时间序列数字滤波后自由度的确定——应用于日长变化与南方涛动指数的相关分析

原始观测时间序列进行数字滤波后,其自由度将大大降低。对各种数字滤波器都可以通过 Monte Carlo方法模拟获得对应置信水平的相关系数临界值,从而得到时间序列滤波后的自由度。如果滤波后的频段宽度与Nyquist频率之比为Z,那么对于理想的单边和双边滤波器,时间序列滤波后的自由度为原始值的Z/2和Z倍,非理想滤波器一般不符合此规律。

中国地面气温年际和年代际变化及其与北冰洋涛动指数的关系

利用中国气象局气候中心数据库1958—1994年中国160个测站的月平均温度资料, 分析了中国37年气温的年际和年代际变化及其与北冰洋涛动指数的关系。结果表明: (1)1958—1994 年以来,东北地区全年、秋季和冬季温度上升都很明显, 其中冬季最明显; 新疆冬季温度升高也很明显; 华南夏季温度明显升高。(2)通过对各区温度的年代际变化检验可知, 东北全年、秋季和冬季 1983 年以后温度有非常显著的升高; 新疆冬季1976年以后温度也有显著升高; 华南夏季 1976 年以后温度有明显升高。(3)从全国来看, 北方各区气候变暖要比南方显著一些, 特别是冬季。(4)北冰洋涛动与我国东北温度有十分密切的联系, 当AO指数偏小时, 冬季冰岛附近海平面气压偏低, 西伯利亚高压范围缩小,东亚冬季风比较弱, 我国东北冬半年的温度出现明显上升。

南方涛动指数的多元统计分析及其与北半球500hPa月平均环流的关系

本文对美国的CAC南方涛动指数进行了相关分析、因子分析、模糊聚类、主成份分析。指出,月指数可分为二组:1—4月,5—12月,它们的持续性和相关性不相同。还指出,强弱南方涛动可以用涛动指数的第一主成份来定义。 此外,用1951—1984年的月资料讨论了南方涛动指数与当年1月到来年12月的500hPa位势高度场、月平均纬圈高度、月平均纬际高度差、大气活动中心以及大气环流特征量的相互关系。分析表明,在涛动低值年的前期4月份75°N以北的500hPa位势高度明显偏低,5月份偏高;低值年4月第一谐波槽位于东半球并且方差贡献小,5月份一波槽方差贡献大,高值年相反。500hPa位势高度在4—5月的这种变化是涛动在高纬度的一个早期讯号。 最后,我们建立了一个涛动指数的统计预报模式。利用这个模式可成功地预报出1986年的弱涛动并发生El Nino现象。

1960-2020年松嫩平原干湿时空演变及其与涛动指数的关系

松嫩平原是中国重要的商品粮基地和湿地分布区,干湿演变关乎区域粮食安全和生态安全。基于松嫩平原及其周边36个气象站逐日的气温、降水、风速等气象资料,采用Penman-Monteith公式计算了各站点月地表湿润指数,标准化后进一步计算了极端干湿事件频次;然后运用趋势分析法、克里金插值法探究了极端干湿事件频次的时空演变特征,并采用交叉小波分析了干湿事件演变与涛动指数的关系。结果表明:(1)1960-2020年松嫩平原年极端干旱事件频发,过去60年均值为7.86次,而年极端湿润事件较为少发;年极端干旱事件频次呈明显的下降趋势,年极端湿润事件频次呈上升趋势,其气候倾向率分别为-0.10次/10 a和0.02次/10 a。(2)空间上,松嫩平原大部分地区极端干旱事件频发且呈不明显的减弱趋势,极端湿润事件少发且变化趋势呈明显的东增西减的变化趋势特征。(3)松嫩平原干湿演变与涛动指数密切相关,年极端干旱事件频次与北极涛动指数、大西洋北美涛动指数和北大西洋涛动指数呈正相关,年极端湿润事件频次与三者主要呈负相关;极端干湿事件与南方涛动指数在年际尺度上和年代尺度上位相关系有明显的差异。(4)极端干湿事件频次演变与区域社会经济部门用水量密切相关,影响区域的水安全。本研究可以为气候变化松嫩平原农业-湿地系统水资源规划和管理提供支撑。

小五台山油松树轮宽度重建近百年夏季亚洲-太平洋涛动指数

夏季亚洲-太平洋涛动指数(I APO)能够很好地指示中国东部季风区夏季降水变化。利用树轮宽度指数作为代用资料,结合气象资料分析表明油松径向生长与春、夏两季的气温和降水呈现明显的相关关系。在此基础上,利用树轮指数序列重建了近百年(1914—2006年)夏季I APO序列。重建结果表明,重建序列在低频信息1914—2006年间存在3个正位相阶段和4个负位相阶段,其中,1914—1948年间I APO整体趋势一直处在负位相;1948—1965年间I APO整体趋势一直处在正位相;60年代中期以来I APO基本处在负位相,仅在70年代中期、90年代左右出现短暂的正位相。对比分析表明,重建的夏季I APO序列与另一夏季I APO重建序列具有良好的同步性。

根据大气运动流函数/速度势定义的北方涛动指数及其应用

将水平风速分解为无辐散(有旋)分量和辐散(无旋)分量,然后将北太平洋高压(NPH)中心处一点(35°N,130°W)和西太平洋低压处Darwin站(10°S,130°E)之间的流函数距平/速度势距平之差定义为北方涛动指数(NOI),分析了该指数与其他一些传统指数的相关性和差异,并讨论了该指数在气候过程分析中的若干应用。

中西太平洋金枪鱼围网自由鱼群渔场重心变动及其与南方涛动指数的关系

文章根据2013—2017年中国中西太平洋金枪鱼围网船队捕捞日志,利用捕捞自由鱼群作业位置、作业时间和渔获量等数据信息,分析了自由鱼群渔场重心月间变化、年际变化与南方涛动指数(South Oscillation Index,SOI)的关系。结果显示,渔获量较高的海域海表温度(Sea surface temperature,SST)高于29℃;自由鱼群的渔场重心主要分布介于160°E—175°W;2013—2015年渔场重心有逐年向东偏移的趋势,但无明显的月间变化规律;SOI为正值时,中西太平洋“暖池”较正常年份向西偏移,自由鱼群渔场重心亦明显向西偏移;反之,自由鱼群渔场重心较正常年份向东偏移。相关性分析显示SOI和月间渔场重心的经度之间呈负相关(相关系数为?0.27,P<0.05),表明金枪鱼围网渔场变动和异常气候的发生存在密切联系。研究结果对于掌握中西太平洋金枪鱼围网渔场变动规律具有一定参考价值。

北大西洋涛动指数变化与北半球冬季阻塞活动

线性回归分析表明北大西洋涛动(NAO)主要与大西洋、欧洲及乌拉尔山地区阻塞的频率和强度的变化存在显著相关关系。在NAO负位相时期阻塞活动在大西洋地区较为频繁且强度较强,正位相时期大西洋地区阻塞活动减少,强度减弱,而欧洲阻塞加强,频率增加,同时乌拉尔山地区的阻塞活动也显著减少。NAO正指数的增强和减弱对应于大西洋和欧洲阻塞活动的不同变化。局地阻塞活动频率分布显示:在NAO正指数增强的阶段,大西洋的阻塞活动受到明显抑制而欧洲大陆阻塞活动明显增加,活动中心向欧洲大陆偏移;但在NAO正指数减弱的阶段,阻塞活动中心向大西洋一侧移动。区域性阻塞的逐年变化表现为:大西洋和乌拉尔地区阻塞在NAO指数增强的阶段呈下降趋势,欧洲阻塞呈增加的趋势;在NAO指数减弱的阶段大西洋阻塞为弱的上升趋势,欧洲和乌拉尔地区阻塞呈下降趋势。中纬度涡旋活动的强弱和位置对NAO位相的变化起到重要作用。大西洋风暴活动向东加强有利于NAO趋于正位相,对应于欧洲大陆阻塞发生频率增加;但其进一步加强可使大西洋阻塞活动增加。

北极涛动指数对河南降水的可能影响

在利用Morlet小波对时间序列进行连续小波变换的基础上,采用交叉小波变换方法,分析了河南省近50年降水与北极涛动指数(AOI)之间的关系。结果表明,河南降水距平(ΔR)以及北极涛动指数距平(ΔIAO)序列中都存在着不同时间尺度的周期分量,并且各周期分量的强度是不同的。同时研究了ΔR与△I之间在35年、16年、8年等各周期尺度的相关振荡及相应尺度上的时频特征。

南方涛动指数与热带大洋暖池的相关分析

利用1982—2016年南方涛动指数和热带印度洋-太平洋海表面温度(Sea Surface Temperature,SST)的资料,分析了南方涛动指数和热带大洋暖池的年际变化特征,探讨了南方涛动指数与暖池面积和强度的相关关系,为南方涛动和热带大洋暖池的研究提供参考。结果显示:热带大洋暖池的面积和强度均呈上升趋势,趋势率分别为13.717网格数/年和0.007℃/年,并分别有26~28年、20~22年和28年、20年的周期变化;南方涛动也有上升趋势,趋势率为0.018/年,且有16—18年和7—8年的周期性变化;南方涛动指数与暖池面积当月同期负相关显著,南方涛动指数在4、5和7~11月对其后2~10个月的热带大洋暖池面积均有良好滞后负相关。

最近530年冬季北大西洋涛动指数与中国东部夏季旱涝指数之联系

用Glueck 等人建立的1429～1983年冬季北大西洋涛动指数(简写为NAOI)序列, 分析了它与我国东部100个站1470~1999年共530年夏季旱涝等级序列(简称旱涝指数)的联系. 发现NAOI与我国东部几个区域平均旱涝指数(缩写为FDI)有很好的滞后相关. 北区及整个东部平均旱涝指数在滞后NAOI 2～3年时, 最大相关系数接近0.001的显著性水平. 中、南区负相关也达0.05～0.01的显著性水平. 最佳相关时段在1636～1742年(小冰期), 北区及整个东部地区两者相关系数显著性水平远超过0.001; 其次是1951～1999年, 北区、中区平均FDI与NAOI的相关系数显著性水平均在0.00～0.002之间. 功率谱分析和Morlet小波变换发现, 北区及东部的区域平均FDI与NAOI有几乎完全相同的年际、年代际乃至世纪尺度的振荡周期, 即4～5年、准10年、20~30年、50年左右、80～100年等. 用Mann-Kendall Rank Statistc方法检测发现, 在最近530年中, 北区及东部地区平均旱涝序列, 在不同时期存在非常显著的旱涝趋势变化及明显的年代际突变, 但NAOI在最近400余年中却没有达到显著性水平的上升和下降趋势变化, 其年际和年代际尺度的突变较我国FDI频繁得多. 这可能与NAOI重建序列极端值振幅较器测序列的振幅偏小有关.

南方涛动(SO)与北大西洋涛动(NAO)百年变化特征的正交小波分析

用正交小波变换方法分析了近121年来季节的南方涛动指数与北大西洋涛动指数的演变特征，结果表明南方涛动指数(SOI)最显著的变化是周期约为2～7年的年际变化，它们的方差贡献率为55.1 %。1920年以前和1960年以后SO年际及年代际变化较强，其余时段较弱。而NAOI最明显的变化是周期在2年以下的变化，方差贡献率为64.3%。近百年NAOI年际及年代际变化有减弱趋势。近百年来SOI有-0.52/百年的减小趋势，而NAOI有0.25/百年的增大趋势。SOI与NAOI的气候基本态之间有显著的负相关，在年代际和年尺度变化上它们相关不明显。近期北半球处于SOI低基本态高年际及年代际变率，NAOI高基本态低年际及年代际变率的慢变过程下。

西太平洋海温和南方涛动与中国冬季气候异常关系年代际变化的对比分析

利用NCEP/NCAR再分析资料和全球海温海冰GISST2 .3b资料、英国CRU提供的南方涛动指数以及中国 1 60站月平均降水和气温资料 ,分析了冬季西太平洋海温和南方涛动与中国冬季气候异常关系年代际变化特征。结果表明 :最近 5 0年 ,西太平洋海温指数(WPI)与南方涛动指数 (SOI)之间相关关系的年代际变化在冬季很明显。当WPI SOI相关关系不显著时 ,在西太平洋赤道北侧的对流层低层存在高 (低 )海温 反气旋 (气旋 )异常环流系统 ,不利于维持ENSO与西太平洋海温变化间的紧密联系 ;与此相对应 ,冬季整个对流层环流呈相当正压结构。在WPI SOI相关显著 (不显著 )时段 ,冬季中国降水、气温与西太平洋海温之间的相关较弱 (较强 )。

1957-2000年东北地区春季极端气温变化及其与北极涛动的关系

利用东北地区32个测站1957-2000年逐日气温资料,分析了东北春季极端气温指数的变化特征及其与同期和前期北极涛动指数的关系。结果表明:春季日气温距平值基本上是由高纬向低纬、由东向西增加;44a来日气温距平强度变化呈现正趋势,春季的冷日和冷夜呈减少趋势,暖日和暖夜呈增加趋势。东北春季气温与春季北极涛动(Arctic Oscillation,AO)在年际时间尺度上具有很强的正相关性,AO和极端气温指数也存在着相同的变化周期和突变时间。

厄尔尼诺/南方涛动与我国秋季气候异常

利用1951～1999年我国秋季(9～11月)降水、温度和南方涛动指数(SOI)1935～2000年资料研究ENSO与我国秋季气候异常的关系,结果表明,秋季降水与ENSO的关系远比夏季降水与ENSO的关系好。El Nino 年我国秋季降水出现南多北少的分布型(S型)的频率增加近20 %,而La Nina年出现S型的频率减少20 %。反之,当我国秋季降水距平出现大尺度南北降水异常时,往往表示当时有ENSO现象发生。El Nino和La Nina年我国秋季降水距平的分布有显著差异,且这种显著差异主要表现在长江南北、西北和河套地区。不同时段SOI对秋季气候异常的影响不同, 当年4～10月SOI值与秋季降水EOF分解第二时间系数(反映大尺度南北旱涝异常特征的权重系数)之间为较明显的正相关, 其中8月最显著。上一年7～9月和同年1～3月的SOI值同秋季气温EOF分解的第二时间系数的正相关较明显。可根据前期5～8月的月平均SOI值,预报秋季大尺度降水异常,当年5～8月的SOI平均值偏高时,长江以南(北)地区的降水将有减少(增加)的可能,反之亦然。

南极海冰涛动及其对东亚季风和我国夏季降水的可能影响

利用NCEP 1973-2002年逐月南极海冰密集度格点资料,定义了具有跷跷板式变化规律的南极海冰涛动指数,分析了冬季南极海冰涛动指数与我国夏季降水及东亚季风爆发时间的关系.结果显示:南极海冰涛动指数与同期南极海冰密集度相关系数超过5%信度的格点数占南极海冰格点数的1/3,表明定义南极海冰涛动指数能够代表南极地区1/3海冰的变化区域.冬季南极海冰涛动指数和我国汛期(6-8月)降水距平百分比相关显著,正相关主要在长江流域及其以南地区,长江流域以北为负相关,相关系数均超过5%的信度.当冬季南极海冰涛动指数为负值时,南海季风爆发早,概率为11/14=79%;为正值时南海季风爆发晚,概率为12/15=80%.通过讨论冬季南极海冰涛动指数影响我国季风降水的可能过程,给出了概念模型.

黑龙江南部林区雀形目鸟类春季迁徙时间与气温和北极涛动的联系

基于东北林业大学帽儿山生态站1998—2018年10种候鸟的环志时间数据,将其首到日、峰值日、结束日与同期哈尔滨、尚志、通河3个气象站的逐年月平均气温、平均降水量以及北极涛动指数(AOI)逐月平均值之间进行相关性分析,探讨了黑龙江省南部林区雀形目鸟类迁徙时间与气温和AOI之间的联系。结果表明:(1)东北地区早春雀形目候鸟迁徙时间的变化能够反映出AOI的波动。(2) AOI上升会使春季候鸟迁徙时间提前,但春季迁徙时间较晚的鸟类对这种反应会逐渐减弱。(3) AOI和早春候鸟迁徙时间的变化的联系,是由于气温波动在之间起到了关键的连接作用。(4)春季迁徙时间较早的鸟类对AOI的反应具有明显的滞后现象,2月AOI对3、4月春季候鸟迁徙时间的影响极为明显,所以根据AOI的变化可提前预测当年早春候鸟的迁徙时间。

基于PMIP2气候模式模拟的中全新世北大西洋涛动

根据PMIP2中的4个海气耦合模式对中全新世气候的模拟结果,利用现代和中全新世两个时间段的冬季海平面气压场（SLP）,分析了北大西洋海平面气压的变化情况并计算了这两个时间段的北大西洋涛动（NAO）指数。结果表明,中全新世亚速尔高压加强,冰岛低压加深,南北气压差增加,NAO强度显著增强。对中全新世北大西洋地区SLP进行经验正交函数（EOF）分析显示,4个模式均能捕捉到了NAO的主要结构。中全新世NAO处于正位相的时间较现代提高了10%~30%,其中MIROC3.2提高了29.3%;虽然NAO指数振幅变化不大,但还是能显示中全新世NAO显著强于现代,这与地质资料恢复的结果相一致。对NAO指数的多窗谱分析显示,现代NAO指数存在3~5 a的准周期变化,中全新世NAO指数存在3 a的准周期变化。NAO对中全新世亚洲地区冬季增温有重要影响。北大西洋地区中纬度海面温度（SST）的增温可能是导致中全新世NAO强度增强的一个重要因素。

近400a 来南方涛动与我国东部旱涝的关系

采用1601～1979年南方涛动指数(SOI)和我国黄河、长江流域各分区旱涝等级资料,计算了各季节的SOI与旱涝等级之间的遥相关及其振荡特性。结果表明,SOI与黄河流域旱涝的遥相关较之与长江流域更为显著,且两者呈反位相。谱分析还揭示了我国黄河、长江流域的旱涝变化具有明显的准3.5a振荡周期,这与各季节的SOI振荡有密切联系。此外,南方涛动变化多超前黄河和长江中游区域性旱涝变化la左右,尤以冬季更为显著。