中国与全球小降水事件近几十年的变化趋势及未来预估

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全球变暖背景下,观测和模拟研究都发现近几十年强降水事件增多。但是对于降水强度较小的小降水事件的研究较少。因此,本文利用1961-2010年中国和全球台站的观测降水资料,分析了近几十年中国和全球小降水事件的变化趋势;利用再分析资料和数值模式探讨了小降水事件的变化的可能原因;利用CMIP5模式的模拟结果预估了未来全球小降水事件的变化。鉴于本文研究的区域范围大,降水的区域差异较大,本文定义小于日降水分布的第50百分位的降水事件为小降水事件。本文的主要结论如下:  (1)中国小降水事件的变化趋势。1961-2010年中国东部的小降水事件的频率(日数)和降水量显著减少,而且季节差异不明显,夏半年和冬半年都有减少的趋势;相反,西北全年和冬半年的小降水日数和降水量增多,但夏半年变化不明显;整个中国的小降水事件的强度都有增强的趋势。中国东部小降水事件的变化趋势在大小上存在南北差异。全年的频率和降水量上,华南和华北的减少要大于长江中下游和东北。夏半年北方的减少要比南方明显,而冬半年则相反。  (2)中国各强度降水事件的变化趋势。整个中国无降水日数显著增多,华南和长江中下游增多大于华北、东北和西北;整个中国的微量降水日数显著减少,华北和东北减少大于华南和长江中下游地区;中国东部的中等降水(第50-90百分位)日数和降水量减少,西北增多;华南和长江中下游的强降水(大于第90百分位)日数和降水量增多为主,华北和东北减少为主,西北的强降水日数和降水量显著增多。中国的日降水的变化趋势存在区域差异:华南和长江中下游的小降水和中等降水事件的日数和降水量减少,强降水日数和降水量增多;华北和东北小降水、中等降水、强降水事件的日数和降水量都减少;西北小降水、中等降水、强降水事件的日数和降水量都增多。  (3)全球小降水事件的变化趋势。1961-2010年中国东部和欧亚大陆北部的全年的小降水日数减少(-3.1%/decade和-2.5%/decade)、强度增强(1.1%/decade和1.7%/decade)、降水量变化不显著;美国、澳大利亚和伊比利亚半岛小降水日数增多(0.7%/decade、2.7%/decade和2.7%/decade)、强度减弱(-0.8%/decade、-1.6%/decade和-3.5%/decade)、降水量变化不显著。小降水事件的变化趋势的季节差异不明显,夏半年和冬半年小降水事件的变化趋势与全年的趋势相似。  (4)全球大气静力稳定度的变化趋势及影响小降水事件变化的可能机理。1961-2010年中国东部和欧亚大陆北部对流层低层的增温要大于中高层,大气静力稳定度减弱;相反,美国、澳大利亚和伊比利亚半岛对流层低层的增温要小于中高层,大气静力稳定度增强。大气静力稳定度的变化是小降水事件变化的可能原因。大气静力稳定度的变化影响小降水事件变化的可能机理:当大气静力稳定度减弱时,垂直上升运动增强,降水强度增强,降水分布向强度较大的降水事件偏移,不利于小降水事件的发生,小降水事件减少;当大气静力稳定度增强时,垂直上升运动减弱,降水强度减弱,降水分布向强度较小的降水事件偏移,有利于小降水事件的发生,小降水事件增多。  (5) CMIP5模式对日降水特征的模拟技巧。CMIP5模式模拟降水频率、强度和降水量与观测的空间相关系数高,模式能较好地模拟降水的空间分布型态。模式模拟的降水频率和降水量的大小与观测存在较大的差异。模式模拟的降水频率和降水量的空间差异要大于观测。CMIP5模式模拟的降水频率和降水量偏多,降水强度偏弱。CMIP5模式模拟的降水频率偏多主要是由于模拟的小于10mm/day的降水事件偏多。CMIP5模式模拟的小降水事件(<10mm/day和<3mm/day)偏多而模拟的强降水事件(≥30mm/day)偏少,与CMIP3模式类似,CMIP5模式同样存在高估了小降水事件而低估了强降水事件的不足。  (6)未来平均降水、小降水、强降水事件的变化趋势。未来21世纪,中低纬度陆地的降水频率以减少为主,而高纬度地区的降水频率有显著增多的趋势;中高纬度的降水量增多,陆地上亚洲和美洲的降水量增多,而澳大利亚、亚马逊平原、非洲南部和地中海地区的降水量减少;全球降水强度以增强为主,陆地和中高纬度地区的降水强度增强明显。陆地的小降水事件的频率和降水量减少,而降水强度变化存在较大不确定性。中高纬度的强降水事件的频率和降水量增多;全球强降水事件的强度以增强为主,中高纬度增强明显。  (7)平均降水、小降水、强降水事件的变化与增温幅度的关系。增温越大降水事件的变化幅度越大。21世纪后期平均降水、小降水事件和强降水事件的频率、强度和降水量的变化幅度要大于21世纪中期。rcp85情景下的变化幅度要大于rcp45情景下的变化幅度。全球平均的降水频率没有明显的变化,但降水强度增强、降水量增多,变化的速率分别为1.8%/K、1.6%/K。全球陆地平均的降水频率减少、强度增强、降水量增多,变化的速率分别为-0.5%/K、2.5%/K、1.5%/K。全球海洋平均的降水频率变化的不确定性大,但降水强度增强、降水量增多,变化速率分别为1.5%/K、1.6%/K。全球平均的小降水事件的频率和降水量减少,减少的速率分别为-0.4%/K和-0.8%/K。全球陆地平均小降水事件的频率和降水量减少,减少速率分别为-1.5%/K和-1.7%/K。全球、陆地和海洋平均的小降水事件强度变化的不确定性较大。全球、陆地和海洋平均的强降水事件的频率、强度和降水量都增大,全球平均的变化速率分别为4.2%/K、1.6%/K和5.0%/K,全球陆地平均的变化率分别为5.7%/K、1.8%/K和6.0%/K,全球海洋平均的变化速率分别为3.7%/K、1.5%/K和4.7%/K。
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