黄河流域城市气候韧性评估及提升对策研究

增强气候韧性是黄河流域生态保护和高质量发展的应有之义。基于IPCC“灾害—暴露度—脆弱性”的气候风险框架和“工程韧性—生态韧性—演化韧性”的韧性理论框架,系统评估黄河流域气候韧性水平。结果表明:(1)黄河流域气候风险和城市韧性水平具有明显的地域差异性,均呈现上游>中游>下游的空间特征;(2)黄河流域气候风险水平趋于上升,下游地区上升最为显著,是极端降雨和极端高温事件的高发区;(3)黄河流域城市类型以脆弱型和高风险城市为主,且不同城市类型在时间和空间维度发生明显跃迁和转变。为科学有效应对气候变化风险和挑战,应差异化实施气候应对策略,协同推进工程韧性、生态韧性、经济韧性和社会韧性,提升流域气候韧性和可持续发展能力。

中国不同气候区的暴雨危险性分析

暴雨的危险性评价是暴雨风险评价的重要环节,研究暴雨的危险性分布对于我国的暴雨洪涝灾害预测及制定合理的防灾减灾策略等具有重要意义。基于全国1961-2019年2 512个气象站点的日降水数据,计算每年的暴雨日数、雨量及雨强,使用核密度函数得到5、10、20、50 a这4个重现期下的各暴雨要素取值,进而通过ISODATA聚类将全国暴雨分为4个危险性等级。结果表明:随着重现期的增长,3个年暴雨要素不断增加。空间上年暴雨日数和雨量均呈现出由东南沿海向西部内陆减少的趋势,而年暴雨强度呈现出东部大、西部小,且东北部大于东南部的特征。8个气候区在3个重现期(10、20、50 a一遇)的年暴雨日数和雨量均值排序一致,均为华南地区最大,华中地区次之,西部干旱(半干旱)区最小;而8个气候区的年暴雨强度均值在不同重现期下的差异较大。ISODATA聚类分析结果显示华中、华南地区暴雨危险性最高,西部干旱(半干旱)区和青藏高原暴雨危险性最低。

气候变化背景下城市韧性测度——以长三角城市应对雨洪风险为例

选取长三角城市群27个地级及以上城市开展城市韧性测度研究。基于复杂适应系统理论,将城市韧性界定为一般韧性和特指韧性,构建城市应对雨洪风险的“雨洪致灾危险性—城市韧性”指标体系。通过因子分析客观赋权方法,选择“十二五”和“十三五”两个规划期,对长三角中心城市开展雨洪韧性评估。结果表明,长三角城市的雨洪韧性主要受到城市发展因子、社会保障和外来人口因子、灰—蓝基础设施因子、交通设施因子、绿色基础设施因子的影响。通过比较致灾危险性指数与城市雨洪韧性指数的关系,得到4类典型城市:脆弱型城市15个,高风险城市6个,低风险城市6个,韧性城市缺失。城市化进程与社会发展能力的提升是增强城市一般韧性和特指韧性的重要基础,海绵城市建设有助于提升雨洪基础设施等特指韧性,处于不同韧性类别的城市应采取发展型、增量型等不同适应路径。

中国不同气候区的高温危险性分析

高温危险性评价是高温灾害风险评价的重要组成部分和基础工作。基于过去60年(1961—2020年)的日最高温度数据,选择高温日数、最高温度、高温强度三个指标,逐站点使用核密度函数估算三个高温指标的概率密度函数,计算了四个重现期(即五年一遇、十年一遇、二十年一遇和五十年一遇)下的三个指标的取值,进而通过K-means非监督聚类得到各指标下的高温危险性等级分布图,然后将各指标叠加,对我国不同气候区的综合高温危险性进行了评估。研究表明:(1)从高温日数来看,发生高温可能性最大的地区位于我国西北干旱(半干旱)区和华中、华南地区的交界部分;(2)从最高温度来看,发生高温可能性最大的区域是西北干旱(半干旱)区和华北地区,华中地区的最高温度在不同重现期下的增强最显著;(3)从高温强度来看,发生高温可能性最大的区域是西北干旱(半干旱)区,西南地区和青藏高原地区内不同区域的高温强度差异较大,需局部防范高温灾害;(4)随着重现期年限的增长,不同高温指标值均明显增长,高值区域面积逐渐增加。全国高温综合高危险性等级地区主要位于西北干旱(半干旱)地区、华北地区南部、华中地区、华南地区和西南地区北部,其余气候区少量分布。较高危险性等级地区则主要分布在华北地区北部、东部地区局部、西北干旱(半干旱)地区局部和西南地区的少部分区域。中危险性等级地区则主要分布在东部地区西部。这些地区需加强防范高温灾害。

阈值选择对高温时空变化特征的影响

在全球变暖的大环境下,极端高温事件的发生频率正在不断增加。尽管国内外已经有许多关于高温发生频率与时空分布特征的研究,但目前学界对于高温仍没有一个统一的定义。为了分析不同阈值检测出的高温事件的差异,基于中国国家级地面气象站均一化气温日值数据集(V1.0)中的1979―2019年的日最高温和日最低温数据,使用绝对阈值和相对阈值2种方法来定义高温,在此基础上计算绝对阈值高温日数、绝对阈值高温积温和相对阈值高温日数3个高温指标,使用Mann-Kendall检验、Sen's slope、Hurst指数和经验正交函数(EOF),对比分析不同阈值条件下计算的高温指标的变化趋势和时空分布的差异。结果显示:①全国大部分地区的高温呈现增加的趋势,但使用不同阈值的高温指标变化趋势以及持续性存在不同程度的差异。相对阈值法得到的高温日数呈显著增加的站点相比绝对阈值法的更多。绝对阈值法显示高温日数在新疆、华南地区和黄淮海地区的持续性较强,而相对阈值法显示高温日数在东南沿海和西南地区持续性较高。②不同阈值的高温指标的EOF反映的高温指标的时空分布模式同样存在明显不同,绝对阈值高温指标的第二模态反映的是华东地区南部和华南大部分地区与其他地区的反向分布模式,相对阈值高温指标的第二模态反应的是南北地区的反向分布模式。研究者需根据自己的研究目的和研究问题选择合适的高温阈值。

WRF参数化方案与初始场对闽江流域 暴雨模拟的敏感性研究

数值模式作为目前最主要的天气预报手段之一,已经广泛应用于极端降雨等强天气过程的预警和预测。在实际预报业务中,数值模式受初始场、边界条件、参数化方案等影响,难以进行长时间精准预报。基于新一代中尺度数值天气预报模式WRF(The Weather Research and Forecasting Model),交叉组合16套微物理过程和积云对流参数化方案,对闽江流域2021年5月17—24日的一场连续性暴雨过程进行敏感性对比模拟。结果表明,WRF模式基本可以再现本次降雨过程的时空分布特征,但明显高估了暴雨中心的强度和范围,EXP9(Lin-NT组合)整体表现较优。对于初始场质量敏感性试验,基于最优参数化方案组合的模拟结果表明,ERA5(The Fifth-generation Atmospheric Reanalysis of the European Center for Medium-Range Weather Forecasts)对各个量级降雨模拟效果均相对较好,与观测数据的时空特征最吻合,其次为GDAS/FNL(Global Data Assimilation System/Final Operational Global Analysis),而CFS(Climate Forecast System Operational Analysis)表现最差。可为提高极端降雨模拟和预报精度提供方法借鉴。

黄淮海平原气象干旱的演化特征与时空规律

干旱事件广泛地影响着作物的生长和发育,黄淮海平原是中国主要的粮食产区之一,全面了解该地区干旱变化特征对保障中国粮食安全至关重要。该研究基于标准化降水指数(standardized precipitation index,SPI)、标准化降水蒸散指数(standardized precipitation evapotranspiration index,SPEI)、自校正帕默尔干旱指数(self-calibrating palmer drought index,scPDSI)、干燥度指数(aridity index,AI)4种干旱指数,对黄淮海平原干旱强度、干旱频率、干旱面积占比、干旱持续时间进行对比分析。结果表明,4种干旱指数均指示出1970—2020年黄淮海平原干旱强度逐渐减弱,干旱面积占比先增加后减少、再增加再减少、再增加的波动变化趋势,且在空间上均呈现出平原中部变湿、东西部变干的趋势。但不同指数在表征干旱空间特征上还存在一定的空间分异。对于干旱频率,SPI和AI指数显示出北部地区干旱频率高达60%,而南部地区低于20%;SPEI和scPDSI指数则显示出的南北差异较小,分别介于25%~40%和30%~50%。对于干旱持续时间,SPI指数监测的南北差异最为明显,而SPEI和scPDSI指数监测的区域差异较小。SPI和SPEI两种干旱指数监测的干旱持续时间较短,scPDSI指数监测的干旱持续时间较长。综合来看,北部区域干旱强度更为严重,且干旱发生频率高、持续时间长,而南部地区则相反。研究可为制定应对干旱的农业政策提供科学的参考依据。

2019年中国气候主要特征及主要天气气候事件

2019年我国气候总体呈现暖湿特征。全国年平均气温较常年同期偏高0.79℃,为1951年以来连续第五暖年,四季气温均偏高,春、秋季明显偏暖;年降水量为645.5 mm,较常年同期偏多2.5%,冬、春、夏季降水偏多,秋季偏少。华南前汛期开始早、结束晚,为1961年以来最长前汛期,雨量为1961年以来次多;西南雨季开始和结束均偏晚,雨量偏少;入梅晚、出梅早,梅雨量偏少;华北雨季开始晚,结束与常年一致,雨量偏少;东北雨季开始早、结束晚,雨量偏多;华西秋雨开始早、结束晚,雨量偏多。2019年,台风生成多,登陆强度总体偏弱,仅台风利奇马灾损重;暴雨洪涝、干旱、强对流、低温冷冻害和雪灾、沙尘暴等气象灾害均偏轻。

气候工程对中国极端降雨强度的影响(2010-2099)

针对气候工程方法中争论最多的太阳辐射管理(Solar Radiation Management),基于BNU-ESM模式的气候工程(G4实验)和非气候工程(RCP4.5)两种情景,以2010-2099年日值降雨量数据的95%和99%分位数值作为强降雨和极端降雨事件的阈值。对超阈值取样(POT)的数据采用韦伯分布(Weibull)进行拟合,诊断10、20、50和100年一遇的强降雨和极端强降雨。结果表明:在两种情景下,强降雨和极端强降雨的强度随年遇型的增加而增强,并表现出东南高-西北低空间分异特征。气候工程整体上有助于中国地区强降雨和极端强降雨的增多,同时具有空间异质性,即表现出抑制部分地区的强降雨和极端强降雨的发生。

2018年全球重大天气气候事件及其成因

2018年全球主要温室气体浓度继续攀升,地表温度相比工业化前水平偏高0. 99℃,为有观测记录以来的历史第四高值。全球冰川总量连续31年减少,南北极海冰范围全年处于历史低位。全球海洋表面温度较常年显著偏高,海平面继续加速上升,海洋热含量创历史新高,海洋酸化的影响日益加剧。年内,世界各地发生了许多重大天气气候事件,包括北半球异常活跃的热带气旋季、欧洲夏季持续性高温干燥天气、印度西南部的特大洪灾、澳洲东部严重旱情、欧美多地的低温暴雪以及全球多地的森林大火和强对流天气,造成了严重的人口伤亡和社会经济损失。本文系统性总结了2018年全球重大天气气候事件及其影响,并重点分析了印度近百年来最严重洪灾和美国东海岸爆发性低温雨雪冰冻两个典型气候事件的形成原因。分析表明,夏季南亚季风强度偏强、控制时间偏长,8月在南亚季风槽西部位置偏北、索马里越赤道急流偏强的共同作用下,南印度洋及阿拉伯海上空的水汽大量向印度地区输送,持续性的强降水天气引发了该地区近百年以来最严重的洪灾;1月上旬,在耦合的急流结构、强烈的海洋温度梯度以及气旋外围气温偏高的共同作用下,冬季风暴格雷森在短时间内爆发性加强,造成美国东海岸出现气温骤降、强风暴雪等剧烈天气现象。

2017年全球重大天气气候事件及其成因

2017年全球主要温室气体浓度继续攀升,地表温度相比工业化前水平高出1.1℃,位列2016年之后,为有气象观测记录以来的历史第二高值,也是有记录以来最暖的非厄尔尼诺年份。全球冰冻圈持续萎缩,冬季北极最大海冰范围创历史新低,南极海冰范围全年处于历史低位。全球海表面温度显著高于常年,海平面持续上升,海洋热含量创历史新高,海洋酸化的影响持续加剧。世界各地发生了许多重大天气气候事件,包括异常活跃的北大西洋飓风、印度次大陆的季风洪水、东非部分地区的持续干旱,以及全球多地的暴雨洪涝、高温热浪、低温寒流和强对流天气,2017年成为有记录以来气象灾害造成经济损失最大的年份。本文总结了2017年全球重大天气气候事件及其影响,并重点分析了大西洋飓风季异常活跃和美国西海岸高温热浪天气两个典型事件的形成原因。分析表明,8月底至10月初,加勒比海和热带西大西洋海温偏高,对流活动旺盛,风速垂直切变偏小,为飓风的发展加强提供了有利的背景条件,加之北美副热带高压出现阶段性减弱,导致4个强飓风接连登陆美国和加勒比海地区;7月上旬,受副热带西风急流加强东伸,东北太平洋切断低压维持影响,北美副热带高压持续控制美国西南部地区,是当地高温热浪事件发生的主要原因。

2019年全球重大天气气候事件及其成因

2019年全球主要温室气体浓度继续保持上升趋势,全球平均温度比工业化前水平高1.1(±0.1)℃,为有气象记录以来第二暖年。海洋热容量及海平面高度创新高,海冰面积偏小。年内,全球各地发生了许多重大天气气候事件,包括多地遭遇暴雨洪涝侵袭,澳大利亚以及亚洲和欧洲多国受干旱影响,全球极端热带气旋频发,欧洲及澳大利亚等地遭遇异常高温热浪天气,北美和欧洲遭受寒流和暴风雪袭击,多地出现强对流天气。分析表明,印度洋偶极子(IOD)处于正位相、赤道中太平洋地区海温持续偏暖以及副热带高压系统控制是澳大利亚高温少雨的主要原因,最终引发严重的森林山火;前期异常偏强的IOD正位相叠加持续时间异常偏长的热带低压,促进了2019年印度7—8月强暴雨事件的发生发展。

2021年全球重大天气气候事件及其成因

2021年全球平均气温较工业化前偏高1.11℃(±0.13℃),为有气象记录以来的第七暖年。全球海洋持续升温,海洋热容量和全球平均海平面高度均创历史新高,南北极海冰覆盖范围较常年偏小。年内,全球各地重大天气气候事件频发,欧亚多地遭受严重暴雨洪涝灾害,北美和亚洲等地发生严重干旱,北大西洋和北印度洋热带气旋异常活跃,欧洲和北美等地遭受高温热浪和山火,欧美及亚洲多地遭受寒流和暴风雪侵袭。成因分析表明,7月中旬中欧地区持续受切断低压控制,大西洋和地中海的水汽持续不断输送至欧洲中西部,给该地区带来了极端强降水事件并引发洪水;2月中旬对流层极涡从北极向南偏移至北美中部形成稳定的低压槽,在低压槽、有利的低层水汽输送、前期平流层爆发性增温的共同作用下,北美大部地区遭受极端低温和强暴风雪天气侵袭。

2018年中国气候主要特征及主要天气气候事件

2018年,我国气候属于正常年景,气候灾害偏轻。全国平均气温为10.09℃,较常年偏高0.54℃,春、夏季气温创历史新高,秋、冬季气温接近常年。全国平均降水量为673.8 mm,较常年偏多7.0%。全国降水夏、秋季偏多,冬季偏少,春季接近常年同期。华南前汛期开始晚,结束早,雨量少;西南雨季开始和结束均接近常年,雨量多;入梅晚、出梅早,梅雨量少;华北雨季开始和结束均早,雨量多;华西秋雨开始和结束均晚,雨量少;东北雨季开始和结束均接近常年,雨量少。2018年,生成和登陆台风多、登陆位置偏北、灾损严重。低温冷冻害及雪灾频发,损失偏重。其他气象灾害,如暴雨洪涝、干旱、强对流、沙尘暴影响均偏轻。

2020年中国气候主要特征及主要天气气候事件

2020年,我国全年气候总体表现为暖湿特征。全国平均气温比常年偏高0.7℃,为1951年以来第八高,四季气温均偏高,冬春偏暖显著。全国平均降水量为694.8 mm,比常年偏多10.3%,春季降水偏少,冬、夏、秋三季均偏多。华南前汛期开始和结束均偏早,降水量偏少;西南雨季开始晚、结束早,降水量偏多;梅雨季入梅早、出梅晚,梅雨量偏多,梅雨持续时间和梅雨量均为1961年以来之最;华北雨季、东北雨季和华西秋雨开始和结束均偏晚,降水量偏多。2020年,登陆台风偏少,影响时段和地域集中,灾损偏轻。暴雨洪涝灾害偏重,其他气象灾害,如干旱、强对流、低温冷冻害和雪灾、沙尘暴影响均偏轻。

地球工程对中国极端降雨致灾人口风险的影响研究

在地球工程对中国极端降雨致灾因子危险性影响的研究基础上,采用BNU-ESM模式的地球工程(G4试验)和非地球工程(RCP4. 5)日值降雨数据,以日均值降雨量的95%分位数定义极端降雨事件。同时结合IPCC SSP3情景下的中国分省人口数据,评估了中国极端降雨灾害受影响人口风险,并对两种情景下的风险进行对比分析。结果表明:地球工程能够有效降低中国整体极端降雨灾害受影响人口风险,且实施期间的降低作用高于实施结束期。两种情景下中国极端降雨灾害受影响人口风险的区域差异增大,地球工程未能改变中国极端降雨灾害受影响人口风险的相对格局,表明在当前Geo MIP模式设定的地球工程实施当量下,人类能够有效降低气候变化风险,且不影响区域气候相对格局。

地球工程对中国未来降雨时空分异格局的潜在影响(2010-2099)

《巴黎协定》确定的1.5℃和2℃温控目标下,全球减排压力剧增,因此地球工程温控手段被多次讨论。针对地球工程中讨论最多的太阳辐射管理,基于BNU-ESM模式的地球工程(G4实验)和非地球工程(RCP4.5)两种情景,以2010-2099年中国日值降雨量数据对两种情景下的中国降雨量时空分布及其差异进行统计分析。结果表明:(1)在时间序列上,地球工程有利于中国整体降雨量的增加。2010-2099年和2020-2069年两种情景下的中国降雨量呈增加趋势,且2010-2099年地球工程情景下的降雨量增加趋势大于非地球工程,而2020-2069年两种情景下变化趋势的相差幅度不大。2070-2099年,地球工程实施结束后,地球工程情景下的降雨量呈增加趋势,而非地球工程呈减少趋势;七大地理分区的降雨量变化趋势在地球工程情景下高于非地球工程。(2)在空间格局上,不同研究时段在两种情景下的中国降雨量空间分布相似,仅面积分布有所不同。地球工程实施期间多数地区降雨量减少,地球工程结束后的2070-2099年降雨量明显显著。(3)2010-2099年地球工程情景下的降雨量呈增加趋势的面积多于非地球工程,尤其是2070-2099年地球工程实施结束后中国降雨量增加区域明显增多。降雨量波动特征在地球工程情景下相比非地球工程整体有所减小,地球工程情景下的中国降雨年际变化相对稳定。

地球工程情景下中国七大区域未来强降水和极端强降水的变化特征对比分析(2010—2099年)

地球工程作为人类影响全球气候的重要工程手段,具有重要的现实意义和科学价值。目前学界在地球工程对极端降水的影响研究方面还处于初始阶段。在这种背景下,基于BNU-ESM模式中地球工程(G4实验)和非地球工程(RCP4.5)情景下的日值降水数据,以95%和99%分位数作为强降水和极端强降水的阈值,分别对比分析两种情景下中国及七大地理分区的强降水和极端强降水在2010—2099年(整个研究时段)、2020—2069年(地球工程实施期间)和2070—2099年(地球工程实施结束)的差异特征。结果表明:(1) 2010—2099年地球工程有利于中国多数地区强降水量和极端强降水量的增加;(2)在实施地球工程的2020—2069年,整体上抑制了中国多数地区强降水量和极端强降水量;(3)在地球工程实施结束后的2070—2099年,地球工程后续影响整体上有利于中国多数地区强降水量和极端强降水量的增加;(4)不同研究时段中国七大地理分区的强降水量和极端强降水量变化趋势均有一定区域差异,且这种差异特征在不同研究时期表现在不同地区。

1961-2018年中国风速均值和极端值的时空演变特征

基于1961-2018年中国545个气象观测站点的日值平均风速、最大风速和极大风速数据,采用多种数理统计方法,从气候态特征、长期变化趋势、年际波动特征和1990年前后的差异特征诊断气候变暖背景下近58年来中国风速均值和极端值的时空演变特征。结果表明:(1)1961-2018年中国平均风速具有南低、北高的空间分异特征,而最大风速和极大风速则呈现东南低、西北高的空间分异特征,且两者的空间相关系数达0.71(n=15 642),通过了0.01显著性水平的检验。平均风速、最大风速和极大风速在1991-2018年相比1961-1990年整体以偏小为主。(2)中国平均风速、最大风速和极大风速年代距平从1960年代至2010年代逐渐由正距平为主演变为负距平为主,且1960、1970和1980年代以正距平为主,而1990、2000和2010年代以负距平为主。(3)1961-2018年中国平均风速、最大风速和极大风速均以减少趋势为主,并具有区域性和次区域性特征,其中后两者的空间相关系数达0.75(n=15 642),通过了0.01显著性水平的检验。最大风速和极大风速在1990年前后的趋势差异具有较高的空间一致性。(4)1961-2018年中国平均风速在西部地区波动相对较大,最大风速和极大风速的波动特征具有空间相似性,空间相关系数达0.57(n=15 642),通过了0.01显著性水平的检验。平均风速、最大风速和极大风速在1991-2018年相比1961-1990年波动偏大的地区明显多于偏小的地区。

1.5℃温控目标下地球工程对中国气温影响的区域差异预估

随着全球气候变暖进一步加剧,《巴黎协定》制定的1. 5℃温控目标面临的挑战愈发严峻。采用BNU—ESM模式的地球工程(G4试验)和非地球工程(RCP4. 5)情景下的2010～2099年日值气温数据,对比分析了地球工程实施中(2020～2069年)、实施后(2070～2099年)和整个研究时段(2010～2099年)对中国气温的影响及其区域差异。结果表明:(1)地球工程的实施显著降低了中国年均气温,尤其是地球工程实施的2020～2069年,多数地区的降温幅度超过了0. 75℃,有效缓解了全球气候变暖,地球工程实施前后的对比表明地球工程能够使中国多数地区降低1. 5℃,地球工程有助于《巴黎协定》1. 5℃温控目标的实现;(2)地球工程的实施并未改变中国年均气温气候态和波动特征的空间分异格局,却改变了年均气温变化趋势的空间分异格局,地球工程的实施对中国北方地区年均气温波动特征的影响要高于南方地区;(3)地球工程实施的2020～2069年使得中国多数地区的年均气温趋势减少,减少幅度超过了0. 3℃/10 a,同时地球工程实施前后中国年均气温变化趋势差异明显;(4)地球工程实施结束后并未产生气温的报复性反弹,且对依赖于可预测气候周期的部门生产运营不造成根本性的影响。地球工程对气候影响的讨论,有助于人类科学认识应对气候变暖的多样性措施。