当SH强度和面积的变率偏大(小),东界和南界的变率偏小(大)时,中国大部冬季气温的年际波动剧烈(平缓)。年代际尺度上当SH特征量的变率均偏大(小)时,华北和东北冬季气温的年代际波动加大(减小),而南方冬季气温的年代际波动减弱(增大)。     

英国CRU高分辨率格点资料揭示的20世纪中国气候变化

中国覆盖比较完整的台站观测始于1951年,1951年之前虽然有一些观测记录,但是残缺不全.所以要建立更长的气候序列就要吸收代用资料,但是代用资料可能与气候要素仅有一定程度的相关,不可能一一对应,因此应用代用资料重建的气候序列有一定的不确定性.英国East Anglia大学的Climatic Research Unit(简称CRU)通过整合已有的若干个知名数据库,重建了一套覆盖完整、高分辨率、且无缺测的月平均地表气候要素数据集,时间范围覆盖1901～2003年,空间为0.5°×0.5°经纬网格覆盖所有陆地.这套资料和中国已有的气候数据相比具有如下优点: 第一,中国西部20世纪前半期非常缺少观测,CRU资料尽管包含插值带来的误差,经比较仍可作为有一定信度的参考; 第二,中国现有的百年温度序列只是年或季分辨率,而CRU资料达到月分辨率; 第三,建立这个序列仅使用观测结果,做统计内插,不包括代用资料所带来的不确定性.因此,CRU的序列与用代用资料补充得到的序列在资料方面有较大不同,比较这两个序列,不仅可以进一步确认中国气候变化的特征,也可以彼此校正.结果表明:(1)CRU资料反映的全国年平均温度年际变化和考虑代用资料重建的序列吻合得很好,相关系数达到0.84;(2)区域尺度上,两者在10个典型分区的气温变率也相当一致,相关整体保持在0.8左右,仅新疆西南部和西藏西北部两者差异较大;(3)CRU资料揭示的中国年总降水量在1951～2000年的变化与160站观测吻合,相关系数达到0.93;(4)CRU资料的中国东部四季降水量和重建资料十分一致,秋季一致性最好,相关0.93;(5)CRU资料和重建的序列比较一致地表现出中国温度和降水年代际变化的主要特征,其给出的20世纪20年代中国大旱和20世纪40年代中国高温的空间分布与作者过去的结论相一致.这表明,作者过去重建的中国气候序列有比较大的可靠性,而CRU资料也提供了新的信息,特别是在20世纪前半期和中国西部.     

CMIP6年代际试验对中国气温预测能力的初步评估

利用参加第六次国际耦合模式比较计划(CMIP6)年代际气候预测计划(DCPP)的加拿大CanESM5模式和日本MIROC6模式的结果,评估了模式对中国近地面气温的预测能力.在年代际尺度上,两个模式年代际试验对近地面气温的回报技巧均高于历史试验的模拟能力,采用海温初始化可以提高模式对中国近地面气温的年代际预报技巧.对年代...     

中国东北及邻近地区夏半年极端暖事件的时空和环流特征分析

夏半年（5—10月）是我国东北农作物生长的关键期,但偏高的气温尤其是大范围极端偏暖事件会对农业生产造成不良影响。基于强度、范围和持续时间等指标,对1980—2019年夏半年发生在我国东北及其邻近地区的16个极端暖事件进行分析。结果表明,东北及邻近地区的极端暖事件的强度和频率呈明显增加的趋势,夏初（5—6月）和秋初（9—10月）发生的暖事件频次较多。地面极端增暖事件发生时,东北区域的西北侧大陆地面低压异常和东侧西北太平洋海上高压异常导致东北地区出现异常偏南风及暖平流;对流层至平流层呈现出准正压的结构,最大位势高度异常中心多出现在250 hPa附近,其下方的正温度异常（暖气柱）会延伸到地面,有利于地面异常增温。暖事件发生时,地面增暖区位于对流层上层急流入口区的左侧,利于下沉气流出现。上述大气温压场扰动结构和环流特征通过影响短波辐射和绝热增温过程,共同导致地面极端暖事件的发生。在预报意义上,有90%以上的东北极端暖事件可以在250 hPa上至少提前10天追踪到位势高度的扰动信号。      

中国60城市站1901—2019年日降水数据集的构建

近年来中国区域降水的极端化问题得到学术界的广泛关注,有关研究也获得了大量成果。但是,目前国内外常用的高分辨率降水资料序列多从1951年左右开始,普遍缺少20世纪早期中国的逐日降水资料,对于近一百多年中国极端降水变化特征及其机理,目前还不清楚。基于多来源的1901—1950年原始观测报表数字化逐日降水资料,补充先前未录入的“无降水”和缺测数据,研发质量控制方案并开展质量控制,补充录入检出的缺失和错误数据并再次质控,结合1951年以来的现代降水日值资料,建立中国60个城市站1901—2019年降水日值数据集。数据集评估结果显示,早期中国东部地区的台站较为密集,数据完整性和正确性较好,但中国西部的台站数量少且完整性和正确性偏低。本数据集构建的年总降水量累积值序列与已有的月降水量数据基本一致。基于该数据集,研究发现重庆站近百年来的降水未出现显著的趋势性变化。该数据集使后续分析研究中国极端降水的百年尺度长期变化特征成为可能。