区域气候模式PRECIS对中国气候的长期数值模拟试验

利用欧洲中心ERA40再分析资料驱动区域气候模式PRECIS,对中国地区进行了50km水平分辨率、40a(1961-2000年)时间长度的连续积分,并对模拟的温度和降水与观测资料进行了比较分析。结果表明:模式对中国地区温度和降水的年、季空间分布型态均具有一定的模拟能力,对温度和降水的年际变化也有较好的模拟效果,尤其对于20世纪80年代后期出现的暖冬以及1998年的夏季极端降水都有较好的体现。但模式不足在于区域内普遍存在模拟的气温略高于实况的系统性暖偏差,幅度一般在1~3℃;内蒙古和东北地区年降水量比观测值明显偏多,长江以南地区和四川盆地的降水中心范围都明显偏大,位置偏南。总体来看,无论是空间分布还是年际变化,模式对温度的模拟能力明显优于降水。     

利用ECMWF再分析数据验证PRECIS对中国区域气候的模拟能力

本文利用1979～1983年的ECMWF再分析数据作为准观测侧边界条件驱动Hadley气候预测和研究中心的区域气候模式系统PRECIS，验证PRECIS对中国区域的气候模拟能力。选择典型的观测站点北京模拟的日最高，最低气温、太阳短波总辐射和月均降水量与观测结果进行直接比较，显示：PRECIS具有很强的模拟地面气候季节变化的能力。全国740个台站的观测与模拟值的统计分析表明：尽管模拟的最高，最低气温在0℃附近有一‘锯齿’状的偏差，PRECIS能够很好地模拟全国范围最高，最低气温的型态分布特征；从全国范围看，模拟的降水值偏高，但显示出很强的模拟极端降水事件的能力；模拟的地面太阳短波总辐射与全国122个台站的观测结果的比较显示：PRECIS模拟的辐射值偏高，全国范围内约高22％。因此，当应用PRECIS输出结果进行气候变化的影响评价时，需要对模式的输出结果进行订正。     

SRES A1B情景下内蒙古地区未来气温、降水变化初步分析

利用全球气候模式HadCM3Q0驱动区域气候模式系统PRECIS（Providing Regional Climates for ImpactsStudies）模拟SRES A1B情景下的内蒙古地区气候变化,对气候基准时段（1961-1990年）气温和降水的模拟效果及2011-2100年的气温、降水变化响应进行了初步分析。结果表明：对气候基准时段,PRECIS能够模拟出内蒙古地区气温、降水的空间分布及频率分布特征;A1B情景下,未来90a年平均气温高值中心基本位于额济纳旗及呼伦贝尔附近,增温2～5.6℃,低值中心基本位于全区中南部,增温1.4～4.8℃。年际变化上,2011-2040年、2041-2070年和2071-2100年增温显著且各时段30a的平均值较基准时段气温分别升高1.7、3.5和5.1℃。日平均气温的频率分布模拟结果表明,未来发生高温事件的可能性增大;就年降水量而言,内蒙古地区的西部沙漠戈壁地区与呼伦贝尔部分地区呈减少趋势,其余区域未来90a可能增加10%～20%,增加的高值中心位于赤峰及通辽南部附近。年际变化上,2011-2040年、2041-2070年和2071-2100年各时段30a的平均年降水量比气候基准时段增加10.7%、17.1%和14.1%。日降水量频率分布表明,未来发生强降水事件的次数可能增多。     

PRECIS模拟区域的选择对宁夏区域气候模拟效果的敏感性分析

选定4种大小不同的模拟区域设置25km水平分辨率的PRECIS系统于宁夏地区,利用欧洲中期天气预报中心(ECWMF)1978年12月-1979年9月的再分析数据作为准观测边界条件驱动PRECIS,通过模拟的宁夏地区冬夏两季日平均气温和降水与观测资料的对比,分析25km水平分辨率气候模拟结果对模式区域选择的敏感性。结果表明:25km水平分辨率的PRECIS在4种不同模拟区域下都能较好地模拟宁夏地区典型年的日平均温度和降水量,尤其是对降水的模拟效果更好;总体上,PRECIS的模拟效果随着模拟区域的缩小而下降,但PRECIS在中小模拟区域下仍然能够获得较好的模拟效果。考虑到计算成本,本研究认为在中小模拟区域下25km水平分辨率的PRECIS能够较为高效地进行宁夏地区的气候模拟。     

CMIP6模式对中国西南地区气温的模拟与预估

应用1961−2014年CN05.1月平均气温观测数据集，以及国际耦合模式比较计划第六阶段(CMIP6)的19个全球气候模式数据，基于泰勒图、泰勒指数和年际变化技巧评分，系统评估了CMIP6模式对中国西南地区气温的气候态空间分布以及年际变化的模拟能力，并预估该地区未来气温在SSP1−2.6、SSP2−4.5、SSP3−7.0和SSP5−8.5情景下的变化特点。结果表明：（1）与其他季节相比，大多数CMIP6模式对研究区1961−2014年秋季气温气候态空间分布的模拟表现最好；CMIP6模式模拟四季和年平均气温年际变化的结果整体偏低。19个模式中对西南地区气温模拟较好的模式有ACCESS−CM2、CMCC−CM2−SR5和CMCC−ESM5。（2）3个较优模式的等权重集合，在模拟气温的气候态空间分布和年际变化方面优于19个模式的等权重集合。（3）与1961−2014年同期观测结果的多年平均气温相比，未来西南地区四季及年平均气温在4种情景下均呈升高趋势，四季和年平均气温升高0.94～3.48℃。4种气候情景下均表现为夏季升温最多（2.17～3.48℃），且夏季平均气温的年际波动幅度最小；冬季升温最少(0.94～2.24℃)，其年际波动幅度最大。（4）在21世纪初，4种情景间季节和年平均气温的升高趋势差异不大，随着时间的推移，到21世纪中期，高辐射强迫情景下气温的升高趋势逐渐高于低辐射强迫情景。（5）在4种情景下，21世纪初期（2015−2034年）、中期（2045−2064年）及末期（2081−2100年）的多年平均气温与历史（1961−2014年）观测气温的距平值均呈现西北大于东南、高纬度高海拔地区大于低纬度低海拔地区的空间分布特点。随着时间推移，在21世纪末期，同一地区高辐射强迫情景的气温距平值明显高于低辐射强迫情景。     

CMIP5全球气候模式统计降尺度数据对辽宁省极端气温模拟能力评估

利用1971−2010年辽宁地区32个气象台站观测资料,采用SS指标和M2指标,评估CMIP5气候预估降尺度数据集中31个模式对辽宁省全年和4个季节极端气温指数时空变化特征的模拟能力,并经MR综合评级,筛选模拟效果最好的模式。极端温度指数选用平均最高气温（TXm）、平均最低气温（TNm）、霜冻日数（FD0）、夏日日数（SU25）、最低气温极小值（TNn）、最高气温极大值（TXx）和极端气温范围（ETR）。结果表明：对单一极端气温指数而言,所有模式对表征气温平均特征的指数模拟效果较好,对表征连续极端气温事件的指数模拟效果一般,而对气温的极端特征模拟能力不足。由于模式对全年、各季节各极端气温指数的排名无一致性,引入MR评级指标进行排序,优选的3个模式为MPI-ESM-LR、GFDL-ESM2M和MIROC-ESM-CHEM。比较发现,优选模式集合平均结果相对于观测值的误差百分率整体上明显优于所有模式的集合平均结果,具有可用性。研究结果可为预估未来区域极端气温提供理论参考,建立的逐日模式资料可为开展辽宁农业气象灾害风险相关研究提供数据支撑。     

数值模拟气候情景下未来30年内蒙古三种主要粮食作物生长季气温和降水量变化

利用PRECIS区域气候模式在SRES(A1B、A2和B2)大气主要温室气体排放情景下的降尺度数据集和中国国家气候中心CMIP5数值气候模式模拟结果,确定两种不同模式格点在内蒙古10个产粮盟(市)农区的位置和分布,并计算各盟(市)小麦、玉米和马铃薯生长季80a(1961-2040)数值模拟的月气温和降水量.通过与各盟(市)过去50a(1961-2010)气温和降水量观测数据比较,确定了数值模拟的偏差,并利用模拟值与观测值之差对未来30a(2011-2040)的模拟数据进行偏差订正处理,订正后的模拟结果显示,与过去50a均值相比,内蒙古3种主要粮食作物生长季降水量在未来30a无明显变化趋势,气温呈普遍增加趋势,不同作物生长季气温增幅不一致.研究结果可为预估未来30a内蒙古主要产粮地区的气候条件和未来粮食产量变化趋势提供参考.     

SRES A2、B2情景下宁夏地区日较差、夏季日数及霜冻日数变化的初步分析

利用Hadley气候预测与研究中心的区域气候模式系统PRECIS（Providing Regional Climate for ImpactsStudies）进行宁夏地区SRES A2、B2情景下2071-2100年（2080s时段）日较差、夏季日数及霜冻日数变化响应的初步分析。将ECMWF1979-1993年的再分析数据（ERA15）作为边界条件驱动PRECIS模拟宁夏地区的日较差、夏季日数及霜冻日数。模拟值与台站实际观测资料进行的对比分析表明,PRECIS能够模拟出宁夏地区这些极端指标的空间分布差异和年际变化,总体上来说,日较差、夏季日数模拟值偏大,南部地区霜冻日数的模拟值偏小。3个极端指标气候基准时段（1961-1990年）的模拟频率和观测频率的对比分析表明,PRECIS能够模拟出极端指标的频率分布。另外,用观测数据对模式数据进行了订正,经验证,订正后的值与观测值的吻合程度明显提高。相对于Baseline,SRES A2、B2情景下2080s宁夏大部地区的日较差将减少;夏季日数将增加,两种情景下平均每年增量分别可达69d和48d;而霜冻日数将减少,两种情景下平均每年减少量分别可达50d和36d。     

渭河流域1850—2005年降水及蒸发量变化时空特征

为了探究渭河流域过去气候变化规律及其影响因素,基于CMIP5模式输出产品,采用双曲线插值方法获取渭河流域56个站点1850—2005年降水、蒸发及气温数据。采用最小二乘法、M-K突变检验、小波分析及ArcGIS空间插值方法分析了渭河流域气候要素的多尺度时空特征。结果表明:渭河流域近156 a来年均气温、降水为上升趋势,趋势率分别为0.028℃/10 a,0.09 mm/10 a,年蒸发量为减少趋势,趋势速率为-5.1mm/10 a,温度和降水季节变化与年变化基本趋于一致,蒸发量的减少主要发生在夏秋两季。渭河流域中游、下游与南部降水相对变率变化趋势基本一致,而上游与泾河及洛河支流降水相对变率趋势一致,相对变率在-2.8%～14.98%。整个流域温度、蒸发量相对变率为-2.3%～-3.47%及-2.35%～6.54%。各气候要素均存在5～20 a的短周期变化以及110 a长周期变化,气温及蒸发分别在1986年及1963年发生突变现象,降水无突变点出现。总体而言,渭河流域近156 a气候呈现暖湿化趋向,降水及蒸发存在明显的空间分异以及周期性规律。     

SRES A1B情景下未来宁夏玉米生育期气候资源变化分析

玉米是宁夏的三大粮食作物之一,其种植分布广泛,中部干旱带和南部山区基本属于雨养玉米区,气候条件对当地的玉米生产影响很大。观测到的气候变化已经对当地农业造成不利影响,未来SRES A2和B2情景下宁夏地区的气候变化研究也有一定成果。由于气候变化引发宁夏的气温和降水出现异常,为分析未来中等排放情景下气候变化可能对当地玉米生产造成的影响,本文利用订正后的英国Hadley气候中心区域气候模式PRECIS模拟的情景数据,分析了SRES A1B情景下宁夏未来2020s、2050s和2080s时段相对于气候基准时段(1961—1990年)的玉米生育期(4—9月)平均气温、最高气温、最低气温、≥10℃有效积温和降水的变化,具体方法为先分析气候基准时段宁夏的气候要素分布并与实际状况进行比较,再将未来3个时段的气象要素与气候基准时段求差值(其中降水用距平百分率表示),分析未来玉米生育期的气候变化。结果表明:平均、最高和最低气温以及≥10℃有效积温的模拟值普遍低于实际值,且具有相似的北高南低的空间分布状态,而降水的模拟值在大范围区域内高于实测值,亦呈现出相似的南高北低分布状态,总体来讲模拟值可以较合理地反映出宁夏的实际状况。相对于气候基准时段,未来各气象要素总体表现为增加,且增幅随时间推移而加大;未来最高气温在宁夏南部增加剧烈,平均气温、最低气温和≥10℃有效积温在宁夏北部增加较多,降水则呈现北增南减的分布。在未来3个时段,最高气温和降水分别为增量最大和波动最大的气象要素,出现极端高温天气和发生干旱或洪涝等异常气候事件的可能性增大。总体上看,未来气温升高对宁夏北部灌区的玉米生产有一定促进作用,尤其是≥10℃有效积温的增加可以提供更充足的热量;而南部山区气温增加虽然对玉米生产有利,但是未来降水的减少将会给雨养玉米造成不利影响,应当采取合理的应对措施。     

华北平原近45年农业气候资源变化特征分析

利用华北平原53个气象站1961—2005年逐日气温、降水资料,运用最小二乘法进行线性倾向估计,分析华北平原主要农业气候资源时间、空间变化趋势及其差异。结果表明：华北平原年≥0℃活动积温、5-10月≥10℃活动积温以及〈0℃负积温绝对值的变化与年平均气温的变化密切相关,20世纪60年代-70年代中期是热量贫乏阶段,70年代中期-90年代末是热量增加阶段,90年代末-2005年热量最丰富,但趋势表现为减少;华北北部和东部沿海热量增加趋势明显,中南部≥10℃活动积温呈减少趋势;华北平原全年、夏季降水量减少趋势不显著,但年际间变化增大,多年来降水偏少,2003—2005年的降水量增加;华北平原降水量分配在南北之间、沿海与内陆之间趋于平均,夏季表现尤为明显。     

近50年黑龙江省作物生长季农业气候资源的变化分析

利用1961-2010年黑龙江省28个站点逐日气象资料,应用Mann-Kendall突变检测和线性趋势系数方法分析作物生长季(5-9月)农业气候资源的变化特征,并运用降水集中度和集中期对降水条件进行分析。结果表明,研究区近50a来日照时数平均每10a减少8.8h,稳定突变点在1980年;农业热量资源显著增加,平均气温增加趋势极显著(P<0.01),最低气温升高是增温的主要贡献者,作物生长季气温突变点在1996年,比全年平均气温突变点晚了10a左右,≥10℃积温和积温日数增加也极显著(P<0.01),但积温的初、终日年际间变化较大;农业水资源减少,总降水量平均每10a减少4mm,降水量级越大,降水分配的不均匀性越突出,中雨以下降水日数显著减少(P<0.01),而大雨和暴雨降水日数增加,平均增速分别为0.5和0.45d.10a-1;降水集中期在7月下旬,且降水量级越大,其集中度越大,大雨和暴雨以上降水的集中度分别为57.7%和68.7%,极端降雨过于集中,不利于被农作物有效利用,且容易出现局地洪涝。     

增暖背景下华北平原极端降水事件时空变化特征

利用1961-2010年华北平原53个气象站的逐日降水资料,采用百分位值法定义极端降水事件的阈值,统计极端降水事件的降水量、频次和强度,重点分析华北平原近50 a极端降水事件时空变化特征.结果表明:(1)在气候暖化背景下,近50 a华北平原极端降水事件整体呈现下降趋势;(2)在空间格局上,极端总降水量、发生频率和强度空间格局具有一致性;(3)华北平原极端降水呈现下降趋势的区域主要分布于河北省及山东省东南沿海一带,而河南省大部呈上升趋势;(4)从时间上看各指标均呈波动变化,20世纪60年代表现出明显的减少趋势,且90年代中后期波动变化剧烈,并开始呈现上升趋势.除极端降水强度外,极端总降水量及频次均发生了突变,时间在1965年左右.     

近50年来甘肃省河西中部地区径流变化特征及驱动因素

[目的]对近50a来甘肃省河西中部地区径流变化特征及驱动因素进行分析,为该地区生态建设和社会经济的可持续发展提供科学依据。[方法]应用研究区径流数据,以年际极值比和变差系数反映径流的年际变化特征,运用数理统计方法开展研究。[结果](1)研究区年内径流呈单峰型,夏季所占比例最高,冬季最低;该区径流以降水量补给为主。(2)年均径流近年来呈减少趋势,丰枯变化较小,但与其海拔呈正相关;从西至东由减少趋势逐渐减弱至增加趋势明显。(3)年均径流突变性特征一致性较差,年际变化具有多尺度循环振荡周期,主要存在8和24a明显准周期,其中8a波动最强,其径流先后经历了"多—少—多—少……"13次循环交替,2010年之后径流再次减少,可能持续到2018年。(4)气温升高和降水量增加对该区径流变化产生影响,而人类活动对其影响微弱。[结论]研究区径流以降水补给为主,近50a其丰枯变化较小,从东到西由增加趋势转变为减少趋势,突变性特征一致性较差,具有8a显著周期,气温和降水主导径流变化。     

湄公河流域农业干旱主要影响因素分析和预估

以湄公河流域作为模拟试验区域,采用区域气候模式RegCM3为模拟工具,单向嵌套全球海气耦合模式ECHAM5/MPI-OM当代(1980-2009年)和SRES A1B情景下未来(2010-2039年)的输出结果,以根系层土壤含水量为代表性指标,对试验区月尺度农业干旱进行了预估。基于地表能量平衡,系统分析了降水、蒸发、地表温度等农业干旱主要影响因素与区域气候模式模拟的大气环流、地表感热通量、地表潜热通量、地表净通量之间的联系和变化规律,从气陆间能量和水汽通量平衡角度,对农业干旱发生机理进行了初步识别。预估结果表明:未来春末(6月)和秋末(10月)湄公河流域温度增加、土壤含水量减少较为明显;同时,在这个时段试验区蒸发旺盛和降水减少的趋势,有可能导致湄公河流域局部地区农业干旱的发生。