CMIP5模式对江淮流域极端气候指数的模拟评估及预估

基于1976-2005年淮河流域260个区域站点观测资料及CMIP5中19个全球气候模式模拟的16个极端气候指数格点资料,利用空间相关系数、均方根误差方法对CMIP5各模式和多模式集合模拟的极端气候指数分别进行评估,并研究在RCP4.5情境下CMIP5优选模式的多模式集合预估2016-2045年和2071-2100年的江淮流域极端气候指数变化情况,结果表明:(1)CMIP5中有11个模式与站点观测的空间相关系数较高。其中,CCSM4、CMCC-CM模拟TXx的结果最好,ACCESS1-0、MPI-ESM-LR、MPI-ESM-MR和GFDL-ESM2M对于TNn具有较好的模拟能力,ACCESS1-0、CMCC-CM对Rx1day具有良好的模拟能力。(2)CMIP5多模式集合模拟结果能很好地再现1976-2005年R95p、R99p、CDD的空间分布特点,但是对GSL、CSDI及极端气候强度指数模拟的结果与站点资料偏差较大。(3)在RCP4.5情境下,CMIP5多模式集合模拟的江淮流域极端气候指数中,在2016-2045年的TXx普遍增加了1.0℃左右,TNn在安徽省北部和河南省东部增加了约1.8℃,Rx1day和Rx5day的高增长区集中在河南省北部;2071-2100年,TXx和TNn增长幅度大于2.1℃,Rx1day和Rx5day各站点增长幅度的差异减弱。

“丝绸之路”型与东亚—太平洋型遥相关的低频特征及其对江淮流域夏季降水的影响

江淮流域夏季洪涝灾害主要归因于大气环流异常的稳定维持。不同大气遥相关的低频振荡及其协同变化对江淮流域夏季降水的影响机理是大气科学领域热点问题之一。利用ERA5逐日再分析资料和中国气象局提供的逐日站点降水资料,揭示了“丝绸之路”(SR)型和东亚—太平洋(EAP)型遥相关的低频特征及其对江淮流域夏季降水的影响机理。结果表明:SR型和EAP型遥相关的10~30 d低频周期与江淮流域夏季降水关系密切,SR型和EAP型遥相关各低频系统都经历了正负位相转换并逐渐达到峰值(谷值)。其主要表现为:①10~30 d低频200 hPa等压面经向风沿西风急流呈偏北风与偏南风的交替分布,当SR型达到负位相峰值时,江淮流域为偏北风控制,中纬度低频气旋加强,加速西风急流;②10~30 d低频西太平洋副热带高压西伸东退、南亚高压东移西撤,二者相向而行,在峰值位相重叠于对江淮流域降水有利的位置;③由东亚沿岸向西北移动的向外长波辐射异常波列亦表现出显著的10~30 d低频振荡特征,处于峰值位相时,向外长波辐射在江淮流域为负异常,有利于江淮流域降水;④10~30 d低频低层正涡度、高层负涡度的配置有利于低层辐合、高层辐散,导致上升运动增强,进而触发江淮流域低频降水。

江淮流域暖切变型暖区暴雨的客观识别与分析

暖切变型暖区暴雨(WSWR)是存在暖式切变线作为天气背景的暖区暴雨(WR)类型。本研究基于WR与切变线的定义,综合中尺度暴雨团、锋面、切变线等客观识别标准,利用中国自动站与CMORPH降水产品融合的逐小时网格数据集以及ERA5再分析资料对2010~2017年的江淮流域WSWR进行客观识别与验证。8年共确定WR雨团1268个,WSWR雨团451个,其高频区位于皖赣鄂三省交界处及江浙沿海区域,且WSWR雨团与WR雨团的频次大值区分布基本一致。WSWR雨团多出现在6月中旬到7月中旬,此期间WR雨团中40%以上是WSWR雨团,雨团出现的位置随主雨带一致向北推进,其平均最大降水量为29 mm h^(-1)。WSWR出现频次的日变化呈现双峰结构,分别出现在08~13时(北京时,下同)、20~22时,雨团的小时降水量高峰值主要出现在午后(13~19时)和清晨(01~05时)。

江淮流域伏后延伸期降水异常的环流特征

本文利用1990—2021年高分辨率的CPC和ERA5再分析资料,分析伏后(8—9月)11~25 d和29~59 d江淮流域的大气低频特征,用奇异值分解(SVD)研究影响江淮伏后降水的大气低频信号,并选取2017和2021年两次降水个例进行机理解释。研究结果表明:11~25 d低频位势高度占原始场的方差贡献百分比大于29~59 d尺度,对流层中高层的方差贡献大于对流层低层。SVD结果指出,环球遥相关模(CGT)导致江淮流域的局地辐合上升,有利于11~25 d的低频降水;11~25 d的低频降水与日降水的峰值匹配,意味着该时间尺度的系统对江淮伏后降水具有重要贡献。欧洲至中国的大气Rossby波列使江淮流域的对流层高层辐散,产生垂直上升运动,伏后西北太平洋对流层低层反气旋环流将暖湿水汽传输至江淮流域,动力和水汽条件均有利于降水。本文的研究结果有助于理解江淮流域伏后降水的延伸期预报机制,可为延伸期预报业务提供有价值的分析路线。

印度洋、南海和东南沿海海温异常影响江淮流域6～7月降水量的分析及数值模拟

利用统计分析和CCM3数值模式研究了印度洋、南海和东南沿海同期海温异常对江淮梅雨的影响。统计分析结果表明:印度洋、南海和东南沿海的正(负)海温异常对应于江淮流域的多(少)雨。对OLR资料分析表明:当印度洋OLR为正(负)距平时,江淮流域OLR也为正(负)距平,但南海和东南沿海OLR多为负(正)距平。数值模拟结果表明:当印度洋为正海温异常时,中高纬地区的阻高偏强,江淮流域为多雨区;印度洋为负海温异常时,东亚沿海出现江淮流域旱年的环流形势,与统计事实相符合。

安徽省江淮流域土壤地球化学基准值与背景值研究

基于安徽省江淮流域多目标区域地球化学调查数据资料,统计获得了表层和深层土壤地球化学基准值、背景值及相应的地球化学参数,为研究区生态环境评价及相关学科研究提供了基础。研究表明,成土母质类型对土壤元素地球化学基准值影响显著,表层土壤化学组成表现出既对深层土壤具有一定的继承性,又在表生作用下发生某些变化:表层土壤中迁移活动性强的元素和人为扰动污染的元素明显不同于深层土壤;随着地理空间位置的变化,同类成土母质形成环境、成因来源的差异导致其化学组成的空间变异,造成不同地区同类成土母质地球化学基准值有所不同。因此,土壤地球化学基准值研究应更多地考虑地质背景、物质来源等因素的影响。

近50年我国江淮流域气候变化

为了详实地了解江淮流域的气候变化和进一步做好短期气候预测,利用近50a气温和降水资料,从平均值和变率两方面研究了我国江淮流域的气候变化。结果表明:(1)近50a来江淮流域气候变化的主要特征是气候变暖,与全国变暖的趋势一致;降水呈不显著的增长趋势。温度和降水由低基本态向高基本态过渡,目前均处于高气候基本态下;(2)无论是温度还是降水,其变率随时间而变,目前均处于高气候变率时段,要注意高基本态和高变率结合易导致的高温、洪涝等极端气候事件;(3)温度在1986年前后发生了一次突变,降水在1968年前后发生了一次突变。无论是温度还是降水,突变后均比突变前有所增加。根据突变分析可将江淮流域近50a气候变化过程划分为相对冷干阶段(20世纪50～60年代)—相对冷湿阶段(70～80年代)—相对暖湿阶段(90年代至今)。

江淮流域的旱涝研究

在江淮流域,梅雨等降水异常引发的旱涝经常发生。作者对江淮流域的灾害背景、气候特征及其影响因子等作了分析,发现在近50年中,降水有明显的年际和年代际异常,20世纪80年代以后,该区的降水有显著增加的趋势。典型旱涝年降水异常的时空分布表明,引起降水异常的因子非常复杂,即使在同一年中,不同月份的异常型也可能有差别。对于不同年份,降水异常型更为不同。影响江淮流域降水异常的因子的作用,可通过数值模拟进行"分离性"研究,但由于模式的系统性误差,模拟结果也只有参考意义。因此,发展具有不同动力框架和热力过程的多种模式,仍是当前的重要任务。

江淮流域6-7月极端强降水事件时空变化及环流异常

基于江淮流域近53年(1961—2013年)逐日降水观测资料和NCEP/NCAR再分析资料,利用百分位法定义了江淮流域6—7月极端强降水阈值,通过经验正交分解(EOF)方法将极端强降水事件分为沿淮型、沿江型和江南型三种类型。选取各类型极端强降水事件的典型个例,对环流形势进行诊断分析,结果表明:三种典型极端强降水事件发生时,850 h Pa上均存在由华南西部向长江中下游的低空西南急流,沿淮型急流强度最强、急流轴位置最北,沿江型次之,江南型最弱、急流轴位置最南;500 h Pa西太平洋副热带高压脊线和西伸脊点异常主要通过改变急流轴位置,来影响极端强降水的落区;200 h Pa上高空西风急流均表现出强度偏强,急流带偏窄,高空急流入口的右侧与对流层低层西南急流北侧相重合。在高低空急流的共同作用下,极端强降水发生区域上方垂直速度异常偏强,比湿异常偏大,梅雨锋位置的差异决定了极端强降水的发生区域;无论是沿淮型、沿江型还是江南型极端强降水事件发生时水汽主要来自孟加拉湾到中国南海附近海域。

我国江淮流域近40年异常初终霜冻的分析

该文用地面最低温度资料，以≤０℃作为霜冻指标，定量地确定出现异常霜冻的判别标准，研究了近４０年初终霜冻异常的气候特征。结果表明：初终霜冻的异常明显存在地区差异。其变化周期以２～３年和准１２年最普遍。其偏离均值大致有两种波型：反向变化和同向变化；前者在淮河流域较突出，后者在长江流域较普遍。当其出现反向变化趋势，且二者偏离均值达最大时，该时期为初霜冻异常偏早（偏晚），终霜冻异常偏晚（偏早）的活跃期。同样，当初、终霜冻出现同向变化时，初、终霜冻异常活跃期亦呈现同向变化。

青藏高原地面热力异常对夏季江淮流域持续暴雨形成作用的数值试验

本文采用ＯＳＵ—ＡＧＣＭ大气环流模式，对青藏高原下垫面热力异常与夏季江淮流域暴雨形成的关系进行了数值试验。模拟结果表明，青藏高原下垫面热力状况的异常对东亚环流形势及云量分布异常的影响是形成１９９１年夏季江淮流域持续性降水的重要原因之一。青藏高原异常热力强迫还可以引起大范围云量的异常分布和云量异常区类似于二维Ｒｏｓｓｂｙ波列设大圆路径传播的特征。

应用统计降尺度方法预估江淮流域未来降水

统计降尺度方法广泛应用于弥补大气环流模式(GCM)模拟区域气候变化能力较弱的不足。利用1960～2009年的NCEP/NCAR再分析资料和江淮流域52个站点降水观测资料,通过敏感性分析,针对4个季节分别选择10个大尺度预测因子,采用主成分分析(PCA)和支持向量机(SVM)相结合的方法,建立了江淮流域降水统计降尺度模型。检验结果表明,该模型获取的江淮流域降水的偏差显著减小,能够描述降水在月、年尺度的变化,适用于HadCM3输出的大尺度气候场,具有预测未来降水变化的能力。将统计降尺度模型应用于HadCM3在A2情景下输出的2020～2099年大尺度预测因子,分3个时段:2020～2039年,2050～2069年和2080～2099年,从年和季节两个时间尺度分析江淮流域未来降水变化。结果表明,相对1960～1999年,未来3个时段的降水有小幅增加,其中2080～2099年增幅最大,为3.6 mm;在未来3个时段的不同季节,降水变化呈现出不同特征。

PDSI、SPEI及CI指数在2010/2011年冬、春季江淮流域干旱过程的应用分析

利用1951—2011年江淮流域70个测站的观测资料,计算了PDSI、SPEI及CI指数,又通过这三种干旱指数与降水异常和气象服务信息,综合分析了2010年10月至次年夏初江淮流域的旱涝情况及各指数的优缺点。结果表明,三种干旱指数都能够描述出江淮流域此次秋、冬及春季连旱过程,但对冬季干旱表现的都不够理想:PDSI指数对干旱的范围、发展及持续性的描述较好但敏感度不够,冬季中前期旱情未能反映;月尺度SPEI指数较为灵敏但过于依赖降水量的变化,干旱的持续性不够,冬季旱区有所偏差;季尺度SPEI指数表现出干旱开始时间有所滞后且偏旱;CI指数能够及时监测到干旱的发生、发展,但干旱发展过快、旱情偏重(尤其在冬季),在某些条件下干旱解除时间有所滞后。

雷达资料在江淮流域暴雨数值模拟中的应用

将雷达资料计入ＰＳＵ／ＮＣＡＲ中尺度模式，对江淮流域暴雨实例进行了模拟实验、在工作中，雷达资料经过处理加入到模式中，改变初始湿度场分析，然后作２４小时数值模拟，并与控制试验作比较。结果表明：加入雷达资料后的数值模拟预报，由于增强了暴雨区及其邻近区域对流层中低层水汽和辐合上升运动，雨区位置和雨量中心值比控制试验更接近实况。

江淮流域持续性强降水期间西太副高位置变异与非绝热加热的关系

采用NCEP/NCAR逐日再分析资料及全国740站逐日降水资料,讨论了江淮流域持续性强降水期间西太平洋副高位置变动特征及其与非绝热加热的关系。通过个例合成研究发现:副高位置变异与强降水持续期间大气非绝热加热关系密切。强降水持续期间,副高北侧的江淮流域和西侧的孟加拉湾北部地区均存在强烈的视热源和视水汽汇。强降水发生前3 d,江淮流域Q1z开始增大,到降水发生后2 d的Q1z达到最大,尔后逐渐减小,降水结束后变化趋于平缓,此期间不利于副高北抬;此外,强降水发生前2 d,孟加拉湾北部地区Q1z开始增大,降水发生后1 d达最大,副高逐渐西伸,此后,Q1z减小,副高相应有所东退。根据全型垂直涡度倾向方程,对流层中层,江淮流域非绝热加热的垂直变化有利于副高北侧气旋性涡度增长,阻碍副高北进,有利于雨带在江淮流域维持,形成持续性降水;孟加拉湾北部地区非绝热加热的垂直变化有利于副高西侧反气旋涡度增加,可能是诱导副高西伸的原因之一。

江淮流域梅雨期持续性强降水及其10～30d低频环流特征

利用1961-2010年中国556站的逐日降水资料和NCEP/NCAR逐日再分析资料,采用合成分析等方法探讨了江淮流域梅雨期持续性强降水的低频振荡特征及其发生前后低频大气环流场的演变特征.结果表明,汀淮梅雨持续性强降水存在显著的10～ 30 d低频振荡特征.持续性强降水发生时,汀淮流域对流层高层受东海低频反气旋西北部的偏西气流控制,使得南亚高压位置偏东,加强了高层的辐散型流场;对流层中层,中高纬度地区存在“＋、-、＋”的低频位势高度中心,蒙古低频低压使得极地冷空气易于南侵;对流层低层,汀淮流域受低频P-J波列西段的台湾岛低频反气旋影响,并伴随强烈的对流活动,此反气旋使得西太平洋副热带高压向更西的位置伸展;因此低层辐合、高层辐散使得汀淮流域表现为强烈的低频上升运动,同时低频水汽从孟加拉湾-南海一带输送到汀淮流域,为持续性强降水的发生提供了有利的低频环流条件.另外,在持续性强降水发生前后,低层低频正涡度向北、向西传播,高层低频负涡度向南、向东传播,高低层斜压结构明显,共同作用于汀淮流域,维持持续性强降水过程.

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。

江淮流域梅雨锋暴雨南北雨带干冷空气侵入作用的对比研究

对2007—2011年梅雨期江淮流域降水进行统计分析,确认此时段降水频次与降水量空间分布在淮河与长江中下游,形成两个分离的多降雨区。长江与淮河两分离雨带在盛行中尺度系统、空间结构、梅雨锋位置、水汽输送通道、暴雨落区、干冷气团入侵以及干冷动量南移等方面,均有各自特征。在主导高空环流下,更多低涡暴雨(77%)位于长江流域,更多辐合线暴雨(86%)发生在淮河流域,这些盛行的浅薄降水系统,造成梅雨暴雨雨强大、风速小的特征。长江流域低涡环流引导水汽输送来自南海与东海两地,因而暴雨范围更大,雨带更宽,而淮河流域辐合线主要水汽来源仅为南海。假相当位温表现的梅雨锋作为干冷空气的前缘,在淮河流域因辐合线结构垂直剖面陡峭,在长江流域因低涡环流,形成干冷和暖湿气团的层次叠加混合。在梅雨锋北侧,干冷空气从对流层中高层向下侵入,在淮河流域位置较长江流域偏高且狭窄。湿位涡垂直分布显示,暴雨区与湿位涡斜压项大于0的正涡度发展区对应。干冷动量中心的下传与湿位涡斜压项小于0对应,下传时向南移,其前缘对暴雨雨带位置有指示性;其南下速度,因纬度与密度差异,在淮河流域移速小于长江流域。

夏季亚洲大气热源汇的变化特征及其与江淮流域旱涝的关系

用2001年和2003年NCEP／NCAR再分析资料，计算了亚洲季风区两年逐日的大气热源汇〈Q1〉，再用谐波分析方法对〈Q1〉作带通滤波，得到了准30-70d的〈Q1〉低频分量，并分析了两年夏季大气热源汇和其低频振荡变化特征的差异，然后研究了一些“关键”区〈Q1〉低频分量的变化与我国降水的关系。结果表明：在2001年和2003年夏季的亚洲季风区，一方面应该有这样一种过程，大气热源汇低频分量经向和纬向传播的差异→江淮流域旱涝期东亚地区大气热源汇低频分量南北配置的差异→东亚地区大气热源汇本身的南北分布不同。另一方面，夏季的5～8月期间，高原中南侧有较强的低频热源（热汇）时，可导致其后期江淮流域降水偏多（少）；中国南海的作用则正好相反，南海有较强的低频热源（热汇）时，不仅可导致其后期江淮流域降水偏少（多），还可导致其后期青藏高原东部降水偏少（多）。因此，夏季亚洲季风区热源、热汇季节内变化特征的不同可导致我国江淮流域异常的旱涝发生。

东亚冬季风环流异常与中国江淮流域夏季旱涝天气的关系

选取１９５１—１９９１年中的长江淮河流域夏季旱涝各１０年，对它们前期的中高纬大型环流形势，低纬环流特征，垂直环流强弱，热带海洋状况等进行了对比诊断分析，其结果如下：长江淮河流域夏季旱年前冬（１２—１—２月），欧亚中高纬呈经向型环流，东亚大槽较常年强且南伸，乌拉尔山及鄂霍次克海阻塞形势发展，寒潮活动频繁，东亚沿海中低纬冷涌活动强烈，至使该经度带上的跨赤道气流加强，而且使南海至菲律宾地区的对流活动趋于活跃。而涝年前冬则基本上为相反形势。本文的分析清晰地揭示了旱涝年前冬东亚冬季风环流存在着明显的差别，促使我们寻找冬夏季风活动的可能联系及物理机制。