气候预测对象与影响因子关系不稳定性及其统计集合预测模型的改进

通过对"滑动相关——逐步回归——集合分析"短期气候预测方法的研究及其业务应用进行了综述。从深入分析气候预测对象与影响因子关系不稳定性问题入手,提出物理统计与集合分析相结合的气候预测建模理念,设计了"滑动相关——逐步回归——集合分析"气候预测模型。在改进该预测方法的过程中,先后提出了"交叉建模"集合预测思路,建立了"持续异常"与"转折影响"不同因子信息拓展方案,构建了"原始序列"与"去线性趋势"不同建模方案,再对最优模型进行集成分析。近8 a该方法参与国家气候中心全国汛期预测、全国秋季初霜冻初日预测,试用效果良好。在新疆地方气候预测服务中广泛应用,包括降水、气温、积温、热量指数、界限温度初终日期、沙尘日数的预测等。该方法在极端气候事件指数、应用气候指数的预测领域具有应用潜力。     

新疆北部棉花播种期热量指数预测研究

应用前期74类环流指数因子,考虑了统计模型中因子与预测量之间相关系数的不稳定性,用滑动集合回归方法建立了北疆棉区播种-出苗期间热量指数的集合回归预测模型。石河子、炮台、精河、博乐站1961-2006年的回归序列与实况序列的相关系数分别为0.804 0,0.756 2,0.850 3,0.825 2。4站1996-2005年的试报结果检验表明:集合回归预测模型的效果明显优于一级回归模型,而4站中又以博乐站的效果最优。应用前期月环流指数因子,经滑动相关建立的超级集合模型,对北疆棉区播种-出苗期间的热量指数有一定的预测作用,该方法在农业气象灾害预测等领域有推广价值。     

用前期月环流指数预测新疆棉区稳定≥10℃初日

用新疆22个棉区代表站的日平均气温资料,计算5d滑动稳定≥10℃初日作为棉花播种的农业气象学指标。以前一年3月到当年2月的74项月环流指数为因子,考虑了统计模型中因子与预测量之间相关不稳定性,分别建立了新疆棉区22站稳定≥10℃初日的"滑动相关—逐步回归—集合分析"预测模型。预测2009年全疆大部分棉区稳定≥10℃初日偏早,北疆大部分棉区偏早5d以上。入选新疆各棉区预测模型的前期环流因子中,以副热带环流系统因子为主,其次是高纬度地区极涡环流因子;北疆棉区稳定≥10℃初日的年际变化与前期热带海洋表面温度异常分布关系较密切。对预测结果以及模型的预测(拟合)效果进行检验,2009年的预测结果基本准确,尤其是预测出了北疆大部分棉区异常偏早的趋势,为棉花播种期预测分析提供了有力的技术支持。     

秦岭地区气温变化统计降尺度研究

运用统计降尺度模型（SDSM）及秦岭地区7个站点1961-2011年的日平均气温、日最低气温和日最高气温资料,采用逐步线性回归方法（SMLR）选取NCEP大气环流预报因子中的最优因子,建立了预报量与预报因子之间的定量统计关系,对秦岭地区未来气温变化进行适用性分析,并对未来3个不同时期（2011-2040年、2041-2070年、2071-2099年）气温变化趋势进行预测。结果表明：SDSM模型对秦岭地区气温模拟效果良好,秦岭地区未来气温增幅明显,不同时间尺度增幅呈现明显时间差异,3个预报量在月尺度、季尺度呈现相似的时间变化特征：月尺度呈现8月增温最大,12月增温最小;季尺度呈现冬<春<秋<夏的趋势。2011-2040年气温的空间分布呈现秦岭北坡增幅大于秦岭南坡。     

1965-2012年新疆北部地区气候变化及其对北极涛动的响应

近年来,增温增湿趋势影响着新疆北部(以下称北疆)的生态系统与农牧业发展,有必要对北疆气候变化及其归因进行深入剖析.根据北疆地区23个台站月平均气温、降水资料和北极涛动指数(AOI)标准化序列资料,采用线性倾向估计、累积距平、滑动t检验、相关分析、小波变换等统计方法,分析了1965-2012年北疆地区气温与降水的变化特征及其对北极涛动(AO)的响应.结果表明:①北疆年平均气温与年降水量变化呈上升趋势,线性倾向率分别为0.41 ℃·(10a)-1及11.26 mm·(10a)-1;二者发生突变时间分别在1988年和1986年前后;突变后,北疆春、秋、冬季增温显著,夏季气温增幅不明显;北疆降水量各季都有所增加,且以冬季增幅最大.②北疆气温、降水与AOI的变化周期具有一定程度的相似性:冬、夏季气温及降水与AOI在准3 a尺度周期上有很好的频域对应关系.③北疆冬季气温序列与AOI相关性较高;北疆冬季气温、降水与AO变化在多个周期尺度上呈显著相关且滞后0.5 ～1 a,说明AO变化对北疆气温和降水具有实际预报价值.     

内蒙古西部地区气候变化特征及影响因子分析

利用内蒙古西部地区8个台站的逐月气温、降水资料,采用线性趋势和Mann-Kendall突变检验等方法,结合大气环流指数、涛动和季风等影响因子,研究了内蒙古西部地区1961-2009年温度和降水的变化特征,探讨了区域气候变化与影响因子的关系。研究表明:1961年以来,内蒙古西部地区气温呈显著增加趋势,增加趋势为0.42℃/10a,冬季对气候变暖的贡献最大;21世纪以来增加最显著,在1990年发生突变。降水量也呈现出明显的增加趋势,冬季的增加趋势最显著,但没有表现出明显的突变特征。内蒙古西部地区气温变化与青藏高原指数、北极涛动指数和西风环流指数有明显的正相关关系,而东亚夏季风的进退以及所携带的水汽是影响该区域降水量变化的主要因素之一。     

陕西省榆林市气候变化特征分析

榆林位于生态脆弱区,其气候变化对环境有重要意义。利用陕西省榆林市12个县(区)1980-2006年的气温、降水资料,通过趋势分析、聚类分析对榆林市县域气候变化特征进行了研究,同时探讨了Bp神经网络在时间序列气候预测中的应用。结果表明:榆林市各县(区)气温在波动中上升,除佳县定边增温不明显外,其余各区县增温趋势明显。降水变化特征较复杂,但全市总体呈减少趋势。利用改进的Bp算法在榆林市县域气候预测中取得了良好的效果,气温变化预测的误差在1-7%之间,降水变化预测的误差在10-20%之间。     

2008年宁夏低温阴雪灾害特征及成因分析

利用宁夏19个气象站1951~2008年1月平均气温和降雪量资料,建立宁夏1月大气干旱指数序列,分析了宁夏2008年1月低温连阴雪极端天气特征;利用北半球500hpa月平均环流特征量、东亚季风资料,分析研究初冬乌拉尔山高压、亚洲区经(纬)向环流、青藏高原南支槽、东亚夏季风向冬季风过渡时期的年代际变化以及太阳活动等外强迫因子对宁夏低温阴雪灾害性天气的影响尺度、幅度及响应时间,结果表明:持续低温阴雪天气的发生是叠加在的大气环流异常形成的;宁夏气温持续异常偏低,部分地区为有气象观测记录以来同期最低值;累计雪量历史同期最大,积雪普遍较厚,连阴雪天数最长;干旱气候变化与外强迫因子相关程度较高,对宁夏冬季短期气候趋势预测具有一定的指示意义。     

基于重标极差分析和非周期循环分析的气候变化趋势预测——以兰州市为例

利用兰州市区及周边5个气象站的气象数据,通过重标极差分析（R/S）和非周期循环分析,计算兰州市气温、降水和城市热岛强度时间序列的Hurst指数、分维数和非周期循环的平均循环长度,分析气温、降水和城市热岛强度时间序列的变化趋势、长期记忆效应和记忆周期。结果表明：兰州市四季和年平均气温呈现上升趋势,变化趋势具有持续性特征。年均、春、夏、秋、冬季气温序列的平均循环长度分别为9 a、4 a、8 a、5 a和6 a。兰州市春、冬季降水量仍将持续递减,夏季降水持续递增;年平均和秋季降水量变化过程具有反持续性,未来的年平均和秋季降水量将出现增加的趋势,年均、春、夏、秋、冬季降水量序列的平均循环长度分别为9 a、7 a、10 a、12 a和13 a。兰州热岛强度冬季最强,夏季最弱,春秋居中;1月平均热岛强度为1.6 ℃,7月平均热岛强度为0.1 ℃。近50 a兰州市热岛强度逐渐增强,线性趋势达到0.46 ℃•(10a^)-1,未来兰州市热岛强度的变化趋势将以目前的速率持续增强。将定量描述长程依赖性的重标极差分析和非周期循环分析二者结合起来,应用于气候变化的趋势预测研究,是一种新颖、科学、可行的非线性研究方法。     

近30 a来开都河上游径流量变化的气候响应

利用巴音布鲁克水文站1980-2010年逐日径流量观测资料,采用线性趋势分析、多元回归分析等方法,研究了近30 a来开都河上游4-9月径流量的变化特征。同时,基于同期巴音布鲁克气象站气温、降水资料,探讨开都河上游气温与降水变化对春季径流量的影响。结果显示：开都河上游年径流量在过去30 a呈明显增加趋势。其中4-6月月平均径流量没有明显变化趋势,7-9月径流量增加明显。虽然年径流量主要分布在夏季,但年最大日径流量大多发生在春季4、5月份。进一步分析表明,前期冬季降水量与当年春季增温均对春季径流量有极显著的影响。     

河北省降水和气温的非趋势性波动分析

根据1957-2012年河北省境内21个气象台站的气温和降水资料,利用K-S检验方法和多重分形消除趋势波动分析方法(MF-DFA),对河北省近56年的降水和气温变化特征进行了分析.研究结果表明:河北省月降水及月平均气温存在显著的多重分形特征,通过对原始数据的重排处理,可以看出时间序列非正态分布起主导作用.标度指数存在变点,而非固定常数.波动函数在S=20时存在明显的变点,随着q值的增加,变点以下部分斜率逐渐变小,变点以上部分斜率基本不变.降水和气温在变点以下的标度指数(斜率)变化范围分别为1.02 ～2.76和1.76～3.05,变点以上的斜率0.01～0.13和0.03～0.04.河北省平均气温总体呈上升趋势,其中冬季气温贡献最大,且未来一段时间内气温将持续上升趋势;平均降水量逐渐减少,其中夏季降水量的下降趋势最为明显,未来一段时间内降水量可能持续下降.     

陕北地区冬季气温的时空变化特征分析

根据1960-2009年陕北地区逐月气温资料,运用Mann-Kendall法、小波分析、空间插值等方法,对陕北地区近50年来冬季气温的时空分布特征和突变、周期变化规律进行了分析。结果表明：冬季气温总体上呈现增暖的趋势,其线性增长率为0.55℃/10a,相当于近50年冬季气温升高了2.76℃。冬季气温存在15、10 a和...     

西伯利亚落叶松树轮稳定碳同位素对气候的响应

利用采自阿尔泰山南坡东段正格采点的西伯利亚落叶松树轮样本,建立树轮宽度年表,对比宽度年表,按照树轮稳定碳同位素研究步骤,提取树轮稳定碳同位素序列（δ¹³C）和去趋势序列（DS）。分析表明：阿尔泰山南坡东部近160 a西伯利亚落叶松树轮δ¹³C变化于-22.8‰～-25.4‰,平均值为-24.0‰,变差系数-0.017。相关分析表明：正格采点树轮宽度序列对各气候要素相关不显著;树轮去趋势序列（DS）对前期气候因子的响应也不敏感;在生长季内（5~9月）,树轮去趋势序列（DS）与富蕴气象站平均气温、平均最高气温和平均相对湿度有较好的相关性,树木生长季内的平均气温、平均最高气温与树轮去趋势序列（DS）显著正相关,6~7月平均最高气温与去趋势序列（DS）相关达到0.611（P<0.000 001);与生长季内平均相对湿度呈负相关关系,其中6~7月相对湿度与去趋势序列（DS）相关最高(r=-0.493, P<0.001),与7月降水量呈负相关关系(r=-0.459, P<0.01)。生长季内的平均最高气温和相对湿度对阿尔泰山西伯利亚落叶松树轮δ¹³C的响应最为敏感,阿尔泰山西伯利亚落叶松树木碳同位素分馏的主要控制因子为6~7月的平均最高气温,降水对树轮稳定碳同位素影响不大,相对湿度对树轮稳定碳同位素没有直接影响。     

近45年宁夏极端气温与太平洋海温的遥相关

利用1961-2005年标准化宁夏极端气温、SST和北半球500 hPa环流特征量资料,采用REOF、小波分析、最大熵谱、Mann-Kendall检验等方法,分析了极端气温的时空变化特征及其与SST和同期北半球500 hPa环流特征量的遥相关。结果表明:宁夏极端气温的年代际气候特征表现为一致的上升趋势,异常敏感区在宁夏北部和六盘山区;极端最低气温在1984年前后发生突变,突变后气温转暖,中部半干旱带增温最明显,有显著的2.32年和4.40年周期;极端最高气温的增暖过程经历了2个阶段,其中1976年的增暖趋势最显著,突变后宁夏中北部增温最明显,有显著的3.14年周期;虽然突变后高温日数明显增加,但仍有异常的低温事件发生;当前一年1~6月加利福尼亚西岸海区温度偏高、同期冬季西太平洋副高西升北抬、面积增大、强度增强、亚洲区极涡面积收缩、青藏高原500 hPa位势高度增高时,极端最低气温偏高;当前一年冬季赤道东太平洋海区呈La Nina型分布、同期夏季北半球极涡减弱时,副高加强北抬,极端最高气温偏高。     

近50年开都河流域下游降水和气温变化特征分析

采用开都河流域下游焉耆县、和静县、和硕县三个气象站1960-2009年气温和降水观测资料,以线性趋势函数,M-K突变检验等方法,分析开都河流域下游气温和降水的年际变化、季节变化特征。研究结果表明:(1)焉耆县、和静县与和硕县的年平均气温呈上升趋势,年平均气温线性拟合增长率分别为0.366℃·10a^-1、0.256℃·10a^-1、0.033℃·10a^-1。(2)和硕县月平均最低气温呈现下降趋势,而焉耆县与和静县平均最高气温、最低气温均呈上升趋势;从季节年际变化来看,三个县四季气温均有增加趋势,冬季增温明显,秋季平均气温的年际变化幅度与年平均气温的年际变化幅度相似。(3)三个县年降水量距平值呈下降-上升-下降特征,降水量有微弱增多趋势。(4)和静县与和硕县两站气温异常,焉耆县降水异常,气温突变均出现在20世纪90年代,而且突变发生较频繁。     

黄河上中游流域夏季降水预测的概念模型

选取黄河上中游流域43站1961-2006年夏季降水量作为研究对象,应用线性相关分析、EOF分析等方法,分析了流域内夏季降水与北半球100hPa、500hPa、海平面气压、海表温度、地面射出长波辐射(OLR)、青藏高原和西北干旱区地面气温以及74项环流特征量等资料前期至同期的关系,建立了该区域夏季降水气候预测的概念模型。     

锡林河流域气候变化特征诊断分析

以锡林河流域为研究对象,利用研究区内锡林浩特站及周边阿巴嘎旗站和林西站3个国家气象站1960-2010年的逐日气象数据,通过对气温、降雨进行滑动分析、线性倾向分析、R/S分析、Mann-Kendall、Pettitt突变分析、Morlet小波变换周期分析,探讨了近51年来锡林河流域气温、降雨的年、季趋势变化、突变情形、周期变化和未来变化趋势。结果表明,锡林河流域年平均气温呈上升趋势,且上升趋势显著,四季变化中,冬季气温升高对全年增温贡献较大。年平均气温以1987年为突变年,突变前后上升了1.36℃。在20-32a的时间尺度上出现了冷-暖交替的准两次震荡。年平均降雨呈下降趋势,下降趋势不显著,夏季降雨的减小对全年降雨贡献极大。冬季降雨在1987发生了突变,突变前后降雨增加了1.64mm,在20-32a时间尺度上出现了湿-干交替的准两次震荡。整个流域环境呈现出"冷湿-暖干-冷湿-暖干"的变化规律。     

干旱区县域绿洲气候变化特征分析——以鄯善县为例

根据鄯善县1971—2010年气温、降水量、风速等资料,利用线性趋势法和距平及累积距平等方法对鄯善县绿洲气候变化进行分析。结果表明：(1) 近40 a鄯善县年平均气温呈波动上升趋势,线性拟合气候倾向率为0.49℃·10a^-1,各季变暖趋势相同,春夏秋冬四季平均气温线性拟合气候倾向率分别为0.35、0.33、0.4℃·10a^-1及0.43℃·10a^-1。年平均最高气温缓慢上升,年平均最低气温增温明显。(2) 近40 a降水量总体为波动减少趋势,线性拟合气候倾向率为-0.55 mm·10a^-1,夏季和秋季降水量减少明显。(3) 近40 a平均风速总体呈缓慢减小趋势,线性拟合气候倾向率为-0.05 m·s^-1·10a^-1。综合气温与降水变化状况,鄯善县绿洲气候呈暖干化发展趋势,气温与降水存在突变情况,年代分布有明显的阶段性、季节差异性特征。     

近58年河西走廊地区气温变化及突变分析

根据河西走廊地区敦煌、瓜州、酒泉、张掖、武威及乌鞘岭6个地面气象站1951-2008年的逐月平均气温、月平均最高、月平均最低气温资料,运用线性拟合、滑动平均和Mann-Kendall方法进行趋势和突变分析。研究表明:近58年来河西走廊地区年平均气温、最高气温、最低气温均呈上升趋势,其中最低气温的增温趋势明显大于平均气温和最高气温的上升趋势。年平均气温和最高气温暖突变均出现在20世纪90年代中后期,最低气温暖突变出现在1994年,气温年较差呈减小趋势。就各季而言,冬季气温的递增率最大,暖突变出现在80年代中后期,早于其他各季,说明河西走廊地区的增暖首先是从冬季开始的。     

中国西北干旱区和东部季风影响区冬季气温变化特征对比分析

利用我国西北干旱区138站、东部季风区375站1960～2006年47年的冬季气温资料,对其时空变化特征及气温变化倾向率进行了对比分析,并对其变化异同的原因进行了分析,结果表明:干旱区与季风区的时间变化规律基本一致,总体是在波动中呈一致的上升趋势,但西风地区的升温趋势较季风区更加明显;增温趋势与纬度有关,增温大区主要位...