极端气温、降水和干旱事件的时空演变规律及其多模式预测

论文摘要

全球变暖导致极端气候水文事件频繁发生。据报导,在我国大多数地区极端事件呈现上升的趋势。这将对人们的生活及生存环境造成重大影响。气候变暖也将导致极端气候事件、洪涝灾害和高温热浪等事件严重。十九大报告也指出,气候变化作为国家非传统安全,持续威胁着人类。而极端气候具有突发性强、造成的损失大等特点,研究极端气候的变化对气象灾害的预防以及决策有重要的作用。论文利用气象站数据及28个GCM的数据系统分析了中国七个气候分区的极端高温、低温、极端降水和极端干旱的趋势、频率、周期等时空演变规律。在RCP4.5和RCP8.5两个代表性浓度路径情景下,利用NWAⅠ-WG统计降尺度模型对28个大气环流模型（GCM）进行统计降尺度,并预测了2020-2100年间极端气温、降水和干旱的变化规律;玉米小麦物候期变化及其受极端温度的影响。论文获得的主要结论有:（1）极端温度指标变化规律表明,无论是历史还是未来,霜冻天数（FD0）和冷夜天数（TN10p）呈现下降趋势,而酷热天数（TD30）、最低温（TNn）、暖昼天数（TX90p）和最高温（TXx）呈现增长趋势。与1961-2000年相比,20世纪90年代,在RCP4.5和8.5情景下FD0分别减少23和58天,TN10p分别减少27.6和32.9天,TNn分别增加1.1℃和2.6℃,TD30分别增加55.0天和99天,TX90p分别增加46.7和85.6天,TXx分别增加1.9℃和4.7℃。在较冷的区域（Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ和Ⅵ）,极端高温事件的增加更显著,而在较暖的区域（ⅠV,V和VⅡ）,极端低温事件的减少更显著。说明华北地区（区域Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ）极端低温事件风险降低,华南地区（区域V和VⅡ）极端高温事件风险增加。此外,夏季和冬季FD0和TN10p呈下降趋势,TNn,TD30,TX90p和TXx呈增加趋势,该结果与年极端温度指数（ETⅠ）一致。在1961-2017年期间,中国的FD0、TN10p、TNn、TD30、TX90p和TXx的主周期分别为8年、8年、8年、3年、3年和10年。在RCP4.5情景下,从2021-2100时段存在较弱的周期,FD0、TN10p、TNn、TD30、TX90p和TXx的主周期分别为4年、4年、4年、2年、2年和3年。在RCP8.5情景下,TN10p和TNn的主周期分别为2年和4年,但其他指数没有明显的周期。修正Mann–Kendall（MMK）检验显示TNn、TD30、TX90p和TXx的呈现增加趋势;FD0和TN10p呈现下降趋势。（2）几乎所有区域的作物生育期都呈现下降趋势,不同区域生育期长短差异与各个气候分区的平均温度差异基本一致,即温度高、生育期短。与历史期间相比,到2090s,在RCP4.5和RCP8.5的排放情景下,春小麦生育期分别缩短9天和20天;冬小麦生育期分别缩短20天和60天;春玉米生育期分别缩短5天和14天;夏玉米生育期分别缩短5天和10天。春小麦和春玉米与极端高温事件相关性较高主要呈现负相关,与极端低温事件相关性较差。冬小麦则与极端低温事件相关性较高主要呈正相关,与极端高温事件相关性较差。夏玉米与极端高温事件呈负相关,与FD0和TNn相关性较差与TN10p呈正相关。（3）研究了10个极端降水指数（EPⅠ）包括最大1日降水（RX1day）、最大5日降水（RX5day）、日常降水指数（SDⅡ）、强降水天数（R10）、特强降水天数（R20）、持续湿润天数（CWD）、持续干旱天数（CDD）、非常湿润天（R95p）、极端湿润天（R99p）和全年湿润日降水总量（PRCPTOT）的时间变化。年际变化在干旱或半干旱区域（Ⅰ、Ⅱ、Ⅵ）大多稳定,但湿润地区（Ⅲ、ⅠV、V和VⅡ）变化范围比较大,突变年份分别在1963-1978和1990-2016之间发生了32次和40次。沿着从西北到中国东南的地带,RX1day、RX5day、SDⅡ、R10、R95p、R99p和PRCPTOT的大多数站点呈现显著增加趋势,特别是在中国西北地区（区域Ⅰ和Ⅵ）和东南部（区域V和VⅡ）。与中国东部相比,西部的R20显著的站点数量低于不显著的。东部的CWD和北方的CDD有下降趋势的站点多于上升趋势的站点。1998是仅次于2016年的极端湿润年份,但年内的降水量分布与2016年大不相同,对中国社会造成了更严重的洪水灾害。1998年2月至8月的月降水量较大,形成了比2016年更早的洪峰。此外,降水与NDⅥ有密切关系。（4）广义极值（GEV）、皮尔逊三型（P-Ⅲ）、两参数对数正态分布（LN2）和三参数对数正态分布LN3是10个累积分布函数（CDF）中对极端降水模拟较好的。这四个CDF的最优分布共占RX1day,RX5day、SDⅡ、R10、R20、CWD、CDD、R99p和PRCPTOT552个站点的91.6%、88.4%、78.6%、59.1%、60.1%、83.2%、80.6%、76.8%和66%。然而,EV1,GPA和泊松分布的模拟能力很差。极端降水的值随着重现期的增加而增高。这在年平均降水量超过1300毫米的中国南部（区域ⅠV、V和VⅡ）尤其明显,这也意味着这里发生极端降水事件（洪水）的风险更高。EPⅠ重现期的空间分布清楚地反映了极端干旱和降水事件的区域特征。与历史期间相比,RX1day、R10、R20、R99p和PRCPTOT的增幅更为显着,特别是在西北地区（区域Ⅰ和Ⅵ）。SDⅡ在东北（区域Ⅲ）增加,在西部减少,在其他地区没有明显变化。RX5day和CWD在西部（分区Ⅰ和Ⅵ的一部分）出现下降。几乎在全国CDD都减少,而只有部分子区域V和VⅡ显示增加。（5）极端干旱空间差异较大,发生最多的区域为区域Ⅰ、Ⅱ和Ⅵ。最高累积发生29次,主要集中在西北地区。与历史数据相比,在RCP4.5情景下,到2090s极端干旱事件从区域Ⅰ至VⅡ分别增长0.4、0.3、0.1、0.2、0.1、0.05和0次;在RCP8.5情景下,到2090s极端干旱事件从区域Ⅰ至VⅡ分别增长0.8、0.7、0.5、0.4、0.2、0.2和0.2次。极端干旱的次数增加,在RCP8.5的情景下更加明显。在干旱区上升的幅度明显高于湿润地区。在空间分布上,在RCP4.5情景下,极端干旱在40s的变化范围为-6.8-11次,其中,区域VⅡ和Ⅲ的部分地区极端干旱有所下降,其他地区极端干旱都是增长。在区域Ⅰ、Ⅱ和Ⅵ增长的最明显。极端干旱在2080s的变化范围为-7.8-32次,增长幅度与2040s相比明显的增加。RCP8.5情景下,极端干旱变化的空间分布与RCP4.5大致类似。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
•   1.1 研究背景和意义
•   1.2 国内外研究进展
•     1.2.1 GCM在气候变化应用的研究进展
•     1.2.2 极端气温研究进展
•     1.2.3 极端降水研究进展
•     1.2.4 极端干旱研究进展
•   1.3 研究区概况
•   1.4 研究思路与技术路线
•     1.4.1 研究思路
•     1.4.2 技术路线
• 第二章 极端气温时空演变及其预测
•   2.1 材料与方法
•     2.1.1 数据来源
•     2.1.2 统计降尺度
•     2.1.3 极端温度指数
•     2.1.4 泰勒图法
•     2.1.5 趋势检验
•     2.1.6 小波分析
•   2.2 结果分析
•     2.2.1 气候模式评价及选择
•     2.2.2 历史期间的极端温度变化
•     2.2.3 未来极端气温的变化
•     2.2.4 极端气温指数在冬季和夏季的时空分布
•     2.2.5 极端气候的周期变化
•   2.3 讨论
•   2.4 小结
• 第三章 极端气温对作物生育期的影响
•   3.1 材料与方法
•     3.1.1 数据来源
•     3.1.2 作物生育期的计算
•   3.2 结果分析
•     3.2.1 生育期计算值验证
•     3.2.2 生育期的时空变化
•     3.2.3 生育期的预测
•     3.2.4 生育期与极端气温
•   3.3 讨论
•   3.4 小结
• 第四章 典型年极端降水分析
•   4.1 材料与方法
•     4.1.1 极端降水指数
•     4.1.2 数据来源
•   4.2 结果分析
•     4.2.1 极端降水指数的时间变化分析
•     4.2.2 极端降水空间变化
•     4.2.3 极端降水典型年分析
•   4.3 讨论
•   4.4 小结
• 第五章 极端降水频率分析及其预测
•   5.1 材料与方法
•     5.1.1 频率分析方法
•     5.1.2 气候模式加权平均
•   5.2 结果分析
•     5.2.1 极端降水的年代际变化
•     5.2.2 CDF的选择
•     5.2.3 不同重现期下极端降水空间分布
•     5.2.4 多模式加权平均
•     5.2.5 极端降水预测
•   5.3 讨论
•   5.4 小结
• 第六章 极端干旱预测
•   6.1 材料与方法
•     6.1.1 SPEI干旱指标
•     6.1.2 极端干旱
•   6.2 结果分析
•     6.2.1 干旱的历史变化
•     6.2.2 极端干旱预测
•   6.3 讨论
•   6.4 小结
• 第七章 结论与建议
•   7.1 主要结论
•     7.1.1 极端气温时空分布特征及其预测结果
•     7.1.2 作物生育期变化特征及其受极端气温的影响
•     7.1.3 极端降水典型年特征
•     7.1.4 极端降水频率特征及其预测
•     7.1.5 极端干旱变化特征
•   7.2 建议
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 李林超

导师: 李毅

关键词: 统计降尺度,极端气温,极端降水,频率分析,极端干旱

来源: 西北农林科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 气象学,气象学,地球物理学

单位: 西北农林科技大学

基金: 国家重点研发计划项目基金(编号:2017YFC0403303)

分类号: P339;P467

总页数: 116

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