北京地区汛期降水季节循环异常的典型特征及成因

北京地区汛期降水季节循环存在明显年际差异,对首都经济建设和人们生活产生重要影响。基于1981—2022年北京地区20个气象观测站的逐日降水观测数据,使用自组织映射神经网络和统计诊断方法,分析了当地汛期降水季节循环异常时、空变化的典型特征及其成因。结果表明,北京地区汛期降水的季节循环异常具有4种独立类型,可归结为“持续旱、涝”和“旱、涝急转”两种典型特征,分别占比45.2%和54.8%,其直接原因是日本海上空具有相当正压结构的环流异常。在持续旱、涝年,当日本海上空出现高压(低压)异常时,中纬度蒙古气旋和高空南亚高压异常耦合联动,局地盛行低空北风(南风)异常,抑制(促进)来自西北太平洋的水汽输送,降水持续偏少(偏多)。在旱、涝急转年,当7月日本海上空盛行低压(高压)异常、西太、平洋副热带高压异常南移(北抬)时,北京地区降水异常偏少(偏多);8月,伴随着蒙古气旋的异常加强(减弱),日本海上空转变为高压(低压)异常,北京地区降水随之异常偏多(偏少)。持续旱、涝型异常和热带外海温存在显著相关,而旱、涝急转型异常不仅与热带ENSO事件联系紧密,还和局地降水显著的10—30 d季节内振荡信号有关。

人类活动对中国降水季节性变化的影响

利用第六次国际耦合模式比较计划(CMIP6)模拟日降水结果进行统计降尺度处理,在评估降水季节性相关指标降尺度模拟性能基础上,分析人为强迫对中国不同气候分区降水季节性指数(SI)等指标的影响,并利用未来中等排放情景(SSP2-4.5)模拟分析了未来不同强迫造成中国降水季节性的变化。结果表明:CMIP6模式数据统计降尺度后集合模拟的中国区域雨季和降水季节性指数分布与观测分布有较高的一致性,并且对雨季起始和持续时间趋势模拟较好。根据CMIP6模式不同强迫试验结果统计降尺度,发现1961~2014年人为强迫和自然强迫共同作用(ALL)与自然强迫(NAT)相比,中国区域降水量减少,雨季持续时间增加,但NAT和ALL强迫下的雨季起始时间差异较小。同时也发现历史时期中国区域降水季节性的变化主要受到雨季持续时间和降水量变化的影响,未来降水季节性变化将更强。本研究通过人类活动对中国降水季节性变化的影响进行了深入的分析,这些将为相关降水季节性变化影响和适应策略提供科学支持。

中国降水季节性的预估

本文使用国际耦合模式比较计划第五阶段(CMIP5)中共46个全球气候模式的数值试验数据,通过评估择优选取了14个模式来预估21世纪中国各季节降水百分率及其变率。结果表明,模式集合平均能够较好地模拟各季节降水百分率及其变率,但模式与观测间、各模式间都存在一定不同,空间上西部差异较大,季节上夏季差异明显。21世纪中国降水百分率整体表现为夏季大冬季小,但存在区域性,如华南春季降水百分率大于夏季。与1986～2004年相比,中国降水百分率整体表现为在夏季显著减少,冬春季显著增加,但高原则与之相反。此外,模式对于长江中下游地区降水百分率的预估存在较大不确定性。RCP8.5情景下降水季节性变幅要大于RCP4.5情景。降水季节性的变率在四季均表现出一定的增加趋势,但21世纪早、中和末期与1986～2004年相比并无显著差异(置信水平为95%)。

亚洲季风降水季节演变特征的气候系统模式模拟:基于FGOALS-g3和FGOALS-g2的比较评估

亚洲季风降水的季节演变对亚洲农业生产和社会经济有重要的影响。本文通过与观测资料对比,评估了中国科学院大气物理研究所研发的最新版本的气候系统模式FGOALS-g3相对于上一版本FGOALS-g2对亚洲季风降水季节演变的模拟能力,并通过与FGOALS-g3海温驱动的大气模式结果对比,研究海气相互作用对季风降水量年循环模拟的影响。结果表明,FGOALS-g3提高了对南亚和西北太平洋降水量年循环的模拟能力,部分源于大气模式的改进,但对其他区域模拟性能改进不明显。FGOALS-g3对西北太平洋季风爆发、撤退、峰值和持续时间、阿拉伯海东部季风撤退和持续时间以及印度半岛至中国南海季风峰值时间的模拟偏差有所改进,且考虑模式自身海气耦合过程后,可显著改善西北太平洋区域降水量年循环等模拟偏差。与FGOALS-g2相比,在南亚和中南半岛区域,FGOALS-g3模拟的季风爆发更晚,这是由非洲大陆降水量干偏差导致索马里越赤道急流减弱,加剧该区域5月负降水量偏差导致。在西北太平洋,FGOALS-g3显著改善了季风爆发西侧推迟而东侧提前的模拟偏差,原因是太平洋东暖西冷的海温偏差显著减小,局地Hadley环流增强,在该区域产生异常下沉运动,减小了西侧1月降水量湿偏差,使5月相对于1月的降水量增加,而东侧5月降水量与1月降水量的干偏差得以互相抵消。研究表明热带大尺度海温型模拟偏差的改进对提高亚洲季风降水量年循环的模拟能力有重要作用。

长江流域气象干旱与降水季节性关系研究

为揭示长江流域气象干旱与降水时空分异特征之间的关系,利用长江流域39个分区1960~2019年的月降水数据,先采用标准化降水指数方法构造了长江流域气象干旱指数系列;然后根据游程理论对干旱指数系列进行干旱过程识别,并由此提取干旱次数、干旱历时、干旱烈度、干旱频率等干旱特征变量;最后引入季节性指数,探讨了干旱特征变量与降水季节性之间的关系。结果表明,长江流域降水具有显著的季节性,降水季节性指数自西向东逐渐减少。干旱特征变量与降水季节性指数之间在空间上存在较好的线性关系,即降水季节性越弱的区域,干旱越严重(干旱历时越长、干旱烈度越大)。这可能归因于降水季节性较弱区域春、冬两季干旱发生频率较高。该研究可为长江流域气象干旱成因机制的深入研究提供一定参考。

近60年来柴达木盆地降水季节性变化分析

文章选取柴达木盆地所在的9个国家气象台站降水资料,分析1961-2020年柴达木盆地降水季节性变化特征。结果表明:近60a柴达木盆地降水呈现显著增多趋势,以7.2 mm/10a的速率增长,21世纪以来增加趋势更为明显。各季降水量最大在夏季,占全年降水的63.3%;冬季最少,仅有4%;春季、秋季分别为18.7%和13.9%。降水月分布不均匀,平均月降水量在0.9~24.0 mm之间,呈现单峰型,峰值出现在7月(24.0 mm),6月次之。降水变化存在地区差异,年降水量自东南部向西北部递减。各季节降水百分率存在明显的年际变化,春、秋两季为弱的下降趋势,冬季为弱的上升趋势。柴达木盆地平均年降水量在2001年发生突变。

1991、1998和2016年三个大水年长江中下游夏季降水季节内特征的对比

针对长江中下游三个大水年1991、1998和2016年,利用NCEP/NCAR大气环流再分析资料和CMAP降水资料,对比了夏季降水的季节内特征,分析了引起降水季节内变化的大气环流季节内振荡ISO演变及源地。小波分析表明,三年季节内降水周期差异明显,分别为20~30 d、20~40 d和10~20 d。随之,以东亚季风区季节内振荡指数及热带外Rossby波活动通量,诊断了引起三年季节内活动异常的热带和中纬度ISO变率特点。结果显示影响三年季节内降水的ISO差异较大。1991年受到来自印度洋10~30 d和中纬度高层Rossby波10~30 d的ISO共同影响,造成周期为20~30 d的低频降水;1998年ISO来源路径单一,受中北太平洋30~60 d和10~30 d的ISO西传叠加作用,降水表现为20~40 d的振荡;引起2016年季节内降水异常的ISO源地较多,既有来自印度洋向东北传播30~60 d的ISO,又有来自太平洋向西北传播10~30 d的ISO,还有来自热带外10~30 d的ISO,三者在长江中下游汇合,引起降水10~20 d的振荡。研究结果对认识长江中下游夏季集中降水的形成有重要意义。

我国西南地区降水季节变化特征分析

本文基于线性倾向法、Mann-Kendall检验方法、Morlet小波分析方法,对西南地区的降水季节变化特征进行了研究。结果表明西南地区1971~2010年间年降水量呈下降趋势,四季中只有冬季降水呈上升趋势,秋季下降趋势达到了0.01的显著性水平。西南地区季节降水空间分布差异显著:整体而言,春季降水从西到东呈增加趋势,夏季、秋季和冬季从南向北呈下降趋势。西南地区四季降水均存在明显突变,整体而言偏旱年份较偏涝年份多;从降水的周期来看,四季降水均存在不同周期。

北京地区近300年降水季节性变化特征

基于北京地区1724−2022年的月降水资料,定义了降水季节性指数(seasonality index,SI),量化了降水季节性特征,分析了降水季节性的变化趋势与波动规律,并探讨了降水季节性与海气指数的相关关系.研究结果表明:1724−2022年北京地区SI仅呈现微弱的递增趋势,其波动特征更为明显,表明降水季节性可能在增强.通过滑动t检验方法将SI序列划分为13个增减阶段.在1834年前,SI变化平缓,1834年后,SI基本呈现以60年为周期的增减交替.从季节尺度来看,在SI的递减阶段,降水季节性降低,降水分布更均匀,原本集中于夏季的降水趋于向秋季分散,其次为春季;在SI的递增阶段,降水季节性增强,降水更集中,表现为春季与秋季降水百分比有所降低,降水重新向夏季集中.4个海气因子中,印度洋偶极子模式指数与SI具有明显的负相关性,北大西洋涛动与太平洋年代际振荡指数在较长的时间尺度上与SI的负相关性更为稳定,而厄尔尼诺-南方涛动指数在较短的时间尺度上与SI的正相关性更为稳定.根据周期特征推测,当前很可能处于SI的上升阶段,有必要注意北京市夏季的防洪抗涝工作.

中国地区降水持续性的季节变化特征

本文利用我国588个气象站1969—2008年逐12小时的降水资料,分析了中国地区降水持续性的空间分布特征及其季节演变规律。分析结果表明,35°N以南,西部和东部年平均的降水平均持续时间较长,中部略短;35°N以北,西北和内蒙西部最短,东北地区北部略长。将降水事件按持续时间分类自南向北,东南地区、江淮和黄淮地区、东北和华北北部地区短时降水(持续一个时次,12小时)的降水量和降水频率占全年总降水的比例逐渐增加,持续性降水(持续3个时次及以上)的比例减少。降水平均持续时间随季节的变化基本能反映出江南春雨、江淮梅雨、东北和华北夏季雨季、关中盆地和汉水谷地的秋雨以及青藏高原地区和西南地区夏季雨季。同时,东南地区秋冬季节、江淮和黄淮地区10月上旬和西南地区10月下旬存在降水平均持续时间的峰值,与降水量的变化不一致,是由持续性降水频率的增加和短时降水频率的减少造成的。此外,东部三个区域降水平均持续时间的夏季季节内变化对应了季风雨带的"北跳和南撤"过程。

青藏高原季节性降水的时空变化特征及其与海表温度的联系

传统的动力学研究关注高原如何通过动力和热力作用影响亚洲气候和全球大气环流。然而对高原本身降水量变化及其危害缺乏系统评估,因此文章基于国家气象信息中心提供的日降水量、NOAA的海温资料(Sea Surface Temperature,SST)以及NCEP/NCAR的逐月位势高度场和风场的再分析资料,采用经验正交函数分析方法(Empirical Orthogonal Function,EOF)、回归分析、相关分析等方法探究了青藏高原降水的时空分布特征及其相关的海温和大气环流,从而对未来的防灾减灾以及生态环境保护提供意见和建议。结果表明:(1)高原降水量夏多冬少,春夏秋三季降水均由显著的年际变化;(2)春季在El Niño(La Niña)年、太平洋年代际振荡(Pacific Decadal Oscillation,PDO)处于正(负)位相或热带印度洋全区一致海温模态(Basin-Wide SSTA Variation In The Tropical Indian Ocean,IOBW)为正(负)位时,对应高原降水量以34°N为界南少北多(南多北少);(3)夏季当印度洋偶极子(Indian Ocean Dipole,IOD)为暖(冷)位相或Niño 1+2区海温偏高(低)时,有利(不利)于降水量呈现以30°N为分界线北多南少(南多北少)的分布;(4)春季高原低层850 hPa位势高度场呈现南正北负(北正南负),高层200 hPa贝湖反气旋(气旋)延伸至高原东北部,而东南部受低(高)压控制,导致以唐古拉山为界降水量北多南少(南多北少);(5)夏季低层高原西南侧为弱高(低)压,东北部为弱低(高)压,高层高原西南侧位于尼泊尔低压顶前,东北部处于华北高压底后,使得巴颜喀拉山以南降水量偏低(高),以北降水量偏高(低)。

中国降水的季节性

本文使用一套基于中国气象局所属的2416个台站数据所得的高分辨降水资料,对1961~2013年中国降水季节性进行了研究。就全国平均而言,各季节降水占全年降水百分率最高的为夏季(56.5%),春季(19.3%)和秋季(18.9%)次之,冬季(5.3%)最少;针对不同地区,各季节降水百分率存在很大差异,例如华南春季降水最多、东北至高原一线秋季降水大于春季降水。春、夏两季降水百分率高值(低值)区域略呈现出降水百分率减少(增多)趋势,秋季整体上略微减少,冬季则显著增加;季节降水百分率的变率整体表现为夏季大而冬季小,其西部的变率与地形为显著负相关,东部变率的大值区位置随季节变化;秋冬两季的降水百分率变率有显著增加,各季节不同地区变率的变化趋势存在明显差异。

东亚与北美东部降水和环流季节演变差异及其可能机理分析

利用NCEP/NCAR再分析资料和CMAP、GPCP卫星反演降水资料,对比分析了东亚与北美东部地区降水和大尺度大气环流季节演变特征的差异。结果显示,东亚和北美东部地区冬季环流形势较为相似,而夏季差异则较大,这正是东亚为季风区,北美为非季风区的表现。此外,基于季风的两大特征量"风"和"雨",分析了两地降水和低空风场季节变化的显著差异:东亚副热带地区降水季节变率大,呈"夏湿冬干"的季风降水特征,低层盛行风向随季节逆转,冬季盛行偏北风,夏季盛行偏南风,具有显著的副热带季风区特征。北美东部副热带地区全年雨量分配均匀,低层常年盛行偏西风,呈现非季风区特征。进一步的分析发现,作为季风基本推动力的海、陆热力差异在东亚和北美东部地区有着显著的区别:东亚地区的经向和纬向温度梯度随季节反转的特征显著;而北美东部地区虽有纬向温度梯度的季节反转但幅度很小,且经向海、陆热力差异随季节反转不明显。此外,与青藏高原和落基山脉相伴的纬向环流也存在显著差异。鉴于此,提出经向和纬向海、陆热力梯度反转特征的不同以及青藏高原和落基山脉地形的不同作用很可能是造成东亚副热带季风气候而北美东部非季风气候的主要原因,上述结论还有待于数值试验的进一步证实。

元谋干热河谷近50年分季节降水变化的DFA分析

运用消除趋势波动分析法（DFA）分析元谋干热河谷1956—2006年分季节降水量变化趋势，对1978～2006年进行滑移分析。结果表明，元谋干热河谷分季节降水量时间序列至少在50a的尺度上具有微弱的Hurst效应：夏、冬季具有较弱的长期持续性及较强的随机性，春、秋季具有较弱的反持续性。植被生物量和盖度的年际和季节变化所引起的下垫面性质改变，是干热河谷分季节降水量变化的重要原因。元谋干热河谷降水量的变化对当地植被恢复和农业生产活动等具有较强的指导意义。

近41年中国不同季节降水气候分区及趋势

利用中国486个测站1960—2000年逐日降水观测资料,采用分层聚类和相似分析方法,兼顾降水的年内季节变化和年际变化,对中国降水进行了气候区划。利用动态分析分层聚类过程中组内和组间平均相关系数的差异指标法,为不同季节降水研究找到了适合的分区方案。在年降水分区方案中,得到中国降水的三级气候分区:11区、28区和54区。用同样的方法得到各月、季降水的分区方案。在分析过程中发现:在同样相似条件下,夏季(及夏季各月)分区数明显多于其它季(月);11个Ⅰ级分区年降水具有明显的区域性特征。分析结果在一定程度上说明了所用分区方法的客观性。

长江流域降水的季节变化对流域水资源的影响研究

通过分析1961—2005年长江流域降水的季节变化与旱涝分布,发现45年来长江流域春季、秋季降水下降,而夏季、冬季降水增加,其中上游秋季和中下游夏季、冬季降水变化都通过了95%显著性检验.近年来,长江流域降水的季节分配不均,长江流域洪涝较多的时期,夏季降水一般显著增加;而干旱发生时,秋季降水一般下降显著.20世纪80年代中期以来,长江上游干旱化趋势加重,而中下游洪涝增多,这种旱涝并存的格局加剧了长江流域的旱涝灾害.

黄河流域季节降水变化特征分析

利用黄河流域106个代表气象站1960—2010年逐日降水资料,分析了黄河流域季节降水的空间分布以及年内年际分配特点,并采用Mann-Kendall法、降水倾向率和累计距平法等方法对季节降水的变化趋势和变异情况进行了研究。结果表明:空间上,黄河流域各季节降水分布与年降水分布大体相同,但随着季节变化局部地区存在差别;时间上,20世纪90年代后流域降水变化趋势明显改变,季节降雨减少趋势的强度大于增加趋势的,且大多数站点季节降水序列未来趋势与过去趋势相反;各区域同季节降水序列变异点位置虽各不相同但相对集中,说明季节降水变异可能存在内在联系。

夏季长生命史盆地涡活动对川渝季节降水的影响

利用ERA-interim再分析资料和全国824个国家气象站的日降水资料,分析了1983—2012年夏季发生在四川盆地且生命史大于等于24 h(定义为长生命史)的低涡年际变化特征和成因,以及它对川渝地区季节降水的影响,研究结果表明:夏季长生命史的盆地涡的涡源主要位于盆地西南部附近和东北部附近,根据涡源位置的差异可将盆地低涡分为西南型和东北型。由于夏季长生命史西南型盆地涡出现频数远大于东北型盆地涡,因此长生命史西南型盆地涡对季节累积降水贡献较大,但是进一步分析发现长生命史东北型盆地涡产生的日降水强度较强,降水范围较广。长生命史西南型盆地涡由于较少移动,其主要影响区位于初生源地附近的局地地区,而长生命史东北型盆地涡由于移动性较强,其主要影响区位于副热带高压外围的较大范围地区。从季节尺度来说,影响两类低涡频数变化的关键大气环流因子有显著差异,当中纬度长波槽偏强,副热带高压西伸明显加强,以及高原南支绕流偏强时,有利于更多长生命史西南型盆地涡的生成;而当南亚高压强度偏弱,高纬度西伯利亚高压脊稳定维持,以及西伸的副热带高压边缘正好位于云贵高原东部地区附近时,有利于更多长生命史东北型盆地涡的生成。

作物生长季节降水量和农业地下水开采量对地下水变化影响研究——以河北晋州地区为例

晋州地区是典型的农业井灌区,通过对该地区农作物生长季节降水量-农业地下水开采量-地下水埋深之间互动变化特征及其机制研究发现,枯水年份,农业地下水开采量的大小与小麦、玉米生长季节的降水量变化密切相关;平水年份,小麦生长季节的降水量变化对农业地下水开采量影响占主导,其次为玉米生长季节的降水量变化;丰水年,农业地下水开采量仅与小麦生长季节的降水量变化之间具有明显相关性,与玉米生长季节的降水量变化相关性明显弱化。不同水文年降水量变化,在影响农业地下水开采量增减的同时,对地下水的入渗补给量呈现与开采量逆向变化,二者叠加影响地下水位动态变化。平水年份或丰水年份,小麦生长季节地下水埋深增大,玉米生长季节降水量一般能满足玉米需水量,地下水埋深减小。因此,充分利用作物生长季节降水量,对减少地下水开采和高产农业的稳定发展有重要意义。

两类ENSO事件对长江中下游地区季节降水的影响

使用1966-2015年长江中下游地区91个气象站月降水资料,采用线性倾向估计、Mann-Kendall检验、距平分析等方法分析了长江中下游地区近50年降水变化特征及其对两类ENSO事件的响应。结果表明,近50年来长江中下游地区夏季降水量以2.04mm/a的倾向率呈显著增加趋势,年降水量在区域内呈东增西减的分布特征。厄尔尼诺事件易造成长江中下游冬、春季降水异常偏多,而拉尼娜事件发生时夏季降水大幅偏多。东部型厄尔尼诺发生当年长江沿岸一带附近夏季降雨偏少,中部型事件当年呈现南多北少的响应特征,次年则转变为相反的空间分布。中、东部型拉尼娜事件发生当年,秋季降水分别显著偏多和偏少。东部型拉尼娜次年夏季降水普遍偏多,以长江中下游东部最为显著,而中部型事件次年夏季降水则呈现东南多西北少的分布格局。