利用短序列高密度台站资料推算暴雨重现期方法研究及应用

暴雨重现期是城市排水防涝设计的重要基础,通常基于长年代观测数据进行推算。但在无降水观测或观测时间较短的情况下,如何进行重现期推算和暴雨强度评估是目前亟需解决的科学问题。基于重庆市近14年高密度台站降水观测资料,建立各站逐年日降水极值抽样数据集,以“空间换时间”的思想,对日降水极值样本进行空间抽样,通过与国家级气象站长序列观测数据(>60 a)进行交叉检验,构建试验区目标点最佳百分位合成序列,该方法简称为空间抽样合成法(SBS)。通过重庆地区34个测站长年代观测资料计算重现期降水量“真值”与SBS、邻近点替换、克雷斯曼(Cressman)空间插值、年多个样法等推算结果进行对比检验,就平均而言,SBS的相对误差最小,其中含目标点样本的SBS相对误差最小为7.2%,邻近点替代法相对误差最大(13.2%),表明SBS可以较好地用于中国复杂地形的重庆地区,利用短序列高密度台站降水资料构建无有效降水观测资料目标点处的长序列极值降水样本,从而开展概率拟合优选及暴雨重现期推算。在对上述方法验证基础上,实现重庆地区2062个高密度气象观测站多年(50 a)一遇重现期降水量推算,提高了日尺度极端降水的空间精细化水平,结果能更好反映山区地形对降水的影响。SBS可以充分利用短序列高密度台站降水观测资料,实现区域内任意目标点重现期降水量推算。

基于SOM的长江流域持续性强降水过程典型环流的客观分型

利用1961—2021年逐日降水格点化观测资料和ERA5再分析资料,基于无监督深度学习的自组织特征映射神经网络(SOM)方法,将与中国长江流域夏季持续性强降水过程对应的大尺度环流客观划分成4种典型环流型(P1—P4)。各环流型呈现出的关键环流系统配置影响异常雨带的形成及落区。P1和P3中、高纬度分别为典型的单阻型和双阻型环流形势,且西太平洋副热带高压(简称副高)显著偏强并向西延伸。P2和P4表现出较为明显的低压异常,P2中的巴尔喀什湖到贝加尔湖以西为宽广低槽,贝加尔湖以东为脊区,形成入梅期间的稳定环流形势,长江流域受到低值系统的控制,副高位置靠南。P4在巴尔喀什湖以西和以东分别表现出位势高度异常偏低和偏高,长江流域表现为气旋性环流异常,同时副高位置偏北。P1、P2有来自高纬度冷空气的影响,P3和P4的冷空气较弱。以副高北跳为主要特征的东亚夏季风向北推进与4种环流型的出现以及相应的雨带位置有紧密联系,P1、P2主要对应6月至7月上旬持续性强降水,P3、P4则主要对应7月上旬至8月持续性强降水,导致P1和P2降水异常中心位于长江中下游的江南地区,P3和P4的降水异常中心分别位于长江流域和长江以北地区。P1、P3的水汽输送相比另外两类明显偏强,造成的降水强度也更强。此外,对典型环流型的稳定性分析表明,长江流域持续性强降水过程与上述4种典型环流型的稳定维持密不可分。持续性强降水过程中93.2%的环流表现出持续性的特征,P1和P2、P3和P4持续天数分别主要集中在5和3 d。从长期趋势来看,P1和P3环流型出现频次增多,P2和P4趋于减少。这意味着从有利环流的角度来说,持续性强降水倾向于在长江以南和长江中下游地区发生。

基于多源数据的青藏高原雨季降水特征变化分析

高原地区地形复杂,气象测站的长期实地观测数据有限,且主要集中在东部区域。虽然近年来各种降水分析数据集得到了发展,但这些数据集的代表性及数据之间的一致性等问题制约了对高原地区的降水特征变化的认识。基于国家气象信息中心提供的青藏高原地区89个地面气象站降水数据及西部9个加密自动站数据,综合分析了多套逐日格点分析数据集(APHRO、CN05.1、CMFD、TRMM及GPCP)反映的雨季降水量、降水日数、极端降水量及极端降水日数与实际观测之间的一致性与差异,并深入研究了其区域变化特征。结果表明:(1)CN05.1及CMFD数据与高原实地观测的数据在区域平均降水量变化,降水量和极端降水量的空间分布格局及其变化趋势分布等方面均具有较好的一致性,但在降水日数与极端降水日数方面均存在一定差异;APHRO降水数据集揭示的高原雨季降水量和降水日数变化趋势偏小,极端降水量与日数的变化趋势与实地观测的趋势相反;GPCP与TRMM降水分析数据序列较短,反映的高原地区极端降水变化趋势与观测较一致,但高原总体降水量变化与观测结果反向,降水日数变化则被明显高估。(2)以实地降水观测为基准,考虑其他多套分析数据集的一致性特点,综合评估得到:对于高原整体,1961—2019年雨季降水量、极端降水量、极端降水日数总体上呈现增加的趋势;但对降水日数,由于实地观测得到的变化与其他分析数据结果之间差异较大,对其变化的认识仍存在不确定性。从不同气候分区上看,高原干旱区与半干旱区的降水量、降水日数、极端降水量、极端降水日数总体增加;对于半湿润区,极端降水日数微弱增加,降水量与极端降水量明显增加,但在其东部和中部地区微弱减少,而降水日数由于在其东部和南部显著减少引起半湿润区总体上呈现出减少趋势。

未来的极端天气气候与水文事件预估及其应对

人类活动造成的气候变化已经影响到全球每个地区的极端天气气候和水文事件。全球变暖的任何额外增量都会伴随极端事件更大的变化,如果没有全球性的碳中和行动,极端高温事件的增多增强以及极端冷事件的减少减弱趋势将贯穿整个21世纪,强降水以及一些地区的农业和生态干旱的强度和发生频率也会显著增加。当代的儿童和后代在未来更容易受到气候变化和相关极端事件风险的影响,即使是在相对于工业化以前的1.5℃温升水平下,到21世纪末遭受的极端天气气候和水文事件的数量仍将增加近4倍。针对日益严峻的气候变化与极端事件灾害风险,亟须积极推进“双碳”行动,并大力减少甲烷等其他温室气体的排放。同时,亟须做好防灾减灾相关政策与措施的制定,推进极端事件监测与早期预警系统及恢复力建设,加强对复合极端事件与小概率高影响事件的预防,保障未来几代人的福祉安康和可持续发展。

高空切断冷涡研究进展

高空切断冷涡是中高纬度地区大气环流的重要组成部分,高空切断冷涡的出现往往会产生对流不稳定,导致各种高影响天气的发生发展。中国最常见的切断冷涡是东北冷涡,其发生发展不仅能影响我国东北地区的天气气候异常,也对中东部地区具有重要的影响。因此,有必要关注高空切断冷涡的形成机理和预测理论与方法。基于此,对近些年来国内外有关高空切断冷涡的形成机理和预测方法取得的主要研究进展进行了回顾,简述了切断冷涡的定义、天气气候学特征、不同天气气候系统和大气外强迫因子对切断冷涡的影响,最后指出了目前研究中仍然存在的不足和需要进一步深入研究的关键科学问题。

2015/2016年强厄尔尼诺过程及其对全球和中国气候的主要影响

根据全球气候系统和中国的最新观测资料,分析了2015/2016年ENSO循环过程,讨论了强厄尔尼诺过程对2015年全球温度和极端天气气候灾害的可能影响,重点研究了其对中国夏季和秋冬转换季节的降水异常的影响。指出自2015年春季开始,厄尔尼诺条件迅速发展,使得2015年厄尔尼诺成为有观测记录以来最强的三次厄尔尼诺之一,同时由于前期(2014年春季开始)赤道太平洋异常热状况的维持,这次厄尔尼诺也可以视为最长的厄尔尼诺过程。受到长期气候变化趋势和强厄尔尼诺等共同影响,2015年全球地表温度和中国陆面气温均创有观测以来的最高记录。强厄尔尼诺事件在2015年给全球许多地区带来了灾害性天气气候事件,也使得中国夏季华北地区,特别是河套地区、内蒙古中部和环渤海湾地区降水显著减少,并造成一些地区夏季严重干旱。在2015年11—12月厄尔尼诺峰值时期,受到西北太平洋对流层低层菲律宾反气旋性异常环流和中高纬度欧亚-太平洋遥相关型负位相异常环流的共同影响,中国东部出现偏南风异常,造成南方地区降水明显增多,而北方地区偏北风气流受到抑制,PM_(2.5)浓度异常偏高,雾霾天气频繁发生。目前,这一事件快速减弱,但其对全球和中国气候的影响在未来几个月仍将持续。

1.5 ℃增暖对全球和区域影响的研究进展

《巴黎协定》明确提出将全球平均升温控制在相对于工业化前水平2 ℃以内,并努力将其控制在1.5 ℃以内,以降低气候变化的风险与影响。随后,《联合国气候变化框架公约》(UNFCCC)邀请IPCC筹备关于1.5 ℃增暖影响及温室气体排放途径的特别报告,为UNFCCC谈判提供科学依据。通过回顾近期发表的一些成果发现,在1.5 ℃到2 ℃的不同升温条件下,很多极端天气事件发生的概率将增加。2 ℃条件下一些易受威胁的系统,如生态系统和农业系统,将承受全球变暖带来的严重后果;海平面明显上升,珊瑚礁锐减,季风降水减弱等影响将进一步加强。同时,不同地区对全球不同程度增暖的响应也存在很大差异。总的说来,相较于2 ℃增暖而言,将增暖控制在1.5 ℃以内能进一步减小气候变化影响的风险。然而,要把全球增暖控制在1.5 ℃内具有极大的挑战性,并且目前对1.5 ℃增暖的影响认识仍然十分不足。定量分析2 ℃和1.5 ℃增暖对不同区域自然和人类系统造成的影响差异,需要更高分辨率的模式以及更多针对2 ℃和1.5 ℃增暖影响而设计的专门试验支持。

中国降水极值变化趋势检测

利用中国２９６个分布均匀的测站的逐日降水资料，研究了中国过去４５ａ中降水量、降水频率、降水强度等方面的极值变化趋势。结果表明，总体上讲，中国年降水量、１日和３日最大降水量以及不同级别的强降水总量没有发现明显的极端化倾向，但伴随着降水日数极端偏多的区域范围越来越小的变化趋势，平均降水强度极端偏高的区域范围表现为扩大的趋势。中国降水极值变化还反映出明显的区域性特点。在中国东部，平均降水强度极值出现的范围趋于扩大。如华北地区在年降水量明显趋于减少的同时，年降水量极端偏多的范围减少，１日和３日最大降水量、日降水≥５０ｍｍ和１００ｍｍ的暴雨日数极端偏多的情况也趋于减少，而平均降水强度极值显著增加。在年降水明显趋于增多的西北西部地区，降水日数的极值变化趋势不明显，但年降水量、１日和３日最大降水量以及日降水≥１０ｍｍ的降水总量极端偏多的区域范围均反映出趋于增加的变化趋势。

气候变暖背景下降水持续性与相态变化的研究综述

持续性降水和固态降水(或近地面气温为0℃左右的降水)都能导致洪涝和低温雨雪冰冻等灾害性的极端事件,对人民群众生命和财产安全以及社会经济发展也会造成严重危害。目前中外围绕降水量、极端降水事件变化等已开展了大量研究,但在降水持续性和相态变化的特征及其影响机理方面的研究仍显不足。因此,围绕降水持续性和相态变化的相关研究,对近20余年来取得的一些重要研究进展进行回顾。研究指出,在气候变暖背景下降水持续性和相态变化的特征在全球范围内表现出了区域上的不一致性。有关降水持续性变化方面,中国南方地区持续性降水过程及其产生的降水量呈现增多趋势,但北方地区呈现减少的趋势,而西南地区长持续性降水呈下降趋势。至于降水相态变化方面,中国南方地区持续性雨雪冰冻事件在气候变暖背景下总体呈减少趋势。这些变化除了与气候变暖有关外,可能还与大气遥相关模态、低频振荡及ENSO事件等引起的大气环流异常有关。今后应该更多开展气候变暖背景下降水持续性和相态变化的特征、可能机理以及其与气候变暖的可能联系方面的研究,以期通过相关研究深入理解中国降水持续性与相态变化的规律、成因及其与旱涝、低温雨雪灾害等的联系,进一步加深对气候变暖背景下中国天气、气候的影响及其机理的认识。

江淮流域持续性极端降水及预报方法研究进展

持续性极端降水过程会引发严重的洪涝灾害,是我国主要的灾害性天气之一,其形成机理和预报理论与方法研究受到广泛关注。近年来,针对持续性极端降水的形成机理和预报方法研究取得了一系列进展,主要包括：开展了我国区域性持续性极端降水事件的自动识别方法研究,研制建立了江淮流域持续性极端降水的大尺度环流概念模型,并提取了1-2周的前兆信号;从东亚一太平洋遥相关型（EAP）角度探究其对持续性极端降水的影响机理,并探讨利用EAP对江淮流域持续性极端降水进行预报的可行性。此外,在上述研究的基础上发展了基于关键影响系统的持续性极端降水的物理统计预报方法。

极端降水事件变化的观测研究

回顾了气候变化背景下的极端降水事件变化观测研究的主要进展,结合全球变化的特点,重点讨论了中国极端降水事件的变化特征。指出:最近50多年,我国降水强度普遍趋于增加,降水日数除西北地区外其他大部分地区显著减少。极端降水与总降水量变化之间的关系很密切,西北西部、长江及长江以南地区极端强降水事件趋于频繁,华北地区虽然极端降水事件频数明显减少,但极端降水量占总降水量的比例仍有所增加。连阴雨产生的年降水量在华北、东北东部和西南东部地区明显减小,在青藏高原东部和一些东南沿海地区则增加。降水日数和微量降水日数减少是近年来我国干旱化趋势发展的一个重要特点。

气候变化与气象灾害

回顾了国际上气候变暖背景下极端天气和气候事件研究的基本成果,重点讨论了我国旱灾、暴雨洪灾、高温热浪、霜冻、低温冷害和沙尘暴等气象灾害的变化特点。指出:在过去50多年气候明显变暖的背景下,华北、西北东部和东北东部随着降水量的减少,降水日数也显著减少,干旱化倾向十分明显;长江流域的强降水过程明显趋于增多,发生洪涝灾害的频率也趋于增加。气候变暖最显著的影响之一是无霜期显著增加。虽然在过去50多年中我国沙尘暴发生频率和范围总体趋于减少,但由于持续干旱的影响,使得1998年以来又出现沙尘暴增加的势头。

中国近四十年最高最低温度变化

利用中国１９５１－１９９０年的实测资料，在剔除测站迁移和城市化热岛效应对气候变化趋势的可能影响之后，研究了中国最高温度、最低温度的时空变化趋势特点。结果表明，最高温度在９５°Ｅ以西及黄河以北地区普遍呈增温趋势，而在东部黄河以南却呈降温趋势；最低温度在全国普遍呈增温趋势，在高纬度地区增暖最明显。这种变化使得日较差表现出明显的减少趋势。虽然最高、最低温度变化的准周期性规律是一致的，但它们的线性变化趋势却呈现出明显的不对称性。最低温度的显著升高反映了近４０ａ中温室效应持续加强的迹象。进一步的分析表明。

中国北方沙尘天气的气候条件

利用1954～2000年全国700多个测站的气象资料分析了近50年来我国沙尘暴和扬沙天气的季节变化和年际变化特征,特别着重分析了大风、降水等气象要素对沙尘天气形成的影响.结果表明:我国的沙尘天气受到多种气候要素的综合影响,西北地区和内蒙古西部沙尘多发区的沙尘天气频数受气象条件影响最为显著;风速、湿度在沙尘天气的季节变化中影响最大,降水在沙尘天气的年际变化中影响最大.上一年夏季的降水对春季的沙尘天气具有一定的预报意义.

1997/1998年ENSO过程与热带大气季节内振荡

在与1982/1983年强ENSO过程比较的基础上，揭示了1997/1998年ENSO暖事件发展迅速、强度极大、结束突然等关键性特点，进一步分析了这次暖事件爆发过程中热带印度洋和西太平洋大气季节内振荡的变化特点。并对1997/1998年ENSO过程中海洋和大气演变特征进行深入的诊断分析，对于认识ENSO机制，提高ENSO预报水平具有十分重要的科学意义。

中国大气水分气候变化研究

该文对我国逐日两次探空资料，经过综合静力学质量控制系统（ＣＨＱＣ）和序列均一性检验后，计算分析了中国大气水分的气候分布特点及近２０年来气候变化趋势，讨论了大气水分变化与地面气温、夏季大气水分与我国东部降水异常之间的关系．

1951-2003年中国气温和降水变化及其对干旱的影响

利用1951-2003年606个台站的气象观测资料,对中国53 a来的气候变化和干旱特征进行了分析。结果表明: 我国的干旱面积在气候变暖背景下总体上趋于增加,但变化趋势不显著。干旱变化的区域差异较大,东北、华北和西北东部干旱呈显著增加的趋势。降水量是我国干旱变化的最主要的因素。

气候变暖背景下的极端天气气候事件与防灾减灾

首先概括极端天气气候事件以及"气候极值"的相关定义,并把极端事件分为单要素的极端事件、与天气现象有关的极端事件、多要素极端事件和极端气候事件。在此基础上,总结上述几类极端事件在气候变暖背景下的变化趋势及影响。指出气候变暖背景下我国长江中下游区域强降水事件更趋频繁,我国东部地区高温热浪天气更为明显;东北华北地区干旱趋势增加,尤其在20世纪末期和21世纪初期最为明显;近10年来西南地区干旱频繁发生。为减轻日益增加的重大气象灾害的损失,我国有必要加强高影响极端事件的监测、预警能力建设,同时还必须根据极端天气气候事件变化规律加强工程性防御措施,以防范和应对强降水引发的洪涝灾害和城市渍涝,以及与降水持续不足有关的重大干旱和高温热浪等气象灾害。

北半球雪盖变化与我国夏季降水

利用１９７３～１９９５年北半球卫星雪盖资料，研究了北半球、欧亚和北美３个地区雪盖的气候特征及其变化趋势，指出在７０年代是雪盖变化明显扩张时期，１９７８年达到最高值．８０年代以来雪盖逐步收缩，１９８６年以后持续低于正常．对东亚雪盖与我国夏季降水相关分析的结果表明，东亚冬季雪盖与长江中下游至江南地区夏季降水量呈显著反相关；春季雪盖对中国夏季降水的影响与冬季有所不同。

气候变化科学方面的几个最新认知

IPCC第六次评估报告(AR6)第一工作组报告主要从以下几个方面的进展提升了我们对气候系统变化、气候变化原因以及预估未来气候系统变化等方面的认知,对过去气候变化及其与人类活动的关系有了更加清晰、可靠的认识。综合多重证据评估指出,全球气候正经历着前所未有的变化;包括极端事件在内的归因进展已把人类活动对气候系统影响的认识从大气圈扩展到水圈、冰冻圈和生物圈,进一步强化了人类活动影响全球和区域气候的认识;有关区域气候变化信息的内容更加丰富,与各行业和敏感地区的气候变化影响联系更加紧密,使这些信息能更好地为气候变化风险评估和气候变化区域适应提供支持;气候模式和约束预估方法的发展以及对气候敏感度认识的深化,减少了未来不同排放情景下全球地表温度(Global Surface Temperature,GST)、海平面上升和海洋热含量的变化预估的不确定性。这份最新报告对我国提升气候变化研究水平和防灾减灾应对能力具有十分重要的指导意义。