基于百分位数法的中国不同强度小时降雨频次空间分异格局及其变化模态研究(1961-2013)

高分辨率的降水数据有助于科学认识全球增暖背景下不同强度降雨事件的空间分异特征。采用1961—2013年中国545个气象观测站的小时降水数据,基于50%和90%分位数,将小时降水事件分为弱降雨、中等强度降雨、强降雨和总降雨四类事件,从气候态特征、波动特征、变化趋势和时空变化模态四个方面诊断了上述四类小时降雨频次的空间演变特征。结果表明:(1)基于50%和90%分位数阈值的方法表明中国小时降雨阈值具有明显的东高、西低,沿海高、内陆低的空间分异特征。(2)中国不同强度小时降雨频次在1961—2013年呈现出东南高、西北低的空间分异特征,其中从东北至西南存在一个介于东南和西北之间的过渡带,其不同降雨频次介于东南和西北之间。(3)中国不同强度小时降雨频次波动特征首先呈现出东南波动小,西北波动大;其次呈现出南方波动小,北方波动大的空间分异特征。中国不同强度小时降雨频次均在长江流域呈现出增加趋势,强降雨和总降雨频次在京津冀地区也明显趋于增加。(4)基于EOF分析的结果表明中国不同强度小时降雨频次在长江流域趋于增加是最主要的模态特征,该模态小时弱降雨、中等强度降雨、强降雨和总降雨频次的方差解释率分别达62.49%、59.41%、46.26%和67.20%。     

中等排放情景下中国未来不同强度降雨变化及其对总降雨贡献的预估(2006—2100 年)

为探究中国整体和不同区域的不同强度降雨雨量及其对总降雨雨量贡献率的变化趋势,采用ＲCP6. 0 中等排放情景下 2006—2100 年 WＲF 30 km × 30 km 日值降水数据,根据中国气象局颁布的降水强度等级划分标准进行研究。结果表明: ( 1) 在降雨雨量上,中等排放情景下 2006—2100 年中国小雨减少,强降雨增加。在降雨雨量贡献率上,小雨和中雨对总降雨的贡献率呈减少趋势,其他五种强降雨对总降雨的贡献率在增加,说明强降雨增加,降雨朝着极端化方向发展。暴雨对总暴雨的贡献率呈增加趋势,而大暴雨和特大暴雨对总暴雨的贡献率呈减少趋势,总暴雨对总降雨贡献率的增加是由于暴雨的增加起了关键作用。( 2) 在不同分区上,北方、东北和西藏地区不同强度降雨均呈增加趋势; 东南和西南地区除小雨外均呈增加趋势; 西北东部地区仅小雨、大暴雨和特大暴雨呈增加趋势;西北西部地区仅小雨、中雨和总降雨呈增加趋势。在降雨雨量贡献率上,北方和西藏地区除小雨外均呈增加趋势; 东北、东南和西南地区除小雨和中雨外均呈增加趋势; 西北东部地区仅小雨呈增加趋势; 西北西部地区仅小雨和中雨呈增加趋势。( 3) 在不同强度暴雨对总暴雨贡献率上,七大分区中的特大暴雨对总暴雨的贡献率除西北西部变化趋势不显著外,其他分区均呈不同程度的增加趋势。所得成果为类似研究提供参考。     

中国积雪时空演变特征及其与海气环流因子的时序关联性

积雪时空变化作为表征增暖背景下冰冻圈的重要指标之一,在全球气候变化科学研究中具有重要作用。采用1961—2016年中国545个气象观测站的积雪日数、积雪深度日值数据和3个海气环流因子,通过多种统计方法,诊断中国积雪的时空演变特征及积雪与海气环流因子的时频相关性。结果表明:(1)1961—2016年中国积雪日数和深度在波动中呈缓慢增加趋势,且具有明显的年代分段变化特征。中国积雪日数和深度均具有30a和50a的周期振荡特征,其中积雪深度在1969年发生突变。(2)1961—2016年中国气候态积雪日数和深度具有明显的南低北高的空间分异特征,尤其是东北、内蒙古东部和新疆北部的积雪较多分布。中国积雪多寡具有明显的年代和区域分异特征。(3)在变化趋势上,1961—2016年中国积雪日数在东北和内蒙古东部趋于增多;而积雪深度除上述区域外,在华北、西北和江淮东部也趋于增多。在波动特征上,中国积雪日数和深度在华南南部、云南和四川东部波动较大,其它地区波动相对较小。(4)与海气因子时频关联性上,中国积雪与不同海气因子关联性不同,且与同一因子在不同时段的关联性也有一定差异。     

中国积雪时空演变特征及其与海气环流因子的时序关联性

积雪时空变化作为表征增暖背景下冰冻圈的重要指标之一,在全球气候变化科学研究中具有重要作用。采用1961—2016年中国545个气象观测站的积雪日数、积雪深度日值数据和3个海气环流因子,通过多种统计方法,诊断中国积雪的时空演变特征及积雪与海气环流因子的时频相关性。结果表明:(1)1961—2016年中国积雪日数和深度在波动中呈缓慢增加趋势,且具有明显的年代分段变化特征。中国积雪日数和深度均具有30a和50a的周期振荡特征,其中积雪深度在1969年发生突变。(2)1961—2016年中国气候态积雪日数和深度具有明显的南低北高的空间分异特征,尤其是东北、内蒙古东部和新疆北部的积雪较多分布。中国积雪多寡具有明显的年代和区域分异特征。(3)在变化趋势上,1961—2016年中国积雪日数在东北和内蒙古东部趋于增多;而积雪深度除上述区域外,在华北、西北和江淮东部也趋于增多。在波动特征上,中国积雪日数和深度在华南南部、云南和四川东部波动较大,其它地区波动相对较小。(4)与海气因子时频关联性上,中国积雪与不同海气因子关联性不同,且与同一因子在不同时段的关联性也有一定差异。     

基于CMORPH融合降水的中国暴雨时空分布特征分析

选取中国地区为研究区域,基于中国自动站与CMORPH降水产品融合网格数据集,运用降雨对象识别、泰尔森估算方法,分析2008—2016年中国暴雨场次、暴雨量的时空分布特征及变化趋势。研究表明,2008—2016年,共有24 676场暴雨,其中小暴雨20 135场,大暴雨4 230场,特大暴雨311场。全年暴雨事件最多为2012年,最少为2011年,仅42场。中国暴雨事件主要集中在5—9月,占全年80.8%。2010、2012、2014年华南、华北沿海地区暴雨量占比较高,部分达到60%以上,2008、2013、2016年华南沿海、湖北地区暴雨量占比较高。5—9月中国暴雨分布较广,暴雨量较大,主要分布在珠江口、江西东北部、海南、台湾、浙江福建沿海地区,年均月暴雨量约150 mm。年均暴雨场次、暴雨量呈东南沿海往西北内陆不断减少的趋势,高值区主要为华南地区和长江中下游地区。小暴雨事件与总暴雨事件分布相似;大暴雨主要集中在两广沿海地区、海南的东部和台湾的南部;特大暴雨事件零星分布在中国东南部。近9年,暴雨场次总体呈增加趋势,华南地区和长江中下游地区暴雨场次和暴雨量增加最为明显。     

基于K-means雨型分类方法的温州市台风暴雨时空演变特征研究

伴随全球气候变暖，暴雨事件的频次与强度呈增强趋势，对于暴雨时空演变规律的研究对区域防洪减灾和水资源管理具有重要意义。基于1960—2018年日尺度降雨数据和1980—2017年台风过境期间的小时尺度降雨数据对温州市的暴雨特征时空演变规律进行分析，使用的分析方法包括去趋势预置白的Mann-Kendall趋势检验、基于K-means聚类算法的雨型分析等。日尺度暴雨指标的趋势和突变检验结果显示，暴雨指标受到地形和地理位置影响较大。小时尺度降雨数据的暴雨指标表明，台风暴雨指标随下垫面特征和地形特征不同而呈现不同的特征和变化趋势；山区地区的降雨总量和持续时间的上升趋势高于平原地区。小时尺度暴雨雨型分析表明，温州市暴雨雨型以单峰型为主，单峰中期型占比最大。研究成果有助于加深对该区域暴雨时空演变规律的认识，为区域防洪减灾和水资源管理提供参考。     

济宁市降蒸时空变化趋势分析

利用济宁市1956—2016年长系列降水资料及1980—2016年蒸发资料,统计分析济宁市降水量及蒸发的时空变化趋势。济宁降水水汽来源主要是西太平洋低纬度带暖温气团的侵入和台风倒槽及东风波输送的大量水汽,全市多年平均降水量695.3mm,降水量的地域分布自东南向西北递减,汛期6—9月份降水量占年降水量的70%以上,且常发生特大暴雨,如1971年8月9日微山站1日降水量达558.5mm。多年平均水面蒸发量的变化范围在800～1200mm,地域分布上自南向北递增,且变化不大。     

基于辽宁省洪水要素及致洪雨量时空分布特征探析

结合辽宁省544个雨量站点及64个水文站点近68年数据,对其致灾暴雨洪水时空分布特征进行分析。结果表明:辽宁省暴雨中心降水量在200mm以上的场次暴雨中心多集中于浑江口以下、沿黄渤海东部诸河两个区域,各年代超标准暴雨中心降水量最大值呈下降趋势;最大洪峰模数由东、西部山地向中部平原区递减,致洪临界雨量整体由东南向西北递减。     

基于海陆分异视角的全球暴雨多属性时序变化及其与ENSO的关联性分析

全球气候变化背景下多关注陆地暴雨,而对海洋暴雨及暴雨的海陆分异关注较少。基于1979—2016年ERA-Interim降水数据,采用多种统计方法,从海陆分异视角诊断全球暴雨多属性时序变化特征及其对ENSO的响应。结果表明:(1)1979—2016年全球总体、陆地与海洋的暴雨量及暴雨量贡献率呈增加趋势;全球总体、陆地与海洋的总雨量则呈减少趋势。全球陆地总雨量表现出明显的先增加(1979—2006年)后减少(2007—2016年)的分段变化特征。全球海陆暴雨与总降雨量的对比表明,1979—2016年暴雨量在海洋和陆地均趋于增加,全球较弱强度降雨量趋于减少。(2)MK突变检验结果表明,1979—2016年全球总体、陆地与海洋的暴雨量分别于2006年、1999年和2008年发生了突变,未通过0.05显著性水平检验;全球总体、陆地与海洋的总雨量分别于1998年、2014年和1994年发生了突变,均通过了0.05显著性水平的检验。全球总体、陆地与海洋的暴雨量贡献率分别于2006年、2003年和2007年发生了突变,仅陆地与海洋的突变通过了0.05显著性水平的检验;全球海陆暴雨量与总雨量的突变年份与ENSO的暖事件年或由冷事件向暖事件转变的年份一致。(3)1979—2016年全球陆地与海洋的暴雨量与总雨量在多时间尺度上不具有一致性变化特征,反而表现出反相位或提前与滞后的位相关系。(4)相比ENSO,全球陆地(海洋)暴雨量在高能量波谱区变化提前(滞后);相比ENSO,全球陆地暴雨量在低能量波谱区变化具有一致性或提前特征,而全球海洋暴雨量相比ENSO变化则主要以提前特征为主。     

1961—2016 年中国冰雹日数时空演变特征

采用 1961—2016 年 2 481 站的冰雹日数数据，利用多种统计方法分析了中国及七大地理分 区的冰雹日数时空分布特征和周期变化规律。结果表明: 1961—2016 年中国整体及其不同区域的冰 雹日数整体均呈减少趋势，且西藏(东南)地区明显高(低)于其他 6 个分区和全国平均水平。全国和 七大地理分区的年均冰雹日数在 5 年以下和 30 ～ 60 年尺度上的振荡周期相对显著，且大致都在 1990s 中期至 2000s 中期发生突变。中国冰雹事件多发区域比较稳定，且在分布上西部地区较多，东部地区 较少; 地表复杂地区较多，地表单一地区较少; 高原和山地较多，平原较少; 迎风坡较多，背风坡较 少。2000s 和 2010s 为全国冰雹日数偏多的年代，而 1960s 和 1990s 则偏少。1961—2016 年全国年均 冰雹日数呈增加趋势的地区分布较少，而呈减少趋势的地区主要集中在西藏、青海南部及东北部、四 川西部、新疆西北部、内蒙古中部及其交界的河北北部、内蒙古东北部、黑龙江中部和吉林东部地 区。全国年均冰雹日数波动特征从东南沿海向西北内陆呈现“两端高、中间低”的分布特征。波动较 大的地区主要分布在华东、华南、华中、重庆、四川东部、陕西南部、内蒙古西部、新疆东部及其交 界的甘肃地区、新疆南部及其交界西藏地区。     

祁连山北麓牧区植被生长季不同等级降水时空变化特征

以祁连山北麓肃南县牧区为研究区,选取周边7个气象站1961-2016年的日降水资料,采用气候倾向率、Hurst指数、Mann-Kendall检验和反距离加权插值等方法,对肃南县植被生长季降水的时空变化特征进行研究。结果表明:肃南县植被生长季降水量和降水强度距平百分率趋势显著增加,而降水日数增加趋势不显著;植被生长季降水量和降水强度在1998年发生显著突变,而降水日数无显著突变;植被生长季降水以小雨为主,中雨降水变异系数较大,但近年来趋于稳定上升状态;植被生长季降水日数和降水强度在空间上呈东南多西北少,小雨降水分布与其分布类似,而中雨强度呈南少北多的空间分布差异;小雨对肃南县植被生长季降水量贡献较大,但近年来中雨比小雨增加明显,降水时空分布呈不均衡发展趋势。     

1961—2017 年京津冀地区极端降水事件变化特征

为了给京津冀地区防洪减灾及水资源管理提供科学参考，有必要对该地区极端降水事件的变化特征进行探究。根据 25 个气象站 1961—2017 年的逐日降水资料，计算了京津冀地区 10 个极端降水指数。通过因子分析得到 4 个公因子，进而选取中雨日数( Ｒ10) 、1 日最大降水量( ＲX1day) 、连续无雨日数( CDD) 、连续降水日数( CWD) 等 4 个代表性极端降水指数，采用线性倾向率、滑动 T 检验、反距离权重插值( IDW) 、小波分析等方法进行研究。结果表明: ( 1) 近 57a 来，Ｒ10、ＲX1day、CWD分别以 － 0. 27 d、 － 1. 60 mm、 － 0. 29 d /10a 的速率减少，CDD 以 1. 50 d /10a 的速率增加。( 2) CWD 在 995 年由增加突变为减少，Ｒ10、ＲX1day、CDD 均未发生突变。( 3) Ｒ10、ＲX1day、CDD、CWD的第 1 主周期尺度介于 9 ～ 25a，相应的平均周期介于 4. 5 ～ 12. 8a。( 4) ＲX1day 空间差异最大，Ｒ10次之，CDD、CWD 分布较均。( 5) 近 57a 来，京津冀各地区 Ｒ10、CWD 的变化趋势增减不一，但变幅均很小，大部分地区 ＲX1day 呈减少趋势，减幅西北低、东南高，而 CDD 主要呈增加趋势，增幅北高南低。1961—2017 年，京津冀地区呈现干旱化趋势，而这种变化与综合 ENSO 指数( MEI) 总体上并无显著关联。     

地球工程对全球陆地极端降雨影响的空间分异研究

地球工程应对气候变暖已成为近年来学界广泛讨论的焦点问题之一。基于BNU-ESM模式数据,采用百分位数阈值方法界定强降雨和极端强降雨事件,从气候态特征、变化趋势和波动特征三个角度对比分析了地球工程情景(G4试验)和非地球工程情景(RCP4.5)下全球陆地强降雨量和极端强降雨量的空间分异特征。结果表明:(1)在气候态特征上,地球工程实施并未从根本上改变强降雨和极端强降雨量的空间高低分异格局,仅数值上有所差异。两种情景下气候态差异特征表明地球工程在2020—2069年实施期间对北(南)半球以抑制(促进)作用为主,而在2070—2099年实施结束后对北(南)半球以促进(抑制)作用为主。地球工程实施结束后相比实施期间促进了全球多数地区的强降雨和极端强降雨量。(2)在变化趋势上,两种情景下的强降雨量变化趋势在2020—2069年存在一定差异特征,而在2010—2099年和2070—2099年具有较高的一致性。两种情景下的极端强降雨量变化趋势则在2020—2069年和2070—2099年呈现出异质性。两种情景下变化趋势差异特征表明, 2070—2099年地球工程均促进了强降雨和极端强降雨量增加趋势。强降雨和极端强降雨量在地球工程实施前后均具有不同的区域性特征。(3)在波动特征上,地球工程实施不同阶段强降雨和极端强降雨量波动特征的空间高低分异格局相差不大,仅数值上有一定差异。两种情景下波动差异表明地球工程实施不同阶段均减小了强降雨量的波动特征。但极端强降雨量则在2020—2069年和2070—2099年呈现出相反的波动差异特征。地球工程情景下实施结束后的波动特征明显高于实施期间。     

基于时空分异的中国1961—2018年不同极端气温指数演变特征

为诊断变化环境下中国极端气温事件的动态演变特征,基于中国气象局国家气象信息中心的《中国地面气象要素年值数据集》的545个气象站点观测数据,考虑平均气温、气温年较差、极端最高气温和极端最低气温4项指标,采用距平分析、线性趋势、变异系数等多种统计方法,从多属性角度诊断1961—2018年中国极端气温指数时空分异特征。结果表明:(1)在气候态上,1961—2018年中国不同极端气温指数表现出多种时空分异特征,首先是纬度主导下的南北分异,其次是经度主导下的东西分异,最后是海拔主导下的高低分异。(2)在年代距平上,中国平均气温距平随年代发展逐渐由负距平为主演变为以正距平为主。气温年较差距平在东西地区具有年代差异特征。极端最高气温距平在西藏地区演变特征与平均气温距平相一致。极端最低气温距平在1960年代和1970年代以负距平为主,而在1980—2010年代以正距平为主,且具有东西和南北分异特征。(3)在变化趋势上,中国平均气温和极端最低气温在1961—2018年均以增加趋势为主,且多数地区增加趋势速率分别超过了0.8℃/10 a和0.4℃/10 a。气温年较差和极端最高气温在西藏地区以减少趋势为主,且多数地区的减少趋势速率超过了0.4℃/10 a。中国整体趋于增暖的背景下,东部地区的高温事件在区域增多增强。(4)在年际变异上,1961—2018年中国平均气温年际变异最大,极端最低气温次之,气温年较差再次之,极端最高气温最小。上述结果表明中国气温在朝着极端化方向发展,需要高度关注极端气温事件风险及其引发的工程灾害事件。     

近50年辽宁省大雨与暴雨时空变化特征分析

选取1965—2014年辽宁省23个气象站的逐日降水量资料,利用趋势分析法、小波分析法和普通克里金空间插值法对研究区大雨与暴雨事件进行时空变化特征分析,结果表明:① 辽宁省大雨天数在20世纪60至70年代以增大趋势为主,80年代起转为减少趋势。大雨强度在20世纪60年代中后期和21世纪初主要呈现增大趋势,中间时段以减少趋势为主。暴雨天数和暴雨强度在1984年以后均呈现稳定的增加趋势。② 大雨与暴雨事件的周期变化具有一致性特征,均存在34年左右的主周期和19年左右的次周期。③ 大雨与暴雨事件的空间分布均呈现出由辽东南(丹东为中心)向辽西北(朝阳为中心)逐渐减少的变化特征。此外,从空间趋势变化来讲,除大雨天数外的其他指标在全省范围内均以增加为主,辽宁省西北部地区洪涝灾害风险较小,防洪减灾工作应重点集中在中东部地区。     

1961—2012年黄土高原干旱时空分布特征

干旱是黄土高原主要自然灾害之一。为了揭示黄土高原干旱的变化规律,以该区为研究对象,获取研究区及其周边72个气象站点1961—2012年的逐日降水观测资料,以连续无有效降雨日数作为干旱指标,采用神经网络算法和数理统计法,分析近52年黄土高原干旱的时空变化特征。结果表明:(1)黄土高原不同等级干旱发生次数年内变化显著,轻度干旱发生次数在春、夏季相对较多;中度干旱和严重干旱发生次数年内变化趋势相似,均易发生在冬季;特大干旱发生次数多集中在春季。(2)近52年来不同类型区干旱变化亦显著,各分区干旱发生次数整体均呈上升趋势,2001—2012年各分区干旱发生次数最多。(3)黄土高原干旱发生总次数和春季干旱发生次数整体均呈由西南向东北逐渐增加趋势,夏季干旱多发生在黄土高原北部边界处,秋季干旱发生次数较多的有黄土高原西北部丘陵沟壑区、陕甘宁河流阶地及高原沟壑区的北部和汾河平原及晋陕丘陵沟壑区,冬季干旱整体呈面状分布。(4)轻度和中度干旱发生次数大体相似,均呈由西南向东北逐渐增加趋势,严重干旱多发生在黄土高原北部边界处,特大干旱多发生在黄土高原西北部丘陵沟壑区。研究成果对制定黄土高原防灾减灾政策有一定的参考价值。