利用1951—2018年中国699个气象站逐日的气温、降水数据，采用Mann-Kendall检验、小波分析、RClimDex极端气温指数方法，研究中国气温和降水时空演变特征。结果表明：在时间上，中国气温呈现明显的增加趋势，降水增加滞后且缓慢，气温和降水存在多周期变化特征，在大时间尺度上存在关联关系，以最高气温表达的冰冻日数ID0和暖昼日数TX90p较之以最低气温表达的霜冻日数FD0和暖夜日数TN90p变化幅度小，最长持续湿润日数和最长持续干旱日数呈下降趋势，气候变化以暖湿化为主要特征；在空间上，平均气温和降水量都表现出纬度方向上的降低趋势，等值线整体向北移动，很大程度上受地形影响，表现出相辅相成的空间分布特征，暖昼日数TX90p和夏季日数SU25在全国范围内均为正值，冰冻日数ID0和霜冻日数FD0存在大部分区域的减小，最长持续干旱日数与最长持续湿润日数在空间上的变化存在一定程度的相反趋势，极端降水事件存在增加趋势。研究气温和降水的时空演变特征是了解和应对气候变化对区域影响的重要内容。

随着全球变暖和城市化进程的加快，城市区域的热环境问题日益凸显。以福州为例，基于遥感、地理信息系统和地统计学等方法，通过多尺度空间模式，定量分析以地表温度贡献度为表征的城市热环境时空变化及其特征。结果表明：\mathrm{①}1993—2016年，研究区的土地利用/覆盖类型发生了显著变化，建设用地净增长1 231.04 km²，变化率高达295.33%；耕地被建设用地占用。\mathrm{②}地表温度空间格局变化明显，中高温区以闽江水域为轴向周边区域逐渐蔓延，低温区和次低温区面积显著减少。\mathrm{③}1993—2016年，福州所辖各县市区地表温度贡献时空分布不均。其中，中心城区（鼓楼区、台江区、仓山区、晋安区和马尾区）对地表温度上升表现为正贡献，闽清县和永泰县表现为负贡献。从不同土地利用/覆盖类型来看，林/草地、耕地、水体对地表温度升高有负贡献，建设用地表现为正贡献。\mathrm{④}多距离空间聚类分析（Ripley’s K函数）显示，地表温度集聚与分散存在尺度效应；1993—2016年，研究区的地表温度集聚范围逐步扩大、集聚程度增强。

全球范围内正经历显著的城镇化过程，近些年来发展中国家城镇化尤为迅速。城镇化过程带来城市大发展和人口大规模集聚，生产生活方式改变，温室气体和污染排放等变化。随着全球城镇化进程不断推进，其对气候变化的影响不断增强和显著。主要从城镇化对气候变化的影响和城镇化对气候变化影响的机理两方面对相关研究进行回顾总结。城镇化引起区域增温和城市热岛效应，高温热浪、强降水等极端天气发生频率增大，还导致城市洪水风险增加。城镇化进程中污染物排放的增加是空气质量恶化的主要原因，城镇化还通过改变城市气象对空气质量产生间接影响。城镇化对相对湿度、风速、日照、云量等气候要素具有重要影响。城镇化对气候变化的影响主要通过下垫面改变、温室气体与污染排放、人为热排放与城市高热容量3个方面实现。城镇化不仅直接作用于区域/局地气候，而且通过促进全球气候变化间接作用于区域/局地气候，因此城镇化对气候变化的影响具有全球和区域的多尺度叠加效应。

在气候变化背景下，极端天气事件（暴雨、高温热浪和低温冷害等）发生频次有不同程度增加的趋势，由极端事件造成的气象灾害也呈现增多趋势，因此开展极端天气的预报研究尤为重要。系统性回顾了极端天气预报的主要方法、数值模式集合天气预报发展现状及其在极端天气预报中的应用情况以及集合概率预报的订正方法研究进展。目前，极端天气的预报以动力数值模式方法为主导，即以集合概率预报信息为主要依据的动力预报方法成为当前国际上极端天气业务预报的主流方法。基于数值模式集合预报的极端天气预报应用和依靠概率预报偏差订正来改进极端预报，是当前该领域研究的重要发展方向。在全面回顾的基础上，围绕如何发展有效方法提升极端事件识别和预报水平，进一步提出未来极端天气集合预报发展的几点建议。

径流作为水文循环的关键环节,在人类活动影响较小的地区受气候因素控制的同时,也受植被等陆面要素的影响。以珠江流域中上游地区为研究区域,基于Budyko理论具体分析了气候和植被变化对该区域径流的影响。首先应用TFPW-MK方法分析了1981—2013年研究区各要素的变化趋势;其次通过逐步回归拟合参数n,改进了Budyko理论框架下的傅抱璞公式,并基于改进的蒸散发模型模拟计算了区域蒸散发和径流;最后基于敏感性分析方法,分析了区域径流对气象要素和植被要素的敏感性。结果显示:1981—2013年珠江中上游地区平均温度(T)、最高温度(T_max)和最低温度(T_min)都存在上升趋势,而径流(Q)、降雨(P)、风速(u₂)、相对湿度(RH)呈下降趋势。傅抱璞实际蒸散发计算公式中参数n同时受气候要素P、T、RH、日照时数(S)、u₂和植被覆盖指数(NDVI)的制约。敏感性分析结果显示,流域径流对降雨和NDVI具有较高的敏感性,且流域降雨减少是径流减少的主导因素,而NDVI在研究时段没有显著的变化趋势,其对径流减少的贡献不显著。总体而言,气候变化对研究区域径流的影响主要是通过同时改变水文输入要素(降雨、潜在蒸散发)和表针流域特性的参数n来表现,而植被对研究区域径流的影响主要是通过改变表针流域特性的参数n来表现。

当前全球和区域骤旱现象时有发生,短时间内造成巨大的社会经济影响,已经成为干旱研究的前沿热点之一。然而由于其驱动因素多样、时空过程复杂,骤旱的监测、预警和决策一直面临很大的挑战。针对骤旱的复杂时空特性,以中国农业区域为例,重点分析了降雨骤旱、高温骤旱和复合骤旱等3类骤旱在1983—2015年的时空分布特征,揭示了各类骤旱事件的发生次数、发生历时、空间分布、时间分布和演变趋势。研究结果表明:我国农业区域的骤旱次数呈现逐年增加的趋势,尤其是高温引发的骤旱呈现急剧增长趋势,而年际的历时变化有增有减,但幅度均不大;我国东北农业地区是骤旱的重灾区,发生频率高,高温骤旱的历时也较长;骤旱主要集中在春季和夏季,分别以高温骤旱和降雨骤旱为主。研究有助于建立新型骤旱监测方法与系统,并为局部地区提供骤旱防御信息支撑。

用1979—2011年逐日长江下游气温资料研究长江下游夏季高温日数与温度低频振荡的联系和变化特征。结果表明,长江下游夏季逐日气温主要有1525, 3060 和6070 d 的周期振荡,其中长江下游气温的3060 d 振荡强度年际变化和78月高温日数之间有显著的正相关。采用1979—2000年逐日长江下游气温3060 d低频分量和东亚850 hPa 低频温度主成分,构建了长江下游温度低频分量的延伸期预测的扩展复数自回归模型(ECAR)。对2001—2011年58月长江下游温度低频分量进行独立的实时延伸期逐日预报试验结果表明, 这种数据驱动的预测模型对3060 d时间尺度的长江下游低频温度分量的预测时效可达23 d左右, 对于提前2025 d预报长江下游地区夏季持续高温过程很有帮助,预报能力明显优于自回归模型(AR)。

针对近年来中国区域高温热浪日数日趋增加的问题,利用1961—2013年中国区域719个基准站逐日气温数据,并根据持续时间将高温热浪分为弱、中强、强3种等级,对比分析3种不同等级高温热浪发生频次、起始及结束时间的变化特征及区域差异。结果表明:在分析时段,中国区域整体平均高温日数呈现显著的先减后增的变化趋势,转折点为1993年。高温日数变化趋势存在显著区域差异,其中西南、华南地区的高温热浪增速最快,趋势系数均通过95%显著性检验;3种等级高温热浪所发生的区域不同,其中,弱高温热浪主要发生在中国西北、华中地区,强高温热浪主要分布在华南、西南地区,且3种等级的高温热浪发生频次均呈上升趋势。从发生的起始时间看,弱高温热浪开始日期最早,平均开始于每年的7月3日,而中强和强高温热浪开始时间相近,分别为7月13日和7月14日;从区域上来看,3种等级高温热浪均最早在西南爆发,而华中、华东、华南地区爆发最晚。除西南地区外,3种等级高温热浪的起始时间呈提前趋势,而7个区域结束日期的变化趋势存在南北差异:30°N以南地区弱、中强高温热浪结束日期均呈推后趋势,强高温热浪结束日期在30°~35°N地区显著推后,而在北方呈提前趋势。

利用区域海气耦合模式FROALS模拟的区域气候模式降尺度协同试验(CORDEX)的东亚区域的动力降尺度试验数据,分析了全球1.5 ℃温升背景下中国地区极端温度指数、极端降水指数以及民生相关指数的可能变化。结果表明,中国地区的暖事件显著增加,冷事件显著减少。高强度和中等强度极端暖事件发生风险分别为1986—2005年基准期的2.14和1.93倍,高强度和中等强度极端冷事件发生风险分别为基准期的0.58和0.63倍。分区来看,华北的高强度极端暖事件增幅最大(将为基准期的2.94倍),东北高强度极端冷事件减幅最大(将为基准期的0.38倍)。西北、青藏高原以及东北等地区的极端干旱事件发生风险略增加(分别为基准期的1.13,1.04,1.22倍)。全国大部分地区的平均降水显著增加,高强度的极端降水事件在全国普遍增加,并且在华北和东南的发生风险增幅最大(分别为基准期的1.88倍和1.85倍)。闷热日数在东部地区显著增加,并且与单一的极端高温事件相比,极端闷热日数的增加风险更大(将为基准期的5.34倍)。全国取暖度日显著减少,东部以及西北的降温度日显著增加,在人口密度较大的东部地区取暖度日的减幅(-258 ℃·d)大于降温度日的增幅(72 ℃·d),但与基准期相比,降温度日的变化比例(82%)大于取暖度日(-10%)。

研究分析了RCP2.6和RCP8.5气候情景下2021—2050年我国水稻高温敏感期(孕穗期—乳熟期)高温事件的变化趋势(较基准时段1961—1990年),并利用1981—2009年水稻田间观测资料,明确了水稻高温减产的主导因子,构建了主导因子与水稻减产率之间的经验回归关系式,在此基础上预估了未来RCP2.6和RCP8.5气候情景下我国水稻发生高温热害的风险变化。结果表明:①RCP2.6和RCP8.5气候情景下2021—2050年,全国各水稻种植区,水稻高温事件均有增加趋势,高温日数(HSD)、高温积温(HDD)都呈现增加趋势,高温持续日数(CHD)有延长趋势,其中华南双季稻区、长江流域单季稻区和东北单季稻区的HSD和HDD的变化幅度较为明显。②中国水稻高温中心在1961—2000年主要集中于湖南北部,与湖北省交界处附近,2种情景下2021—2050年均出现了向东北方向移动的趋势。③除东北区外,我国其余水稻种植区,孕穗—乳熟阶段的日最高气温连续3 d超过35 ℃以上的有效积温HDD2是导致水稻减产的第一大要素,两者之间具有显著线性负相关关系;而东北区水稻产量更易受到孕穗—乳熟阶段的单日日最高气温超过32 ℃的有效积温SDD2的影响,且两者呈现出显著一元二次曲线关系。④与1961—1990年相比,2种气候情景下2021—2050年我国水稻发生高温热害的概率增加较大的地区,主要集中在长江流域单季稻区的湖北和安徽的大部分地区,华南双季稻区的广东、广西、海南省的大部分地区以及东北单季稻区的南部。

气候变化模拟、预估、影响评价和适应行动, 均需深入了解全球陆地及不同区域地面平均气温、极端气温变化的基本观测事实和精准时空规律。长期以来, 近百年全球陆地表面气温序列的构建和分析主要由英国和美国少数几家研究机构垄断。这些机构研制的长序列全球陆地表面气温变化分析产品成为气候变化科学的基石。然而, 现有全球陆地表面气温资料数据及分析结果还存在明显不足, 其中突出的问题包括：①中国及周边国家、地区观测覆盖不充分, 早期资料覆盖严重匮乏;②对城市化影响偏差重视不够, 没有对其进行系统研究和订正。另一方面, 我国气象部门目前已初步建立了全球陆地表面气温观测资料数据集, 中国科学家也在城市化对地面气温趋势影响偏差评价和订正方面开展了系统研究。但迄今为止, 我国还没有研制出高质量、覆盖全球各个大陆的地表气温资料数据集及其分析产品。如何完善业已建成的地表气温观测资料数据集, 系统分析、评价全球陆地城镇观测站地面气温序列中的城市化影响性质和程度, 发展客观的方法订正城市化影响偏差, 建立中国自己的高质量全球陆地长序列地面气温资料数据集, 构建和分析全球陆表平均和极端气温时间序列, 监测和揭示全球陆地及不同区域地面气温变化的精细规律, 已成为我国气候变化和全球变化科学的重要任务。

利用中国气象局最新编制的0.5°×0.5°逐日地面气温、降水网格数据, 统计了16种极端气温与降水指数来定义极端气候事件, 通过改进的MannKendall趋势检验方法对珠江流域极端气温与降水事件的时空变化特征进行了研究, 并从区域的视角检验了变化趋势的显著性和一致性, 最后通过偏MannKendall检验探讨了极端气温和降水事件变化与自然界大尺度气候振荡的潜在联系。研究发现：①在过去半个多世纪里, 珠江流域总体上呈现出极端高温事件增多, 极端低温事件减少, 短时间极端降水增多, 长时间极端降水减少的趋势, 珠江流域面临着高温干旱和暴雨洪涝的威胁;②极端气温事件的变化趋势具有区域尺度上的显著性和一致性, 而极端降水事件在区域层面上的趋势则不明显, 并且区域差异大;③反映了大尺度气候振荡的多变量ENSO指数年际变化对珠江流域极端气温与降水事件的变化趋势没有显著的影响, 在一定程度上说明了极端气温与降水事件的变化趋势并不是自然界大尺度气候振荡导致的必然结果, 而可能是与人类活动共同作用的结果。