人类活动对流域尺度降水变化的可能影响

发布时间：2020-11-11 12:55

　　 随着全球气候变化研究工作的不断深入,人类活动在气候变化中的贡献作用逐渐受到关注。近年来,在全球气候变化的背景下,极端天气事件显著增多,其中极端降水事件频率的增加,导致部分流域洪涝灾害风险升高。开展人类活动对流域尺度降水变化影响的研究,可以帮助认识人类活动对区域尺度气候变化的贡献,为水利部门提供重点流域防灾减灾指导,为决策者制定温室气体减排方案提供科学建议,具有重要的研究意义和实际价值。本文利用两套降水观测资料CPC-Global和CN05.1以及20世纪气候检测归因计划(C20C+DA Project)中CAM5.1-1degree模式多个集合的模拟结果,利用显著性检验和相对均方根误差等方法,评估了模式对分别位于三个不同纬度带的长江流域、黄淮海流域和湄公河流域的平均降水量和极端降水量(用三种极端降水指数:连续五日最大降水量RX5day、一般强降水量R90p、极端强降水量R99p表示)的模拟能力。在评估的基础上,通过比较该模式的两种历史模拟情景All-Hist(包括人类活动在内的所有强迫因子影响的现实情景)和Nat-Hist(仅考虑自然强迫因子影响的非现实情景)分别相对于Nat-Hist基准期的时空分布特征的差异,分析了人类活动对三个典型流域平均降水和极端降水时空变化的可能影响。在上述研究结论的基础上,结合大气环流场和季风指数的变化与降水增减对应关系的研究成果,以长江流域为例,初步分析了人类活动可能导致降水变化的动力学原因。具体结论如下:(1)CAM5.1-1degree模式在两种情景下模拟出的平均降水和极端降水的年际变率与空间分布特征均存在明显差异,说明人类活动对流域尺度平均降水和极端降水的变化确实做出了贡献。其中All-Hist情景下多个集合平均的模拟结果(MRA)可以较好地再现三个流域平均年降水量以及代表极端降水量的三种极端降水指数(RX5day、R90p、R99p)相对于基准期的时空变化情况,即代表现实情景的All-Hist情景的模拟结果更接近观测事实,说明该模式的模拟效果较好。(2)CAM5.1-1degree模式All-Hist情景的MRA在模拟平均降水的时空分布特征时的能力要优于极端降水,而且模式对不同流域的平均降水和极端降水的时空变化幅度均有不同程度的低估。对平均降水时间变化特征的模拟评估结果表明,热带地区湄公河流域的模拟能力要强于亚热带地区的长江流域和温带地区的黄淮海流域,仅有湄公河流域的MRA能够较准确地模拟出极端的年际间波动;而对极端降水的时间变化特征的模拟评估结果中,虽然可以大致再现与观测相近的年际波动,然而MRA结果对极端降水指数的变化幅度有明显低估。对平均降水空间分布特征的模拟评估结果中,可以得出MRA能够准确模拟出发生明显变化的极值中心的位置,特别是发生明显减少的变化极值中心位置;但对极端降水空间分布变化的模拟评估结果显示,除温带地区黄淮海流域的模拟能力较好之外,其他流域仍存在较大的提升空间。(3)从人类活动对流域尺度降水变化的影响来看,研究表明:受人类活动的影响处于不同纬度带的三个典型流域的平均降水的时间变化均以减少为主。亚热带地区长江流域的平均降水受人类活动影响呈现出的减少趋势最为明显,温带黄淮海流域平均降水的减少持续了整个研究时段,而热带地区湄公河流域的减少变化相对较弱。另外,对温带地区黄淮海流域平均降水减少贡献最大的季节为夏季,贡献最大的时段为1960?1969年,而在亚热带和热带的长江流域和湄公河流域贡献最大的季节为降水发生较少的冬季或旱季,时段为2000?2009年;三个流域极端降水受人类活动影响则呈现出增多趋势随时间逐渐减弱,乃至减少的变化趋势。三个流域中热带湄公河流域的极端降水受人类活动影响发生的变化最为明显,三种极端降水指数中,R90p增多趋势被削弱的程度最显著,2000?2009年是人类活动对极端降水量影响最大的时期。(4)研究结果还指出:受人类活动影响三个流域的平均降水和极端降水变化的空间分布均存在显著的空间差异。相比仅考虑自然强迫因素的Nat-Hist情景,在包含人类活动影响的All-Hist情景下,三个流域中平均降水和极端降水呈现减少变化的空间范围扩大、呈现增多变化的空间范围缩小、两情景下共同呈现减少变化的区域的减少程度加剧,可见从空间分布特征的变化方面,人类活动对不同纬度带的三个流域的平均降水和极端降水的影响以减少为主。三个流域中受人类活动影响降水减少最多的地区是:长江流域的上游中部和流域南部,黄淮海流域的黄河刘家峡地区、淮河南部、海河北部,湄公河流域纬度20°N~25°N区域。另外,对比人类活动影响下的不同程度极端降水的时空变化,发现降水极端程度越强,在人类活动的影响下发生的时空变化特征越明显,即人类活动的影响程度越强。(5)为进一步探究人为强迫导致流域降水变化的机制,文中以长江流域夏季降水为例,分析了与降水变化的相关的主要环流因子受人类活动影响的变化,结果表明在人类活动的影响下,200 hPa风场西风急流增强,850 hPa风场向长江流域水汽输送减弱,500 hPa位势高度场中西太平洋副高强度增强且位置北移、东退,这些变化均有研究曾指出其与长江流域夏季降水的减少存在对应关系,可能是人为强迫导致长江流域夏季降水变化的大气动力学原因。
【学位单位】：中国气象科学研究院
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：P461
【部分图文】：

2.1 C20C + D&A 计划的两种情景试验设计图解（引自 Dáithí A. Stone, et al., Weather Climate Extremes：2019, https://doi.org/10.1016/j.wace.2019.100206）输出的变量涵盖了大气及陆面系统的诸多关键变量，本文中使用的模式输水量（pr）日数据以及纬向风（u）、径向风（v）、相对湿度（hur）、海平面

（°N）长江流域上游 91~111 24.5~36中游 111~117 24.5~36下游 117~122 25~33黄淮海流域 95~123 30~43湄公河流域 93~109 9~34图 2.2 流域空间分布图2.2.2 资料插值方法为了配合研究空间尺度的需求，更清晰地展示空间分布结果，本文使用双插值法将全部数据统一插值到 0.25°×0.25°的格点上。2.2.3 统计方法（1）相对均方根误差为了评估模式的模拟能力，比较多个试验集合的模拟效果，采用模式评估工作中常用的均方根误差法。模式结果和观测数据之间的均方根误差（RMSE）可以表示两者之

图 3.1 1960 2009 年三个流域不同时段平均年降水量的观测值和两种模拟情景下的模拟值盒须图（单位：mm/yr，须图上下两端分别表示所有模式集合结果的最大值、最小值，盒图的上端表示上四分位数，下端表示下四分位数。其中长江流域（YR）和黄淮海流域（HuangHH）观测数据选用 CN05.1，湄公河流域（MR）选用 CPC-Global）为了排除数据偏差的影响，选取 1981 2010 年为基准期，计算了 All-Hist 情景中
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本文编号：2879206