中国年代际干旱趋势转折及预测

论文摘要

本文从干旱的成因和主要影响因子,监测检测技术手段,极端干旱的可预测性以及年代际旱涝趋势转折预测的角度对我国干旱发生发展规律进行研究。首先根据中国气象局1958—2007年194站的温度、降水和Palmer干旱指数(Palmer Drought Severity Index, PDSI)均一化数据库,构建统计模型量化研究温度和降水变化在干旱成因中所占的比重,尤其讨论了中国8个气候区域温度和降水变化在干旱形成中的特征。结果表明：受全球增温趋势的影响,未来中国北方地区的干旱化趋势仍将继续。未来五年内干旱发生概率较大的地区主要分布在中国华北且有持续向南扩张的趋势,一直延伸到江淮地区。在全球变暖的背景下,降水减少仍然是中国东部干旱形成的主要因素。相对于南方地区,中国华北、东北及西北东部等干旱与半干旱区的干旱化进程对温度比降水变化更为敏感。根据我国1960年以来569站的Palmer干旱指数月资料,将全国站点资料格点化后,依据极端干旱发生格点的空间邻近关系确定每次干旱事件的影响范围,并在时间上对每次极端干旱过程进行跟踪监测。分季节对近50年极端干旱发生面积、频次、强度等进行分析,并研究了中国极端干旱的空间影响范围和时间持续性的关系,结果显示极端干旱的持续时间和空间影响范围均呈现幂率分布。基于百分位定义,研究了Lorenz系统极端事件的前兆信号分布特征及可预测性,利用前兆信号及接收器算子特征曲线(Receiver Operator Characteristic curve,ROC)对中国旱涝极端事件可预测性进行研究,得到了极端事件的可预测效果与序列的自相关性,极端事件的极端程度之间的关系。研究表明,无论是Lorenz系统分量序列还是Palmer干旱指数序列,存在极端事件的可预测性随极端程度增强而增加的现象。同时对各区域极端旱涝事件前兆信号及可预测性进行分析,为中国旱涝极端事件的预测提供一定科学依据。分别从概率分布、小波分析以及趋势变化三个角度对中国近50年旱涝转折时空分布特征进行分析,研究了年代际尺度主要海气系统因子对我国旱涝时空格局演变的影响,发现在华南及长江中下游地区,太平洋年代际涛动(Pacific Decadal Oscillation. PDO)和旱涝指数的相关关系存在半年时间尺度的周期振荡。同时PDO与我国北方地区旱涝变化的负相关关系并不局限于华北,而是包括西北东部、东北南部、黄淮在内的广大北方地区。结合已有的我国旱涝不同时空尺度演变规律研究成果,直接针对干旱长期发展趋势中的转折点构建非线性预测模型。在此基础上,利用中国近50年Palmer干旱指数资料,对中国各区域年代际尺度的旱涝时空变化及其可能出现的趋势转折进行预测试验分析。结果显示,未来五年,东北和华北北部的干旱化趋势仍将持续,西北地区东部的干旱将得到缓解。为了克服年代际尺度预测中转折点样本量不足的困难,基于状态空间重构理论和嵌入定理,在转折点预测模型中引入时空序列预测方法。并利用中国旱涝指数资料,对中国区域年代际尺度的旱涝及可能转折进行预测试验分析。回报结果表明,时空序列方法一定程度上改进了转折点预测效果。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 干旱的定义
• 1.1.1 干旱灾害的危害
• 1.1.2 干旱的定义和指标
• 1.2 气候变暖背景下干旱
• 1.2.1 气候变暖背景下干旱的发生发展规律变化
• 1.2.2 气候变暖背景下降水和温度变化对干旱影响
• 1.3 极端干旱过程的客观定量识别
• 1.3.1 研究极端干旱过程的客观识别技术的必要性
• 1.3.2 极端事件与极值的不同
• 1.3.3 极端干旱过程识别技术中的困难及可能解决途径
• 1.4 极端干旱的前兆信号及可预测性
• 1.4.1 已有极端干旱预测技术手段的局限
• 1.4.2 前兆信号的概念及在极端干旱预测中的可能应用
• 1.5 年代际旱涝趋势转折及其预测
• 1.5.1 年代际尺度旱涝变化特征研究的现状
• 1.5.2 中国年代际尺度旱涝趋势转折的研究
• 1.5.3 影响中国年代际尺度旱涝变化的主要海气系统因子
• 1.5.4 年代际尺度旱涝趋势转折预测的困难
• 1.5.5 年代际尺度旱涝趋势转折预测的可能途径
• 1.6 本文主要研究内容
• 1.7 本文主要结构及技术路线
• 第二章 近50年中国降水及温度变化在干旱形成中的影响
• 2.1 资料
• 2.2 预测模型的构建
• 2.3 模型的适用性分析
• 2.4 结果与分析
• 2.4.1 降水及温度在中国干旱形成中的影响
• 2.4.2 回报结果对概率统计模型预测的检验
• 2.4.3 降水及温度变化在中国不同区域干旱形成中的影响
• 2.5 结果与讨论
• 第三章 中国近50年极端干旱过程连续性识别关键技术研究
• 3.1 资料及干旱等级的划分
• 3.1.1 资料来源
• 3.1.2 旱涝等级确定
• 3.2 方法流程介绍
• 3.3 极端干旱过程识别范例
• 3.4 结果分析
• 3.4.1 极端干旱季节变化趋势及分布
• 3.4.2 极端干旱发生面积、频次及强度变化
• 3.4.3 极端干旱时空分布规律及关系
• 3.5 结果与讨论
• 第四章 中国旱涝极端事件前兆信号及可预测性研究
• 4.1 方法介绍
• 4.1.1 前兆信号及其提取
• 4.1.2 预测性能的检验
• 4.2 数值试验
• 4.2.1 Lorenz系统模拟序列
• 4.2.2 Lorenz系统极端事件前兆信号及其可预测效果
• 4.3 旱涝极端事件前兆信号及其可预测性
• 4.3.1 中国PDSI极端事件前兆信号及其可预测性
• 4.3.2 中国各区域PDSI极端事件前兆信号及其可预测性
• 4.4 结果与讨论
• 第五章 中国近50年旱涝转折时空分布特征
• 5.1 近50年中国PDSI概率分布
• 5.2 近50年区域PDSI主周期分析
• 5.3 分季节PDSI变化趋势分析
• 5.4 结果与讨论
• 第六章 年代际旱涝转折与主要气候因子间的联系
• 6.1 PDSI及主要气候系统因子的尺度分离
• 6.2 中国PDSI各时间尺度分量与PDO、东亚季风与太阳黑子的关系
• 6.3 分季节PDO、季风指数、太阳黑子与PDSI的相关分布
• 6.4 结果与讨论
• 第七章 中国干旱趋势年代际转折预测研究
• 7.1 干旱趋势转折点的提取与预测
• 7.2 干旱序列预测效果回报检验
• 7.3 中国中长期干旱趋势转折预测
• 7.3.1 中国各区域干旱趋势转折预测
• 7.3.2 中国未来30年旱涝空间演化趋势预测
• 7.4 时空序列模型的构建及其在年代际转折预测中的应用
• 7.4.1 方法介绍
• 7.4.2 回报检验
• 7.4.3 中国未来30年旱涝空间演化趋势预测
• 7.5 结果与讨论
• 第八章 总结与讨论
• 8.1 全文总结
• 8.2 本文的特色与创新之处
• 8.3 存在问题与讨论
• 参考文献
• 近三年的科研工作
• 致谢