透视地球工程对全球陆地不同重现期极端降雨强度的潜在影响

全球气候持续增暖背景下地球工程逐渐成为国际气候谈判中的焦点话题。基于2020—2099年BNU-ESM模式地球工程和RCP 4.5情景下的非地球工程日值降水数据,采用超阈值取样和韦伯分布计算极端降雨强度,并对比两种情景下的极端降雨强度差异特征;最后对比地球工程实施的2020—2069年和结束后的2070—2099年的极端降雨量差异特征。结果表明:(1)2020—2099年两种情景下的极端降雨(包括强降雨和极端强降雨)强度的空间格局并未出现根本差别,反而具有较好的一致性,表明地球工程实施未对极端降雨强度的空间高低分异格局产生颠覆性影响。(2)地球工程对低强度极端降雨影响较小,对高强度极端降雨影响较大,并呈现出区域差异性,且随着重现期增加,差异特征逐渐增大。(3)地球工程使得强降雨强度在干旱地区减弱,而在湿润地区增强,且对北半球陆地的影响明显高于南半球陆地。(4)2020—2069(2070—2099)年地球工程实施期间南半球陆地极端降雨量趋于增多(减少),北半球陆地趋于减少(增多);整体而言地球工程实施的2020—2069年抑制了极端降雨量增多,而2070—2099年则促进了极端降雨量增多。研究成果对于认识地球工程对极端天气气候的影响具有一定的参考价值。     

1.5℃温控目标下地球工程对全球陆地气候的潜在影响及区域差异

基于BNU-ESM模式2010—2099年的地球工程情景和非地球工程情景日值气温和降水数据,对比分析了两种情景下整个研究时段(2010—2099年)、地球工程实施期间(2020—2069年)和地球工程实施结束后(2070—2099年)的全球陆地气候格局及其差异特征。结果表明:(1)在气候格局上,两种情景下的全球陆地年均气温和降雨量在三个研究时段的空间高低分异格局基本一致,并未发生根本性的变化,地球工程并未颠覆原有的气候分布特征。全球陆地年均气温和降雨量在2010—2099年、2020—2069年和2070—2099年的空间相关系数分别为0.54、0.51和0.59与0.55、0.50和0.52(n=2 658),均通过了0.01显著性水平的检验。(2)在气候差异上,三个研究时段的全球陆地年均气温在地球工程情景下相比非地球工程情景明显降低,有助于《巴黎协定》1.5℃和2.0℃温控目标的实现。其中2020—2069年全球陆地年均气温降低幅度最大,2010—2099年次之,2070—2099年最小。地球工程实施期间北半球陆地的降低幅度高于南半球陆地。在2010—2099年和2020—2069年,地球工程对全球陆地的年均降雨量以抑制作用为主,促进作用为辅,2070—2099年则以促进作用为主,抑制作用为辅,且具有明显的南北半球差异特征。地球工程实施期间北半球多数陆地的年均降雨量减少,而南半球陆地则增多。地球工程实施结束后北半球中低纬度的年均降雨量普遍增多。(3)在地球工程实施前后差异上,地球工程实施结束后相比实施期间,全球陆地年均气温明显增加,且北半球陆地增加幅度高于南半球陆地,北半球陆地高纬度地区高于北半球陆地低纬度地区。考虑到两种情景下的气温差异,地球工程情景下实施结束后的温升幅度仍未超过非地球工程情景。研究成果对于认识地球工程的气候影响具有参考意义。     

太阳辐射管理地球工程对中国不同强度降雨量的潜在影响

在《巴黎协定》制定的1.5℃温控目标面临挑战的背景下,地球工程作为人为快速给地球降温的手段,逐渐成为学界关注的焦点话题之一。采用BNU-ESM模式的2020—2099年地球工程和非地球工程(RCP4.5)情景下的0.5°×0.5°的日值降水数据,基于中国气象局中央气象台划分的24 h降雨强度划分标准,诊断了地球工程实施期间(2020—2069年)和结束后(2070—2099年)的5种强度降雨量的空间格局及差异特征,以此来揭示地球工程实施对中国不同强度降雨量的潜在影响。结果表明:(1)地球工程在实施期间及结束后并未根本性改变中国不同强度降雨量的空间分布格局,两种情景下的中国不同强度降雨量空间高低分异格局具有相似性,但地球工程实施结束后的中国不同强度降雨量的相似性整体低于实施期间。(2)两种情景下的差异表明在地球工程实施期间,地球工程对中国低强度降雨量以促进作用为主,抑制作用为辅;对中高强度降雨量则以抑制作用为主,促进作用为辅。在地球工程实施结束后,地球工程对低强度降雨量起抑制作用的区域增多,对高强度降雨量起促进作用的区域增多。(3)地球工程情景下实施前后表明,相比实施期间,地球工程实施结束后对中国不同强度降雨量的影响主要以促进作用为主,抑制作用为辅。研究对于认识地球工程对中国气候的影响具有前瞻性意义,同时也可为中国在地球工程国际治理和谈判中提供科技支撑。     

透视地球工程对全球陆地气候变化趋势和波动特征的影响及区域差异

为诊断地球工程对全球陆地气候变化趋势和波动特征的影响,采用BNU-ESM模式的地球工程和非地球工程情景日值气温和降水数据,对比分析了两种情景下整个研究时段(2010—2099年)、地球工程实施期间(2020—2069年)和地球工程实施结束后(2070—2099年)的全球陆地气候变化特征及区域差异。结果表明:(1)两种情景下全球陆地气温变化趋势空间格局的一致性优于降雨量变化趋势空间格局。3个时段全球陆地气温主要以增加趋势为主,2070—2099年两种情景下开始出现减少趋势。地球工程在不同时段改变了不同区域和次区域降雨量变化趋势的方向。(2)地球工程在3个时段对全球陆地气温变化趋势的影响具有异质性。地球工程在2010—2099年对气温增减趋势影响最小,多介于-0.2～0.2℃/(10 a)之间;在2020—2069年对气温增加趋势的抑制作用最大,多数地区抑制幅度超过了0.4℃/(10 a);在2070—2099年对气温增加趋势的促进作用最大,多数地区促进幅度超过了0.4℃/(10 a)。地球工程实施前后全球陆地降雨量变化趋势差异增大,尤其是在中低纬度地区呈现出明显的区域与次区域特征。(3)地球工程未对全球气候的波动性产生根本改变。两种情景下的全球陆地气温和降雨量的波动特征具有较好的一致性。(4)地球工程对北半球陆地气温波动的影响大于南半球陆地。地球工程情景下实施结束后的气温波动特征明显小于实施期间。地球工程对全球陆地降雨量波动特征的影响具有异质性。2020—2069年地球工程对南(北)半球陆地的降雨量波动特征的影响以促进(抑制)作用为主;地球工程对2070—2099年及地球工程实施前后降雨量波动特征的影响恰好与2020—2069年相反。     

透视地球工程对全球陆地气候变化趋势和波动特征的影响及区域差异

为诊断地球工程对全球陆地气候变化趋势和波动特征的影响,采用 BNU－ESM 模式的地球工程和非地球工程情景日值气温和降水数据,对比分析了两种情景下整个研究时段( 2010—2099 年) 、地球工程实施期间( 2020—2069 年) 和地球工程实施结束后( 2070—2099 年) 的全球陆地气候变化特征及区域差异。结果表明: ( 1) 两种情景下全球陆地气温变化趋势空间格局的一致性优于降雨量变化趋势空间格局。3 个时段全球陆地气温主要以增加趋势为主,2070—2099 年两种情景下开始出现减少趋势。地球工程在不同时段改变了不同区域和次区域降雨量变化趋势的方向。( 2) 地球工程在 3 个时段对全球陆地气温变化趋势的影响具有异质性。地球工程在 2010—2099 年对气温增减趋势影响最小,多介于－0. 2 ～ 0. 2 ℃ /( 10 a) 之间; 在 2020—2069 年对气温增加趋势的抑制作用最大,多数地区抑制幅度超过了 0. 4 ℃ /( 10 a) ; 在 2070—2099 年对气温增加趋势的促进作用最大,多数地区促进幅度超过了 0. 4℃ /( 10 a) 。地球工程实施前后全球陆地降雨量变化趋势差异增大,尤其是在中低纬度地区呈现出明显的区域与次区域特征。( 3) 地球工程未对全球气候的波动性产生根本改变。两种情景下的全球陆地气温和降雨量的波动特征具有较好的一致性。( 4) 地球工程对北半球陆地气温波动的影响大于南半球陆地。地球工程情景下实施结束后的气温波动特征明显小于实施期间。地球工程对全球陆地降雨量波动特征的影响具有异质性。2020—2069 年地球工程对南( 北) 半球陆地的降雨量波动特征的影响以促进( 抑制) 作用为主; 地球工程对 2070—2099 年及地球工程实施前后降雨量波动特征的影响恰好与 2020—2069 年相反。     

1960—2013年昭通市极端降雨时空演变规律研究

气候变化引起的极端降雨量级和频次变化已经引起了广泛的关注,极端降雨演变规律的研究对于区域防洪减灾和水资源管理具有重要意义。基于昭通市及其周边的16个气象站点1960—2013年共54 a的降雨数据,选取世界气象组织推荐的6个极端降雨指数,采用线性趋势分析、Mann-Kendll法和滑动T检验等方法分析了昭通市的极端降雨时间演变规律,并基于ArcGIS10.2采用反距离插值法(IDW)分析了昭通市极端降雨指数的空间分布格局。结果表明:在趋势演变方面,昭通市的总降雨量PRCPTOT有下降趋势;而反映极端降雨量级的3项指数SDII,RX5day,R95p均呈上升趋势,其中RX5day上升趋势显著;而R10mm和CWD这2项反映极端降雨频率的指数均呈下降趋势,其中R10mm下降趋势显著。在空间分布方面,昭通市6项极端降雨指数具有较高的空间异质性,东北部降雨量级和频率较高,中部趋缓,而西南部总体上相对较低。相关分析的结果表明昭通地区极端降雨指数与高程呈现负相关关系,极端降雨主要发生在低海拔地区。研究成果有助于加深对该区域极端降雨发生规律的认识,为区域防洪减灾和水资源管理提供参考。     

2021年全球典型极端降雨灾害事件对比及综合防御

气候变化导致极端降雨过程频繁出现,严重危害生命、财产及生态环境安全,影响社会经济健康发展。对比分析不同区域极端降雨及其致灾过程案例,对于提高综合风险防御与应对能力具有一定意义。以2021年7月份发生在中国、欧洲、日本、印度等地的典型极端降雨事件为基础,通过情景复盘、归因分析、比较分析,探究极端降雨致灾特点。结果表明：极端降雨具有过程骤然性、落区局地性和雨强极值性等特征,极端降雨灾害具有隐患零存整现、破坏性能量集聚爆发、邻近空间链式致灾等特点。建议从基于自然水流系统的国土空间规划优化、提高防御工程标准和规范预警响应行动等方面提升综合防御能力。研究成果可为科学高效防御城市极端降雨灾害提供参考。     

极端降水对陕西省农业生产的影响

为探究变化环境下极端降水对陕西农业生产的影响,依据陕西省2010—2020年降水数据,结合地形、植被覆盖和社会经济等特征,将HEV（危险性指数、暴露度指数、脆弱性指数）风险评价体系应用于极端降水对陕西省农业生产的影响评价当中,形成风险分布图。研究表明：咸阳市南部、西安市北部以及汉中市中部地区由于地势较低,河网众多,受极端降水的影响较大,风险指数高于0.8,属于高风险地区;陕北的榆林地区由于农业经济密度较低（小于400万元/km2）,农业生产受极端降水影响较小,而汉中市北部则由于植被覆盖度高、地形坡度大,受极端降水影响较小,均属于低风险地区。分析极端降水对陕西省农业生产影响的空间分布特征以及原因,可为变化环境下陕西省农业生产防洪减灾提供理论依据。     

黄河中游极端降雨对输沙量影响的时序分析

黄河中游是黄河泥沙的主要来源区,极端降雨是区域侵蚀产沙及河流输沙的主要动力。基于黄河中游河潼区间1958—2016年26站逐日降雨数据及河口镇和潼关水文站的输沙量数据,采用回归分析、双累积曲线等方法,研究了极端降雨指标的变化趋势及对输沙量的影响。结果表明:①极端降雨指标总体呈降低趋势,但多数指标的下降趋势未达到显著性水平。②输沙量在1979年和1999年发生突变。1979年之前对输沙量影响最大的是最大1 d降雨量,影响最小的是汛期降雨量;1980—1999年对河流输沙量影响最大的是主汛期降雨量,影响最小的是暴雨量;2000—2016年对河流输沙量贡献率最大的是大雨量,最小的是暴雨量。③极端降雨对输沙量的影响在1958—1979年最大,1980—1999年次之,2000年之后输沙量受人类活动的影响大于极端降雨的影响。     

基于百分位数法的中国不同强度小时降雨频次空间分异格局及其变化模态研究(1961-2013)

高分辨率的降水数据有助于科学认识全球增暖背景下不同强度降雨事件的空间分异特征。采用1961—2013年中国545个气象观测站的小时降水数据,基于50%和90%分位数,将小时降水事件分为弱降雨、中等强度降雨、强降雨和总降雨四类事件,从气候态特征、波动特征、变化趋势和时空变化模态四个方面诊断了上述四类小时降雨频次的空间演变特征。结果表明:(1)基于50%和90%分位数阈值的方法表明中国小时降雨阈值具有明显的东高、西低,沿海高、内陆低的空间分异特征。(2)中国不同强度小时降雨频次在1961—2013年呈现出东南高、西北低的空间分异特征,其中从东北至西南存在一个介于东南和西北之间的过渡带,其不同降雨频次介于东南和西北之间。(3)中国不同强度小时降雨频次波动特征首先呈现出东南波动小,西北波动大;其次呈现出南方波动小,北方波动大的空间分异特征。中国不同强度小时降雨频次均在长江流域呈现出增加趋势,强降雨和总降雨频次在京津冀地区也明显趋于增加。(4)基于EOF分析的结果表明中国不同强度小时降雨频次在长江流域趋于增加是最主要的模态特征,该模态小时弱降雨、中等强度降雨、强降雨和总降雨频次的方差解释率分别达62.49%、59.41%、46.26%和67.20%。     

轴对称条件下水泥土强度特性试验研究

通过水泥土等P三轴剪切试验、常规三轴固结排水剪切试验(CD)与三轴固结不排水剪切试 验(CU),对水泥土力学特性进行研究,讨论水泥土的应力一应变曲线变化特点和强度特性。试验结 果表明:水泥土的应力一应变曲线为软化型,软化程度与围压有关;不同应力路径对水泥土强度有一 定的影响,但影响程度较弱;小围压作用下水泥土具有剪胀性,类似强超固结土;高围压下,水泥土 类似弱超固结土;残余强度均随围压的增加呈线性增大,CD试验残余强度高于CU试验,残余强度 与峰值强度的比值随围压的增大而增大,增大速率逐渐减小;水泥土CU试验的有效强度包线与CD 试样强度包线基本一致。     

中国不同月份暴雨的多属性时空演变特征及区域差异(1961-2016年)

为了诊断变暖背景下中国不同月份暴雨多属性时空差异特征,采用1961—2016年中国545个气象站点的日值降水数据,利用线性回归、变异系数和图谱对比分析等方法,从气候态特征、变化趋势和年际变异3个方面诊断了中国不同月份的暴雨雨量和雨日的时空变化特征。结果表明:(1)1961—2016年中国不同月份的暴雨雨量与暴雨雨日在对应月份具有相似的空间分异特征。暴雨雨量和暴雨雨日的高值区1—7月份逐渐从东南沿海向西北内陆扩张,但主要分布在胡焕庸线以东地区;8—12月份则从西北地区向东南沿海地区缩减;胡焕庸线以西地区的暴雨雨量和暴雨雨日在不同月份分布较少。(2)1961—2016年中国不同月份的暴雨雨量与暴雨雨日的变化趋势时空分异特征基本一致。5—8月份是中国暴雨雨量和暴雨雨日变化趋势最显著的月份,主要分布在东南季风区,且以增加趋势为主;西北地区的暴雨雨量和暴雨雨日的趋势则在不同月份变化较小。(3)1961—2016年中国不同月份的暴雨雨量与暴雨雨日的年际变异特征相似。其中北方地区在4—10月份波动特征较大;南方地区则在1—3月份、11—12月份波动较大。暴雨雨量和暴雨雨日波动较大的高值区随月份发展逐渐从东南向西北、东北和西南地区扩张,且东南地区的波动趋于减小,随后再从西北、东北和西南地区向东南地区缩减,同时伴随东南地区波动增大。研究对于防洪减灾和水资源规划与利用具有一定的参考意义。     

极端土地利用变化和降雨类型影响下洪水特征响应分析

为降低洪涝灾害影响、提高对洪水灾害的防御能力,评估极端土地利用变化和降雨类型对洪水特征的影响至关重要。基于分布式水文-土壤-植被模型DHSVM对浙江省汤浦水库上游流域20场洪水进行入库洪水建模,并采用模糊决策树法将洪水划分为快速洪水、短历时降雨洪水和长历时降雨洪水3种类型,研究极端土地利用和降雨类型对各类型洪水的特征指标影响。结果表明：DHSVM模型模拟效果较好,率定期和验证期各场次洪水纳什效率系数均值大于0.7。受区域内耕地面积影响,退耕还林和退耕还草对洪峰和洪量的消减作用皆小于2%。快速洪水的洪峰对下垫面变化最敏感,在退林还耕和城市扩张的极端土地利用变化下其洪峰平均增长率分别为12.87%和60.88%。下垫面变化对长历时降雨洪水的洪量影响最大,在退林还耕和城市扩张情境下其洪量平均增长率分别为10.48%和20.70%。城市扩张情景使得峰现时间平均提前2.10 h,降雨类型改变使得快速-短历时洪水开始时间平均延迟 3.63 h,洪峰减小34.73%;短历时-快速洪水开始时间平均提前7.11 h,洪峰增大22.87%。     

1951- 2015 年广西极端降雨时空演变特征

基于两种高时空分辨率的 1951- 2015 年日降雨序列数据, 选择 11 个极端降雨指数, 采用 Mann-Kendall( M- K) 检验法和极点对称模态分解法, 分析了广西极端降雨事件的多尺度非线性时空演变特征。结果表明: 1951 - 2015 年广西 11 个极端降雨指数除连续湿润日 CWD、中雨日数 R10总体呈现下降趋势外, 其余 9 个指数均呈现较显著的增强趋势; 广西连续干日指数 CDD 高值区位于桂东和桂西, 其余指数均呈现出从桂东北及南部向桂西南、桂西北递减的空间分布特征; 各极端降雨指数显示, 广西极端降雨演变多在 2008- 2010 年发生显著的突变; 广西极端降雨演变存在 2. 85~ 3. 34 a 和 5. 34~ 9. 19 a 的年际准周期, 存在 10. 09~ 17. 11 a 和 22. 35~ 35. 62 a 的年代际准周期, 其多重周期的波动振荡主要以极端降雨的年际变化贡献为主。     

考虑降雨空间异质性的动态临界雨量预警指标推求

降雨空间分布的不均匀性对中小河流洪水预警的临界雨量有较大影响,而降雨的空间分布难以准确量化,成为制约洪水预警精度的重要难题。结合泰森多边形和等流时面,提出一种既能反映降雨空间分布不均匀程度,又能反映降雨中心位置的降雨空间异质性指数SHIP,进一步基于支持向量机的分类原理,将SHIP用于中小河流洪水动态临界雨量预警指标的推求。以汉江旬河上游为例,分析了降雨空间异质性对临界雨量及预警精度的影响。结果表明,降雨中心越靠近下游,临界雨量越小,若不考虑降雨空间分布的差异性,则可能会出现漏报的风险。由于间接考虑了流域的调蓄作用,引入SHIP推求的临界雨量指标可以显著提高洪水预警的精度。     

西江流域极端降水演变规律及其对洪水径流的影响

为探究西江流域水文气象要素演变规律,分析极端降水对洪水径流的影响,基于西江流域1956—2019年水文气象资料,综合利用趋势分析、突变检验等方法剖析了西江流域极端降水、年均径流和年最大日平均流量的演变规律,并采用Pearson相关系数与双累积曲线法评估了极端降水指标与年均径流、年最大日平均流量的相关性,探讨了极端降水对洪涝灾害损失的影响。结果表明：相较于上游高海拔地区,西江流域中下游低海拔地区极端降水的变化更为明显,表现为极端降水频率增大以及降水强度增大;Rx1day、R99p和SDⅡ呈现显著上升趋势,极端降水指标多在1992年发生突变,年均径流和年最大日平均流量均呈现不显著的上升趋势,且均有两个突变点;PRCPTOT、R25、R10、R95p与年均径流呈显著相关关系,R95p、R99p、CDD和R25对洪涝灾害指标的影响相对较大;2002年后极端降水指标同洪涝灾害指标的相关关系发生了显著改变。     

天津市设计暴雨雨型的演变

利用天津市1951—2004年54年逐分钟的暴雨资料,采用Huff雨型法研究了天津市设计暴雨雨型及其年代变化。结果表明,天津市的暴雨雨峰大部分出现在降雨历时的第一和第二的四分之一时段内;对比前后27年数据得到的设计暴雨雨型,发现近年来暴雨出现了雨峰提前、雨峰峰值升高等现象,受此影响,暴雨径流出现了洪峰提前、径流总量升高的现象;即使设计暴雨在总量上没有变化,其降雨过程和雨型对防洪排涝和年径流总量控制的效果也会有相当大的影响。因此设计雨型的研究和设计暴雨一样都应当时常更新,并在工程设计中考虑降雨过程和设计雨型的变化可能带来的影响和水文效应。