透视地球工程对全球陆地气候变化趋势和波动特征的影响及区域差异

为诊断地球工程对全球陆地气候变化趋势和波动特征的影响,采用BNU-ESM模式的地球工程和非地球工程情景日值气温和降水数据,对比分析了两种情景下整个研究时段(2010—2099年)、地球工程实施期间(2020—2069年)和地球工程实施结束后(2070—2099年)的全球陆地气候变化特征及区域差异。结果表明:(1)两种情景下全球陆地气温变化趋势空间格局的一致性优于降雨量变化趋势空间格局。3个时段全球陆地气温主要以增加趋势为主,2070—2099年两种情景下开始出现减少趋势。地球工程在不同时段改变了不同区域和次区域降雨量变化趋势的方向。(2)地球工程在3个时段对全球陆地气温变化趋势的影响具有异质性。地球工程在2010—2099年对气温增减趋势影响最小,多介于-0.2～0.2℃/(10 a)之间;在2020—2069年对气温增加趋势的抑制作用最大,多数地区抑制幅度超过了0.4℃/(10 a);在2070—2099年对气温增加趋势的促进作用最大,多数地区促进幅度超过了0.4℃/(10 a)。地球工程实施前后全球陆地降雨量变化趋势差异增大,尤其是在中低纬度地区呈现出明显的区域与次区域特征。(3)地球工程未对全球气候的波动性产生根本改变。两种情景下的全球陆地气温和降雨量的波动特征具有较好的一致性。(4)地球工程对北半球陆地气温波动的影响大于南半球陆地。地球工程情景下实施结束后的气温波动特征明显小于实施期间。地球工程对全球陆地降雨量波动特征的影响具有异质性。2020—2069年地球工程对南(北)半球陆地的降雨量波动特征的影响以促进(抑制)作用为主;地球工程对2070—2099年及地球工程实施前后降雨量波动特征的影响恰好与2020—2069年相反。     

1.5℃温控目标下地球工程对全球陆地气候的潜在影响及区域差异

基于BNU-ESM模式2010—2099年的地球工程情景和非地球工程情景日值气温和降水数据,对比分析了两种情景下整个研究时段(2010—2099年)、地球工程实施期间(2020—2069年)和地球工程实施结束后(2070—2099年)的全球陆地气候格局及其差异特征。结果表明:(1)在气候格局上,两种情景下的全球陆地年均气温和降雨量在三个研究时段的空间高低分异格局基本一致,并未发生根本性的变化,地球工程并未颠覆原有的气候分布特征。全球陆地年均气温和降雨量在2010—2099年、2020—2069年和2070—2099年的空间相关系数分别为0.54、0.51和0.59与0.55、0.50和0.52(n=2 658),均通过了0.01显著性水平的检验。(2)在气候差异上,三个研究时段的全球陆地年均气温在地球工程情景下相比非地球工程情景明显降低,有助于《巴黎协定》1.5℃和2.0℃温控目标的实现。其中2020—2069年全球陆地年均气温降低幅度最大,2010—2099年次之,2070—2099年最小。地球工程实施期间北半球陆地的降低幅度高于南半球陆地。在2010—2099年和2020—2069年,地球工程对全球陆地的年均降雨量以抑制作用为主,促进作用为辅,2070—2099年则以促进作用为主,抑制作用为辅,且具有明显的南北半球差异特征。地球工程实施期间北半球多数陆地的年均降雨量减少,而南半球陆地则增多。地球工程实施结束后北半球中低纬度的年均降雨量普遍增多。(3)在地球工程实施前后差异上,地球工程实施结束后相比实施期间,全球陆地年均气温明显增加,且北半球陆地增加幅度高于南半球陆地,北半球陆地高纬度地区高于北半球陆地低纬度地区。考虑到两种情景下的气温差异,地球工程情景下实施结束后的温升幅度仍未超过非地球工程情景。研究成果对于认识地球工程的气候影响具有参考意义。     

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。     

透视地球工程对全球陆地不同重现期极端降雨强度的潜在影响

全球气候持续增暖背景下地球工程逐渐成为国际气候谈判中的焦点话题。基于2020—2099年BNU-ESM模式地球工程和RCP 4.5情景下的非地球工程日值降水数据,采用超阈值取样和韦伯分布计算极端降雨强度,并对比两种情景下的极端降雨强度差异特征;最后对比地球工程实施的2020—2069年和结束后的2070—2099年的极端降雨量差异特征。结果表明:(1)2020—2099年两种情景下的极端降雨(包括强降雨和极端强降雨)强度的空间格局并未出现根本差别,反而具有较好的一致性,表明地球工程实施未对极端降雨强度的空间高低分异格局产生颠覆性影响。(2)地球工程对低强度极端降雨影响较小,对高强度极端降雨影响较大,并呈现出区域差异性,且随着重现期增加,差异特征逐渐增大。(3)地球工程使得强降雨强度在干旱地区减弱,而在湿润地区增强,且对北半球陆地的影响明显高于南半球陆地。(4)2020—2069(2070—2099)年地球工程实施期间南半球陆地极端降雨量趋于增多(减少),北半球陆地趋于减少(增多);整体而言地球工程实施的2020—2069年抑制了极端降雨量增多,而2070—2099年则促进了极端降雨量增多。研究成果对于认识地球工程对极端天气气候的影响具有一定的参考价值。     

太阳辐射管理地球工程对中国不同强度降雨量的潜在影响

在《巴黎协定》制定的1.5℃温控目标面临挑战的背景下,地球工程作为人为快速给地球降温的手段,逐渐成为学界关注的焦点话题之一。采用BNU-ESM模式的2020—2099年地球工程和非地球工程(RCP4.5)情景下的0.5°×0.5°的日值降水数据,基于中国气象局中央气象台划分的24 h降雨强度划分标准,诊断了地球工程实施期间(2020—2069年)和结束后(2070—2099年)的5种强度降雨量的空间格局及差异特征,以此来揭示地球工程实施对中国不同强度降雨量的潜在影响。结果表明:(1)地球工程在实施期间及结束后并未根本性改变中国不同强度降雨量的空间分布格局,两种情景下的中国不同强度降雨量空间高低分异格局具有相似性,但地球工程实施结束后的中国不同强度降雨量的相似性整体低于实施期间。(2)两种情景下的差异表明在地球工程实施期间,地球工程对中国低强度降雨量以促进作用为主,抑制作用为辅;对中高强度降雨量则以抑制作用为主,促进作用为辅。在地球工程实施结束后,地球工程对低强度降雨量起抑制作用的区域增多,对高强度降雨量起促进作用的区域增多。(3)地球工程情景下实施前后表明,相比实施期间,地球工程实施结束后对中国不同强度降雨量的影响主要以促进作用为主,抑制作用为辅。研究对于认识地球工程对中国气候的影响具有前瞻性意义,同时也可为中国在地球工程国际治理和谈判中提供科技支撑。     

饶河流域未来水资源量变化预测分析

利用景德镇气象站1961-2001年的实测降水、气温数据以及NCEP再分析数据,建立饶河流域降水、气温的SDSM统计降尺度模型;根据IPCC AR4排放情景特别报告中的A2和B2情景,对HADCM3输出数据进行降尺度处理,预测饶河流域未来时段(2010-2099年)的降水、气温变化情况;与新安江模型进行耦合,得到未来时段饶河流域的水资源量。结果表明:饶河流域未来水资源量持续减少,且A2情景比B2情景的降幅更大,至2080s时期(2070-2099年)昌江支流最大降幅可达31.01%。     

酒泉肃州区近60年气温降雨变化特征及相关分析

为揭示酒泉肃州地区年气温、降雨变化趋势及规律,采用趋势分析、突变检验、R/S分析以及小波分析方法,对研究区1951—2018年气温、降雨数据进行分析计算,结果表明:研究区年平均气温上升趋势明显,气温上升倾向率约为0.229℃/(10a),年平均气温突变点位于1997年左右,1999年后增温趋势更为显著,结合R/S分析,Hurst指数为0.958,预测肃州地区未来气温仍将处于上升状态,且持续性较强;研究区年降雨量2000年前波动剧烈,2000年后波动上升,降雨上升倾向率为2.96 mm/(10a),年降雨量突变发生在2005年后,突变区间年降雨量振荡变化较为明显,R/S分析Hurst指数为0.557 8,未来年降雨量仍将处于上升状态;连续小波表示年降雨气温均有时段周期性,交叉小波与小波相干谱表明年气温、降雨变化具有一定相关性且存在一定时段的共振周期。     

基于SDSM模型的博斯腾湖流域水资源变化模拟

全球气候变暖对陆地水循环会产生重大影响,统计降尺度方法是解决大尺度气候信息和小尺度水文响应的空间尺度不匹配问题的有效方法之一。文章采用SPEI指数与SDSM(Statistical Down-Scaling Model)方法,进行流域气候变化特征量的降尺度研究。结果表明:近50 a来,塔里木河流域SPEI指数呈显著上升趋势并在1986年发生突变;博斯腾湖水位变化与流域SPEI指数变化具有一致性,湖水位在1955—1986年以下降为主,1987—2002年以上升为主;SDSM模型的气温模拟能力较好,对日降水的模拟值偏小,未来日均、日最高气温在A2、B2两种情景下均呈上升趋势,日最低气温在B2情景下呈下降趋势;2种情景下的年降水量在2020年和2030年均呈下降趋势;在A2情景下,开都河出山口日径流量呈下降趋势;在B2情景下,日径流量在2010年时段呈增加趋势,在2020年和2030年呈持续下降趋势。     

孟津县历史气象分析及未来气候变化预测

利用中国气象科学数据共享服务网已整编的孟津气象站1961~2008年气象数据及IPCC数据发布中心提供的1950~2099年的全球栅格气象数据,对孟津县过去48年的气候变化特征及趋势进行详细的研究和分析,并对未来气候变化进行了预测。结果表明,孟津县年降水量在1984年之前为降水偏多时段,随后波动减少,在2004年之后呈现明显的下降趋势,并无回升迹象。总体上,孟津县的气温变化呈现出上升的趋势,其主要原因是最低温度的显著升高。在未来气候情景下孟津县的降水量、平均气温都将会有所增加,且变化趋势与全国未来气候变化趋势分析结果一致。     

鄱阳湖流域未来降水变化预测分析

利用鄱阳湖流域的 13 个国家气象站 1961-2001 年的实测降水数据和 NCEP 再分析数据,建立了鄱阳湖流域降水的统计降尺度模型;在 IPCC 2000 年排放情景特别报告（ SRES ）中的A2和B2 排放情景下,应用 HadCM3 的输出数据,预测鄱阳湖流域未来3个时段（2010-2039 年、 2040-2069 年、 2070-2099 年）的降水变化情况。结果表明：鄱阳湖流域大部分区域的降水量有所增加,在本世纪末最大可能增加 11.15% 。     

轴对称条件下水泥土强度特性试验研究

通过水泥土等P三轴剪切试验、常规三轴固结排水剪切试验(CD)与三轴固结不排水剪切试 验(CU),对水泥土力学特性进行研究,讨论水泥土的应力一应变曲线变化特点和强度特性。试验结 果表明:水泥土的应力一应变曲线为软化型,软化程度与围压有关;不同应力路径对水泥土强度有一 定的影响,但影响程度较弱;小围压作用下水泥土具有剪胀性,类似强超固结土;高围压下,水泥土 类似弱超固结土;残余强度均随围压的增加呈线性增大,CD试验残余强度高于CU试验,残余强度 与峰值强度的比值随围压的增大而增大,增大速率逐渐减小;水泥土CU试验的有效强度包线与CD 试样强度包线基本一致。     

Adaptation to Climate Change in the Management of a Canadian Water-Resources System Exploited for Hydropower

The management adaptation potential of the Peribonka River water resource system (Quebec, Canada) is investigated in the context of the evolution of climate change. The objective of this study is to evaluate the impacts on hydropower, power plant efficiency, unproductive spills and reservoir reliability due to changes in the hydrological regimes. The climate change projections used here are from the Canadian regional climate model (CRCM) nested by the Canadian-coupled global climate model (CGCM3) forced with the SRES A2 greenhouse gas emission scenario. The hydrological regimes were simulated with the distributed hydrological model Hydrotel. They were incorporated into a dynamic and stochastic optimization model in order to adapt the operating rules of the water resource system annually, according to the evolution of the climate. The impacts were analyzed over the years 1961–2099, split into four periods for comparison purposes: control period (1961–1990), horizon 2020 (2010–2039), horizon 2050 (2040–2069) and horizon 2080 (2070–2099). The main results indicate that annual mean hydropower would decrease by 1.8% for the period 2010–2039 and then increase by 9.3% and 18.3% during the periods 2040–2069 and 2070–2099, respectively. The trend to increase is statistically significant starting from 2061 (Mann–Kendall with p = 5%). The change in the mean annual production is statistically significant for the 2040–2069 and 2070–2099 periods (t-test with p = 5%). Also, the change in the variance is significant for the periods 2010–2039, 2040–2069 and 2070–2099 (F-test). Annual mean unproductive spills would increase from 1961–2099, but the trend is not statistically significant. However, the changes in the variance of the annual mean spills are significant in the periods 2010–2039, 2040–2069 and 2070–2099. Overall, the reliability of a reservoir would decrease and the vulnerability increase as the climate changes.     

气候变化对嘉陵江流域降水变化影响分析

以长江上游支流嘉陵江为研究对象。利用嘉陵江流域的11个国家气象站1961年-2001年的实测降水数据和NCEP再分析数据,建立了嘉陵江流域降水的统计降尺度模型。在A2和B2排放情景下应用HadCM3的输出数据,预测嘉陵江流域未来三个时期（2010年-2039年、2040年-2069年、2070年-2099年）降水变化情况。分析结果表明相对于基准期的模拟降水量,在HadCM3的A2和B2排放情景下．模拟得到嘉陵江流域大部分区域的降水量有明显上升趋势。     

Modelling the Potential Impacts of Climate Change on Snowpack in the North Saskatchewan River Watershed, Alberta

The North Saskatchewan River basin is a large watershed in central Alberta that provides water for a range of stakeholders, including large municipalities, agricultural operations, power generation, and resource extraction industries. This study assesses potential future changes in snowpack for the North Saskatchewan River watershed in response to a range of GCM-derived climate warming scenarios representing the periods from 2010-2039 (2020s), 2040-2069 (2050s), and 2070-2099 (2080s). The GENESYS (GENerate Earth SYstems Science input) spatial hydrometeorological model is applied to simulate potential changes in the zero degree isotherm, precipitation phase, watershed average maximum spring snow water equivalent (SWE), the dates of maximum and minimum SWE, and snowmelt period for these future climate scenarios. Climate warming is likely to result in an upwards shift in elevation of the zero degree isotherm, with a transition to more precipitation occurring as rain than snow. Although watershed average maximum SWE may not change under future conditions, the timing of spring snowmelt onset is likely to change under the future climate scenarios applied. It is demonstrated that increased air temperatures are expected to result in substantial changes in snowpack processes in the North Saskatchewan River watershed.     

新安江流域气候变化及径流响应研究

针对新安江流域新安江水库控制区域,构建新安江月水文模型,利用1979-2005年实测水文资料对模型进行率定和验证,并以CMIP5大气环流模式输出驱动水文模型,生成2006-2099年该流域在RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5情景下的逐月径流过程。在此基础上,研究气候变化背景下流域气温、降雨、蒸发和径流的变化趋势,并对其不确定性进行分析。结果表明:2006-2099年该流域年均气温与年蒸发深度均呈上升趋势,且对于辐射强度变化较敏感,呈显著正相关关系。流域年降雨量与径流深呈波动上升趋势,对于辐射强度变化敏感性并不显著。年径流深在丰水年和平水年相对基准期有所减少,而在枯水年和特枯水年则呈增加趋势。月径流深在秋、冬季呈上升趋势,在春、夏季则呈下降趋势。     

1901—2018年“一带一路”陆域地区降雨量时空变化格局

"一带一路"地区是全球气候变化的敏感区和显著区,为了安全推进"一带一路"的高质量建设,亟需全面认识域内气候变化特征。基于1901—2018年英国东英格利亚大学气候研究所提供的0.5°×0.5°的网格降水数据集CRU TS4.03,采用线性趋势、变异系数等多种数理统计方法,从气候分布、变化趋势和波动特征及时相差异特征诊断"一带一路"陆域地区的降雨量时空变化特征。主要得到如下结论:(1)1901—2018年"一带一路"陆域地区年总降雨量气候分布呈现纬向地带性和海陆地带性特征,其中季风气候区和热带地区分布较大,多数超过了1 600 mm。1960年前后"一带一路"陆域地区的年总降雨量在北半球高纬度地区和东南亚地区差异显著。在时序上1901—2018年"一带一路"陆域地区年总降雨量呈增加趋势且具有30年分段并在1938年发生了突变,整体趋势值为2.90 mm/10 a, 1901—1930年、1931—1960年、1961—1990年和1991—2018年的趋势值分别为6.90 mm/10 a、15.69 mm/10 a、-0.94 mm/10 a和1.25 mm/10 a,均通过了0.05显著性水平的检验。(2)1901—2018年"一带一路"陆域地区年总降雨量在北半球高纬度地区和大洋洲呈现明显增加趋势,趋势值超过了20 mm/10 a。对比来看"一带一路"陆域高纬度地区在朝着暖湿化方向发展,而北半球中纬度地区在朝着暖干化方向发展。1960年前后"一带一路"陆域地区的年总降雨量趋势差异整体以负差异为主。(3)1901—2018年"一带一路"陆域地区年总降雨量波动特征较大的地区主要分布在非洲北部及毗邻的阿拉伯半岛、中国西部、澳大利亚中部等地区。1960年前后"一带一路"陆域地区年总降雨量的波动差异也主要集中在上述地区,但面积分布上有所减小。     

“一带一路”区域未来RCPs情景降水变化分析

以“一带一路”地区作为研究区域,利用分位数映射法的4种传递函数订正全球气候模式(HadGEM2-ES)不同RCPs(Representative Concentration Pathways,温室气体浓度轨迹)情景的月降水量,以获得更具可靠性的未来降水变化的预测结果;在此基础上分析未来各地区不同RCPs情景年降水量变化趋势以及差异情况。利用均方根误差RMSE和降水偏差diff分析比较分位数映射法的订正效果,结果显示线性参数化方案PTFl法建立的传递函数综合订正效果最佳;同时也发现未订正的HadHEM2-ES在东亚和俄罗斯等地区存在明显的降水增加趋势高估。订正后的未来“一带一路”降水变化显示:①东亚、东南亚和俄罗斯地区的降水量在4个情景多为增加趋势,北非、西亚地区在4个情景多为减少趋势。②未来平均年降水量总体呈增加趋势;区域平均值中,EA(东亚)和Rus(俄罗斯)增加趋势明显,WA(西亚)和NAfr(北非)则是减少趋势。各地区降水突变情况存在明显的情景差异,RCP2.6情景突变情况最少,其他3种情景在不同地区都有不同的表现。分析结果为今后的政策制定或工程建设提供有效的参考依据。     

Climate Change Impacts on Water Resources and Lake Regulation in the Vuoksi Watershed in Finland

The impacts of climate change on hydrology and water resources in the Vuoksi watershed in eastern Finland were studied in order to assess the possibilities to adapt lake regulation to the projected changes. A conceptual watershed model and several climate scenarios were used to estimate the effects of climate change on three lakes in the Vuoksi watershed for 2010–2039, 2040–2069 and 2070–2099. The adaptation possibilities were studied by using alternative regulation strategies. In Lake Pielinen the impacts of these water level changes on social, economic and ecological indicators were assessed with two different outflow strategies. According to the results, climate change will alter snow accumulation and melt and therefore cause large seasonal changes in runoff and water levels. Runoff and water levels will decrease during late spring and summer and increase during late autumn and winter. In some lakes current calendar-based regulation practices and limits, which have been developed based on past hydrology, may not be appropriate in the future. Modifying the regulation practices and limits is a necessary and effective way to adapt to climate change.