区域干旱事件前兆信号的非线性检测方法及其可预报性研究

The predictability of extreme climate events is one of the frontiers in the research field of climate change and prediction. Whether the extreme climate events are predictable, and what's the relationship between the predictable time and the temporal and spatial scales of extreme climate events? Although we could study the extreme climate events by using the classical statistical theory for extreme distribution and climate model, effective solutions to deal with the boundary issues in climate models as well as how to apply these methods to seasonal or yearly scale processes have not been proposed. Thus, this program regards the predictability of extreme climate events as an "inverse problem" according to the nonlinear dynamic characteristics of climate systems, and takes the regional drought event which is one of typical extreme climate events as an example to investigate the predictability of extreme climate events through discussions about the overall changes of climate systems. The main works are as follows: first, proposing the scientific definition of the regional drought and its classification; second, extracting the persistent features of the regional drought events, and constructing the detection and test methods of the precursor signals of regional drought events based on the researches of posterior probability and similarity theory; third, studying the changes of the predictability of regional drought events under global warming. This program wishes to make new progress in the definition and quantitative estimation of the predictability of extreme climate events.

极端气候事件可预报性问题的研究是气候变化及气候预测领域的前沿之一。极端气候事件能否预测？提前预测的时间与事件的时空尺度是何某种关系？虽然可以通过统计经典极值分布理论或气候模式研究各种极端气候事件，但如何用于较短的季节、年际时间尺度及模式边界问题一直都未得到很好的解决。因此本项目从气候系统的非线性动力学特征出发，将极端气候事件可预报性的研究视为"反问题"，从气候系统的整体变化角度，针对区域干旱事件这一典型极端气候事件，开展极端气候事件可预报性问题的研究。在给出区域干旱指标构建及其等级划分科学定义的基础上，提取出区域干旱事件的持续性特征，再从后验概率和相似度两方面研究具有不同持续性特征的区域干旱事件前兆信号的选取策略，进而构造区域干旱事件前兆信号的检测、检验方法；并进一步研究全球增暖背景下区域干旱事件可预报性的演变特征。以期在极端气候事件可预报性的数理提法和定量估计上取得新进展。

极端气候事件可预报性问题的研究是气候变化及气候预测领域的前沿之一。虽然可以通过统计经典极值分布理论或气候模式研究各种极端气候事件，但如何用于较短的季节、年际时间尺度及模式边界问题一直都未得到很好的解决。针对区域干旱事件这一典型极端气候事件，项目围绕其可预报性问题开展了一系列基础性的工作。第一，从气候系统的非线性动力学特征出发，研究并构建了一系列可以表征区域干旱强度时空分布特征的区域干旱指标；研究了全国11个一级气象地理区划的旱涝等级划分规则以及各级区域干旱预警标准，分析了我国西南地区年际和季节干旱近50来的变化趋势和特征转折。第二，分析了中国西南地区不同持续时间和不同强度区域干旱事件的发生概率、重现期和空间分布特征。第三，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对中国旱涝极端事件可预测性进行研究；研究了针对干旱长期趋势中转折点的非线性预测模型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。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。第四，分析近52年长江中下游地区夏季年代际尺度干湿变化及其环流演变特征，研究了不同时段前冬至夏季环流背景场的异常特征及其演变过程,并建立了各时段的概念模型。第五，研究了全球变暖背景下长江中下游夏季三种干旱分布型的典型环流特征，分析了环流因子对三种干旱分布型的影响，并通过2014年长江中下游地区的夏季干旱实况及环流特征对上述环流因子进一步分析检验。本研究可为区域性干旱事件的监测、检测及预警评估提供帮助，具有非常广泛的研究和应用前景。