中国地区极端降水的统计建模及其未来概率预估

摘要

本文基于1961-2012年观测逐日降水资料，分析和探讨了我国夏季极端降水强度、发生频数和持续时长特征及其统计建模;针对BCC-CSM1.1-m模式模拟降水，系统检验和评估多种偏差订正模型对我国江淮流域夏季逐日降水尤其极端降水等的订正效果;构建了基于极值分布的极端降水概率偏差订正模型，并检验和评估其对极端降水订正的适用性;结合模式偏差订正和优选CMIP5全球气候模式，应用上述统计模型，给出21世纪末期RCP4.5、RCP8.5两种排放情景下我国极端降水未来概率变化预估。主要结论如下: (1)基于最新发展的极值理论，构建基于广义帕累托分布、泊松分布和几何分布的极端降水模型，用于联合刻画我国极端降水强度、发生频数和持续时长概率分布，观测应用结果表明模型可以很好地拟合极端降水特征分布。结合极端降水概率分布模型和改进型非参数Mann-Kendall趋势分析等可以发现，我国华南尤其西南地区发生极端降水的可能性最高，而发生持续1天的极端降水主要集中在长江中上游以及华北、东北区域，长江中下游及其以南尤其沿海区域更易发生持续2天及以上的极端降水。我国长江中下游及其以南区域极端降水呈现显著增多、增强趋势，而东北和西南等区域降水则呈现显著减少、减弱变化。与雨日数普遍呈现下降不同的是，80％分位点阈值下我国极端降水日数和平均持续时长增加或减小站点呈现与极端降水量类似分布。 (2)BCC-CSM1.1-m在对江淮流域夏季逐日降水尤其极端降水模拟方面存在着较大不确定性和系统偏差，经过线性变换、分位点投影变换、分布投影变换以及累积概率分布变换四种偏差订正模型订正后，模式模拟性能得到显著改善，但不同订正模型在不同方面订正效果存在差异。在对日降水概率分布和区域平均降水方面，分位点投影变换订正效果最为显著，其次为累积概率分布变换。在对极端降水指数空间一致性订正方面，线性变换、分位点投影变换和累积概率分布变换对夏季总降水和中雨日数两指数订正效果较好，而降水日数、降水强度和95％分位点降水量仅分位点投影变换能够较好的订正。 (3)通过将广义帕累托分布引入到累积概率分布变换模型中，构建了针对极端降水的概率偏差订正模型。江淮流域武汉、合肥、南京和杭州四个代表站的订正结果表明，概率偏差订正模型能够在保留观测建模时期极端降水主要分布特征基础上，较好地提取模式建模与验证时期变化信号。相较于线性变换、分位点投影变换、分布投影变换以及累积概率分布变换等主要体现均值特征的订正，对极端降水的订正效果总体较弱，概率偏差订正模型显著改善了BCC-CSM1.1-m模式对极端降水的模拟能力，订正后极端降水能够较好再现且更接近观测极端降水概率分布。 (4)基于极端降水模型评估和优选出CMIP5中对我国夏季极端降水特征具有较好模拟能力的全球气候模式:ACCESS1.3、BCC-CSM1.1-m、CCSM4、HadGEM2-ES和MPI-ESM-MR。融合分位点投影变换和极端降水概率偏差订正模型，进一步提出改进型分位点投影变换，并用于优选CMIP5模式订正。结合偏差订正优选多模式集成降水和极端降水模型，可得我国极端降水特征未来概率预估变化:21世纪末期绝大部分地区极端降水强度和发生频数将呈现持续增加趋势，其中长江流域和黄河流域中下游降水强度增加最大，我国西南和东北区域频数增加最大。相对于RCP4.5，RCP8.5排放情景下增加幅度更大。RCP4.5(RCP8.5)排放情景下，相对于当前气候（1961-2005年），全国大部分区域百年一遇重现期值将会平均提升10.9％(21.1％)，每年夏季发生频数5次及以上的概率则平均提升8.2％(12.6％)。与此相反，极端降水持续时长则变化较小。

目录

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摘要

第一章绪论

1．1研究目的和意义

1．2国内外研究进展

1．2．1极端降水变化特征分析

1．2．2极值理论及其在极端降水研究中的应用

1．2．3气候模拟结果的偏差订正

1．3存在的问题

1．4研究内容和章节安排

参考文献

第二章中国区域夏季极端降水事件特征及其统计建模

2．1极端降水定义与特征提取

2．1．1观测资料

2．1．2极端降水定义与特征提取

2．2中国区域夏季极端降水事件特征

2．2．1极端降水不同特征占比贡献分析

2．2．2极端降水时空变化趋势分析

2．3极端降水特征统计建模

2．3．1极端降水模型

2．3．2代表站极端降水特征建模分析

2．3．3全国极端降水特征建模分析

2．4本章小结

参考文献

第三章偏差订正方法对江淮流域夏季逐日降水订正效果评估

3．1引言

3．2资料与偏差订正模型介绍

3．2．1资料

3．2．2偏差订正模型

3．2．3订正效果评估指标

3．3偏差订正方法的效果评估及其对比

3．3．1日降水量概率分布订正效果评估

3．3．2区域平均降水指数订正效果评估

3．3．3降水指数订正效果空间分布特征

3．4本章小结

参考文献

第四章概率偏差订正模型在极端降水订正中的适用性评估分析

4．1引言

4．2概率偏差订正模型介绍

4．2．1资料

4．2．2概率偏差订正模型

4．3极端降水订正模型构建及其效果评估

4．3．1概率偏差订正模型构建

4．3．2偏差订正效果评估

4．3．3与其它偏差订正方法的对比

4．4本章小结

参考文献

第五章结合模式偏差订正的中国区域极端降水未来概率预估

5．1资料与方法介绍

5．1．1资料

5．1．2极端降水特征与模型

5．1．3模式模拟结果的偏差订正

5．2模式模拟性能评估和偏差订正

5．2．1模式模拟性能评估和优选

5．2．2未来降水偏差订正

5．3极端降水未来概率变化预估

5．3．1代表站未来预估

5．3．2全国极端降水未来概率预估

5．4本章小结

参考文献

6．1总结

6．2论文的特色和创新

6．3讨论与展望

在读期间科研工作情况

致谢