增暖背景下基于概率理論與過程性原理極端天氣氣候事件的檢測及其特征研究

【摘要】：極端天氣氣候事件是小概率事件,IPCC評估報告從概率角度對極端天氣氣候事件做了明確的定義,因此從概率角度定義極端天氣氣候事件具有較好的理論意義。本文利用Box-Cox變換改善數(shù)據(jù)的正態(tài)性的特性,通過變換后數(shù)據(jù)呈較好的正態(tài)性反演推導(dǎo)獲得氣象要素的偏態(tài)概率密度函數(shù),為極端天氣氣候事件從概率角度定義、檢測提供理論依據(jù)；根據(jù)概率密度函數(shù)定義了具有明確物理含義的最概然溫度,以最概然溫度的變化反映中國各區(qū)域背景場溫度的變化趨勢；根據(jù)概率密度函數(shù)定義了極端天氣氣候事件,分別從強度、頻次角度研究中國極端溫度事件的空間分布及其時間演化規(guī)律,為回答在全球增暖背景下極端天氣氣候事件是否越來越頻繁、是否越來越趨于極端化提供事實依據(jù)。在檢測出的一系列天氣極值事件的基礎(chǔ)上,根據(jù)共相同步化原理從事件發(fā)生的過程性來確定極端事件的過程,致力于提出一種行之有效的客觀檢測過程性極端事件的新方法,并將其應(yīng)用于2009年的西南干旱事件的觀測資料的檢測中,為西南干旱事件的研究提供一個新視角。以下是本文主要結(jié)論： (1)偏態(tài)概率密度函數(shù)較正態(tài)分布函數(shù)更精確地擬合了溫度分布。Box-Cox變換指數(shù)λ大小反映了序列分布的偏態(tài)情況,即要素分布對正態(tài)分布的適合度。以正態(tài)分布λ=1為基準,變換指數(shù)越大,右偏越明顯,越小說明左偏越明顯。變換指數(shù)的變化也能間接反映中國溫度變化的背景、趨勢。 (2)由概率密度函數(shù)定義的最概然溫度具有明確的物理含義,代表了某地區(qū)的背景場溫度。就年際而言,在20世紀90年代中期之前中國夏季年最概然溫度以相對低溫為主,隨后呈現(xiàn)波動增溫趨勢,但自2005年增溫趨勢有所減緩；冬季年最概然溫度在1961-1986年這一時段以相對低溫為主,1987年到21世紀初顯著變暖,但2000年后增溫趨勢減緩?？傮w而言,冬季增溫幅度較夏季強,且增溫時間早于夏季5-10年。定義1961-1990年、1971-2000年和1981-2008年分別為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ態(tài)(下同),不同氣候態(tài)的研究表明,夏季最概然溫度在Ⅲ態(tài)增溫明顯,而冬季在Ⅱ態(tài)間增溫顯著,Ⅲ態(tài)增溫趨勢減弱,尤其值得注意的是,近年來在四川、廣東和廣西部分地區(qū)最概然溫度具有下降趨勢,是否預(yù)示著中國氣候態(tài)的轉(zhuǎn)型有待深入研究。 (3)基于偏態(tài)概率密度函數(shù)定義的極端溫度事件,分別從頻次、強度兩個角度研究了不同氣候態(tài)下日最高溫資料中國夏季和冬季極端溫度事件的時空變化特征?？臻g分布上,夏季極端高溫的頻次、強度在Ⅰ態(tài)黃淮、江淮流域顯著減小,在Ⅲ態(tài),干旱半干旱以及經(jīng)濟發(fā)達的長江沿岸、長江三角洲以及東南沿海地區(qū)顯著增加；冬季極端高溫頻次在Ⅱ態(tài)中的北方、長江三角洲以及Ⅲ態(tài)中的高原、東北東南部、長江三角洲顯著降低。冬季極端低溫強度整體呈降低趨勢,但區(qū)域特征不明顯。極端溫度頻次和強度在空間上一致性較好；時間演化上,夏季極端高溫頻次、強度均在Ⅱ、Ⅲ態(tài)顯著增加,冬季極端低溫頻次、強度降低的趨勢有所減緩。在當(dāng)前氣候態(tài)(Ⅲ態(tài))夏季極端高溫在經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)發(fā)生比較頻繁且極端性在增強；冬季極端低溫的發(fā)生維持在一個穩(wěn)定狀態(tài)且極端性也相對比較穩(wěn)定。極端溫度事件的頻次與強度在時間變化趨勢上存在較好的一致性。 (4)在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ態(tài)共同時段內(nèi),后一氣候態(tài)檢測出的極端高溫頻次均比前一氣候態(tài)少,極端低溫頻次均比前一氣候態(tài)多,這與背景溫度隨氣候態(tài)逐漸升高是相一致的；后一氣候態(tài)檢測出的極端高溫強度均比前一氣候態(tài)小,極端低溫強度均比前一氣候態(tài)大。在20世紀70年代末80年代初全球氣候系統(tǒng)突變前,極端高溫頻次具有明顯的下降趨勢,突變后顯著上升；極端低溫頻次在突變前后變化不明顯。極端高溫強度突變前表現(xiàn)出輕微的下降趨勢,在突變后上升趨勢明顯；極端低溫強度在突變前后大致相當(dāng),突變后的整體強度稍低于突變前。極端高溫事件的逐漸增強以及極端低溫事件的逐漸減少在日最低溫資料中體現(xiàn)更明顯,這從另一方面表明逐漸增暖主要表現(xiàn)在日最低溫中。 (5)夏季高溫極值的概率分布規(guī)律及變化特征表現(xiàn)為：中國高溫極值只在一定的區(qū)域呈現(xiàn)高斯分布,大部分臺站處于左偏分布型,西南東南部左偏尤為明顯；而長江中下游以南地區(qū)及東南沿海地區(qū)呈較明顯的右偏；以偏態(tài)指數(shù)和最概然高溫極值作為研究中國夏季高溫極值概率分布特征的關(guān)鍵指標,經(jīng)驗表明最概然極端高溫是一個比較穩(wěn)定的量,可將其作為定義極端高溫事件閾值的一種可能方法。 (6)在通過概率理論檢測獲得一系列天氣極值事件的基礎(chǔ)上,從事件發(fā)生、發(fā)展、消亡的角度利用共相同步化原理,將具有一定關(guān)聯(lián)的極值天氣事件客觀地歸屬為一個具有實際應(yīng)用意義上的極端氣候事件。共相同步化原理數(shù)值檢驗結(jié)果表明,聚類質(zhì)量評估peff、△peff為K均值聚類分析提供了判別最優(yōu)聚類數(shù)目K的極好依據(jù),而相位概念的引入則將系統(tǒng)所處的不同狀態(tài)分離開來,相位聚類分析運用于事件過程的檢測在理論上是可行的。 (7)共相同步化原理應(yīng)用于西南干旱事件的干旱指數(shù)與降水量距平過程性檢測結(jié)果表明,西南地區(qū)干旱指數(shù)MSPI過程性檢測出了選擇觀測站自2009年1月開始由干旱指數(shù)表征的干旱程度的變化過程,涉及由旱-濕、濕-旱或者一直干旱抑或一直濕潤的幾個狀態(tài)過程的轉(zhuǎn)換情況。有別于氣象部門利用干旱指數(shù)值大小表征干旱的嚴重程度,過程性檢測不僅僅鑒別出干旱抑或濕潤的狀態(tài),還鑒別出旱轉(zhuǎn)為濕或者濕潤趨于干旱的過程,給過程賦予趨勢變化的含義,而轉(zhuǎn)變所處的時間段是狀態(tài)與狀態(tài)轉(zhuǎn)變的轉(zhuǎn)折階段,通常為濕潤或者干旱的極值處或者是與前后狀態(tài)相反的過渡狀態(tài)。 (8)干旱指數(shù)時間過程性檢測結(jié)果表明,自2009年1月開始西南大部分地區(qū)以及開始顯示一定程度的氣象干旱,干旱一直持續(xù)至2010年冬與2010年春,之后干旱嚴重程度開始緩解。若考慮此次事件的前期產(chǎn)生過程,從干旱指數(shù)的角度西南干旱自2009年1月就開始趨于干旱,從時間過程性的角度而言,比從觀測資料本身大小界定的事件開始時間要早,這從另一個角度驗證了關(guān)于過程的定義的意義——包含事件的產(chǎn)生過程,因此將極端事件的產(chǎn)生階段作為預(yù)警階段不失為一個具有實際意義的可能應(yīng)用。 降水量距平過程性檢測結(jié)果與干旱指數(shù)檢測結(jié)果不是一一對應(yīng)的關(guān)系,這是由于降水偏少與干旱響應(yīng)的時間滯后以及干旱形成原因比較復(fù)雜造成的,與降水在干旱形成過程中的重要作用并不矛盾。西南干旱事件過程性的檢測為再次認識干旱事件提供一個新的視角,而過程的確定給出了氣候背景變化的階段,為干旱事件的氣候背景分析提供時間階段節(jié)點。 【關(guān)鍵詞】：極端天氣氣候事件 概率 過程性 檢測
【學(xué)位授予單位】：蘭州大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號】：P467
【目錄】：

• 中文摘要3-6
• Abstract6-14
• 第一章 緒論14-24
• 1.1 研究背景及意義14-15
• 1.2 極端天氣氣候事件研究現(xiàn)狀15-17
• 1.2.1 極端天氣氣候事件的定義15-16
• 1.2.2 極端天氣氣候事件觀測事實的研究16-17
• 1.3 極端天氣氣候事件概率定義、檢測的必要性17-19
• 1.4 問題的提出19-21
• 1.4.1 概率分布的描述19-20
• 1.4.2 2孤立天氣極值事件如何反映特定時期內(nèi)的極端氣候事件20-21
• 1.5 研究內(nèi)容21-24
• 第二章 Box-Cox變換理論及其實際應(yīng)用24-32
• 2.1 引言24-25
• 2.2 Box-C0x變換25-26
• 2.3 Box-Cox變換應(yīng)用于溫度觀測資料26-31
• 2.3.1 變換指數(shù)λ的物理意義26-29
• 2.3.2 偏態(tài)概率密度分布函數(shù)29-31
• 2.4 小結(jié)31-32
• 第三章 基于概率理論的近50年中國溫度分布特征32-46
• 3.1 基于概率理論中國日均溫度分布偏態(tài)指數(shù)研究32-36
• 3.1.1 變換指數(shù)λ分布特征32-33
• 3.1.2 不同時段對λ的影響33-34
• 3.1.3 年代際λ的變化34-35
• 3.1.4 階段溫度λ的變化35-36
• 3.2 基于概率理論中國背景場溫度變化規(guī)律36-44
• 3.2.1 最概然溫度定義37-38
• 3.2.2 中國近48年日平均溫度最概然溫度的空間分布特征38-40
• 3.2.3 年際日平均溫度對最概然溫度的影響40-42
• 3.2.4 不同氣候態(tài)的最概然溫度比較42-44
• 3.3 小結(jié)44-46
• 第四章 基于概率理論的中國極端溫度事件時空分布特征46-72
• 4.1 引言46-47
• 4.2 最概然溫度背景下不同氣候態(tài)中國日最高溫極端溫度事件分布特征及其時空演化規(guī)律47-58
• 4.2.1 概念的定義47
• 4.2.2 中國日最高溫最概然溫度變化規(guī)律47-50
• 4.2.3 不同氣候態(tài)下極端溫度事件空間分布50-58
• 4.3 最概然溫度背景下不同氣候態(tài)中國日最低溫極端溫度事件分布特征及其時空演化規(guī)律58-64
• 4.3.1 日最低溫表征的背景溫度場的空間變化分布特征59
• 4.3.2 日最低溫表征的夏冬季極端溫度事件空間分布特征59-62
• 4.3.3 不同氣候態(tài)極端溫度事件的時間演化規(guī)律62-64
• 4.4 中國夏季高溫極值的概率分布特征及其演變64-69
• 4.4.1 夏季高溫極值偏態(tài)分布特征64-65
• 4.4.2 中國夏季高溫極值的概率分布特征65-66
• 4.4.3 中國夏季高溫極值偏態(tài)指數(shù)的變化特征66-67
• 4.4.4 中國夏季最概然高溫極值的演變67-68
• 4.4.5 剔除不同尺度高溫極值對偏態(tài)指數(shù)和最概然高溫極值的影響68-69
• 4.5 小結(jié)69-72
• 第五章 基于過程性檢測極端天氣氣候事件的原理72-79
• 5.1 引言72-73
• 5.2 共相同步化原理73-78
• 5.2.1 定義相位74-75
• 5.2.2 多變量相位聚類75
• 5.2.3 相位聚類質(zhì)量的評估75-78
• 5.3 小結(jié)78-79
• 第六章 過程性檢測原理的數(shù)值檢驗79-89
• 6.1 一維相位聚類適用性79-85
• 6.1.1 相位聚類方法的適用性79-82
• 6.1.2 噪聲強度對相位聚類結(jié)果的影響82-83
• 6.1.3 序列長度對相位聚類結(jié)果的影響83-84
• 6.1.4 聚類原始參考點的選擇對相位聚類結(jié)果的影響84-85
• 6.2 多維相位聚類方法的適用性85-88
• 6.3 小結(jié)88-89
• 第七章 西南干旱事件過程性檢測89-103
• 7.1 引言89
• 7.2 西南干旱特征89-92
• 7.2.1 資料與區(qū)域選取89-90
• 7.2.2 南干旱總體特征90-91
• 7.2.3 西南干旱演化過程91-92
• 7.3 干旱指數(shù)過程性的檢測92-97
• 7.3.1 干旱指數(shù)尺度的選擇92-93
• 7.3.2 西南地區(qū)代表性站點時間過程性的檢測93-96
• 7.3.3 關(guān)鍵轉(zhuǎn)折時段與關(guān)鍵狀態(tài)轉(zhuǎn)變的統(tǒng)計96-97
• 7.4 降水量距平過程性檢測97-100
• 7.4.1 西南地區(qū)代表性站點時間過程性的檢測97-100
• 7.4.2 關(guān)鍵轉(zhuǎn)折時段與關(guān)鍵狀態(tài)轉(zhuǎn)變的統(tǒng)計100
• 7.5 小結(jié)100-103
• 第八章 全文總結(jié)與展望103-108
• 8.1 總結(jié)全文103-106
• 8.2 存在問題及展望106-108
• 參考文獻108-114
• 在學(xué)期間的研究成果114-115
• 致謝115

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風(fēng)霜雨雪入“網(wǎng)”來    本報記者 楊梅菊

去年本市氣象“最”字多    司勇

我省十大天氣氣候事件公布    記者 劉俊禮　通訊員 張鵬

氣候變暖導(dǎo)致極端天氣氣候事件增多增強    胡亞

增暖背景下基于概率理論與過程性原理極端天氣氣候事件的檢測及其特征研究    錢忠華

東亞夏季風(fēng)雨帶進退與西太副高活動、降水年代際變化及江蘇氣候若干問題    俞亞勛

中國年代際干旱趨勢轉(zhuǎn)折及預(yù)測    章大全

氣候變化公眾風(fēng)險認知研究    彭黎明

湖北省極端天氣氣候事件監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)    向華

近百年溫帶大陸性和海洋性季風(fēng)氣候區(qū)的極端溫度變化對比研究    賀欣欣

華北夏季旱澇與高空極端溫度的統(tǒng)計關(guān)聯(lián)    鄭秋月

基于CMA T213集合預(yù)報的極端天氣預(yù)報指數(shù)研究    夏凡

氣候變化對鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟區(qū)電力和鐵路運輸業(yè)的影響分析    張敬偉

利用穩(wěn)健中值方法研究近50年內(nèi)蒙古極端氣候    王善波

1960-2009年新疆極端氣溫和降水事件的變化研究    汪寶龍

我國應(yīng)對全球變暖的立法研究    胡富蓉

天水地區(qū)氣候變化及對林果生長的影響    馬杰

氣候變化對我國相關(guān)產(chǎn)業(yè)的影響及對策研究    李佳澍