1961~2020年中国区域不同等级降水的变化趋势及其可能成因

已有的研究表明,增暖背景下全球降水的格局发生了变化,弱降水总体呈减小趋势,而强降水在一些区域呈明显的增加趋势。但在区域尺度上不同等级强度降水的变化还缺乏系统的研究。本文基于中国838个气象站点的降水资料,研究了1961~2020年来中国弱降水、中等强度降水和极端降水长期变化趋势及其年代际分量与年代际海温振荡型的关联性。结果表明:中国不同等级降水变化的空间分布差异较大。弱降水仅在西北西部和青藏高原地区以增加为主,在华南和西南地区以显著减少为主;中等强度降水在西南地区东部以显著减少为主,在其余地区以增长为主;强降水在大部分地区呈现增长趋势,仅在京津冀和重庆部分地区呈现减少趋势。中国大部分地区的弱降水量(日数)对总降水的贡献率以减少为主,中等强度降水日数、强降水量(日数)的贡献率以显著增长为主,各区域强降水贡献率与中等强度降水和弱降水贡献率呈相反的年代际变化。其中,弱降水日数和中等强度降水日数的变化主导了总降水日数的变化,中等强度降水量和强降水量的变化主导了总降水量的变化。进一步研究发现,在年代际尺度上,中国大部分地区的不同等级降水与太平洋年代际振荡(PDO)的相关系数随等级增大而趋于负值,与大西洋多年代际振荡(AMO)的相关系数则随等级增大而趋于正值。各区域不同等级降水与PDO/AMO相关关系的年代际突变主要发生在1980年代至1990年代。

全球干旱/半干旱区年代尺度干湿变化研究的进展及思考

干旱/半干旱区气候变化研究一直是广泛关注的前沿科学问题,尤其是气候干湿变化规律及未来的发展趋势。过去大量的研究揭示了全球不同干旱/半干旱区的干湿变化事实和机理,取得了一系列重要进展,IPCC第6次评估报告明确指出未来全球干旱化将加剧,但也存在诸多问题没有得到一致的认识。本文将对全球变暖背景下有关干旱/半干旱区年代尺度干湿变化,特别是年代尺度干旱研究进行梳理,系统评述当前相关研究的现状并提出干旱/半干旱区研究所面临的关键科学问题。

基于日干旱指数的青藏高原1979-2020年干湿变化特征分析

青藏高原是对全球气候变化响应最为敏感的地区之一,在区域水循环中扮演着重要角色。尽管目前关于青藏高原气候干湿变化已有大量研究,但大多是基于月干旱指数,对月以下时间尺度干湿变化的研究还相对较少,不利于对更短时间尺度干湿变化的认识。本文使用日干旱指数,即日蒸散发差指数DEDI(Daily Evapotranspiration Deficit Index),基于ERA5再分析数据分析了1979-2020年青藏高原的干湿变化,尤其是不同强度干湿类型(特旱、重旱、中旱、轻旱、特湿、重湿、中湿和轻湿)发生日数的季节差异。结果表明:(1)青藏高原1979-2020年的干湿变化具有较为明显的年代际转换特征,大部分地区呈现出干旱-湿润-干旱-湿润的年代际变化特征。(2)过去40多年间,春季和冬季发生的4种强度干旱类型呈增加趋势,夏季4种强度干旱类型呈减小趋势,秋季特旱、重旱和中旱呈增加趋势,轻旱呈减小趋势。与干旱发生日数的变化趋势基本相反,春、秋和冬季特湿呈增加趋势,重湿、中湿和轻湿呈减小趋势,夏季4种强度湿润类型呈增加趋势。相比其他季节,夏(冬)季4种强度的湿润(干旱)发生日数增加趋势最为显著,即夏季和冬季分别具有最强的湿润和干旱化趋势。此外,对于任何季节,极端情况的干旱和湿润类型发生日数都远少于其他强度的干湿类型,中等和轻度情况的干旱和湿润最为频繁发生且发生日数比较接近。

中国不同干湿区植被变化及其与气候因子的关系

中国各区植被覆盖和气候特征多样,植被覆盖变化和气候变化及植被对气候因子的响应存在明显的区域差异,研究不同气候区植被变化及其与气候变化的关系可以为各区针对性地应对气候变化、制定植物保护和生态环境修复政策提供科学依据。本文首先基于中分辨率成像光谱仪(MODIS)的土地覆盖数据,根据植被带的分布确定了划分中国干湿区的指标,其次利用归一化植被指数(NDVI)分析不同干湿区域NDVI的时空变化特征,最后探讨了NDVI变化与温度、降水的关系。结果表明:(1)中国区域200 mm、500 mm和800 mm年降水量等值线分别与荒漠/草地、草地/农田、农田(草地)/森林植被带的分界线吻合,气候过渡带对应着植被过渡带,这些等值线作为划分干湿气候区的指标比较合理。(2)中国年平均NDVI从东南向西北递减,从小到大依次为干旱区(0.11)、半干旱区(0.35)、半湿润区(0.57)、湿润区(0.68)。1982~2015年中国大部分区域NDVI呈显著的增加趋势,区域平均的NDVI在干旱区、半干旱区分别以0.002(10 a)^(-1)、0.008(10 a)^(-1)的趋势显著增加,在半湿润区和湿润区也呈现增加趋势,但不显著。(3)四个干湿区的年平均温度和NDVI均呈显著正相关,仅干旱区、半干旱区年降水和NDVI呈显著正相关,半湿润区和湿润区的年降水与NDVI呈微弱负相关。决定系数表明气候因子变化对NDVI变异的解释比例,温度对四个干湿区NDVI时间变化的解释率相差不大,均在30%左右;降水对NDVI时间变化的解释率低于温度,降水对干旱区(18%)和半干旱区(20%)NDVI时间变化的解释率较大,降水主要影响着北方地区植被的生长。(4)月平均NDVI随着温度和降水的增加都有显著的增加趋势,半湿润区的NDVI随温度升高增长的速率(0.026/℃)最快,半干旱区的NDVI对降水最敏感,随降水增多增加的速率为0.027/mm。

气候变化、植被改变及人类用水与黄河流域水循环的研究进展

受气候增暖和人类活动的双重影响,黄河流域的水循环正在发生显著变化,水资源供需矛盾突出。陆地水循环是一个复杂的非线性系统,为清晰认识水循环变化的全貌,并合理高效利用有限的水资源量,需要综合考虑水循环各个要素之间的协同变化机制。同时,在“人类世”背景下,黄河流域水循环研究必须考虑人类活动的影响,主要包括植被变化和人类用水,其中人类用水主体为农业灌溉。自从实施生态恢复工程以来,黄土高原植被覆盖明显改善的同时也引发了对径流、蒸散发、降水、土壤湿度以及地下水的一系列影响,且研究结论还存在一些争议,但黄土高原植被覆盖改善使得该地区蒸散发量增加基本达成共识,大多数研究支持植被改善减少径流的结论。黄河流域的农业灌溉方式主要为大水漫灌,其对地表蒸散发、地表水及地下水多个过程具有重要影响。本文主要针对黄河流域的水循环研究,讨论相关研究进展以及发展方向。

近代中国北方干湿变化趋势的多时段特征

利用CRU(Climate Research Unit)月降水和月平均气温资料, 通过构造一个既包含降水变化又考虑温度变化对潜在蒸发影响的干湿指标, 对我国北方近100年(1901～1998年)、 50年(1951～2002年)、 20年(1981～2002年)和近10年(1991～2002年)干湿变化趋势进行了系统的检测和分析, 突出了在全球增暖背景下温度变化对干湿变化的重要影响, 揭示了中国北方四个不同时段干湿变化趋势的基本特征.结果表明: 由于受温度升高的影响, 近100年我国西部地区降水尽管增加但并不存在变湿趋势, 而东部地区降水显著增加的地区明显呈现出变湿趋势, 显著变湿的范围较降水增加的范围大, 且强度明显增强, 这与这个地区温度的降低有关.在近50年, 100°E以东的北方地区是明显的干旱化趋势; 西北西部显著变湿的范围较降水显著增加的范围为小, 而东部干旱化区域的范围较降水显著减少的区域大.这充分说明了增暖能够减弱降水增加对地表水分收支的贡献, 也就是加剧降水减少的干旱化程度.在近20年, 新疆北部尽管降水量有所增加, 但并未改变该地区干旱化的时空格局, 也未发现显著的变湿趋势存在, 这个时段北方大部分地区仍然以干旱化趋势为主.特别值得注意的是, 在有些地区干湿指标的变化趋势与降水的变化趋势完全相反.在20年和近100年时段上, 我国西部大部分地区仍处在一个干旱化的进程中, 而华北地区在20年和50年时段上均表现为一个干旱化的趋势.

关于我国北方干旱化及其转折性变化

过去半个世纪,中国经历了北方的"西湿东干"和东部的"南涝北旱"的降水分布格局。近十几年来,这种降水长期变化的分布格局是维持还是发生了变化?针对这个问题,本文基于年降水观测数据、自矫正的帕尔默干旱指数sc PDSI、地表湿润指数SWI及GRACE(Gravity Recovery and Climate Experiment)卫星数据反演的陆地水储量(TWS)对中国区域干旱化问题进行了再分析。结果表明,近16年(2001~2016年),中国东部地区(100°E以东)"南涝北旱"的格局正在发生显著的变化,长江上中游及江淮流域已转为显著的干旱化趋势,而华北地区的降水已转为增加趋势,东部"南旱北涝"的格局基本形成;北方过去的"西湿东干"也转变为"西干东湿"的空间分布特征。显然,中国区域的降水格局在2001年后发生了明显的年代尺度转折性变化,两种常用干旱指数sc PDSI和SWI的分析也证明了这一点。但GRACE的陆地水储量(TWS)的分析却显示,最近16年来,中国东部"南涝北旱"的格局仍未发生变化,北方大部分地区仍然处于干旱化的时段,且有加剧的趋势,其原因有待于进一步研究。

中国北方年极端温度的变化趋势与区域增暖的联系

建立在全国110站的日平均表面温度资料的基础上,着重分析了北方干旱和半干旱地区1951～2000年极端温度发生频率和强度的变化趋势,同时给出了年极端温度变化的变化趋势及区域差异;最后讨论了极端温度的时空特征和区域增暖的相互联系.结果指出:从1951到2000年,在北方干旱和半干旱地区,最低温度发生的频率显著减小,只是趋势开始的时间存在区域差异;与之不同的是,20世纪90年代以前,绝大多数地区最高温度发生的频率没有明显的变化趋势,但近10年却有一个明显的增加趋势;年极端日平均温度强度的分析结果表明:北方地区年最低温度存在显著的减小趋势.从各个分区零温度以下天数的统计结果来看,北方地区近50年来零温度的天数正在减少,且零温度的开始时间推后,结束时间提前.另外,通过分析北方地区极端温度发生的频率及年极端温度和区域增暖的关系发现,当前的增温趋势与极端最低温度发生频率的减少和年最低温度的升高密切相关,近10年极端最高温度的增加加剧了增温的幅度.

土壤湿度和气候变化关系研究中的某些问题

从土壤湿度研究的历史出发 ,阐述了土壤湿度在气候变化乃至全球变化研究中的重要性 ;并从土壤湿度研究的科学背景出发 ,总结和综合评述了该研究领域所存在的两个重要科学问题及其研究现状。最后 。

中国东部区域土壤湿度的变化及其与气候变率的关系

利用中国100°E以东地区98站共11a的旬土壤湿度、降水和气温资料，对不同区域土壤温度、降水和气温的变化趋势、年际变率及它们之间的相互关系进行了详尽的分析。结果表明：土壤湿度、降水和气温有较明显的变化趋势；土壤中各厚度层土壤湿度和降水的关系呈正相关关系，与气温呈反相关关系，且可通过0．01的置信度检验。这也说明现有土壤湿度观测资料在研究气候变化中的有效性。

土壤湿度与气候变化关系的研究进展与展望

总结和分析了土壤湿度与气候变化关系研究的现状和存在问题。首先，详尽的描述了土壤湿度与气候变化关系的数值模拟研究，在总结和评述土壤湿度对气候变化作用的同时，对与土壤湿度变化有关的陆面模式的类型和三种蒸发的计算公式进行了详细的讨论。其次，概括了目前研究仍显薄弱的资料诊断分析工作。最后。

中国近代北方极端干湿事件的演变规律

利用中国1951～2000年的月降水和月平均气温构造了一个适合于研究我国北方地区地表干湿状况的地表湿润指数,以此为基础对我国北方地区极端干旱的分布特征进行深入的研究。结果指出:在东北和华北地区,近10年极端干旱频率显著增加,是近百年少有的大范围高强度的极端干旱频发期,而这些地区极端湿润发生的频率相对减少。和温度变化趋势比较发现,极端干旱的频发区往往对应增温明显的地区。

中国干旱和半干旱带的10年际演变特征

利用Thornthwaite的干湿分类函数,对近10 0年中国干旱和半干旱区界限的10年际变动特征进行了分析.结果发现:近5 0年,在东北中部和华北北部,干旱和半干旱边界呈波动式东移,有明显向东扩展的趋势;在华北南部和陕西南部,半干旱边界也呈波动式南扩,其中陕西南部半干旱边界向南扩展的范围最大.近10 0年,10年际的干旱和半干旱边界也呈波动式摆动且存在向东和向南扩展的趋势,但在华北南部与东北中部两个地区以2 0世纪2 0年代前后干旱和半干旱的范围最大、最强.干旱和半干旱分界线的位置变化与区域升温和降水减少密切相关.

中国北方干旱区地表湿润状况的趋势分析

利用 1 95 1～ 1 997年中国 1 6 0站月降水和平均气温资料 ,通过计算的地表湿润指数 Hi =PPe(P为观测的月降水总量 ,Pe为月最大潜在蒸发 ) ,对比分析了中国华北、西北两个典型干旱区区域平均地表湿润指数的年代年际变化特征及季节性差异 ,并讨论了它与降水和气温的联系。最后 ,给出了地表湿润指数年及各季节变化趋势的地理分布。研究表明 :西北西部和华北地区的年际及年代际变化趋势基本相反 ,前者地表为变湿趋势 ,后者为变干趋势。华北地区的干化趋势主要发生在夏秋季节 ,而西北除东部的秋季和西部的夏季外 。

1951-2006年中国区域干旱化特征

利用1951-2006年中国区域160个站的月降水及月平均气温资料,对中国区域近56a气候要素的变化及其与干旱化联系的事实进行了分析。结果表明:降水减少的地区主要位于我国北方的西北东部、华北及东北;在南方,西南的降水减少趋势与上述地区具有类似特征。气温基本为增温趋势,而西北东部及西南地区气温也在20世纪80年代发生转折性变化,由80年代中期以前的降温趋势转为其后的增温趋势。地表湿润指数分析的结果指出:我国西北东部、华北、东北及西南地区当前正处于一个干旱化过程,但不同地区干湿变化特征及干旱化的持续时间和位相却有差别。

中国北方地区霜冻日的变化与区域增暖相互关系

从中国北方62个站的日平均温度出发,分析北方1951～2000年有霜冻(温度在零度以下)日数和强度的变化趋势;同时给出了秋冬交替时霜冻日开始日期和冬春转换时霜冻日结束日期的变化趋势.结果指出:在中国北方(30°N以北),有霜冻日的日数在近50年有明显的减少趋势,而霜冻日的平均温度显著升高;春季霜冻日的提前结束和秋季霜冻日的推迟来临使得北方冬季缩短而生长季拉长.年霜冻日平均温度与年平均温度存在显著的正相关关系,而无霜冻日温度的年平均值与平均温度关系达不到信度检验.这预示着区域温度的增暖主要体现在霜冻日温度的变化.

我国北方干湿演变规律及其与区域增暖的可能联系

用中国地区60个站的月平均气温和月降水资料,计算了我国北方地区地表水分收支、蒸发等水分过程.以此为基础,分析了三北地区(西北、东北和华北)地表水分的历史演变规律及其与气温变化的关系,特别分析了和区域增暖的关系.结果指出:在北方地区,地表水分有其显著的演变规律,不同地区其变化规律不同.而实际蒸发和气温的关系存在明显的阶段性,在1965年前与1965年后的相关关系是完全相反的.分析的结果还指出:当前北方地区的普遍增温是干旱化加剧的主要原因.

TOGA-COARE强化期(IOP)西太平洋热带海域的热通量特征

利用ＴＯＧＡ－ＣＯＡＲＥ强化期（ＩＯＰ）“实验３”号科学考察船所取得的表面气象和探空资料，对考察期间的热通量进行详尽的分析和计算，特别是对发生在ＩＯＰ期间的两次西风爆发过程中西太平洋热带海域热通量的特征进行了重点分析，并讨论了它们与大尺度环流及其中高纬度环流的关系。结果表明：与其它天气过程相比，在西风爆发过程中，海洋向大气输送的感热和潜热最大，其形成原因与北半球的越赤道气流有重要关系。不同的天气过程热量输送也不同。

中国北方近百年干湿变化与太平洋年代际振荡的关系

利用CRU（Climate Research Unit）1901～2002年全球0.5°×0.5°网格点月降水和月平均气温资料,利用一个能够用于检测地表干湿变化的湿润指数,对中国北方四个典型地区干湿演变特征及与北太平洋年代际振荡的关系进行了初步的分析.结果发现：降水和湿润指数在表征干湿变化的特征时有明显的差别,特别是在干旱和半干旱地区,增暖也是影响干湿变化的一个重要因素.相关分析表明,华北和西北东部的年干湿变化与同期太平洋年代际振荡（简称PDO）指数有密切的关系,PDO指数的正位相对应两个地区的干旱时段,负位相则对应两个地区的湿润时段,而新疆南部与PDO指数同期呈显著的正相关关系,即当PDO为正位相时,该地区为湿的时段,负位相对应干的时段.以100°E为界,北方的东部干湿变化与太平洋年代际振荡指数呈反相关,而西部则相反,与PDO呈正相关关系.

黄河径流量的历史演变规律及成因

基于黄河上、中和下游的径流及气候资料,对径流的年代际变化规律及与气候变化的关系进行了分析.结果表明:黄河流域的径流均存在显著的年代际变化趋势,径流的显著特征是从20世纪80年代开始的减少趋势,但并未达到历史的最低,径流减少的趋势在下游比上游更显著,而这种变化趋势与流域的气候变化趋势基本一致,说明在年代际尺度上,径流的变化主要受气候的控制;在不同季节,这种关系有明显差异,如在冬季两者的变化趋势有较大差异.分析还发现,近年来流域地表的干化是流域径流减少的原因,气温的升高更加剧了流域地表干化.