重建千年东亚夏季风干湿分布型指数

利用中国气象局整编的中国1951~2008 年160 站月平均降水量和美国NCEP 再分析月平均风和湿度资料, 建立了我国东部地区夏季干湿分布型与东亚夏季风向北推进的关系. 利用王绍武建立的公元950 年以来的我国东部历史时期6 种夏季干湿分布型, 重建了过去千年东亚夏季风干湿分布型指数序列. 高(低)指数指示东亚夏季风气流偏强(弱), 推进位置偏北(南), 对应北方(南方)降水偏多的分布型. 东亚季风干湿分布型指数具有60~70 年的周期性年代际变化. 过去千年中, 我国北方出现过连续10 年的区域湿润期和连续10 年以上的区域干旱期. 当前东亚夏季风干湿分布型指数正处于年代际的低谷时期, 对应着我国南方降水偏多,北方降水偏少的分布格局.     

华北干旱化趋势及转折性变化与太平洋年代际振荡的关系

基于月降水和月平均气温资料, 通过计算地表湿润指数分析了中国华北地区1951~2005年干湿变化的年代际趋势特征及其与太平洋年代际振荡指数(PDOI)的关系. 结果表明: 华北地区气候及环境干湿变化存在显著的年代际趋势和突变特征, 20世纪70年代中后期至今处于一个暖而降水少的干旱时段; 近55 a经历了一个由湿向干转换的过程, 其中转折点发生在20世纪70年代中后期, 这应与全球大尺度气候背景的转折性变化有关. 相关分析表明: 在年代际尺度上, 四季和年的PDOI与气温、降水和区域平均地表湿润指数均有显著的相关关系. 这种相关关系表现为正的PDOI位相(PDO暖位相)对应华北地区高温、少雨和干旱时段, 而负的PDOI位相(PDO冷位相)对应低温、多雨和湿润的时段, 不同位相的持续时间在25 a以上, 与降水和气温年代际趋势密切相关的北太平洋海温的年代际变化是该地区年代际干湿趋势形成的可能原因之一.     

我国40年来增温时间存在显著的区域差异

过去几十年全球温度经历了显著的变化,评估其变化的方法无疑十分重要.过去评估气温变化趋势的通用方法是利用线性回归计算温度在一个时间段内的整体变化率.但是,不同时期的温度变化率往往是不同的,即温度变化过程中存在趋势转折点.这使得整体变化率只能反映温度变化的一个方面,可能掩盖某些阶段性特征.因此,为了更准确地描述我国近几十年来的温度变化过程及其空间特征,使用分段线性回归方法分析了1961～2004年全国536个气象站点的年均温序列.结果表明:我国近40年来的年均温变化趋势存在显著的转折点,全国平均升温开始于1984年,增温率为0.058℃/a.在1984年以前,年均温无显著变化.从站点水平看,我国升温开始时间呈现由北向南逐渐推迟的空间格局:北方地区(40°N以北)升温开始于20世纪70年代,而南方大部分地区(40°N以南)在20世纪80年代开始升温.特别地,青藏高原升温始于1983年.此外,不同地区的增温率存在较大差异.全国大部分地区升温率在0.05℃/a以上,新疆个别站点甚至达到0.1℃/a以上,但四川盆地、华中和华南地区升温率相对较低,在0.025～0.05℃/a之间.增温时间及变率的区域差异可能与寒潮和积雪的反馈作用有关.     

140年来腾格里沙漠南缘树木年轮记录的降水量变化

根据腾格里沙漠南缘油松(Pinus tabulaeformis)的树轮宽度指数, 重建了140年来该地区的降水过程. 结果表明, 最近140年来腾格里沙漠南缘经历了明显的干湿波动, 出现1868~1876年和1932~1939年两个湿润期, 以及1877~1894年(其中1887, 1888略为湿润)和1924~1932年两个干旱期, 1895~1923年、1940~2000年期间有轻微的干湿变化. 其中湿润期降水量增加幅度达到56%, 干旱期降水量减少幅度达到42%, 降水量变化幅度超过30%的一共有19年. 从总的变化来看, 近140年来, 本区降水没有明显的增减趋势. 但是1940年以后, 降水波动出现幅度变小、频率增加的趋势. 功率谱分析表明, 腾格里沙漠南缘地区降水具有显著的2.46~2.64 a以及11.67 a周期.     

东亚夏季风年代际进退与中国和全球温度变化的联系

利用现代大气观测与中国东部历史旱涝记录等资料,提取中国东部区域干湿分布型变化的年代际信号并揭示了东亚夏季风年代际进退与中国和全球平均气温的可能联系.在东亚夏季风进退、中国东部干湿型分布和中国及全球平均气温变化的关系中,季风推进偏北时期对应中国东部"北湿南干"的气候分布格局,以及中国和全球年代际偏冷;反之对应中国东部"南湿北干"的气候分布格局,以及中国和全球年代际偏暖.在近千年东亚夏季风干湿型指数序列和去百年以上气候背景后的全球平均气温序列中,年代际主频振荡信号集中于60a左右.     

中国月平均气温可预报性的时空特征及其年代际变化

利用中国1960~2011年资料比较完整的518站逐日气温观测资料,采用非线性局部Lyapunov指数(NLLE)和非线性误差增长理论,定量分析了中国区域月时间尺度平均气温可预报性期限(MTPL)的时空分布和年代际变化特征.分析发现:多年平均的MTPL空间分布存在明显的地域差异,总体来看,东北大部、云南西南部和西北地区东部为可预报性高值区,长江中下游地区及黄淮流域为可预报性低值区;MTPL在各月份的空间分布存在明显的季节变化,总体上表现为冬半年可预报性较低,而夏半年较高;MTPL还具有明显的年代际变化特征,就全国而言,从1970年以来,MTPL具有上升的趋势,在2000年前后出现下降的趋势,尤其是东北地区在1986年之后可预报性显著提高.西北、黄淮、东北MTPL的年代际变化可能与气温的持续性有关.进入21世纪,除南方地区外,大部分地区的MTPL有降低趋势.上述结果为进一步认识我国月尺度气温异常的机理奠定科学基础,并为提高月尺度气温预测能力提供参考.     

最近530年冬季北大西洋涛动指数与中国东部夏季旱涝指数之联系

用Glueck 等人建立的1429~1983年冬季北大西洋涛动指数(简写为NAOI)序列, 分析了它与我国东部100个站1470~1999年共530年夏季旱涝等级序列(简称旱涝指数)的联系. 发现NAOI与我国东部几个区域平均旱涝指数(缩写为FDI)有很好的滞后相关. 北区及整个东部平均旱涝指数在滞后NAOI 2~3年时, 最大相关系数接近0.001的显著性水平. 中、南区负相关也达0.05~0.01的显著性水平. 最佳相关时段在1636~1742年(小冰期), 北区及整个东部地区两者相关系数显著性水平远超过0.001; 其次是1951~1999年, 北区、中区平均FDI与NAOI的相关系数显著性水平均在0.005~0.002之间. 功率谱分析和Morlet小波变换发现, 北区及东部的区域平均FDI与NAOI有几乎完全相同的年际、年代际乃至世纪尺度的振荡周期, 即4~5年、准10年、20~30年、50年左右、80~100年等. 用Mann-Kendall Rank Statistc方法检测发现, 在最近530年中, 北区及东部地区平均旱涝序列, 在不同时期存在非常显著的旱涝趋势变化及明显的年代际突变, 但NAOI在最近400余年中却没有达到显著性水平的上升和下降趋势变化, 其年际和年代际尺度的突变较我国FDI频繁得多. 这可能与NAOI重建序列极端值振幅较器测序列的振幅偏小有关.     

1951~2004年中国北方干旱化的基本事实

利用月降水及月平均气温资料, 计算了中国区域地表湿润指数、Palmer干旱指数和反演的土壤湿度, 通过对上述3个指标及降水变化特征的对比分析, 揭示了中国北方近54年干湿变化的时空结构, 特别是对北方干旱化事实的分析. 结果指出: (1) 20世纪80年代以来, 西北东部和华北以干旱化趋势为主要特征, 这种干旱化的趋势在近15年不断加剧, 降水减少和气温升高是其产生的主要原因; (2) 在54年间, 西北东部和华北在年代际尺度上仅发生一次干湿转换, 转折点出现在20世纪70年代的末期, 这与1977/1978全球气候背景的转折性变化有关. 而东北地区却有3个转折点, 最近的一个产生在20世纪90年代中期, 另两个分别发生在1965和1983年; (3) 与北方其他地区的变化趋势相反, 西北西部当前正处在一个相对湿的时段, 但温度的升高削弱了这种变湿趋势; (4) 20世纪80年代以后, 西北东部、华北和东北地区的极端干旱发生的频率明显增加, 这与这些地区降水减少和气温升高密切相关.     

气候变暖背景下青藏高原植被覆盖特征的时空变化及其成因分析

正交分解反演于NOAA-AVHRR数据的叶面积指数、空间特征场分布和时间系数变化显示, 自20世纪80年代初至2000年, 在全球变暖气候大背景下, 青藏高原地区植被覆盖率总体上呈增加趋势. 降水量与主特征场时间系数相关性分析表明, 降水量是决定高原地区植被整体覆盖年际变化和波动的主要气候驱动因素. 植被覆盖总体增加的同时, 高原地区植被覆盖率也存在显著的南北反相位区域变化特征, 气候变暖是造成植被覆盖南北反相位变化的主要原因. 气温持续增高导致活动积温增加, 有利于高原南缘湿润地区植被的生长, 相反却使高原北部地区干旱加剧, 不利于植被覆盖状况的改善.     

华北汛期降水多尺度特征与夏季风年代际衰变

研究了近50年华北汛期降水的频谱结构和演变特征及其与夏季风衰变之间的关系. 小波分析表明华北汛期(7~9月)降水年际尺度成分约占总方差的85%, 其演变代表了华北降水的基本走势. 近30年降水年际尺度部分发生了很大变化, 准5年谱消失, 准2年谱逐渐减弱, 1977年后降水年际变化十分微弱. 与此同时, 夏季风也呈现明显的年代际衰减. 计算表明, 华北汛期850 hPa平均经向风的演变以年代际尺度成分为主, 其演变特征与汛期降水非常相似, 且与降水序列及其年际尺度序列都呈显著正相关, 说明华北夏季风的年代际衰变可能是华北干旱的主要原因之一. 此外, 伴随20世纪60和70年代东亚季风的两次年代际突变, 我国大部分地区都出现了年代尺度的旱、涝更替, 而华北却从20世纪60~70年代的部分地区少雨发展成80~90年代的严重干旱.     

中纬度亚洲降水年际变化的空间差异与环流异常

<正>依据Climatic Research Unit(CRU)1960~2009年0.5°×0.5°网格点的月均降水量序列及NCEP/NCAR 1948~2009年2.5°×2.5°网格点再分析逐月资料,分析了中纬度亚洲近50年来的降水变化的空间差异及其可能机制.结果发现,大致以100°E为界限,西风环流控制的亚洲中部干旱区与季风环流主导的中国西北东部-华北地区降水在年代际、特别是年际尺度上存在相反的变化,即中纬度亚洲在年际尺度上亦存在降水变化的"西风模态".针对不同区域的主要降水季节     

中国大地形东侧霾空间分布“避风港”效应及其“气候调节”影响下的年代际变异

研究发现中国区域霾日空间分布的大地形影响与季节特征显著,在西风带背景下高原大地形东侧背风坡可构成"避风港"效应,其可能是中国东部区域霾日高频区域性分布重要的影响因素之一;中国区域冬季为霾日高频时段,春、夏、秋季大部分区域为霾日数低频区,但近10年大气污染物排放持续加剧,中国东部霾高发时段由冬季延伸至春、秋、夏季,其呈现出大气环境恶化的"强信号"特征.虽然中国区域霾日数年际变化趋势主要依赖于污染源排放程度,值得注意的是虽然20世纪80,90年代中国区域CO2排放强度加大,但中国东部霾日频数年际变化却表现出波动型相对"平稳"缓升特征,此阶段中国东部对流层中下层出现了大气温度距平垂直结构"上冷下暖"的"不稳定"状态,其有利于中国东部大气扩散或对流;而近10年阶段中国东部出现霾天气与大气污染排放同步加剧异常变化,2001~2012年期间中国东部对流层中下层则呈"上暖下冷"类似"逆温盖",即大气温度距平垂直结构出现年代际"逆转"趋势,此大气温度垂直结构年代际特征可能加剧了大气污染排放的环境影响效应,引发了中国东部大范围霾天气变异现象.     

中国区域土壤湿度变化的时空特征模拟研究

建立基于气象台站观测资料的陆面模式(CLM3.5)大气驱动场(ObsFC), 驱动CLM3.5 模拟了中国区域1951~2008 年的土壤湿度变化. 其结果与站点观测和遥感反演及不同陆面模式模拟的土壤湿度比较检验表明CLM3.5/ObsFC 合理再现了中国区域土壤湿度的时空特征和长期变化趋势, 并且基于观测资料建立的大气驱动场在一定程度上能够提高CLM3.5 模拟土壤湿度的准确度. 土壤湿度模拟分析显示中国区域土壤湿度空间分布具有由东南向西北逐渐减小的总体特征和干湿相间分布的带状结构. 土壤湿度的低值区主要分布在新疆南部和内蒙古西部地区, 高值区主要分布在东北平原、江淮地区和长江流域. 土壤湿度的长期变化, 干旱和湿润地区湿度呈增加趋势, 干旱区20 世纪70 年代中期至90 年代中期变化最为强烈, 湿润区除1970 前后和2003 年之后变化较明显外, 整个序列比较稳定; 半干旱地区呈减小的趋势, 且20 世纪90 年代以后下降趋势更加明显. 1951~2008 年干旱、半干旱和湿润典型区平均体积百分比土壤湿度分别变化了2.35, -1.26 和0.08. 不同区域土壤湿度变化趋势和强度有明显差异,变化最显著的区域主要分布在35°N 以北的干旱、半干旱区.     

低频海平面变化及其与太平洋气候事件的相关性

全球海平面变化不仅表现为明显的长期性趋势和季节性变化特征,而且还可能具有年际和年代际变化特征.本文联合卫星测高和验潮站观测数据各自具备的优势,重构了1948～2007年间全球平均海平面变化时间序列.基于该序列,计算得到20世纪后半期海平面上升加速度约为0.010±0.009mm/a2,并分析发现海平面变化存在包括年代际在内的多尺度低频振荡,而1993～2003年期间的海平面变化正处在低频振荡的加快上升期.然后利用移去长期性趋势后重构的海平面变化时间序列,分析发现海平面变化低频信号与南方涛动和太平洋年代际振荡指数之间表现了较强的相关性,但在部分时间段内存在一定差异,其原因可能是频发的厄尔尼诺和拉尼娜现象及太平洋年代际振荡短期反相事件共同作用的结果.     

全球变暖背景下中国夏季表面气温与土壤湿度的年代际共变率

利用1961～2004年中国160站地面观测气温和降水月资料, 计算了自校正Palmer干旱指数 (PDSI)作为土壤湿度的代用资料. 首先使用中国40个站点的土壤湿度数据对PDSI进行可靠性验证, 结果表明自校正PDSI可以很好地表示土壤湿度的变化. 在此基础上, 分析了夏季土壤湿度和表面气温的变化趋势及两者的共变率. 分析结果显示, 在中国许多地区, 表面气温和土壤湿度之间存在着显著的年代际气候共变率和强的反馈作用, 这一年代际气候共变率与气候变暖紧密联系. 中国西北的东部, 华北和东北的夏季气候存在显著的由冷湿向暖干发展的年代际变化. 而在中国东南地区和西北西部, 气候发生了显著的由暖干向冷湿转变的年代际现象. 在过去20~30 a, 全球陆地的大部分地区都观测到显著的变暖, 而中国东南地区和西北西部则出现向冷湿发展的年代际变化, 这可能是需要在科学上引起特别关注的气候现象. 对于观测到的气候年代际共变率, 表面气温和土壤湿度的相互反馈作用起着一定的作用. 利用Palmer干旱模型研究发现表面气温的异常对土壤湿度具有显著的影响, 从而亦影响到表面气温和土壤湿度的年代际共变率. 在伴随着人类影响的全球变暖过程中, 中国气候出现年代际干旱或洪涝的可能性也相应增加, 本研究结果为此观点提供了真实的观测证据.     

利用卫星重力观测研究近5年中国陆地水量中长空间尺度的变化趋势

重力卫星观测为研究中长空间尺度陆地水量变化趋势提供了崭新的途径. 利用近5年重力卫星GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment)的时变重力场观测数据研究了我国中长空间尺度陆地水储量变化趋势. 结果显示, 我国陆地水量变化趋势幅度较大的主要有5个典型区域: 华北京津冀地区、青藏高原区域、三峡库区、青川甘交界区域以及新疆阿尔金山自然保护区. 前两个区域, 陆地水(冰)储量存在明显的减少趋势. 在华北的京津冀地区, 2003~2007年该区域陆地水量以大约2.4 cm/a的速率下降, 相当于约52亿立方米/年(河北省约45亿立方米/年), 河北省水利局统计近30年来, 该省地下水超采平均达到40亿立方米/年; 由GRACE重力卫星“捕捉”到2003年6月三峡蓄水前后库区周围12万平方公里范围内平均水量变化达到5.0 cm等效水柱高; 此外, 研究结果显示在青、川、甘三省(自治区)交界区域陆地水量具有约1.1 cm/a的增加趋势, 表明该区域气候近几年有逐渐变湿润的趋势.     

退耕还林还草工程加剧黄土高原退耕区蒸散发

黄土高原退耕还林(草)工程显著影响着区域植被生长及水文循环过程,对陆地蒸散发(ET)年际变化有着很大影响.本文基于全球通量估算和模型模拟蒸散发产品、格点气候数据及遥感植被特征参量数据,利用趋势分析、逐步回归分析及广义线性模型等方法,研究了退耕还林(草)工程实施前后黄土高原退耕区ET的时空变化特征.研究结果表明:(1)与退耕前相比较,退耕区在退耕还林(草)后ET的升高趋势明显,但其变率存在较大的空间差异,其中,以年降水量在400～600mm区域内变化趋势最大;(2)相较于生长季平均温度和生长季总降水量,退耕区土壤含水量及植被NDVI是ET变化的主要影响因子;(3)退耕后ET变化趋势增大更多地归因于退耕区植被生长的加速,并且退耕后土壤含水量对ET贡献较退耕前降低,而NDVI的贡献度增加.本研究针对黄土高原退耕区在退耕还林(草)工程前后ET的变化趋势进行的探究,为工程实施对该区域水文过程的影响评估提供了科学依据.     

我国和印度8个典型站点大气降水氧同位素与降水量的关系

对来自GNIP的我国和印度8个站点的加权平均年大气降水氧同位素(δ18Op)和年降水量数据进行的线性相关分析结果表明:我国华南地区的δ18Op与降水量的关系不显著,说明用该区域相关的古记录来指示降水量的变化,其价值和意义是有限的;印度季风区4个站点的δ18Op与年降水量之间普遍更显著的负相关关系,说明印度季风区δ18Op变化很可能受控于年际尺度的"降水量效应",印度夏季风强度变化可能通过"瑞利分馏效应"对东亚季风区δ18Op产生重要影响.     

纵向岭谷区降水量时空变化及其地域分异规律

利用纵向岭谷区内36个气象观测站1960~2001年逐日观测降水量,根据纵向岭谷区典型南北走向山系河谷特点,选取区内7个典型剖面,通过系统分析区内降水量纬向、经向的时空变化特征及其地域分异规律,探讨降水变化与纵向岭谷特殊环境格局中"通道-阻隔"作用的关联.分析结果表明:由于受到纵向岭谷特殊地形的影响,研究区水热条件的分布格局及其变化具有独特的"通道-阻隔"多重效应,区内北部(>26°N)大部分地区降水量的年内分配状况出现具备"桃花汛"小雨期的"多峰型";至26°N,"桃花汛"小雨期渐趋消失,降水量年内分配由"多峰型"逐渐过渡为"单峰型";24°~25°N地区,降水量年内分配均为单峰型、且峰型相似,至纵向岭谷区南部,年内分配出现了具备"后雨期"的"准双峰型",且随着经度增加,这种双峰型特点更突出.由于干季该区大气环流较为单一,纵向岭谷"阻隔"作用对干季降水年际变化的空间影响并不明显,区内干季降水变化趋势较为一致;湿季降水量年际变化趋势的空间分布则更复杂,空间分异也较大.     

北极地区春季降水呈现固态向液态转变的态势

降水形态的变化可以影响地表的温度和反照率,对下垫面物质和能量平衡、陆地水文及生态系统均产生极大影响.基于美国阿拉斯加8站和加拿大11站日平均气温和固态、液态降水资料拟合的固-液态降水临界气温,辨析了1961~2010年环北极地区253个站点的降水形态时空变化特征.结果表明:60°N以北地区,降雨量占总降水量的比值(rainfall to total precipitation ratio,RPR)随纬度升高而减小.RPR气候平均态在夏季最高,秋季、春季次之,冬季最小.在不同季节,RPR变化趋势存在明显的区域差异.在春季,RPR变化趋势较为一致,在北极大部分地区(82.46%站点)呈增加趋势,且有22.37%站点通过显著性检验,表明北极大部分地区春季降水在过去50多年间呈现由固态向液态转变的趋势.使用95%置信区间上限和下限临界温度对降水形态进行划分和趋势分析,其结果与使用最优解的计算结果一致.在北极冰雪开始消融的春夏季节转换期(3~7月),阿拉斯加、中西伯利亚和北欧部分地区存在明显的固态降水向液态降水转变的趋势,这一趋势可能正在对北极地-气相互作用施加着影响.