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全球气候变化已经引起世界各国政府和科学家们的广泛关注。由于中国处于世界上降水变化率最大的地区——季风气候区，因此气候变化在降水上的表现相当明显，研究降水的气候变率对中国的社会发展和经济建设都有着非常重要的意义。降水过程属于较随机性的气候过程，时空上具有多尺度性、多层次性和非平稳性等特征。由于传统研究方法大都基于线性、平稳的思想，再加上受到观测资料短缺、观测站点分布不均匀等因素的限制，降水的物理机制、物理过程及其预测一直是一个科学难题。对一些极端降水事件，目前也只能进行个例分析而无法进一步阐明统一的整体认识。本文中，我们结合非线性科学的研究成果，尝试从全新的角度进一步研究中国降水，文章的主要内容介绍如下：
(1)针对降水序列的非平稳性特征，利用启发式分割算法(简称BG算法)对中国华南和华北地区20个站点1956-2000a，逐日降水量距平资料进行处理，将其分割为若干具有不同均值的自平稳子序列，按分割得到子序列长度进行统计，并结合复杂性科学的研究成果——幂律尾分布，计算相应的幂律尾指数。在此基础上，进一步研究幂律尾指数随时间的演变特征及其空间分布状况，讨论非平稳时间序列突变检测新的有效方法。研究结果表明：幂律尾分布特征可能是降水等非平稳时间序列的共同特征；降水序列的幂律尾指数对应不同的地区数值不同，整体而言华南偏小，华北偏大，可能在一定程度上体现了华南和华北地区降水动力学特征的不同；根据幂律尾指数随时间的演变情况，在1970年、1980年和1990年前后，华南和华北地区的降水均存在突变，这一结果与当前对中国降水变化特征的研究结果相当一致，幂律尾指数这一非线性时间序列的重要指标可能是检测降水等时间序列突变新的有效途径。
(2)基于中国气象局国家气候中心740站点1960-2000a的日降水观测资料，对中国七个气候特征区0-29mm日降水按降水量分等级进行统计分析，发现均存在幂律尾分布特征；在降水量7mm和15mm附近幂律尾指数存在两个明显的转折点，并且这一情况不随时空变化而变化，是降水具有的本质属性。就中国总体情况而言幂律尾指数自东南向西北呈递增趋势，与中国降水南多北少，东多西少的空间分布相符合。对应0.7mm日降水，中国北方地区(东北、华北和西北)日降水幂律尾指数随时间演变存在突变，突变点Ⅰ(1979年)之前，幂律尾指数变化较平稳，其后幂律尾指数急剧增大，到突变点Ⅱ(1989年)之后，幂律尾指数又逐渐变化缓慢，但与突变点Ⅰ之前相比有较大差异，维持在另一个稳态的变化。这一现象可能对应着20世纪70年代末开始的中国北方干旱化进程，导致的原因可能是0.7mm日降水状况的改变。
(3)对中国七个气候特征区30mm以上日降水(大．暴雨)研究发现：统计结果仍然呈幂律尾分布，但各气候特征区幂律尾指数与0-29mm日降水相比明显增大(γ>3)，空间分布状况也有所不同。结合已有的研究结果，说明0-29mm日降水(γ<3)是一个平稳性过程或包含部分平稳性成分，因此在目前的预测方法基础上，进一步提取和分离平稳性分量应成为提高预测水平的主要努力方向；30mm以上日降水(γ>3)则是一个非平稳性过程，使得长期的暴雨预报面临严峻的挑战。借助滤波方法对日降水序列进行单尺度分离，“逆向”研究不同尺度系统对降水的影响，结果表明：日降水幂律尾分布特征是大气中各尺度系统相互作用的结果，单一尺度分量无法全面反映降水的本质规律，统计结果失去幂律尾分布特征；30mm以上和以下日降水对应的主要影响系统不同可能是造成相应幂律尾指数发生改变的原因；其中一周尺度系统对30mm以上日降水幂律尾指数影响最大，是我们需要关注的时间尺度，单尺度分离后的序列对原序列传递熵的计算结果也证实了这一结论。
(4)上述工作中，为了研究幂律尾指数随时间的演变，我们选取了长度为10a的滑动窗口，并按照惯例将幂律尾指数γ赋值给窗口中的末尾年份，因此无法对中国北方地区(东北、华北和西北)0-7mm日降水幂律尾指数发生突变的时间进行精确定位(同一窗口中的年份均有可能)，为了克服窗口长度的影响，我们采用“逆向”研究的方法，充分利用长度有限的观测资料，分析中国七个气候特征区日降水幂律尾指数随时间的演变特征，结果发现中国北方地区(华北、东北和西北)0-7mm日降水幂律尾指数随时间演变在1979年和1980年之间发生突变，由此我们推测该地区大尺度气候背景在上世纪70年代末80年代初经历了一次较大的变化，引起该地区小雨的雨情随之改变，这一变化与ENSO综合指数(MEI)联系较紧密，可能是造成北方干旱化的重要原因之一。0-29mm日降水是一个相对平稳的过程，每一年的降水状况均围绕某一稳定的平均态“上下波动”，仅有微小偏移；而30mm以上日降水平稳性明显较差，每一年的暴雨状况都会对幂律尾指数产生很大影响，这也给长期暴雨预报带来了极大的困难。 (5)代用资料的重建与分析是古气候研究领域的一个重要课题，文中应用小波变换和功率谱研究了都兰树轮等8种温度代用资料的主要周期，并以此为基础进行滤波，结合动力学相关因子指数和相关系数从代用资料的动力学结构特征和外部特征两个角度研究其在不同尺度上的相似性。研究结果表明：准100a尺度是这些代用资料的共同周期，都兰树轮等8种温度代用资料的动力学结构特征和外部特征在准100a及以上的尺度层次上是相似的，即其外部特征和动力学结构特征两个方面均符合可比性条件；随着尺度的降低，动力学结构特征和外部特征的可比性均随之降低；60-70a及以下尺度，各分量之间的动力学结构特征失去可比性；在小于30a的尺度上，它们的外部特征也不再具有可比性。
本论文在国家重点基础研究发展计划(973计划)“我国南方致洪暴雨监测与预测的理论和方法研究(2004CB418300)”和国家自然科学基金重大研究计划“全球变化与区域响应”的面上项目“观测数据的非线性动力学结构特征的识别(90411008)”共同资助下完成。