不同物理约束方案下西北地区夏季降水的未来预估对比

近年来,各种证据表明我国西北地区降水呈现增加的趋势,在未来变暖背景下,西北地区降水如何变化,成为我国学术界和社会广泛关注的问题。文中采用了两种基于物理关系的约束(优选)方法,即涌现约束和帕累托最优集合方案,选择了显著影响夏季西北地区降水的物理因子热带印度洋海温和东亚副热带200 hPa纬向风,对25个CMIP6模式给出的SSP585情景下21世纪末期夏季西北地区降水进行了不同约束方案的预估及对比。结果表明:相对于1995—2014年,基于CMIP6模式集合平均得到的21世纪末期夏季西北地区平均降水增加23%,未经约束的不确定性范围为-8.4%~61.7%。通过热带印度洋海温(东亚副热带200 hPa纬向风)涌现约束后,21世纪末期夏季西北地区降水增加24%(19%),不确定性范围减小为-8.4%~52%(-9%~45%),不确定性分别降低了15%(21%)。进一步利用三变量(中国西北夏季历史降水、热带印度洋海温、东亚副热带200 hPa纬向风)的帕累托最优集合方案得到21世纪末期夏季西北地区平均降水变化增加28%,范围为8%~44%,降低了近39%的不确定性范围。同时帕累托最优集合表明降水增多的区域主要集中在西北地区中部与西部,最大降水增幅达到60%以上。

华南冬季极端低温事件的统计建模及未来预估

基于1961—2005年华南冬季逐日最低温度观测资料,以及参与CMIP5的IPSL-CM5A-MR、MPI-ESM-MR、CMCC-CMS 3个模式的历史模拟和未来排放情景预估数据,从过程角度定义和提取华南冬季极端低温事件及其特征指标,并通过引入极值理论构建极端低温事件的概率分布模型(Cold Spell Model,CSM),刻画其强度、频数和持续时间特征分布;进一步结合基于累计概率分布变换的偏差订正方法降低模式模拟的偏差,探讨了RCP4.5情景下全球升温1.5℃和2℃时极端低温事件的风险变化。研究表明:(1)CSM模型能够较好地拟合极端低温特征概率分布,大部分台站通过了K-S或卡方检验;(2)相对于观测,模式模拟极端低温存在一定偏差,经偏差订正后,各站点BS评分接近于0,SS评分普遍提高到0.88左右;(3)全球增暖背景下,华南地区极端低温呈现强度减弱、频数减少、持续时间缩短的特征。全球增暖1.5、2.0℃背景下,华南大多数地区极端低温事件平均强度减弱,频次降低,持续时间变化具有明显的空间差异;每年发生1次极端低温事件的概率增加,但每年发生3、5次的概率减少;增暖1.5℃下极端低温事件持续性特征变化不明显。但增暖2℃下,华南大部分地区持续1 d的极端低温事件更易发生,但更长持续时间(3、5 d)的极端低温事件发生的可能性显著减少。

中国北方地区地面气候对全球1.5/2℃增温阈值和路径的响应

通过分析中国北方干旱/半干旱区气候和水热循环及其分量对不同增温阈值和路径的响应,加深对区域尺度气候变化的理解,为应对和缓解未来气候变暖提供参考思路。本文利用NESM(Nanjing University Information Science and Technology Earth System Model)大尺度模式驱动WRF(Weather Research and Forecasting model)区域模式,模拟预估中国对未来增暖1.5/2℃时不同排放路径下区域气候的响应。对中国北方干旱/半干旱区气候场和水热循环未来变化进行定量评估表明,稳定增暖1.5℃情景下,干旱/半干旱区内温度和降水的增加幅度由西向东递减,水分收支分量受到降水影响;净辐射将在整个区域内增加1%~3%,并更多以潜热通量的形式向大气输送热量。增暖达到2℃时干旱区内温升超过2.6℃,降水和水分收支分量增多,净辐射和感热通量将在大部分地区相比增暖1.5℃时减少。对比稳定增暖2℃情景,瞬变增暖2℃下温度的升温幅度在大部分区域减小0.1~0.3℃,瞬变增暖路径下净辐射的减弱可能是导致温度升温幅度降低的原因之一。夏季可用水(降水减去蒸发)对增暖路径的敏感响应导致不同区域内干旱的可能变化存在差异。相比瞬变增暖路径,稳定增暖2℃下干旱及半湿润区干旱缓解有所减缓,而半干旱区内干旱状态进一步缓解。

东亚夏季风推进过程的气候特征及其年代际变化

利用1951￣2001年NECP的逐日再分析资料及中国东部366站1957￣2000年逐日降水资料,提出东亚夏季风推进过程的定量指标,分析东亚夏季风推进过程的年代际变化。结果表明:标准降水指数为1.5的等值线较好反映了中国东部夏季雨带的南北移动,以及雨带推进过程中呈现的阶段性与突变性特征。东亚夏季风的推进过程具有显著年代际变化,与夏季风前沿位置有关的指标在20世纪60年代中期前后发生显著变化,与夏季风推进强度有关的指标则在70年代末出现突变。60年代中期前,南海夏季风的建立时间较迟,但北推较快,夏季风前沿到达华北地区时间较早,在华北地区维持时间长,夏季风的北界位置偏北,华北雨季、淮河梅雨明显。70年代末以后南海夏季风的建立时间较早,夏季风前沿附近南风强度明显偏弱,降水主要集中在长江流域及其以南地区,华北雨季不明显。

7个IPCC AR4模式对中国地区极端降水指数模拟能力的评估及其未来情景预估

利用中国区域550个站点1961-2000年日降水量资料,考察参与政府间气候变化委员会（IPCC）第四次评估报告的7个新一代全球模式及多模式集合对现代气候情景下（20C3M）5个极端降水指数的模拟能力,同时进行中国区域未来不同排放情形下极端降水事件变化的预估,结果表明：最新全球模式能较好地模拟出极端降水指数气候场的空间分布及其中国区域的线性趋势,且模式集合模拟能力优于大部分单个模式,但在青藏高原东侧、高原南部存在虚假的极端降水高值区,模拟的东部季风区的极端降水强度系统性偏低,区域平均序列年际变率的模拟能力也较低。中国地区21世纪与降水有关的事件都有趋于极端化的趋势,极端降水强度可能增强,干旱也将加重,且变化幅度与排放强度成正比。

结合模式性能和独立性加权的全球增暖1.5/2℃下中国区域气候的未来预估

基于耦合模式比较计划第6阶段(CMIP6)中的全球气候模式的模拟结果,采用考虑模式性能和独立性结合(Climate model Weighting by Independence and Performance,ClimWIP)的加权方案进行中国区域气候的多模式集合预估及不确定性研究。结果表明,ClimWIP方案在历史阶段的模拟优于等权重方案,降低了多模式模拟的气候态偏差。温度指数的未来预估不确定性较大的区域主要集中在中国北方和青藏高原,而降水指数主要集中在华北和西北地区。ClimWIP方案的预估不确定性与等权重方案相比有所降低。ClimWIP方案预估的温度指数的增温大值区主要集中在中国北方和青藏高原;降水指数在西北和青藏高原增加最为显著。全球额外0.5℃增暖时,中国区域平均的温度指数变化更强,平均高于全球0.2℃,最低温在东北部分地区的额外增温甚至是全球平均的3倍;总降水额外增加5.2%;强降水额外增加10.5%。全球增暖2℃下,中国大部分区域温度指数较当前气候态增加可能超过1.5℃(概率>50%),在中国北方和青藏高原的部分地区增温超过1.5℃的可能性更大(概率>90%);总降水,强降水和连续干日在西北和华北增加幅度有可能超过10%、25%和-5 d(概率>50%)。

利用广义帕雷托分布拟合中国东部日极端降水的试验

引进广义帕雷托分布拟合我国东部地区78个测站夏季（5-9月）逐日极端降水量。结果表明,不同门限值条件下的逐日降水量所拟合的降水极值概率分布均符合广义帕雷托分布,与其它极值分布如广义极值（下称GEV）分布模式相比,以GPD模式为最优。根据现代气候条件,分别计算了50年一遇和100年一遇的极端降水量分位数并分析其空间分布特征,两者基本一致,总体上都呈现出由东南向西北方减小的趋势,且南北差异较大,南方的极端降水量值可能达到北方地区的两倍以上。此外,资料年份越长,拟合效果越好。

2007年淮河流域强降水过程的水汽输送特征分析

利用NCEP再分析资料,引入基于拉格朗日方法的气流轨迹模式（HYSPLITv4.9）,将2007年6月19日~7月26日期间淮河流域强降雨分为三个阶段,分析不同阶段水汽输送轨迹、主要通道及其不同源地的水汽贡献。结果表明,影响此次强降水过程的水汽通道主要有三支：一支是西太平洋上副高边缘东南气流输送,另一支是南海南部越赤道气流的北向输送,第三支是沿索马里急流经阿拉伯海和孟加拉湾北部的水汽输送。降水第一阶段来自西太平洋洋面的水汽输送最强,占总水汽输送的69%,降水后两个阶段南海南部越赤道气流的水汽输送占优势,分别占总水汽输送的52%和57%。另外,通过轨迹分析可知本次降水过程中索马里至孟加拉湾通道的水汽输送到淮河流域上空750 hPa以上大气,南海及西太平洋的水汽主要输送到淮河流域850 hPa以下的低层大气。

基于拉格朗日方法的江淮梅雨水汽输送特征分析

利用NCEP再分析资料,引入基于拉格朗日方法的气流轨迹模式(HYSPLITv4.9),结合用于海量轨迹分析的气块追踪分析方法,探讨了江淮梅雨气候平均的水汽输送特征以及梅雨异常年水汽输送的差异。结果表明,在气候态下,江淮梅雨的水汽主要来自印度洋、孟加拉湾—中国南海、太平洋和欧亚大陆4个区域,其对江淮梅雨的水汽输送贡献分别为35%、19%、22%和19%。其中,印度洋、孟加拉湾—中国南海和太平洋上的输送气流主要来自850 hPa以下的对流层低层,而欧亚大陆的输送气流主要来自600 hPa左右的对流层中层。进一步对比梅雨异常年水汽输送的差异,发现孟加拉湾—中国南海、太平洋和印度洋的水汽输送对江淮梅雨的异常有重要影响,梅雨偏多年来自孟加拉湾—中国南海的水汽输送较多,其对江淮梅雨的水汽输送贡献为24%,比梅雨偏少年约增加了13%,梅雨偏少年则是来自太平洋和印度洋的水汽输送较多,对江淮梅雨的水汽输送贡献分别达到了40%和30%,比梅雨偏多年约增加了5%和10%。

20世纪全球温度年代和年代际变化的区域特征

利用多窗谱方法 ,对全球各区域平均温度序列进行多种信号的检测、重构 ,着重分析不同区域温度年代和年代际变化的演变特征及其遥相关特点 ,初步研究显著年代际振荡信号的传播特征。结果表明 2 0世纪年代至世纪尺度温度变化的显著信号有准 70年波动和准 30～ 5 0年、准 2 0～ 30年、准 1 5年、准 7～ 1 0年多种时间尺度的振荡 ,其中准 70年波动主要存在于北大西洋及北太平洋的中高纬度 ;准 30～ 5 0年振荡则覆盖了除部分中纬度海域以外的大部分海陆表面 ,其演变特征基本相似 ,全球年平均温度序列中的显著年代际振荡信号主要反映了这一振荡信号 ;准 2 0～ 30年振荡则主要集中于大洋的中纬度和副热带纬度 ,且具有沿副热带海洋环流传播的特点 ;准 1 5年振荡主要位于热带太平洋海域 ,自1 930年后 ,该信号与北太平洋中纬度准 2 0～ 30年振荡反位相 ;准 7～ 1

基于时空结构指标的中国融合降水资料质量评估

引入空间、时间技巧评分以及结构函数3种指标,通过对比中国国家气象信息中心研制的逐日融合降水资料和美国国家海洋大气局(NOAA)气候预测中心卫星反演降水资料(CMORPH)、热带测雨卫星反演降水资料(TRMM)在中国区域的适用性和误差分布,着重考察融合降水资料的质量。结果表明,中国区域平均的融合降水资料时空精度远高于CMORPH和TRMM卫星降水资料,且融合资料和卫星资料在夏季的质量优于冬季;在中国东南区域的模拟精度普遍好于西部地区,融合降水质量最高的两个区域为江淮和华南,较差的区域则在青藏高原和西北地区。融合后降水资料比融合前CMORPH卫星降水在空间及时间技巧评分均有较大提高,其提高幅度冬季大于夏季。通过计算结构函数,发现在中国江淮、华南、华北和东北等地区,随着网格区域内任意两点距离的增大,融合产品与观测降水的结构函数曲线始终十分接近。在西北、青藏高原等区域,融合产品与观测降水的结构函数则偏离较大。西南地区地形复杂,卫星资料无法精确反映实际降水情况,高密度观测资料尤为重要。江淮、华南、华北地区的融合降水结构函数曲线增长率大于东北,也从侧面反映江淮、华南、华北地区降水分布的非均一性比东北强,降水可能受中小尺度天气系统影响较大。

中国近50年冬夏季极端气温场的年代际空间型态及其演变特征研究

利用我国１９５３～１９９５年冬夏季平均最低气温（Ｔｍ）和平均最高气温（ＴＭ）资料，分析冬夏季ＴＭ、Ｔｍ距平场的年代际空间型态及其演变特征．指出冬夏季Ｔｍ、ＴＭ场的空间型态基本都在７０年代末至８０年代初发生显著变化，但空间型态变化的冬夏季差异十分明显，且冬季Ｔｍ、夏季ＴＭ空间型态的年代际变化在相应Ｔｍ、ＴＭ场的变化中占有明显优势．

中国近百年气温场变化成因的统计诊断分析

利用ＢＰ－ＣＣＡ方法，诊断中国近百年（１８８１～１９９２年）气温场变化之成因．结果表明：（１）ＣＯ２浓度增加所导致的温室效应的加剧，与中国近百年增暖趋势的关系最为密切；（２）８０年代后，温室效应加剧所起的主导作用更加明显，相应敏感区位于华北北部、东北、西北西部及长江中下游地区；（３）火山活动对气温变化的长期趋势所叠加的波动变化起主要作用，敏感区主要在３５°Ｎ以南，中心位于西南地区；（４）２０年代至４０年代增暖可能是温室效应、火山活动和太阳活动多种因素综合作用的结果。

IPCC-AR4模式对中国21世纪气候变化的情景预估

利用政府间气候变化委员会(IPCC)第四次评估报告提供的13个新一代气候系统模式的模拟结果,分析了不同情景下(高排放SRESA2、中等排放A1B、低排放B1)中国区域未来100年的气候变化。结果表明,21世纪中国气候预估显著变暖、变湿,世纪末变暖范围在1.6℃～5℃之间,年降水量增加1.5%～20%。在A2、A1B和B1情景下,21世纪末期增暖幅度依次为5.3℃、4.3℃和2.8℃,平均3.5℃,年降水量预估增加依次为11%、9.6%和6.4%,平均达7.5%。气温和降水变化的地理分布显示:北方增温幅度大于南方,降水的增加也主要集中在北方。冬季变暖最明显,降水则在冬、春季增加较显著。模式预估结果的不确定性分析表明,新一代全球系统模式对21世纪中国气候变化预估的可靠性得到了提高。

调频连续波SAR的研究进展

调频连续波合成孔径雷达(SAR)是一种新体制的高分辨率成像雷达,具有体积小,重量轻,耗电少,造价低,分辨率高等优点,非常适合小型化SAR的应用。文中建立了更易于实现的调频连续波SAR回波信号模型,给出了基本的成像处理流程;综述了国内外调频连续波SAR的最新进展,讨论了可能的应用背景,分析了进一步发展面临的主要技术问题。分析表明,调频连续波SAR具有广阔的应用前景。

21世纪中国极端降水事件预估

全球变暖背景下极端降水事件的变化一直受到广泛关注,本文从观测、理论及模拟预估等方面对近十多年来国内外极端降水气候事件的研究作一综述,并给出IPCC第四次评估报告对我国21世纪极端降水指数变化的预估结果。

近50年中国降水序列均一性检验与订正研究

选取中国近50年（1951-2004年）月降水资料中具有连续观测20年以上记录的681个台站资料，通过对各站年代际分量的EOF分析及North判别检验，结合标准正态检验（SNHT）方法，发现所检站点中约有4％的台站降水序列存在非均一性。利用比值法对非均一降水序列进行了订正，结果表明对年降水序列的订正量在-3％～7％之间。必须注意的是，由于我国现有台站观测网的密度不够，影响了对非均一降水序列的订正精度。

近百年上海气候变暖过程的再认识——平均温度与最低、最高温度的对比

该文就近１１３年（１８８０～１９９２年）上海逐月平均最低、最高和平均气温３个序列进行了深入细致的诊断分析．结果发现：最低气温和平均气温近百年虽都呈显著上升趋势，但前者比后者更为持续稳定，其增温率更高于后者．这一特点表明，最低气温对于监测温度效应加剧可能更为敏感；最高气温自本世纪４０年代中后期却出现了明显的趋势转折．近百年上海气候变暖主要表现为三次突然增暖，其中１０年代的增暖仅限于白天，３０年代则以白天增暖较多，８０年代以来则主要发生于夜间．这些事实将有助于进一步对上海及中国区域或全球变暖的再认识．

导线覆冰极值的概率分布模拟及其应用试验

利用南方地区多个气象站和电力部门观冰站的导线覆冰逐日冰厚资料,将广义极值分布和广义帕雷托分布引入导线覆冰的概率模型研究中,通过超门限覆冰次数的泊松分布拟合检验,结合H ill图解,提出了基于超门限峰值法门限值的确定方法;对两种分布在导线覆冰极值模型拟合的适用性研究表明,广义帕雷托分布对各站覆冰冰厚极值的拟合精度最高;重现期冰厚极值估计随样本长度的变化分析表明,广义帕雷托分布模型极值估计的稳定性比广义极值分布强,一般样本容量达到25 a左右时,广义帕雷托分布重现期冰厚极值的估计趋于稳定,可以作为短序列下估计导线覆冰极值的较好方法。

多窗谱分析方法及其在全球变暖研究中的应用

多窗谱分析方法是一种低方差、高分辨的谱分析方法 ,尤其适合于非线性气候系统中高噪声背景下弱信号、时频演变信号的诊断分析。文中简要地介绍了多窗谱分析方法的基本原理 ,并将其用于近 1 5 0 a来全球及南、北半球温度变化的研究。结果表明 :(1 )在温度呈线性变暖的背景趋势下 ,北半球、全球年平均温度还具有显著的 40～ 70 a的准周期低频振荡 ,它们与变暖过程中的波动性密切相关 ;(2 )年代际振荡信号在北半球温度序列中也相当明显 ,南半球则存在多种低于 5 a尺度的显著振荡周期 ,半球或全球 ENSO振荡分量、QBO周期信号的振幅都具有缓变包络的特性 ;(3 )与传统功率谱估计、最大熵谱估计结果的对比表明 ,多窗谱分析方法方法得到的谱估计分辨力高 ,稳定性强。