基于Mann-Kendall法和小波分析中小尺度多年气候变化特征研究——以甘肃省白银市近50年气候变化为例

基于甘肃省白银市近50年来气温、降水资料,运用Mann-Kendall法和小波分析进行研究。研究结果表明:白银市气温总体呈升高趋势,降水量呈现波动变化。白银市气温1987年后增长迅速,作物生长期内平均气温的变化和年均气温变化基本一致,但其对年平均气温增加贡献不大。白银市降水量进入20世纪90年代略有增加趋势,但增加趋势并不明显,作物生长期内降水量与年降水量变化极为相似,这与白银市降水量偏少且相对集中有关。白银市气温变化存在2~5年,9~11年和约20年的周期变化;降水变化存在2~6年,9~10年和20年左右的周期变化;其中气温和降水变化周期中均以20年左右的年代际变化为主。     

准噶尔盆地南缘降水脉冲量级分布及其变化规律

对干旱区降水脉冲发生规律的分析,将为理解荒漠生态系统结构与功能提供新的视野。选择准噶尔盆地南缘的温泉、精河、乌苏、蔡家湖、奇台和巴里坤6个气象站近50多年的逐日降水资料,分析不同量级降水脉冲对年总降水频次和降水量的贡献以及变化规律。结果表明：小降水脉冲（≤5 mm）占到全年总降水频次87.5%,而大降水脉冲（>10 mm）只占到了4.3%。然而,小降水脉冲对年降水量的贡献为47.5%,大降水脉冲却贡献26.6%。近50多年来,准噶尔盆地南缘的年降水量有显著增加,但是,年降水频次的变化却不显著。这可以归结为小脉冲呈下降趋势,而大脉冲则显著增加。总之,近50多年来,准噶尔盆地南缘的降水脉冲在放大。     

1961-2017年青藏高原东北部雨季降水量变化及其贡献度分析

利用53个气象观测站1961—2017年5—9月逐日降水资料,分析了青藏高原东北部雨季降水量的变化特征,以及不同等级降水变化在降水量增量中的相对贡献。结果表明:1961—2017年青藏高原东北部干旱区雨季降水量呈增加趋势,半干旱区和半湿润区降水量的极端性增强。大部分地区的降水强度普遍增加。进一步分析可知,青藏高原东北部雨季降水量变化主要由降水强度的变化引起,同时中雨等级降水增加贡献大于其他等级降水。半湿润区和半干旱区东部降水极端化趋势明显增强。该结果有助于进一步理解和认识青藏高原东北部生态环境变化的气候效应。     

内蒙古中部地区近40年来降水时空变化

内蒙古中部呼和浩特市、包头市、乌兰察布市、鄂尔多斯市、巴彦淖尔市和乌海市是半干旱区向干旱区的生态地理过渡地带。利用该区45个气象站点1961-2003年逐日降水数据,借助小波分析、地统计学分析研究了该区43年来降水量的时空变化特征。结果表明:研究区降水量年际波动大,总体呈现略微增加的趋势;降水量变化的周期性比较明显,存在3～4年、6～7年和14～15年尺度的周期。降水年内分配呈现单峰型模式。在空间上,多年平均降水量呈现由东南向西北逐渐递减的趋势,年降水变化的趋势和波动性区域差异显著。另外发现,作为重要地理分界线的200mm等降水量线空间分布在43年中处于波动之中,对草原和荒漠生态系统产生了直接影响。对该区降水时空变化的探讨,有助于理解水资源的时空分异,同时为全球变化的区域响应提供科学依据。     

近50a西北干旱区气候变化对农业的影响

本文选取了西北干旱区21个代表站点1951-2000年逐日气温和逐日降水量资料。用趋势法和百分位阈值法分析年平均气温、年降水量、极端年最低温度、年最高温度和极端降水量变化特征及其各分区极端气候变化趋势。研究结果表明:(1)近50a西北干旱区气温呈上升趋势(0.22℃/10a),1986年后气温明显升高,柴达木盆地和北疆升温较大。近50a西北干旱区年降水量变化和趋势分布,降水变化有增加的趋势(3.2mm/10a),其中北疆降水增加最多。(2)西北干旱区近40a年极端最低温度的天数有减少趋势,平均最低温度天数的减少率为7-8天/40a。而极端年最高温度的天数略有增加趋势,平均增加率为0.5天/40a左右。年最高温度略有减少趋势,平均变率为-0.5℃/40a,年最低温度也有增加趋势,平均变率为1.0℃/40a。西北干旱区近40a极端降水的天数增加了2天/40a。(3)气候变暖对西北干旱区农业既有有利影响,又有不利影响,降水量增加,极端气候事件减少对农业有有利影响。     

1961-2010年北方半干旱区极端降水时空变化

采用49个气象站点1961--2010年逐日降水量资料,运用Mann-Kendall非参数检验、滑动T检验和R/S等方法,分析了近50 a来北方半干旱区极端降水事件的时空变化特征.结果表明:近50 a北方半干旱区极端降水指数最大5日降水量(RX5day)、强降水量(R95p)、降水强度(SDII)、连续湿日数(CWD)、连续干旱日数(CDD)、大雨日数(R20)和年总降水量(PRCPTOT)都表现出减少趋势.其中,RX5day和R95p减少趋势通过了0.1以上的显著性水平检验.Hurst指数分析表明,研究区各极端降水指数未来都呈现出减少趋势,其中CWD表现得尤为明显.近50 a来北方半干旱区CDD在1985年和1995年发生突变,而其他极端降水指数在1999-2000年出现了减少的突变.研究区各极端降水指数多年平均值的空间分布格局较为一致,除CDD外其他极端降水指数基本呈现出从西北向东南逐渐减少的趋势.各极端降水指数变化趋势在空间上表现出一定的区域差异性,研究区极端降水指数在东部地区以减少趋势为主,而中部局部地区表现出增加趋势.近50 a来北方半干旱区各极端降水指数(除CDD外)与年总降水量呈极显著正相关关系,极端降水指数对年降水量具有很好的指示作用.     

西北地区降水特征及变化规律分析

根据我国西北地区降水气候特征研究状况,利用较具代表性的我国西北地区北亚热带、温带驻防的25个空军机场气象台站1970~2000年历年逐时降水资料,从降水量、降水强度、降水时间、降水频率等方面,以气候区划区为区域分析单位,分析了西北地区的降水变化规律和特征。结果表明:西北地区北亚热带、温带年际降水量有从东南和西北两侧向中部明显减少的分布格局。30 a间中温带干旱区东部及其以东地区的降水量呈下降趋势,以西则基本呈上升趋势。降水强度基本表现为上升趋势,强度呈东南大、西北小分布,且以北亚热带湿润区和南温带干旱区南疆区上升速率表现最大。降水时间呈现减少趋势,其分布特点与降水量分布基本上一致,由东南和西北两侧向中间明显减少。近30 a来降水量东降西升,降水小时数、降水频率呈下降趋势,但小时雨强和中雨以上强度降水比重一直呈上升趋势,降水以短时、量大为特征出现的机率在增加,降水的有效利用难度在加剧,这种特征东部比西部要明显得多。青藏高原东侧降水量和降水小时数都处于下降趋势,雨强呈上升趋势,该地区干旱趋势在加剧。但在高原东北侧、北侧这种趋势表现相对要弱一些。     

基于EEMD-LSTM模型的天山北坡经济带年降水量预测

降水量预测是现代气候预测业务的核心和难点。耦合模型在新疆降水量预测的研究应用屈指可数,因此,通过尝试建立集合经验模态分解(Ensemble Empirical Mode Decomposition,EEMD)和长短期记忆神经网络(Long Short-Term Memory Network,LSTM)的耦合模型对天山北坡经济带降水量进行预测研究。将1965—2019年天山北坡经济带共55 a的年降水量数据进行EEMD分解,转换成4个平稳分量和趋势项,通过谱分析得出各个分量的准周期,为后续训练LSTM模型提供基础。根据EEMD分解后的各分量训练得出LSTM网络模型并利用该模型进行研究区降水量预测。结果表明:EEMD-LSTM耦合模型预测2010—2019年天山北坡经济带降水量的平均相对误差为13.38%,均方根误差为38.03 mm,认为EEMD-LSTM耦合模型对天山北坡经济带降水量预测精度较好。利用EEMD-LSTM耦合模型预测2020—2029年天山北坡经济带年降水量,其中有6 a降水偏多,4 a降水偏少,2025年可能为极端湿润年,降水偏多超过20%;而2021年为极端干旱年,降水量预计低于200 mm。本文探索了干旱区降水量预测的新方法,并为气象防灾减灾工作提供参考依据。     

基于DEM的甘肃省降水资源分析

对甘肃省80个气象站近30 a(1971～2000)的降水量资料,利用地理信息系统(GIS)技术进行数据栅格化,采用趋势面分析、逐步回归、宏观地理因子模拟与小地形订正等方法,建立全省降水空间分布的数学模型.从推算结果看:甘肃省降水资源分布差异很大,从100 mm以下到800 mm以上均有分布,而且基本上呈现由东南向西北逐级减少的趋势;甘肃省干旱区(r<300 mm)面积最大,达到184 144.01 km2,占到全省面积的46.6%.     

近50年我国天山山区降水变化区域差异及突变特征

利用天山山区32个气象站点1960-2010年的逐月平均降水数据和DEM数据等,进行了降水量时空变化趋势分析和突变分析。研究结果表明:自上世纪60年代以来研究区降水量持续递增,年均降水倾斜率达9.5mm/10a,1980s后递增趋势明显增强;降水主要集中在春夏两季,春、夏、秋和冬四季的降水倾向率分别为1.6mm/10a、3.7mm/10a、2.1mm/10a、1.8mm/10a,表明季节降水量也呈递增趋势,且以夏季降水增幅最大;年降水量空间分布呈现显著的"两中心",即吐哈盆地"低中心"和伊犁河谷"高中心",二者年降水量相差约450mm;山区各区域的降水亦呈明显的增加趋势,北坡降水倾向率达40-50mm/10a,递增趋势最显著,降水量亦多于其它区域;研究区年降水突变不明显,不同区域的季节降水突变具有一定的时期差异,秋季降水突变发生在上世纪80年代末,其它季节不明显,年降水突变发生在上世纪80年代末期。     

基于实测数据的库姆塔格沙漠南北两侧洪积扇降水特征分析

利用库姆塔格沙漠南北两侧洪积扇2017年6月至2018年5月的野外实测降水数据,对其降水特征进行了详细的分析,结果表明:(1)受地理位置、地形等的影响,库姆塔格沙漠降水空间分布差异较大.北侧北山洪积扇三垄沙地区的年降水量最小,为21.6 mm;南侧阿尔金山洪积扇降水量自西向东逐渐增多,胡杨沟上游、乌什喀特、赛马沟和多坝...     

近50年黄土高原气候变化特征分析

利用黄土高原地区55个气象台站1951-2000年50年的气温和降水逐日资料,分析了黄土高原地区气温和降水的地理分布特征和气候变化特征;把黄土高原地区分成4个小区,利用小波分析的方法研究了各个小区气温和降水的多时间尺度特征。结果表明:黄土高原多年平均年降水量的地理分布总趋势是南多北少,东多西少,由东南向西北递减,近50年来的降水是逐渐减少的;气温的地理分布特点也是南高北低,东高西低,由东南向西北递减,近50年来的气温是在逐渐上升的;各区降水主要存在准3a周期、8-12a和准22a周期,年平均气温的准3年周期在少数时段通过了显著性检验。     

甘肃省季节性干旱综合指数的特征

利用甘肃省71个气象站1971-2013年月降水量资料,借助Z指数构建了基于干旱频率、干旱强度的干旱综合指数评价指标,从季节性干旱以及季节性连旱着手分析了不同时间尺度的干旱特征。结果表明:研究区季节性趋旱程度(MK0)和趋旱范围(DR,%)差异显著,其中春季陇东高原为-0.154(100%),重旱为灵台(-0.238*)、宁县(-0.180)、镇原(-0.178);夏季河西走廊为-0.081(73.7%),重旱为马鬃山(-0.271*)、安西(-0.255*)、敦煌(-0.171);秋季陇中高原为-0.017(50.9%),重旱在会宁(-0.186)。季节性干旱综合指数重旱时段显示,春季为1995年(陇东0.481),夏季为1997年(陇南0.405),秋季为1972年(甘南0.366),冬季为1998年(陇东0.586)和2009年(甘南0.449)。两季连旱高值区在白银、会宁、古浪、玛曲、灵台、永登、华池、静宁等地(0.030),其中秋冬连旱最为严重(0.0274);三季连旱高值区为会宁、古浪、静宁、白银、永登等地(0.020),其中夏秋冬连旱最为显著(0.017 5);四季连旱高值区为会宁、古浪、西峰、灵台、泾川等地(0.015),即除了冬春夏秋连旱外,其余季节性连旱程度均比较显著(0.009)。     

近50年内蒙古中东部地区春夏季干旱特征分析

选取内蒙古地区累年平均降水量>200mm的75个气象站点1961～2010年逐日平均气温、逐日降水量资料,基于综合气象干旱指数(CI指数)计算方法,建立了各站历年春季和夏季CI指数序列。利用EOF方法,分析了内蒙古中东部地区春季和夏季干旱的时空分布特征,得出:1)内蒙古中东部地区春旱和夏旱均分为三种类型,且均具有全区一致干旱或不旱型、东西反相干旱型和南北反相干旱型的分布规律。但春季和夏季干旱或反向干旱的中心分布区域略有不同。2)内蒙古中东部地区春季干旱均出现在1980a以前,1980a后全区性的春季重旱减少,但局部重旱有所增加。夏旱在1980a以后呈两年或以上持续发展的态势,且近年来全区性夏旱发生频率增高、强度增加。3)内蒙古地区气候变暖出现在20世纪80年代中期之后。气候变暖后内蒙古地区降水分配格局发生了变化,使内蒙古中东部地区春季干旱减轻,而夏旱加重,应引起相关部门的重视。     

东亚北风异常对西北东部春季降水的影响

利用1961-2008年NCEP/NCAR(2．5°×2．5°)再分析逐月500 hPa高度场资料和1961-2008年西北地区东部陕、甘、宁、青4省170个气象观测站的月降水量资料,计算春季东亚北风指数,分析研究区春季降水的历史演变规律、东亚北风指数的年代际变化及其与西北春季降水的关联。结果表明:50 a来降水演变特点是以黄河为界,黄河以西降水呈增多趋势,黄河以东降水呈减少趋势,降水减少的幅度明显大于增加的幅度;特别是近20 a,黄河以东广大区域降水减少的幅度越来越大,干旱化趋势明显,而青海南部、河西走廊则降水呈增加趋势。在此期间,春季东亚北风逐渐增强,特别是20世纪90年代中期以后明显增强。进一步分析表明,当春季东亚北风偏强（弱）时,除青海南部外,西北地区东部大部分地方降水偏少（多）,即春季东亚北风异常增强,可引起西北地区东部黄河以东干旱少雨,导致干旱化加剧。     

西北地区秋季干旱指数的变化特征

利用甘肃、宁夏、青海、新疆4省(区)的137个气象站30年的降水、蒸发资料,确定适合西北地区的干旱指数计算方法,分析中国西北地区秋季降水、蒸发、干旱指数的空间分布、时间演变等特征.结果表明:西北地区秋季平均自然降水从东南到西北依次减少,在甘肃西部、青海西北部、新疆南部有一条东西向的少雨带,是干旱最严重的地方.新疆南部、甘肃西部、青海西部重旱频率最高,平均2年一遇;新疆北部、甘肃南部、青海南部、中旱频率为30%左右,平均3年一遇,轻旱频率30%左右,平均3年一遇.表明西北地区的干旱有明显的地域特征,即新疆中南部、甘肃西部、青海西部为干旱区,新疆北部、甘肃中东部、青海东部和南部为半干旱区.     

近50 a青海黄南州降水变化特征

选取青海东南部黄南州4个气象观测站近50 a（1961-2010年）降水资料,运用气候诊断分析方法,对黄南年降水量变化特征进行研究。结果表明：研究区域内各地年平均降水量有较大差异,在空间分布上自南向北逐渐减少,变异系数自南向北呈增加趋势,各地年降水量皆呈正态分布;区域内年降水除泽库外都呈减少趋势,各地变化趋势并不显著;黄南四季降水各地变化不同,但冬季都呈增加趋势,南部增加显著。突变分析表明,河南年降水量在1985年发生了一次由多到少的突变,尖扎、同仁、泽库可能在20世纪90年代初存在突变;周期分析表明,4站年降水量都存在10 a的周期性变化规律,此外,尖扎、同仁、泽库、河南还存在2～4 a、准2 a、3～5 a、3～5 a的短周期变化。     

近30年新疆降水量及雨日的变化特征分析

利用新疆1971-2006年98个气象站的逐日降水资料,研究了新疆年和四季降水量及雨日的气候变化特征。结果表明：新疆多年平均年降水量及雨日的空间分布均为北疆大于南疆,山区大于平原,二者长期变化的空间分布相似程度较低,有些地区甚至完全相反。南疆大部地区降水量的增加主要是由于雨日增加而造成的;北疆大部地区降水量的增加主要是...     

Precipitation trends and variability from 1950 to 2000 in arid lands of Central Asia

Climate warming will cause differences in precipitation distribution and changes in hydrological cycle both at regional and global scales. Arid lands of Central Asia(ALCA), one of the largest arid regions at the middle latitudes in the world, is likely to be strongly influenced by climate warming. Understanding the precipitation variations in the past is an important prerequisite for predicting future precipitation trends and thus managing regional water resources in such an arid region. In this study, we used run theory, displacement, extreme deviation theory, precipitation concentration index(PCI), Mann-Kendall rank correlation and climatic trend coefficient methods to analyze the precipitation in wet and dry years, changes in precipitation over multiple-time scales, variability of precipitation and its rate of change based on the monthly precipitation data during 1950–2000 from 344 meteorological stations in the ALCA. The occurrence probability of a single year with abundant precipitation was higher than that of a single year with less precipitation. The average duration of extreme drought in the entire area was 5 years, with an average annual water deficit of 34.6 mm(accounting for 11.2% of the average annual precipitation over the duration). The occurrence probability of a single wet year was slightly higher than that of a single dry year. The occurrence probability of more than 5 consecutive wet years was 5.8%, while the occurrence probability of more than 5 consecutive dry years was 6.2%. In the center of the study area, the distribution of precipitation was stable at an intra-annual timescale, with small changes at an inter-annual timescale. In the western part of the study area, the monthly variation of precipitation was high at an inter-annual timescale. There were clear seasonal changes in precipitation(PCI=12–36) in the ALCA. Precipitation in spring and winter accounted for 37.7% and 24.4% of the annual precipitation, respectively. There was a significant inter-annual change in precipitation in the arid Northwest China(PCI=24–34). Annual precipitation increased significantly(P=0.05) in 17.4% of all the meteorological stations over the study period. The probability of an increase in annual precipitation was 75.6%, with this increase being significant(P=0.05) at 34.0% of all the meteorological stations. The average increasing rate in annual precipitation was 3.9 mm/10a(P=0.01) in the ALCA. There were significant increasing trends(P=0.01) in precipitation in Kazakhstan, Kyrgyzstan and Tajikistan, with rates of 2.6, 3.1 and 3.7 mm/10 a, respectively.     

中国西北地区的小冰期

通过考察、地衣测年、树轮资料、冰岩芯资料、文史资料、及有关公式推算等,对天山和祁连山小冰期的年代、气候、冰川及地表迳流等的变化进行了研究。并同北半球其它地区进行了对比,初步总结了中国西北地区小冰期的基本概况。