中国地区大气水分再循环的气候分析及其对全球变暖的响应

Climate warming has led to changes in regional atmospheric water cycle, resulting in more extreme floods and droughts and more serious social and economic losses. Therefore, there is an urgent need to systematically study the variation law of atmospheric water recycling in the region and help to understand the new law of precipitation change. The project intends to quantitatively evaluate the response of atmospheric moisture recycle to global warming in China by using atmospheric water recycling rate. Firstly, the Eltahir model is improved and the relevant calculation scheme is designed. Then, new models and new schemes are used to calculate the variation of regional atmospheric water recycling rate at different time-space scales in China, and to identify areas that are heavily reliant on recycled water and those that rely mainly on external moisture; Secondly, select the typical arid, semi-arid, humid and sub-humid areas, and compare the interannual and interdecadal variations of atmospheric water recycle rates in different areas. Finally, by analyzing the different regions of dependence and Typical climate zones, and analyze the external forcing factors that affect regional atmospheric water recycling, revealing the mechanism behind the response of atmospheric water recycle to global warming in China. The results of this project will help to understand the new law of precipitation changes and provide new ideas for further improvement of precipitation forecasting ability in the future.

气候变暖已导致区域大气水分再循环发生变化，致使旱涝事件更加极端，社会经济损失愈加惨重。因而，迫切需要系统研究区域大气水分再循环的变化规律，有助于认识降水变化新规律。本项目拟利用大气水分再循环率定量评估中国地区大气水分再循环对全球变暖的响应。首先，对Eltahir模型进行改进并设计相关计算方案，再用新模型和新方案作计算以揭示中国地区不同时空尺度的区域大气水分再循环率变化规律，识别出严重依赖再循环水分的地区以及主要依赖外来水分的区域；其次，选取典型的干旱、半干旱、湿润和半湿润区域，对比研究不同区域大气水分再循环率的年际和年代际变化特征；最后，通过分析依赖程度不同的区域以及典型气候区之间的差异，分析影响区域大气水分再循环的外强迫因子，从而揭示中国地区大气水分再循环对全球变暖的响应规律。本课题研究结果将有助于了解降水变化新规律，为今后进一步提高降水预测能力提供新思路。

项目组围绕任务书的研究目标任务，四年来开展了以下工作：1）提出了水汽平衡指数的数学定义，解决了降水再循环率模型计算的时空匹配问题；改进了降水再循环率评估模型，并对全球降水再循环率进行了评估，改进后的评估模型相较于之前的模型对降水再循环率的计算结果更接近后向轨迹追踪的结果。2）评估了中国地区降水再循环率的气候特征及其对全球变暖的响应，发现：中国降水再循环率的大值区和线性增长显著的区域主要位于非季风区的内陆湿润地区和高原，但在干旱半干旱的西北地区东部，降水再循环率整体偏低的情况下，其线性趋势增加显著；中国地区降水再循环率EOF第一模态在2000年左右出现了显著均值突变，而在2005年前后出现了年代际的趋势突变。3）基于降水再循环率模型分析了典型区域降水再循环率的气候特征及其可能机理，发现植被的蒸腾作用是影响大气水分再循环的重要环节，土壤水则是链接植被和降水的重要纽带；中国非季风区内陆湿润区以及西北地区东部降水越来越依赖本地水汽的贡献；季风区的湿润地区，受季风变化的影响也较大，如长江中下游地区，由于季风减弱使得该区域的降水再循环率在近十几年有增加的趋势；对于内陆地区，区域降水的水汽来源主要依靠本地蒸发，对于干旱半干旱区地表蒸发较少（土壤水含量少，植被稀少），即使气温升高，大气的持水能力增强了，局地水循环也没有加速；但在干旱半干旱的山区，由于储藏了大量冰川、积雪、冻土等地表水资源，在全球变暖的大背景下，局地水循环得到加强，从而使得西北干旱半干旱地区的部分地区出现了“暖湿化”的现象；在流域也有类似的现象。4）分析了影响区域降水再循环率的外强迫因子，揭示了中国地区大气水分再循环对全球变暖的响应规律；对于中国地区降水再循环率及其线性趋势的年代际转变，根据初步研究结果，我们认为可能是海温在2000年前后的转折引起大气环流的变化，但尚需进一步研究。5）建立了基于降水再循环率评估模型的降水预测新思想。基于降水再循环率模型、后向轨迹追踪方法和辐散（辐合）函数的定义，初步建立了基于大气水分循环的降水预测新思想，伸出新的课题“基于大气水份循环的汛期降水动力机制及预测方法研究”。基于以上工作，发表学术论文 15篇（其中 SCI 收录 14 篇，另有2篇在审稿中）；获得全国降水预测竞赛二等奖1项（项目负责人排名第一）；一人晋升正高级职称，培养硕士研究生5名，博士1名。