极端降水事件变化的观测研究

利用湖北1961—2014年站点逐日降水资料及人口和人口城乡构成数据,通过平均值分离、最小二乘法拟合、趋势系数和气候倾向率分析、M-K检验和累积距平检验等方法,从时空分布、趋势变化、局地特征等方面,分析了近54 a湖北极端降水的变化特征及其与城市化的关系,结果表明：(1)对于第95百分位的极端降水事件,湖北极端降水阈值的范围为43.5~85.1 mm,大部分站的阈值在暴雨雨量范围,高阈值区位于江汉平原和鄂东,低阈值区位于鄂西北,最高阈值出现在武汉站,最低阈值出现在竹山站和房县站。(2)近54 a来湖北多年平均的极端降水日(D_ep)、极端降水量(P_ep)、极端降水强度(I_ep)、最大5 d降水(R_{5 d})和雨量比均存在明显的区域特征,但I_ep、R_{5 d}的地域差异不如D_ep、P_ep明显。鄂西南南部以及鄂东南东部和南部是极端降水事件的高发区,鄂西北北部是极端降水事件的低发区。(3)极端降水指数(R)能反映极端降水的强弱,其大尺度存在明显的年际差异,而长期变化趋势不显著,P_ep、I_ep和雨量比呈弱增加趋势,R_{5 d}和极端降水频数呈弱减少趋势。(4)城市化发展速度会改变R及其局地距平百分比DR_ij、趋势系数和气候倾向率的空间分布。随着城市化发展速度加快,湖北城市“雨岛效应”的格局发生了变化,D_ep、P_ep、I_ep、R_{5 d}及其DR_ij从南北差异明显变为东西差异明显,江汉平原和鄂东的D_ep、P_ep、I_ep、R_{5 d}增加,而鄂西南的减少,且四者趋势系数通过显著性水平检验的站点数更多,气候倾向率绝对值也普遍增大,但大部分站点的变化趋势为负值。(5)湖北极端降水具有明显的城市效应,城市化发展速度较快的大城市代表站的极端降水阈值大于配对的小城市代表站,两种代表站平均的D_ep、P_ep、I_ep、R_{5 d}的年际变化较一致,但大城市代表站的I_ep、R_{5 d}普遍较大,极端降水的变化趋势更明显。

     

内蒙古地区极端降水事件分布特征

基于内蒙古地区94个气象站1961—2007年逐日降水量资料,利用累积频率法,分析了极端降水事件变化特征。结果表明:(1)近50年内蒙古地区极端降水事件和极端强降水事件发生的强度和出现的频次均呈现出增多趋势,尤其在1977年降水发生突变之后,增加趋势更为明显。(2)近50年内蒙古地区最长连续无降水日数和最长连续降水日数持续时间缩短,表明连续性干旱和降水的持续性减弱,尤其是进入本世纪后,最长连续无降水日数陡升和最长连续降水日数陡降,气候湿润程度下降,加之全球气候变暖,使内蒙古地区进入本世纪后暖而干的气候特征更为明显,这对农牧业生产和生态环境保护极为不利。(3)内蒙古地区近50年小雨和暴雨日数的减少,降水强度的加大,使全区降水不稳定性增加,降水有极端化发展趋势,尤其是在1987年气温发生突变之后,降水强度变化更大。     

1959—2012年我国极端降水台风的气候特征分析

利用上海台风研究所整编的1959—2012年台风最佳路径和台风日降水资料,采用百分位法确定单站台风极端降水阈值,针对单个台风影响过程中所造成极端降水的影响范围、降水日数和降水强度异常等指数进行逐个评估,建立了极端降水台风综合指数,依据该指数确定了影响我国的57个极端降水台风,并统计分析了这些台风个数及强度的月际分布特征和路径特点。结果表明：台风极端降水阈值在我国呈由东南沿海向西北内陆减小的分布特征。极端降水台风影响我国的路径大致分为两类,一类穿过台湾或经过台湾北部洋面在我国东南沿海登陆,另一类则于华南沿海登陆或在其近海活动。极端降水台风在20世纪60—70年代及2000年以后相对频发,70年代平均综合指数最高。极端降水台风均出现在5—10月,7—8月频次最多。57个台风中达到台风和强台风级别的最多。     

中国极端降水事件的区域性和持续性研究

利用内蒙古地区117站1991-2013年夏季（6-8月）逐时降水量资料,采用Gumbel极值方法确定内蒙古逐时极端降水阈值,研究内蒙古夏季逐时极端降水持续性和演变特征。结果表明：（1）内蒙古地区逐时极端降水阈值自西（5~10 mm）向东（40~55 mm）递增,但极端降水过程相对强度自西向东逐渐递减。内蒙古西部偏南地区、阴山山脉以南和大兴安岭东部极端降水过程持续时间较长,在7 h以上,其余地区极端降水过程持续时间较短,在6 h以内。（2）持续时间在1~3 h的极端降水过程发生次数最高,极端降水过程持续时间越短,降水量峰值出现前降水强度越大。极端降水持续时间4~6 h降水量偏离程度最大,1~3 h和7~12 h次之。（3）近23 a极端降水过程集中出现在7月下旬,峰值出现时刻由17：00滞后到20：00。1991-2010年极端降水过程偏少,可能是因为4~6 h和7~12 h极端降水过程次数偏少;进入2011-2013年,极端降水过程增加明显,主要与持续时间1~3 h、4~6 h和7~12 h极端降水过程同时增多有关。

     

印江极端降水和极端强降水日数统计特征

利用印江气象站的逐日降水资料,在对该站点极端降水和极端强降水过程阈值进行科学界定的基础上,对50 a来极端降水和极端强降水过程进行了常规统计。结果表明:印江极端降水和极端强降水过程有弱的增加趋势,极端(强)降水天数与降水量成正相关,20世纪60年代极端降水天数和极端强降水的离散程度最大,21世纪前8 a极端强降水的离散程度最小。极端降水和极端强降水日数变化均达不到气候突变的标准。     

江淮梅雨期极端降水的气候特征

应用1959—2000年江淮地区76站逐日降水资料,对梅雨期月降水量进行REOF分解。将江淮区分为4个具有不同梅雨期降水空间分布特征的区域,进而分别分析这4个区域梅雨期暴雨以上极端降水的季节、年际和年代际变化特征,以及周期振荡和突变性质。结果表明:4个区暴雨以上极端降水总量和极端降水日数最大值均发生在梅雨期,梅雨期极端降水呈上升趋势,且具有不同的年际和年代际变化特征;江淮西南区梅雨期暴雨总量和暴雨日数在20世纪90年代还存在明显上升突变现象;4个区梅雨期极端降水存在不同时间尺度的周期振荡。     

西南地区极端降水变化趋势

利用西南地区90个气象台站1970-2010年逐日降水量资料,依据世界气象组织(WMO)定义的连续5d最大降水量、总降水量、强降水比等6种极端降水指数,采用F检验、11a滑动平均等统计方法,研究了西南地区极端强降水变化趋势的时空变化特征。在时间上,西南地区近41年来冬、春、夏季连续5d最大降水量缓慢波动上升,秋季连续5d最大降水量呈下降趋势;强降水、降水强度及强降水比呈上升趋势,但总降水量和最长持续无降水日数呈减少趋势;另外,各极端降水指数还存在明显的年际、年代际变化。在空间上,西南地区极端降水变化趋势具有显著的地域差异,呈东西或西北东南向梯度变化特征。其中冬季连续5d最大降水量、降水强度、强降水比及最长持续无降水日数,在西南大部分地区呈增加趋势。秋季连续5d最大降水量与总降水量在西南大部分地区呈减少趋势。而春、夏季连续5d最大降水量和强降水的增减区域大致相当。     

近54年阿勒泰地区夏季极端降水事件气候特征

本文采用阿勒泰地区7个国家级气象站近54a(1960～2013年)夏季(6～8月)的日有效降水量（20～20h降水量≥0.1mm）资料,用WMO推荐的百分位法计算了全地区过去54a夏季极端强降水的阈值、进一步分析了当地夏季时空分布特征及变化趋势,结果表明：阿勒泰地区夏季极端强降水阈值呈西部、南部小,北部、东部大,并且空间异常分布特征如下: 夏季以及夏季各月的极端强降水日数和强度均可总结出5种最主要模型;极端强降水量可总结出8种最主要模型;并且通过时间标准化序列分析各种模型都有对应的降水日数、量级、强度明显偏多（强）和偏少（弱）的时段。日数、量级、强度近54a来,除吉木乃略有下降以外,其余各县（市）均为增长趋势,尤其是北部、东部地区.同时上述三指标存在着显著的年代际和年纪尺度的周期变化,上世纪90年代和2010年至今为三个指标最多(强)的年代,而上世纪70年代为最少（最差）的年代.并通过周期分析（小波分析）可知,均有对应的显著变化周期。     

中国主雨季极端小时降水时空分布和日变化特征

基于国家级气象站逐小时降水资料,采用百分位阈值的极端降水定义方法,统计研究了中国1951—2021年4—10月小时降水时空分布和日变化特征。结果表明,中国主雨季极端降水阈值东南大、西北小,存在四个分别位于华南、环渤海、长江中下游和四川盆地的大值区,随着极端性增强,北方小时降水阈值的增大较南方更显著,大值中心北移。月尺度上,小时降水的最高频次月份由南向北从5月推迟至8月,华西地区最晚（9—10月）,随着极端性增强,最高频次月份由6月、7月推迟到7月、8月,且地区差异减小。日变化特征上,全国范围内小时降水频次占比,呈现午后到夜间的谷峰主循环和后半夜到上午的次循环,且随着极端性增强,主循环振幅增大,次循环峰值减小。不同地理位置看,四川盆地的极端小时降水峰值时刻出现在凌晨,其他三个大值区则与全国平均较为一致,日变化振幅从南到北逐渐减小,西部最大。小时降水峰值时刻具有空间聚集的特征,夜间峰值主要集中在南方沿海和华北、东北,早晨—上午峰值集中在中部、东部、西南和西北部分地区,空间分布中出现的逐渐推迟和突变特征与海陆分布和大地形密切相关。小时降水峰值时刻空间占比与频次占比的日变化特征类似,均有上午峰值平缓、夜间峰值陡峭的特征,这是因为不同站点到达夜间峰值的时刻接近,而到达上午峰值的时刻不同;两者主要区别在随着极端性增强,频次占比夜间主峰值显著增大,而峰值时刻空间占比主峰值几乎不变,这是因为频次的变化主要是由同一些站点上的次数变化导致,而非不同站点之间的差异。     

极端气温和极端降水复合事件的气候特征

基于1961-2014年的中国台站资料,侧重探讨极端气温和极端降水复合事件的气候特征。结果表明,基于客观方法检测出四类极端复合事件：暖湿、暖干、冷湿和冷干。四类事件的频发区分别位于东北地区、华南地区、西藏及华南地区和长江以南及云贵高原一带。全国暖湿、暖干事件频数呈增加趋势,春夏季频发;冷湿事件频数在西藏东北一带呈增加趋势,而在长江流域呈减少趋势,夏秋冬季频发;冷干事件频数呈减少趋势,秋冬季频发。四类极端复合事件经验正交分解的时间序列主模态均表现为年代际信号。进一步分析四类复合事件与能源消费量的联系表明,极端湿事件与能源消费量呈正相关,而极端干事件则相反。     

中国东部夏季极端降水时空分布及环流背景

基于中国测站的降水资料和NCEP/NCAR逐日再分析资料,取第95百分位数作为极端降水阈值,通过经验正交函数分解(EOF)方法将中国东部分为华南、长江中下游、华北和东北三个地区,定义极端降水事件,并对中国东部夏季极端降水时空分布及环流背景进行研究。结果表明,极端降水事件随日期的变化与中国东部夏季雨带的南北移动相吻合。近54年来,华南极端降水事件频数在1991年左右突增,长江中下游地区有两次突变,1991年左右突增,2000年左右突减。华北和东北地区在1999年左右突减。发生极端降水事件时,低层850 hPa出现局地异常气旋环流,位势高度异常降低,对应低空异常辐合;中层500 hPa,西太副高位置异常偏南有利于华南极端降水的发生,副高西伸有利于长江中下游的极端降水,位置偏北易造成华北和东北极端降水;高层200 hPa,发生极端事件时降水关键区位于西风急流轴右侧,对应异常反气旋环流,这种高层辐散低层辐合的环流配置为极端降水提供动力条件。极端降水的气候平均态水汽主要来源于南半球和西北太平洋。副高的位置异常影响我国东部水汽输送异常,造成不同地区的极端降水。      

热带气旋对1975-2018年暖季中国极端降水气候态、变化趋势及其与温度关系的影响研究

全球变暖背景下我国极端小时降水和极端日降水(EXHP、EXDP)气候态及变化趋势的区域差异明显,其中热带气旋(TC)的影响尚不明确。利用1975─2018年暖季台站小时降水(P)和热带气旋最佳路径等资料,采用百分位法定义极端小时降水与极端日降水,并将总降水(All)客观分为热带气旋降水与非热带气旋(nonTC)降水,分析热带气旋对中国东部All-P、All-EXHP、All-EXDP的气候态和变化趋势以及极端小时降水随温度变化的影响。主要结论如下：(1) TC-P、TC-EXDP、TC-EXHP占其对应总降水之比均从东南和华南沿海向西北内陆递减,区域平均而言,TC-P占All-P之比与TC-EXHP占All-EXHP之比均约为11%,而TC-EXDP占AllEXDP之比为15.8%;(2)热带气旋和非热带气旋降水变化趋势的空间分布差别较大,热带气旋对长江流域东部总降水增多的贡献高达49%,并一定程度上改变了降水趋势的空间分布;(3) TC-EXHP强度与温度的关系在约21℃发生改变,且截然不同于nonTC-EXHP,华南、东南沿海TC-EXHP强度随温度的变化率明显低于nonTCEXH...     

POTENTIAL PREDICTABILITY OF MONTHLY PRECIPITATION OVER CHINA

In this paper,based on the data at 70 stations selected evenly over China for 31 years from1961—1991.three methods to estimate climatic noise have been discussed and then the climaticnoise and potential predictability of monthly precipitation(January.July.April and October)havebeen examined.The estimating of climatic noise is based on the method of Madden and improvedmethods of Trenberth and Yamamoto et al.(1985).The potential predictability is approximatedby the ratio of the estimated interannual variation to the natural variation.Generally.the climaticnoise of monthly precipitation over China has obvious seasonal variation and it is greater in summerthan in winter,a bit greater in autumn than in spring.In most areas,the climatic noise isprominently decreasing from south to north and from coast to inland.The potential predictabilityof monthly precipitation also has obvious seasonal and regional difference,but the potentialpredictability is greater in winter than in summer in most parts of China.Whereas the comparisonof spring and autumn is not obvious.Comparing with the method of Madden,the estimated valuesof climatic noise based on the improved methods of Trenberth and Yamamoto et al.are relativelylower.     

IMPACT OF URBANIZATION IN DIFFERENT REGIONS OF EASTERN CHINA ON PRECIPITATION AND ITS UNCERTAINTY

Climate effect caused by urbanization has been an indispensable anthropogenic factor in the research on regional climate change. Based on daily precipitation data, possible effects of precipitation on the development of three city groups in eastern China are discussed. With three classification methods (TP, PD and MODIS land cover), urban and rural stations are identified. The main findings are as follows. Climate effects caused by urbanization are different from place to place. In 1960 to 2009, the urbanization brought more precipitation to the Yangtze River Delta and Pearl River Delta city groups but had no obvious effect on the precipitation of the Beijing-Tianjin-Tangshan city group. The difference of precipitation is slight between urban and suburban areas during slow period of the urbanization from 1960 to 1979. It is more evident in the rapid period (1980 to 2009) that urbanization has positive effects on precipitation in every city group. The difference of precipitation between urban and rural stations is sensitive to the ways of distinguishing rural from urban area, which may cause uncertainties in 1960 to 1979, while it is very different in 1980 to 2009 in which urbanization favors more precipitation in all city groups and their differences in precipitation are not sensitive to the division methods.     

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。     

AN ANALYSIS OF THE WINTER EXTREME PRECIPITATION EVENTS ON THE BACKGROUND OF CLIMATE WARMING IN SOUTHERN CHINA

Based on daily precipitation and monthly temperature data in southern China, the winter extreme precipitation changes in southern China have been investigated by using the Mann-Kendall test and the return values of Generalized Pareto Distribution. The results show that a winter climate catastrophe in southern China occurred around 1991, and the intensity of winter extreme precipitation was strengthened after climate warming. The anomalous circulation characteristics before and after the climate warming was further analyzed by using the U.S. National Centers for Environmental Prediction/National Center for Atmospheric Research reanalysis data. It is found that the tropical winter monsoon over East Asia is negatively correlated with the precipitation in southeastern China. After climate warming the meridionality of the circulations in middle and high latitudes increases, which is favorable for the southward movement of the cold air from the north. In addition, the increase of the temperature over southern China may lead to the decrease of the differential heating between the continent and the ocean. Consequently, the tropical winter monsoon over East Asia is weakened, which is favorable for the transport of the warm and humid air to southeastern China and the formation of the anomalous convergence of the moisture flux, resulting in large precipitation over southeastern China. As a result, the interaction between the anomalous circulations in the middle and high latitudes and lower latitudes after the climate warming plays a major role in the increase of the winter precipitation intensity over southeastern China.     

中国东部降水的极端特性及其气候特征分析

基于1960—2017年观测数据分析了中国东部降水极端特性的地区差异、季节和气候学特征及变化格局,探讨了与全球变化和区域气候变率的关联性。结果表明,极端性降水的演化与降水均值或总量的气候型态、降水集中性和持续性密切关联,尤其雨带迁移和雨型演替是影响极端性降水地区差异与时空演变的根本因素。气候变化背景下,中国东部极端性降水强度和频次变化存在较好的协同一致性,近60年来在长江以南,强度加大的地区极端性降水亦趋于频发。同时,两者季节特征和地区差异明显。春季东北地区及华北北部极端性降水强度和频次均有明显增加。近60年来夏季极端性降水强度和频次的趋势变化在长江以南均以增加为主,以北以下降为主。秋季极端性降水强度和频次在华北地区亦呈增加趋势。冬季华南和江南地区极端性降水强度和频次趋势变化均以增加为主。华北地区及以北和内蒙古的西部冬季极端性降水强度增加显著,但频次变化不明显。而东北地区北部冬季极端性降水在强度减小的情形下,其频次仍趋显著增加。特别是中国降水主要集中在夏季,自1980年代以来中国东部夏季多雨带南移,雨型以北方型和中间型占优,转换为以长江型和华南型为主,多雨带的极端性降水群发性强,影响指数显著增加。此外,太平洋年代际振荡(PDO)暖位相及ENSO暖事件期间,长江以北夏季极端性降水的影响指数会显著降低。而东亚夏季风的减弱则有利于长江中下游等地区夏季极端性降水的频发和群发,极端性降水强度加大,其影响的危险性趋于增强。      

春季印度洋SSTA对夏季中国西北东部极端降水事件的影响研究

基于近47年来NCAR/NCEP再分析月平均高度场、风场、地面气压,比湿以及NOAA重构的印度洋海表温度资料和中国西北东部97个气象台站逐日降水资料,首先利用百分位法定义了极端降水事件的阈值,运用SVD及合成分析等方法,研究了前期秋季、冬季、春季及同期夏季印度洋海表温度同夏季中国西北东部极端降水事件的关系,结果表明前期春季印度洋海温异常对预测夏季中国西北东部极端降水事件的变化特征具有较明确的指示意义,关键区位于赤道印度洋地区。如果春季赤道印度洋海温异常偏暖,从同期春季到后期夏季,100～110 °E平均经圈环流在赤道附近表现为异常上升气流,对应30 °N附近在对流层中、上层表现为异常的下沉气流,同时来自印度洋的西南季风异常偏弱,使得后期夏季由于没有异常的水汽输送到我国西北东部地区,从而极端降水事件偏少,而偏冷年份正好相反。另外在春季赤道印度洋海温异常暖年,后期夏季南亚高压偏强,且呈西部型;而在异常冷年,南亚高压偏弱,且呈东部型,这可能是引起夏季中国西北东部极端降水事件变化的另一原因。     

THE RELATIONSHIP BETWEEN EXTREME PRECIPITATION ANOMALY IN SOUTH OF CHINA AND ATMOSPHERIC CIRCULATION IN THE SOUTHERN HEMISPHERE

Based on the daily rainfall datasets of 743 stations in China and the NCEP/NCAR monthly reanalysis data during the period of 1960–2003, the relationship between the anomalous extreme precipitation (EP) in the south of China and atmospheric circulation in the Southern Hemisphere is analyzed. The phenomenon of opposite changes in the sea level pressure and geopotential height anomalies over the Ross Sea and New Zealand is defined as RN, and the index which describes this phenomenon is expressed as RNI. The results show that the RN has barotropic structure and the RNI in May is closely related to the June EP amount in the south of China (SCEP) and the East Asian summer monsoon (EASM). The positive correlations between the May RNI at each level and the June SCEP are significant, and the related simultaneous correlations between the RNI and the June SCEP are also positive, suggesting that the potential impact of RN on the SCEP persists from May to June. Therefore, RN in May can be taken as one of the predictive factors for the June SCEP. Furthermore, one possible physical mechanism by which the RN affects the June SCEP is a barotropic meridional teleconnection emanating from the Southern Hemisphere to the western North Pacific.     

重庆汛期极端降水事件分析

利用重庆1961-2006年33个台站汛期(5-9月)逐日降水资料,首先定义了不同台站的极端降水阈值,然后统计出不同台站近46 a逐年汛期极端降水事件的发生频次,并进行时空分布特征分析.结果表明:重庆汛期极端降水事件发生频次的多寡很大程度上影响着汛期总降水量的大小.一致性异常分布特征是重庆汛期极端降水事件发生频次的最主要空间模态;重庆汛期极端降水事件发生频次的空间分布可分为5个主要区域.从长期变化趋势来看,Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ区为很弱的减少趋势,Ⅱ区表现为很弱的增加趋势,Ⅴ区则表现为相对较强的增加趋势.最大熵谱估计分析表明,近46 a来汛期极端降水事件发生频次各区之间的周期振荡不太一致,均存在2年左右的年际变化周期,不同的分区主要还存在着5年的年际变化周期和11年、15年左右的年代际变化周期振荡.