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气候变化背景下我国极端降水的时空分布特征和未来预估

吴燕娟  
【摘要】:极端降水是极端天气气候的一个重要指标,研究其时间变化和空间分布特征以及预估其未来的变化趋势,对正确认识全球气候变暖背景下的极端天气过程具有重要的意义。本文主要以中国大陆地区为研究区,基于观测数据讨论了我国不同强度降水的时空分布特征,揭示我国历史时期降水的变化规律和区域差异;确定了区域持续性暴雨事件的识别方法,识别出我国东部季风区的区域持续性暴雨事件,并开展该类事件的时空分布特征分析;利用观测数据评估参与“耦合模式比较计划”(Coupled Model Intercomparison Project,CMIP5)的全球气候模式资料对我国长江中下游地区的降水特别是极端降水的模拟能力,在此基础上,进行不同排放情境RCP4.5和RCP8.5下21世纪该区域平均和极端降水变化的模式集合平均预估,并且分析了东亚季风对其变化的影响。主要结果如下:(1)基于中国气象科学数据共享服务网提供的气象台站日降水数据和非参数加权平均的Thiel-Sen斜率估计趋势分析方法,分析了1960-2013年我国总降水和不同强度降水的时空分布特征。结果表明,虽然我国总降水量变化趋势不明显,但是存在很大的区域差异,即西部降水呈增加趋势,东部降水在下降。总体而言,不同强度降水的变化趋势与总降水量一致,然而大雨和暴雨的上升幅度要大于总降水量。但是在我国东南地区,即使总降水量呈微弱下降趋势,大雨和暴雨呈显著的上升趋势。(2)其次,利用多元线性回归模型和相对权重法开展了降水频率和强度的变化对总降水量变化的贡献分析以及不同强度的降水量(频率)变化对总降水量(频率)变化的贡献分析。研究显示,我国西部总降水的变化主要与降水频率的变化相关,而东部总降水的变化主要与降水强度相关。对于总降水量而言,中雨,大雨和暴雨的贡献较大,但是各个地区的小雨和中雨的变化趋势对总降水频率的贡献较大。此外,我们研究了中国东部夏季降水和东亚夏季风之间的联系,发现夏季降水量在东北地区减少而在东南地区增长是由于东亚夏季风减弱引起的。(3)利用区域极端天气气候事件识别方法识别出了我国东部季风区具有一定的影响面积和持续时间的区域持续性暴雨事件,并建立了暴雨事件的指标体系,基于暴雨事件的综合指标把区域暴雨事件划分为四个等级:极端暴雨,超强暴雨,强暴雨和暴雨事件。在1960-2013年,我国东部季风区共识别出2687个区域持续性暴雨事件,其中极端暴雨事件有269个;超强暴雨事件403个;强暴雨事件672个和1343个暴雨事件。研究区的区域暴雨事件主要集中在5、6、7、8和9月份,峰值出现在7月份。从暴雨事件的空间分布来看,区域持续性暴雨事件主要集中发生在热带和亚热带季风区的长江中下游地区、江南地区和华南地区的东部。从不同等级的暴雨事件来看,极端暴雨和超强暴雨事件主要集中发生在热带和亚热带季风区的东南地区,而发生在温带季风区的暴雨事件主要是暴雨和强暴雨事件。(4)从暴雨事件的时间变化特征来看,对整个研究区而言,1960-2013年我国东部季风区的区域持续性暴雨事件随着时间的变化,频次在不断增加,暴雨事件的影响面积变大,强度增强,极端性增强,但是持续时间并没有显著变长。暴雨累积频次的变化趋势存在空间差异,在热带和亚热带季风区的暴雨事件累积频次呈现明显的上升趋势,上升幅度最大的是长江中下游流域地区,温带季风区的大部分地区的暴雨事件累积频次都以减少趋势为主。热带和亚热带季风区暴雨事件各指标均以上升趋势为主,且该区的增加趋势主要体现在极端和超强暴雨事件上;然而,温带季风区的暴雨事件各指标以下降趋势为主,主要体现在极端和超强暴雨事件上,但是该区暴雨和强暴雨事件以增加趋势为主。(5)利用中国气象科学数据共享服务网提供的0.5°×0.5°的格点数据评估了6个CMIP5模式对我国长江中下游流域5月至9月的平均和极端降水的模拟能力。此外,基于Quantile Mapping Technique对模型降水数据进行偏差修正,并基于多模式集合平均(multi-model ensemble mean,MME)预估该流域降水在21世纪的可能变化。总体而言,模式对平均降水和降水频率的模拟能力较好,对降水强度和极端降水(5年和20年回归周期降水)的模拟能力较差。从MME对各降水指数的空间分布模拟能力来看,MME可以模拟出各指数的空间地理分布特征,但是不能模拟出地形变化对降水空间分布的影响,即对复杂地形区降水的模拟能力有限。对整个长江中下游流域而言,MME高估了平均降水、降水频率和降水强度,但是低估了该流域极端降水。(6)对RCP4.5和RCP8.5排放情景下21世纪前期(2021-2050年)和末期(2071-2100年)该流域降水的MME预估表明,该流域5月至9月的平均降水以及降水强度呈现增加的趋势,但是降水频率呈现减少的趋势。该区预估的极端降水也以增加趋势为主,且上升的幅度明显大于平均降水,特别在21世纪末期,在一些平均降水呈现下降趋势的区域,极端降水也呈现明显的增加趋势。总体而言,在全球变暖背景下,在21世纪长江中下游流域降水强度明显更强,极端降水明显增多,从而导致该区更易发生洪涝灾害。分析全球气候变化对我国降水的影响,对洪涝灾害预报预警与防灾减灾具有十分重要的科学意义和实际应用价值。


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