中国和全球陆地季风区的极端降水变化特征和机制研究

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极端降水事件及其引发的自然灾害严重威胁着人们的生命财产安全和社会经济的健康发展,而中国和全球陆地季风区不仅是气候变化的敏感区,也是人口分布的密集区,因此,研究这些区域的极端降水变化及其相关机制具有重要的现实意义。围绕中国和全球陆地季风区过去和未来的极端降水变化,本文主要在以下三方面开展研究。首先,利用“降水概率密度分布(PDF)临界值”作为极端降水阈值,基于小时降水观测数据,本文分析了近36年(1980-2015年)中国大陆地区暖季(5-10月)的极端累积降水变化,并从降水持续时间和平均降水强度的角度明确了极端累积降水变化的原因。其次,利用CMIP6(Coupled Model Intercomparison Project Phase 6)多模式资料的历史气候模拟试验(historical)和未来情景预估试验(Scenario MIP),本文分析了不同情景和不同时期情形下中国和全球陆地季风区的极端降水变化。在此基础上,本文利用物理尺度诊断方法将极端降水变化分解为动力和热力变化,揭示了中国和全球陆地季风区极端降水未来变化的物理机制。主要研究结果如下:(1)研究发现,“累积降水PDF中的临界值”在不同区域对应着不同的降水百分位数,表明统一的极端降水百分位数(例如95和99分位数)在不同地区指示的极端程度可能是不同的。进一步地分析表明,“临界值”的变化可以很好地表征降水PDF分布右尾部的变化,即极端降水的概率密度变化。(2)过去36年(1980-2015年),中国大陆地区极端累积降水增加的站点约占总站点数的58.5%,大陆地区所有站点的平均增幅约为4.7%。区域上来看,极端累积降水呈增加趋势的有5个区域,分别为华东地区、西北地区、华南地区、西南地区和华中地区;呈减少趋势的有3个区域,分别为华北地区、东北地区和青藏高原地区。归因分析表明,极端累积降水的增加主要来自降水持续时间的增加。对于超过99分位数(s99)的极端累积降水,其降水持续时间的增加尤为明显。(3)与参考时期(1995-2014年)相比,从近期(2021-2040年)到远期(2080-2099年)预估,中国地区整体的“日降水PDF临界值”增加趋势逐渐增大。其中,在远期预估中,SSP5-8.5情景下极端日降水的增幅(35.9±20.6%)是SSP2-4.5情景下增幅(15.5±9.4%)的2.3倍。这表明,减排可以在很大程度上降低中国地区极端降水增加的风险。随着“临界值”的增加,中国地区极端降水的发生风险也显著增加:对超过99.9分位数(P99.9)的极端降水事件,SSP5-8.5情景下远期预估中的发生概率可达参考时期的3.1倍。就中国地区整体而言,极端日降水对全球增暖的响应速率随时期和情景的变化并不显著,综合响应速率约为7.5%/K。从变化机制上看,热力贡献主导了中国地区及其子区域的极端降水增加;而极端降水增加的模式间差异和区域性差异则主要来自动力过程的贡献。(4)与参考时期相比,从低排放情景到高排放情景,全球陆地季风区极端降水的增幅逐渐增大,超过参考时期“临界值”的极端降水也在未来预估情景下出现更高的发生概率。在远期预估中,SSP2-4.5情景下的极端降水增幅(17.4±7.4%)比SSP5-8.5情景(41.2±19.8%)降低了约57.8%。这表明,减排可以在很大程度上降低全球陆地季风区极端降水增加的风险。此外,全球陆地季风区极端降水对全球增暖的响应速率随时期和情景的变化较小,综合响应速率约为8.0%/K。就变化机制而言,热力过程和动力过程对全球陆地季风区极端降水增加的贡献是相当的。其中,热力过程的变化导致了极端降水在空间上的一致性增加,而极端降水变化的区域性差异和模式间差异则主要来自动力过程。
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