改进的经验正交函数分析方法及其效果验证

基于中国站点网气候资料,简要介绍了经验正交函数(empirical orthogonal function,EOF)与改进的经验正交函数(adjusted EOF,AEOF)分析方法的关系,给出了验证其分析效果的方案;并将EOF、AEOF分析方法应用于中国160站60 a(1951—2010年)夏季气温距平场序列的分析。结果表明:AEOF分析方法前6个模态的模方拟合率和累积模方拟合率均高于EOF分析方法的相应量;AEOF分析方法前3个模态的典型场对夏季气温距平场序列的模方场的拟合效果明显优于EOF分析方法。由此论证了EOF分析方法中资料均匀化订正的必要性,验证了实际分析中AEOF分析方法的较优效果。

应用经验正交函数分析方法研究地球重力场时变特征

利用Grace(Gravity Recovery And Climate Experiment)106个月连续重力异常数据,基于经验正交函数分析方法,分析了重力异常时变特征,得出了地球重力场时变信号主要起源于海水质量的移动,位于南纬40°与北纬40°带之间的结论。

改进型经验正交函数海洋声速剖面预报方法

鉴于深海温跃层以下往往声速值缺乏,声速剖面不完整的原因,提出一种声速剖面的预报方法:在传统经验正交函数预报法基础上,首先改进协方差矩阵的求解方法,将原始数据的空间信息和时间信息有效地融合到协方差矩阵中,通过由大量实测数据统计得出的时间函数的经验公式,得到合成剖面,将二者结合,把不完整剖面垂直向下延拓到海底,较为有效地解决了传统方法求解协方差矩阵和时间函数较粗糙的问题,给出了完整的海洋声速剖面的准确预报。实测数据检验结果表明,改进方法的预报精度比传统方法有了很大提高。

利用经验正交函数分解方法分析广州臭氧污染特征

广州市空气污染治理重点逐渐转向臭氧污染治理,理清臭氧污染特征是制定治理措施的基础。文章利用经验正交函数分解方法对2016-2018年广州市51个监测点的臭氧逐时浓度进行分解。分解得到的51个模态的解释方差均较小,反映出臭氧污染特征的复杂性。该文只分析头3大模态,累积解释方差贡献率32.7%。第一模态显示市区及南部地区臭氧为负距平值区,北部地区为正距平值区,反映的是臭氧和二氧化氮的"跷跷板"关系;第二模态显示广州南部为正距平值区,北部为负距平值区,中部为过渡区,反映的是南北地区受太阳辐射不同所导致的臭氧浓度差异;第三模态的时间系数存在明显的日变化和季节变化,空间分布反映的是城乡差异,反映的是城市热岛效应对臭氧浓度的影响。

《气象统计方法》课程直观形象教学的尝试——“经验正交函数分解”教学法的改进

EOF分析方法是《气象统计方法》课程教学的主要内容之一,在大气科学领域中应用广泛。然而,对于EOF方法这种理论性较强的内容进行课程讲授时,往往较难激发学生的兴趣。因此,我们尝试利用形象教学法改进EOF分析的教学方法。利用云图照片进行EOF展开与主要模态重构,引导学生兴趣,加深学生对EOF抽象理论和应用的理解。

经验正交函数与地统计相结合分析降水时空变异

把经验正交函数展开和地统计分析有机结合,以河南省近51年雨季降水为例,进行降水时空变异特征研究。结果表明,用经验正交函数把降水变量场的主要空间分布结构分离出来,可正确地提取时间函数向量;再运用地统计分析对河南省多年雨季降水空间函数特征向量进行空间变异结构分析与插值,得出了河南省雨季降水量空间分布的主要4种类型：总体一致型、南北差异型、东西差异型和豫西山区异常型;然后对时间函数进行分析,得到了对应空间分布型的年际变化趋势规律。

1978～1994年分省农业旱灾灾情的经验正交函数EOF分析

本文利用１９７８～１９９４年各省、市、自治区的农业旱灾受灾面积及播种面积的资料，以旱灾受灾率（即旱灾受灾面积与播种面积之比）作为刻划旱灾灾情的指标。对标准化的旱灾受灾率进行经验正交函数分析，发现前五个典型场方差贡献达７０．７％，可以概括我国旱灾灾情的空间分布主要类型。其中，前三个典型场的正负区域分界线的大体位置分别为长城一线。

复经验正交函数方法对湛江南三岛海滩剖面季节变化动态特征研究

利用复经验正交函数(CEOF)分析方法对湛江南三岛2009年2月22日至2010年4月21日期间的实测海滩剖面数据进行了分析。结果表明该海滩的季节变化有3个主要模态:第1模态是海滩风暴剖面和涌浪剖面之间的相互转换,其贡献占总方差的71.18%。其原因是海区侵蚀性风暴大浪和建设性涌浪的交替变化。第2模态是平均高、低潮线之间的地形变化,其原因是由于潮汐变化导致入射波浪冲流活动范围变化,占总方差的14.28%。第3模态是侵蚀大浪过后的水下沙坝向岸迁移,并受潮汐影响在滩面上摆动,占总方差的6.80%。最后指出必须重视风暴对华南海滩演变季节性过程的影响。

基于经验正交函数和奇异值分解对东亚季风区跨季度夏季降水距平的订正方法

基于经验正交函数(EOF)和奇异值分解(SVD)方法,作者对IAP9L-AGCM后报的东亚季风区1984～2003年共20年的跨季度夏季降水距平场进行回归订正,并对订正前后降水距平场与实测场间的空间相似性、强度、以及年际变化相关性进行分析.结果表明这两种订正方案均能明显提高夏季降水距平预报场与实测场间的空间相似性和年际变化相关性;而基于EOF的订正方案对强度的订正效果要优于基于SVD的订正方案.此外,在此基础上,我们进一步提出多种订正方法集合的思想.

复经验正交函数方法在黄海水温预报中的应用

本文介绍了复经验正交函数（ＣＥＯＦ）方法，并首次将其应用于黄海的水温预报，同时与依据同样资料采用经验正交函数（ＥＯＦ）方法所作的预报进行了对比。比较可知，在黄海表层水温预报中，应用复经验正交函数方法所作的预报，其精度较应用经验正交函数方法提高０．２０℃左右，底层预报精度相当。

潍坊人工沙滩海滩剖面演变特征及应用经验正交函数分析

对潍坊人工沙滩二期工程竣工后海滩实测地形剖面进行研究,应用经验正交函数(EOF)提取海滩2013年5月至2015年11月6次剖面监测数据中的前3个模态的空间特征函数和时间特征函数,分析竣工养护后海滩剖面的时空演变特征及海滩的平面变化特征。第一特征函数表示竣工后海滩的总体冲淤变化,受到东西两侧丁坝加长和中间T型坝修建的影响,剖面的侵蚀程度较一期工程明显减小;第二特征函数表示受地形和水动力作用影响,前滨带出现滩肩剖面和沙坝剖面的相互转化;第三特征函数反映风暴潮、人为因素等偶然因素的影响;从平面特征来看,人工沙滩中部、东部较西部侵蚀严重。可见,二期工程建设起到了优化的目的,大大改善了人工沙滩的侵蚀,但仍需要持续有规律的对海滩进行监测,进一步深化对人工养护沙滩建设和维护的认识。

基于旋转经验正交函数法的广东省干湿状况时空特征分析

基于1960—2011年广东省25个地面气象站点的逐日气象资料，采用6个月尺度的标准化降水指数（SPI）为干旱评价指标，计算了广东省各站点每月的干旱指数，并在此基础上利用Mann—Kendall趋势检验法、旋转经验正交函数法（REOF）、小波分析等方法分析了该地区干湿状况的时间演变趋势和空间分布特征。结果表明：广东省变干趋势的月份主要集中在1—3月，而变湿的月份主要为7—9月，且中部地区变湿趋势的月份数要明显多于东西部。此外，雨季（4—9月）广东东部及沿海大部分地区呈变湿趋势，而冬季全省大部分地区都表现为变干的趋势；根据REOF方法可将广东省干旱分布特征划分为4个典型的空间异常型：南岭型、粤西型、粤东型和雷州半岛型；各空间型对应的旋转主成分（PRC）序列分析结果表明，雨季各空间型都表现为统一的先变湿后变干趋势，而冬季除了雷州半岛型外则都表现为明显的变干趋势。小波分析结果表明各空间型干湿状况普遍存在1．5a、2—3a的显著变化周期。

2013年大范围雾霾期间京津冀PM_(2.5)质量浓度遥感估算及时空变化的经验正交函数分析

利用2013年11月8日-12月15日京津冀地区气溶胶光学厚度(AOT)以及地面环境监测站PM_(2.5)数据,通过近地面气溶胶消光系数公式和线性拟合方法,估算京津冀地区PM_(2.5)质量浓度.对估算结果选取最优的空间插值方法获得大范围雾霾期间京津冀空气污染物分布特征,利用地面监测站PM_(2.5)数据对估算结果进行了精度验证,结果表明,利用AOT基础数据线性拟合模型,能够有效估算大范围雾霾期间PM_(2.5)的质量浓度及空间分布,估算结果与地面监测站数据相关系数为0.78,且二者在分布趋势上表现出良好的一致性.经验正交函数分析方法(EOF)第1模态分析表明,京津冀颗粒物质量浓度自西向东空间变化;时间系数反映PM_(2.5)质量浓度存在明显的周期性震荡.EOF第2模态分析表明,京津冀颗粒物质量浓度时间-空间变化呈现北部和南部相反分布的特征,时间系数反映了颗粒物质量浓度变化的反位相关系.

主成分分析与经验正交函数分解的比较

在对原始资料没有限制的前提下,通过对主成分分析和经验正交函数分解两种分析方法推导过程的比较,文章认为在原始变量是距平(样本是中心化资料)或标准化距平(样本是标准化资料)时,两者的分析方法是相同的。但两者的含义有很大不同,主成分分析主要是为了寻找少数独立的变量来代替原来相关的多变量以达到压缩数据、简化运算的目的;经验正交函数分解主要是为了进行时空分解,通过分解成空间函数和时间函数来分析实际场的空间结构。所以在应用两种方法时应当规范化,以突显两者含义上的差异。

东亚夏季波列经验正交函数分析

利用经验正交函数作为分析工具,利用500hPa高度场资料针对东亚地区波列出现情况进行研究,得出结论如下:(1)从东西伯利亚上游经鄂霍茨克海到日本东部海面的波列(OKJ波列)在初、仲夏(6—7月)的信号很强,为欧亚范围内最主要的分布类型。(2)从菲律宾经日本到北美的波列(P-J波列)可在整个夏季(6—8月)具有相当强的信号,虽然均表现为第二特征向量分布,贡献率与6—7月欧亚范围内第一特征向量表现OKJ波列的相当。(3)合成分析表明OKJ和P-J类波列在某种程度上可以共存。

旋转经验正交函数分解回归方法在东北夏季气温季节预测和成因诊断中的应用

利用中国东北4省/区73个地面气象观测站1971—2011年6—8月月平均气温,以及NCEP/NCAR再分析1971—2011年月平均高度和NOAA月平均海表温度(SST)资料,基于主成分回归(PCR)预测方法的思想,用同年1-5月北半球大气环流和全球SST场建立了东北地区夏季气温的统计预测模型,该建模方法是主成分回归方法的变形,计算方法较为简易,对气温等级的季节预测有较好的预报效果;并用其计算过程做了前期气候成因诊断。考虑到旋转经验正交函数分解样本误差较小、空间模态结构清晰,但特征向量的时间系数在不同时段有所变化的特点,故使用旋转经验正交函数分解整个时段的东北夏季气温场,然后基于旋转经验正交函数分解结果,进行前期影响因子甄别,最后建立多元线性逐步回归预测模型,建模期为前30年,独立样本预报期为后11年。30 a逐年交叉回报检验和11 a独立样本预测效果都显示该模型具有较高的预报技巧,尤其对气温等级的预测具有参考价值。用预测模型的中间过程诊断了东北夏季各月某一类典型气温异常的前期成因:5月北极涛动和北大西洋涛动(AO/NAO)、北太平洋涛动(NPO)以及副热带纬向一致异常型(SZ)等大气大尺度低频波动对6月吉林和辽宁省气温异常有显著影响;3月北极涛动和北大西洋涛动、东太平洋涛动(EP)及欧亚遥相关型波列对7月内蒙古东北部气温异常有显著影响;5月在北半球中高纬度大尺度低频波列不显著的情况下,sz型低频波列对8月内蒙古东北部部分地区和黑龙江中、西部等地气温异常有显著影响;前期海温呈厄尔尼诺(拉尼娜)型、同时北大西洋海温三极子为正(负)位相,一般与导致东北6月和7月偏冷(暖)的大气环流型相匹配;春末热带印度洋全区海表温度一致异常模态(IOBM)正(负)位相与导致东北8月偏暖(冷)的大气环流型相匹配。

复经验正交函数分析结果的直观显示

对复经验正文函数分析结果显示作了改进，导出了时空振幅、位相函数，并给出了时空振幅位相函数图。试验及实际分析表明，它具有直观性。

经验正交函数在长江河口南支河段河槽演变分析中的应用

本世纪五十年代,经验正交函数(EOF)首先应用于气象研究,七十年代起在海滩剖面研究中开始应用并收到一定的成效,本文用它来分析河口河床断面的复杂变化.应用经验正交函数分析的基本思想是:将河床断面测量序列数据展开成一系列时间上和空间上相互独立的正交函数的和,以此来探讨河床断面时空变化的特性.通过对南支河段五个典型断面的分析,证明了可以用三个正交函数综合描述南支河段河床演变的某些规律.

珠江口外海水声速经验正交函数分析

利用珠江口外海多年的水文观测资料,采用经验正交函数（EOF）法分别对该海域表层及21°N垂向断面的声速及其距平值进行了分析.结果表明该海域表层声速自西北向东南增大,21°N垂向断面声速随水深的增加而减小.EOF法分析声速及其距平值得出的第一个特征分量在该区域表层和21°N垂向断面上都是最重要的.声速季节变化显著：自上一年的10月开始减小,2或3月减到最小值后开始增大,7～9月增至最大值,有显著的年变化周期.声速也似有年际变化：1981年冬季声速开始减小,一直持续到1982年秋季,1982年冬季开始呈增大的趋势.声速的年际变化强度随着水深的增加而减弱.

经验正交函数分解在上海地区低频天气图方法中的应用

用NCEP1逐日700hPa流场数据绘制低频天气图,统计低频天气图上的低频系统,重点研究上海地区汛期较强降水过程发生期间的低频系统特征,借助向量场的经验正交函数分解方法(EOF)深入研究导致上海地区较强降水事件的低频系统空间分布,综合考虑低频系统的完整性及所对应的天气实体等因素,将东亚地区划分为八个关键区,包括五个活跃关键区及三个次活跃关键区。为构建低频配置模型,细致分析了上海地区汛期较强降水过程发生期间低频流场经向量场的EOF分解所得的前四个主成分的空间分布特征。结果表明:南、北低频气流(暖、冷空气)的汇合,是造成上海地区较强降水过程发生发展的最主要原因。此外,位于我国东部沿海地区的低频气旋及中低纬西太平洋地区的低频反气旋也是导致上海地区发生较强降水过程的主要影响低频系统。