新疆近地面气象要素同化数据集研制与干湿变化的特征分析
文献类型：学位论文
| 作者 | 徐杨 |
| 答辩日期 | 2025-06 |
| 文献子类 | 学术型学位 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 中国科学院地理科学与资源研究所 |
| 导师 | 郝志新 |
| 关键词 | 新疆 气候变化 WRF模式 干湿格局 模式模拟 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 自然地理学 |
| 英文摘要 | 全球气候变化对干旱半干旱区的影响日益显著，新疆作为亚洲中部干旱区的核心区域，对全球气候变化尤为敏感，其气候变化特征及干湿转型趋势备受关注。近年来，新疆地区气温显著上升，降水变化呈现出显著区域差异，对生态环境和社会经济发展产生显著影响。此外，新疆地区复杂的地形和多样的气候环境对气象数据的获取和模拟构成了挑战，现有数据集无法准确表征区域气候特征。因此，构建高时空分辨率的新疆近地面气象要素网格数据集，并深入分析新疆近60 年的气候变化特征、干湿变化机制及未来趋势，有助于提升区域气候适应能力、优化水资源调配以及制定生态保护策略，具有重要的科学意义和应用价值。本研究基于WRF（Weather Research and Forecasting Model）模式，对新疆地区气象模拟的关键参数化方案进行了系统评估，并选定了最优的参数化方案组合，以提高模式对新疆地区近地面气象要素（如温度、降水、风速、相对湿度、气压和向下短波辐射）的模拟能力。在此基础上，利用三维变分数据同化（3DVAR）技术和数据融合方法，研制了基于三维变分的新疆气象要素驱动数据集（Three-Dimensional Variational Xinjiang Meteorological Forcing Dataset, 3DVAR-MF-XJ），其空间分辨率为10 km，时间分辨率为1 h。通过与站点数据、ERA5、ERA5-Land、CN05.1 等数据的对比，验证了该数据集的可靠性。基于高分辨率气象数据集，本研究系统分析了新疆1961~2020 年的气候变化特征，识别了气候干湿变化的转折点，深入探讨了不同气象要素在转折点前后的变化趋势，并明确了不同区域干湿变化的主导因素。最后，本研究利用ISIMIP（The Inter-Sectoral Impact ModelIntercomparison Project）多模式集合数据和近60 年的高分辨率气象数据集，采用BCCAQ（Bias Correction Constructed Analogues with Quantile mapping reordering）降尺度方法，预测了2031~2060 年新疆地区不同排放情景下的气象要素的长期变化趋势，并深入分析了不同排放情景下新疆干湿特征的空间分布及演变规律。本文的主要研究结论包括： （1）本研究基于WRF 模式，利用DISO 指数对34 种参数化方案组合进行了系统评估，发现不同参数化方案在模拟各气象要素时表现出显著差异。依据不同参数化方案在6 个气象要素的综合表现，选定了最优的集合参数化方案组合，包括Thompson 云微物理方案、Tiedtke 积云对流方案、RRTM/Dudhia 长/短波辐射方案、GBM 行星边界层方案、Revised MM5 近地面方案和Noah-MP 陆面模式方案。此组合在模拟多个气象要素时表现出优异的性能，尤其是在温度、降水、向下短波辐射和气压的模拟中。尽管风速模拟存在一定的偏差，但集合最优参数化方案能够较为准确地模拟新疆地区的气象要素，在高分辨率区域性气象模拟中具有重要应用价值。 （2）基于最优参数化方案，本研究采用三维变分和多源数据融合技术，研制了新疆地区1961~2020 年的高分辨率气象数据集（3DVAR-MF-XJ），并对其可靠性进行了验证。研究发现，该数据集能够较为准确地再现新疆地区的温度、降水、风速和相对湿度的时空变化趋势。与ERA5、ERA5-Land、CN05.1 等数据相比，该数据集在干旱事件检测、降水量估算和温度变化模拟方面表现更优。尤其是在南疆干旱区域，该数据集能够更精确地捕捉极端干旱事件的发生时间及空间分布，为研究新疆气候变化提供了高质量的数据支撑。基于3DVAR-MF-XJ 数据集，本研究评估了ISIMIP 的多个全球气候模式（GCMs）对新疆地区的温度、降水、风速、相对湿度、气压和短波辐射的模拟能力，验证了多模式集合（MME）在多个气象要素上的模拟能力。此外，本研究采用BCCAQ 方法对多模式集合数据进行了偏差校正，生成了未来时期的高分辨率气象数据。经过校正的高分辨率数据在相关性、绝对误差和均方根误差上的表现得到明显提高，可为新疆地区的未来气候研究提供了更高精度的数据支持。 （3）基于3DVAR-MF-XJ，本研究系统分析了新疆地区1961~2020 年的气候变化特征。研究发现新疆气候变化存在两个关键转折点：1980 年和1996 年。1980 年之前，新疆的干湿变化呈现区域性差异，东部和北疆地区湿润化趋势较明显，而南疆西部的干旱化趋势较为显著。1980~1996 年是新疆暖湿化最显著的时期，尤其在南疆东部和天山以北地区，增湿趋势尤为显著。1996 年后，新疆整体湿润化趋势趋于稳定，但南疆部分区域出现了显著的干旱化趋势，形成了明显的“南干北湿”格局。基于气候转折点，本研究分析了不同气象要素的变化趋势并揭示了主要气候要素的变化特征。发现1961~1980 年，新疆东部和北疆的暖湿化主要受风速下降（−0.4~−0.1 m/s·10a）影响，SPEI 上升速率为0.1~1.2/10a，其中风速贡献率达30~60%。而南疆西部的干旱化则由温度升高（0.1~0.4℃/10a）、风速增强（0~0.15 m/s·10a）和相对湿度下降（−1.5~−0.4%/10a）共同导致，温度、风速和湿度的贡献率分别为−50~−20%、−50~−10%和−50~−30%。1980~1996 年，全疆整体呈暖湿化趋势，风速下降（−0.4~−0.1 m/s·10a）为主导因素，相对湿度上升（0.8~2.5%/10a）、天山和阿尔泰山降水量增加（30~60 mm/10a），共同导致了新疆东部和北部的暖湿化现象，SPEI 变化率为0.2~0.8/10a，其中风速贡献率达40~60%。南疆中部及西部的暖湿化主要受风速下降（−0.6~−0.2 m/s·10a）和相对湿度增加（20~50%/10a）影响。其中风速占主导地位，贡献率为40~60%，相对湿度对暖湿化有促进作用，贡献率为30~40%。1996~2020 年，新疆由暖湿化向干旱化转变，风速增加（0.05~0.3 m/s·10a）和相对湿度（−3~−1%/10a）下降是南疆干旱化的主要因素，期间SPEI 下降速率为−1.0~−0.2/10a。其中南疆东部和西部的干旱主导因素是相对湿度，其贡献率为−50~−30%，而南疆中部的主导因素是风速，其贡献率为−70~−30%。南疆东部和西部干旱主要受相对湿度下降（贡献率−50~−30%）影响，中部则由风速上升主导（贡献率−70~−30%）。北疆干旱受多因素共同影响，北疆中部和东部盆地地区的干旱趋势主要由相对湿度、风速和温度共同导致，新疆山区呈轻微暖湿化趋势，SPEI 上升（0.02~0.4/10a），主要影响因素为降水量（20~40 mm/10a），但受温度上升影响，该地区的暖湿化强度较弱。 （4）不同排放情景下新疆气温均呈持续上升趋势，且排放水平越高，升温幅度和速率越大。未来时期（2031~2060 年）SSP126、SSP370 和SSP585 情景下相对于1991~2020 年升温幅度分别为1.64℃、2.04℃和2.46℃，气温升高主要集中在山区，盆地相对缓慢。未来新疆降水总体呈增加趋势，未来降水在三种情景下继续增加，但空间分布差异明显，SSP126 和SSP370 情景下增幅主要集中在南疆盆地地区，部分山区降水轻微下降。SSP585 情景下盆地和平原地区降水有所增加，而山区降水减少。未来风速变化较为稳定，在3.2~3.4 m/s 波动，北疆和山区增幅较大，而盆地地区变化较小。未来SSP126 和SSP370 情景下相对湿度的增幅较大，表现为盆地湿度增加而山区湿度下降。未来情景下短波辐射呈下降趋势且在SSP370 情景下最为明显。新疆辐射下降的区域主要集中在南疆和北疆东部地区，南部山区的下降幅度最大。在未来不同情景下，2031~2060 年新疆PET均呈上升趋势，新疆大部分盆地地区PET 明显上升，其中东部的增幅明显高于西部，而新疆山区的PET 变化较小。SSP585 情景下增幅最高，部分地区可达1400mm。未来新疆整体干旱化趋势加剧，各排放情景下新疆整体干旱程度将加剧。其中SSP126、SSP370 和SSP585 情景下的SPEI 变化速率分别为−0.112/10a、−0.181/10a 和−0.236/10a，排放水平越高，干旱化趋势越显著。从空间分布来看，1991~2020 年新疆整体呈现干旱化趋势，其中南疆盆地表现出明显的干旱化，北疆盆地和部分山区则趋于轻微湿润化。在2031~2060 年，三种情景下新疆整体干旱化趋势持续，且干旱程度增强。其中SSP585 情景下最为显著，南疆盆地和新疆东部地区干旱加剧明显。 |
| 学科主题 | 自然地理学 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 181 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/217285]  |
| 专题 | 地理科学与资源研究所_研究生部 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 徐杨. 新疆近地面气象要素同化数据集研制与干湿变化的特征分析[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院大学. 2025. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
浏览0
下载0
收藏0
其他版本
除非特别说明，本系统中所有内容都受版权保护，并保留所有权利。