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。

丁坝间潮滩地貌变化的经验正交函数分析

经验正交函数(EOF)是用来处理原始数据、进行多元统计分析的一种方法。本文将原始距平矩阵分解为空间特征函数和相应的时间特征函数,并用前3个经验正交函数,即表示潮滩总体冲淤变化的第一特征函数,表示季节性冲淤变化的第二特征函数和表示偶然因素扰动引起冲淤变化的第三特征函数的线性组合来反映潮滩的变化,分析浙江瑞安淤泥质潮滩在建立丁坝后的演变规律。初步探讨了动力过程和地貌之间的关系,分析了淤泥质潮滩在丁坝工程影响下的时空变化特征与动力过程的关系;并对第二特征函数对应的动力过程进行详细阐述,结果显示波浪作用是影响浙江瑞安淤泥质潮滩季节性变化的主要因素。

基于CHAMP卫星观测数据对热层大气密度的经验正交分析

对2003年(太阳活动较高年)至2007年(太阳活动低年)CHAMP卫星的热层大气密度观测数据进行了经验正交函数(EOF)分析,得到了400 km高度上白天平均大气密度ρ的太阳活动周变化与年度变化等不同变化分量.研究结果表明,ρ受太阳活动影响较大,其太阳周变化分量与F_(10.7)指数变化之间的相关系数可高达94.5%;ρ的太阳周变化分量随纬度增加而减小,且在中高纬地区,南半球的值明显大于北半球的值,在低纬地区则出现基本对称的双峰分布,即赤道质量密度异常(EMA)结构.在ρ的年变化中,呈现出明显的季节变化,即夏季低冬季高;同时ρ的年变化幅度随太阳活动增加而增强,随纬度增加而增强.将本文结果与经验模式NRLMSISEOO在观测条件下的输出数据进行对比,发现两者的太阳周变化与年变化分量基本一致,但本文观测数据的太阳周成分随纬度变化略小,年变化幅度略大,且NRLMSISEOO模式不能再现EMA结构.研究结果对揭示热层气候学变化特征具有重要意义.

磨刀门枯季咸潮上溯归因分析与响应规律研究

在气候变化和人类活动影响下,磨刀门咸潮上溯显著加剧,极大地威胁了粤港澳大湾区的供水安全。基于2004-2016年磨刀门水道7个站点的日超标时间数据,与日最大潮差、径流量、平均海平面、跨岸风和沿岸风进行了经验正交函数分析(EOF)和一元及多元线性回归分析,探究磨刀门咸潮上溯与各影响因素的响应关系,量化各影响因素的作用大小。结果表明:对磨刀门咸潮上溯的贡献最大的是潮差,其次是径流,两者分别能解释超标时间日变化的30%和28%,风的作用略大于平均海平面,两者对咸潮上溯的贡献分别为12%和11%,其中跨岸风作用略大于沿岸风作用。磨刀门咸潮峰值出现在小潮潮差最小后的3.2 d,而高要站流量增大,1.8 d后才能抑制磨刀门河口咸情。该研究可为流域调度及咸潮预报提供理论支撑。

江淮地区油菜渍害的时空分析

利用江淮地区43个气象台站1960—2010年10月—翌年5月的降水量和日照资料,构建了江淮地区全生育期油菜涝渍综合指标,并对其进行了经验正交函数分解和小波分析。结果表明,油菜涝渍在播种期至冬前苗期、越冬期至抽薹期、开花期至灌浆期的第一模态的空间分布呈全区一致型,第二模态显示前两个发育期阶段呈现"东西分布型"而开花期至灌浆期呈现"南北分布型",第三模态都呈现"南北分布型"。越冬期至抽薹期在第一模态时间系数有略微上升趋势,其余发育期均呈下降趋势。对第一模态的时间系数进行小波分析发现,江淮地区油菜涝渍存在多时间尺度特征,而且播种期至冬前苗期最显著的周期是准3年,越冬期至抽薹期和开花期至灌浆期最显著的周期均为准4年,从而为油菜涝渍的监测、评估、区划提供科学依据。

我国南方暴雨一些气候特征的统计分析

根据我国南方59个气象观测站1958～1995年月暴雨日数资料,应用三维经验正交函数分解(EOF3)和小波分析方法,研究了暴雨的主要分布类型、季节变化特征、年际变化和年代际变化规律。结果表明:我国南方暴雨的总趋势是略有增加,但幅度很小;年际变化存在32年、10年、5年和2～3年左右的周期震荡;年代际变化规律是:20世纪50年代末～60年代约10年周期较为清楚,70年代5年周期最强,80～90年代中期10年左右周期最明显,而且比50～60年代要强得多,此外80年代3年左右周期也较明显。我国南方暴雨季节变化显著,4～10月为多暴雨季节,最多的月份出现在6月。暴雨最活跃区域的年变化不大,均位于华南地区,虽然长江流域和黄淮地区是分别对应于梅雨和华北雨季中的多暴雨区域,但是其最大中心值没有超过华南地区。我国南方暴雨、雷暴和冰雹的气候特征,在总趋势、空间分布、季节变化、年际变化和年代际变化方面均存在明显的差异,表明了这3类对流性天气形成物理机制的复杂性。

华南前汛期降水变率的分析

利用华南１６个站１９５１～１９９６年逐年、月和候降水量资料，分析了前汛期（４～６月）总降水量及前汛期开始期的变化特征．结果表明，全区前汛期总降水量变化有相当好的一致性．以降水异常的空间分布基本可划分成６种类型．根据候降水量变化，逐年前汛期开始期大体可分成４类，即：全区偏早（１４年）；全区偏晚（１６年）；东部早西部晚（７年）和东部晚西部早（９年）．总之。

澄碧河流域降水及旱涝变化特征分析

为了解西南岩溶区流域的降水及旱涝变化特征,选用澄碧河流域1979—2019年12个地面站点实测逐月降水资料,采用Sen斜率估计法、小波周期分析、经验正交函数(EOF)分析及标准化降水指数(SPI)等方法进行分析。结果表明,41 a间澄碧河流域年降水量呈现不显著增加趋势,以30 a为主周期;降水主要分布在夏季,并且呈不显著变化;降水量整体上呈现出由东南向西北递增的格局。EOF分析发现流域呈现出三种降水模式,其主要以全流域降水变化一致为主,其余两种模式均呈现出相反的降水变化。澄碧河流域干旱事件向洪涝事件转变发生在1994年,流域洪涝发生频率大于干旱发生频率,旱涝事件变化在空间上的分布特征具有一定差异性。研究结果对流域防范旱涝灾害具有参考意义。

时-空二维波传播分解方法及其在季节内振荡分析中的应用

大气季节内振荡最显著的特征之一就是其复杂多变的传播特征。为了进一步分析大气季节内振荡的传播特征及其不同传播方向分量的不同作用,基于波的传播理论,对时-空谱分析进行了发展,提出了时-空二维波传播分解方法,并用理想函数验证了其正确性和可行性。结果表明:对任一时-空二维序列,采用此方法均可正确地分解得到空间上具有不同传播方向的3部分分量:前进波、后退波和驻波分量。之后,对向外长波辐射(OLR)、200和850hPa纬向风的东传、西传分量以及驻波分量分别进行联合经验正交函数(CEOF)分析。结果表明,在东传分量上,热带大气季节内振荡主要表现为纬向1波的向东传播,与对流层高、低层纬向风呈现反位相的斜压结构,和未分解的情况相比,前两个主要模态重要性的排序出现了颠倒,说明通过时-空二维波传播分解,避开了各分量之间的相互影响,进一步揭示了前两个模态的物理意义及其在季节内振荡中的重要性;在西传分量上,热带大气季节内振荡主要表现为纬向2—3波的向西传播;驻波分量主要表现出印度洋和太平洋的反位相结构。对热带地区大气季节内振荡的东、西分量的分析,深化了对热带大气季节内振荡东传、西传特征的了解,这对于热带大气季节内振荡更加准确预报及其物理模型的建立有着重要的意义。时-空二维波传播分解方法改变了原有分析方法仅对各变量进行整体分析的思路,为进一步了解大气季节内振荡现象提供了一个新的视角和工具。

南亚夏季风爆发的统计动力分析

作者对南亚(印度)夏季风爆发作了统计动力分析,即将南亚夏季风爆发前后的高低层风场看作一个整体,并以南亚夏季风爆发日为基准,作了经验正交函数(矢量)分析,得到了以下结论:偏差风场的第一模态反映了季风爆发前后大规模的风系变化,其时间系数直接体现了南亚夏季风的爆发,在爆发日前后该模态反映的偏差风系有剧烈变化,这表明季风爆发时大气环流有突变发生;第二模态反映了具有5～7天振荡周期的中纬天气尺度波系及其对低纬季风区的影响;第三模态反映了热带、副热带地区呈准双周振荡的低频扰动.

1980—2016年西太平洋暖池与ENSO循环过程的相关分析

利用1980—2016年海表温度(SST)、海平面气压场(SLP)、南方涛动指数(SOI)、平均海洋尼诺指数(ONI)等资料对近37 a发生的ENSO(El Ni1o-Southern Oscillation)事件进行统计分析,并用经验正交函数分析法以及小波分析方法研究西太平洋暖池与ENSO循环过程之间的作用机制。研究表明:近37 a来,Nino3.4区的SST在厄尔尼诺(El Ni1o)现象发生时存在较大的正距平,采用Nino3.4区SSTA的大幅度突变作为指标,能够更好地反映El Ni1o事件的发生;El Ni1o事件合成分析可知其形成过程中,西太平洋有一逐渐增强东移的暖中心;西太暖池东边界变化具有明显的年际变化特征,平均3~4 a经历一次循环,并出现变化周期延长的现象;海表温度的EOF能很好地预示ENSO的发生;通过小波分析可以看出暖池东边界对ENSO的发生有较好的预报意义。

长江河口近底层悬沙和沉积物的交换过程研究

大河河口的动力沉积过程一直是陆海相互作用研究的核心内容，其中水体泥沙的垂向交换是河口动力一沉积机制分析中的关键环节。基于2011年12月对长江河口及其邻近海湾采集的大范围、高密度的近底层悬沙、海床表层1～2cm（表层沉积物）和垂向向下约2～10cm的沉积物（次表层沉积物）同步3组303个样品，利用经验正交函数方法，对河口地区的悬沙和沉积物交换过程进行研究。结果表明：近底层水体悬沙的空间分布模式主要以粉砂粒级为主，空间分布差异性不大；表层及次表层沉积物的空间分布模式相似，但较近底层水体悬沙的分布复杂，存在明显的区域性特征，其中南汇边滩水域中部辐散区的沉积物表现为粗粉砂一细砂模式，其他区域由粉砂组分模式组成。近底层水体悬沙、表层和次表层沉积物的第一模态主要反映了粒径较细的泥沙运动，第二模态主要反映了粒径较粗的泥沙运动。在近底层水体悬沙与表层沉积物的垂向交换中，主要交换粒级为粉砂组分粒级。在表层沉积物与次表层沉积物的垂向交换中，南汇边滩中部辐散区的主要交换粒级为粗粉砂一细砂组分粒级，其他区域主要为粉砂组分粒级。

不同时间尺度青藏高原湖泊水位变化影响因素分析

使用能够指示年代际尺度及千年尺度水位变化的水位、面积和其他代用指标数据,采用经验正交分解法,研究不同时间尺度青藏高原地区湖泊水位变化规律及影响因素.结果显示:在年代际尺度上,青藏高原地区湖泊水位整体呈上升趋势,在千年尺度上,青藏高原地区湖泊水位整体呈下降趋势.不同区域湖泊水位的影响因素不同,降水和蒸发作为两大主要影响因素,在不同时间尺度上对青藏高原地区湖泊水位变化影响不同.在年代际尺度上,蒸散发在青藏高原地区湖泊水位变化影响因素中发挥主导作用,降水发挥次要作用,同时湖泊水位变化与气候、地形、风速以及温度等要素存在一定的联系;在千年尺度上,青藏高原地区湖泊水位变化主要受控于降水,其次受控于蒸散发.

热带西太平洋海域上层海洋热含量的CSEOF分析

基于月平均Argo温、盐度剖面、纬向风和Ni o3.4指数等资料,利用循环平稳经验正交函数(CSEOF)分解法、最大熵谱分析和相关分析等方法,研究了热带西太平洋海域上层(0—700m)海洋热含量的时空变化特征,并探讨了其年际变化的可能原因。结果表明,热带西太平洋海域上层海洋热含量距平场具有显著的东-西向反位相振荡,且这种振荡除了具有较明显的季节变化外,还存在着较强的准2a振荡。此外,热含量距平场还存在着"负-正-负"的三极式经向模态,该模态除了具有明显的季节变化外,还存在着显著的准4a振荡。进一步分析表明,热含量的准2a振荡与ENSO事件的发生有着非常密切的联系,并对赤道西太平洋纬向风异常有1—2月的滞后响应。

Community Climate Model 3模拟夏季极端降水的初步分析

采用累积频率的统计方法和Community Climate Model 3(CCM3)模拟的10年逐日降水结果,分析了模拟的夏季极端降水事件的时空分布特征.结果表明,CCM3模拟的极端降水阈值的大值区主要在我国黄河和长江流域的上游、印度半岛及其邻近海域和孟加拉湾及其北部地区.CCM3能够模拟出我国长江流域极端降水量与极端降水日数显著增加的趋势.对极端降水平均强度、降水日数以及极端降水量与总降水量比值的经验正交函数(EOF)分析可知,我国大部分地区的极端降水基本呈现同相变化,且以长江和黄河中游地区较为显著.CCM3模式基本能够模拟出观测到的极端降水阈值与总降水、极端降水日数及其距平的高空间相关性.

利用EOF分析方法研究康定M_S6.3地震前后重力时空分布异常特征

对康定M_S6.3地震前后的流动重力观测数据采用正交经验函数(EOF)分析方法进行处理,分析主要模式与资料时段的M_S5.0以上地震震中位置的关系,探讨主要模式代表的物理含义。结果表明,川滇地区7期累积重力观测资料中大于200μGal的数据是偶然误差的概率大于95%。第二模式规格向量和累积重力变化均具有相似的分区特征,2013~2014年6次M_S6.0以上地震和第二模式规格向量正负转换带有超过83.3%的对应率,具备重力长期变化模式。第一模式地震前后规格值序列明显的同震信号、空间相似的4象限分布以及2014年4次M_S6.0以上地震和第二模式规格向量正负转换带100%的对应率表明,该模式代表重力短期变化模式。康定M_S6.3地震前第一模式包含4象限特点,震中位置规格值不断增大,且地震前后变化从负转为正。

2000年前后我国寒潮活动特征的比较分析

基于1961—2018年中国逐日最低气温资料,利用n阶多项式拟合、滑动t检验、经验正交函数分析、Morlet小波变化等方法,分时段和区域分析了我国寒潮日数、寒潮频次、寒潮强度的时空分布特征。结果表明:在全国范围内,1962—2018年寒潮日数、频次、强度呈减小趋势,具体变化趋势为先减后增,趋势拐点出现在2000年左右,2000年后寒潮活动频发、持续时间久且强度大。寒潮日数、频次、强度及其变化趋势均存在明显的空间差异。寒潮日数、频次在内蒙古北部、东北地区值最大,寒潮强度除新疆南部外,呈现东南低西北高的分布特征。寒潮日数、频次的变化主要表现为“东北西南反向型”,寒潮强度主要为“全国一致型”。各要素在1980年发生显著突变,2000年后则无显著突变。在区域范围内,1962—2018年各地区寒潮日数、频次、强度呈减小趋势,2000后则呈增加趋势。北方地区和东北地区各要素均值在2000年后增加明显。不同区域突变时间存在差异,东北地区的寒潮日数、频次、强度突变时间都最早。中国平均和各地区平均寒潮日数、频次和强度都存在3~5 a的振荡周期,寒潮日数、寒潮频次的周期振荡规律基本一致。

基于再分析数据的南大洋区域Ekman流时空分布规律研究

南大洋Ekman输运是全球大气-海洋耦合气候系统的重要组成部分,对该区域Ekman动力过程的研究极为重要。首先基于实测数据和文献资料,对GEKCO2(Geostrophic and Ekman Current Observatory 2)产品提供的Ekman流数据进行了评估,验证了数据的有效性;并结合CCMP(cross-calibrated multi-platform)、ERA5(the fifth generation European centre for medium-range weather forecasts atmospheric reanalysis)风场数据,采用经验正交函数分析法(empirical orthogonal function,EOF)等方法分析了2010—2018年南大洋Ekman流的时空变化规律。结果表明:(1)南大洋Ekman流速集中在9—11 cm/s,且具有很强的月际变化特征(7月最强,12月最弱);(2)南大洋40°S以北海域是Ekman流速随时间变化较大的区域;(3)南大洋Ekman流速的EOF分析显示:第一模态和风场存在较强的相关性,表现为流速在整体上同时增强或减弱;第二模态和南半球中高纬大气环流存在较强的相关性,表现为以50°S为界南北流速反向变化;(4)Ekman流左偏角度集中在60°—75°,其中概率密度最大值处所对应的角度为67.5°。通过矢量相关分析,得到30°—35°S海域的平均偏角存在月际变化。南大洋的Ekman动力过程对海洋环流和全球气候系统具有重大影响,本文对于进一步理解南大洋的Ekman过程具有一定的参考价值。

湖南省基于scPDSI指数的干旱时空特征分析

本文基于高空间分辨率的改进帕默尔干旱指数(sc PDSI),采用Mann-Kendall非参数突变检验法、经验正交函数分析法(EOF)对湖南省干旱时空特征进行分析。结果表明,(1)1961—2009年,湖南省发生干旱的频率为8.2%;(2)整体上,湖南省年际、春季、秋季变湿趋势显著,且均以1988年为突变点,但是在进入2000年代后进入相对干旱的时期;夏季呈现由干变湿的显著趋势,并在1990年发生突变;冬季呈现显著变干趋势,并在2004年发生突变;(3)整体来看,湖南省处于正常状态,其中湘西北小面积处于轻微湿润,湘中小面积和湘西南小面积处于轻微干旱状态;(4)利用经验正交函数得到的前4个EOF空间模态,将湖南省划分为4个干湿特征区域,分别为湘南地区、湘西北地区、湘东北地区和湘中地区,其中湘东北和湘中地区变湿趋势显著,湘南和湘西北区域变干趋势显著。

冬季黑潮延伸体海温异常结构及其与热带太平洋海温变化关系分析

基于NASA遥感系统提供的2003~2015年全球高分辨率海表温度资料,应用经验正交函数分析、时滞相关分析等方法,对北太平洋冬季黑潮延伸体区海温异常特征及其与热带海表温度的可能关系进行了初步分析。研究发现,冬季延伸体区的海温异常主要表现为两类结构特征,其一为上游区域发展型,包括海盆尺度一致性变化的季节模态和纬向反位相的收缩型结构;其二为纬向延展型,包括分叉东扩结构和通道东扩结构,且该两结构型在2010年前反位相,使得2006年前暖异常东扩路径基本控制在36°N以南,其后至2010年期间,暖异常东扩路径偏北,而2010年后结构型转为同位相,暖异常东扩路径偏北。分叉东扩结构表现为与热带海温变化紧密相关,进一步的时滞相关分析与合成分析表明,热带太平洋不同地区对中纬度海温分叉东扩的影响存在差异,Ni?o3区海温异常超前延伸体区分叉东扩模态约1~2个月,而Ni?o3.4区及Ni?o4区则与延伸体区海温分叉东扩保持前后各约3个月的宽谱同期负相关,或可表明El Ni?o的东部型和中部型对中纬度延伸体暖流分叉东扩存在超前和同期相关影响,且中部型影响更显著。