经验正交函数分解质量控制法在地面观测资料变分同化中的个例研究与应用

同化地面观测资料能够获得丰富的地面大气信息,这对于大气边界层的准确模拟尤为重要。由于地面观测资料同化一直受到地面观测资料质量较差的影响,因此,地面观测资料的质量控制是提高地面资料同化效果的重要方法之一。为了分析基于经验正交函数分解质量控制方法(Empirical Orthogonal Function quality control,EOF-QC)对地面资料同化效果的影响,并进一步检验该方法在实际同化试验中的应用效果,在WRF的三维变分同化系统中引入了经验正交函数分解质量控制法,同时通过一系列同化试验比较了经验正交函数分解质量控制法与原系统自带的基于观测与模拟偏差质量控制法(Observation Minus Background quality control,OMB-QC)的差异。2008年1和7月的多个强降水预报试验结果表明,经验正交函数分解质量控制法能够保留更多天气系统的有效观测信息,更为客观准确地反映大气真实状态;同化经过经验正交函数分解质量控制法后的观测资料,模式预报的温度降低,在北部形成一个气旋性环流,该环流底部的偏西气流带动北部冷空气东移入海,同时冷空气南下也削弱了带有丰富水汽的西南气流,从而使模式预报的降水范围和强度更加合理。降水的空间分布对比结果也表明,经验正交函数质量控制法改善了模式对降水落区和强度的预报能力,各个量级的降水评分有明显提高,模拟结果更接近于实况。各组数值模拟试验结果表明,经验正交函数分解质量控制法在WRF-3DVAR中具有较高的应用潜力。

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.

利用经验正交函数数据插值法重构东中国海叶绿素a质量浓度场

利用经验正交函数数据插值法(Data INterpolating Empirical Orthogonal Functions)重构由MODIS-Aqua卫星提供的三级产品叶绿素a质量浓度,得到了从2003—2009年东中国海叶绿素a质量浓度的月平均场。东中国海近岸叶绿素a质量浓度7a平均值明显高于外海。对叶绿素a质量浓度季节平均场进行分析研究表明,东中国海叶绿素a质量浓度主要受长江径流、海表水温和季风的影响。对叶绿素a质量浓度异常场进行EOF分析表明,第一模态方差贡献为37.8%,空间分布显示,在长江口东北部出现叶绿素a质量浓度异常高值区,时间变化以半年和半年以下周期为主;第二模态方差贡献为21.4%,空间分布显示,在长江口东部出现叶绿素a质量浓度异常高值区,时间系数主要表现为年际变化。

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。

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。

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。

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。

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。

正交化经验模式分解方法

针对Hilbert-Huang变换中经验模式分解所得固有模式函数存在的不完全正交问题,基于Gram-Schmidt正交化方法,提出了一种新的正交化处理方法,可得到完全正交的固有模式函数,从而完善了Hilbert-Huang变换方法.通过典型时程曲线的数值模拟的分解结果表明了这一方法的正确性,实际地震波数据的分解显示了这一方法的良好应用前景.

海洋水色遥感资料的经验正交函数分析

１引言海洋中浮游植物进行光合作用，固定有机碳，是海洋生物链的基础，因此，研究浮游植物生物量的指标——光合色素（主要是叶绿素ａ）的时空变化具有十分重要的意义．我国自５０年代以来，对海洋浮游植物色素分布进行了大量的现场调查和研究，取得了一些初步结果［１－...

EMD和二进正交小波分解对旋转机械振动信号处理效果的研究

二进正交小波分解通过一组高、低通正交镜像滤波器,以二分频形式把信号分解到各个频段中,经验模式分解(EMD)具有类似性质。但由于分解原理间的差异,对同一信号有不同处理效果。以故障滚动轴承振动信号处理为例,对比分析两种方法的处理效果,表明对于旋转机械,由于故障信号往往表现为调幅形式,而且相互间具有不同的载波与调制波频率,EMD方法是以信号的真实物理意义实现自适应二分频分解,能完整保留各个调幅信号,二进正交小波变换严格按照数学意义分解信号,势必破坏调幅信号完整性,影响故障定位,对比处理效果,EMD提取故障特征频率的效果要比二进正交小波分解好。

基于半监督正交因子分析的过程质量监控方法

实际工业过程中的观测样本大多会受到随机噪声的污染,因此带有噪声假设的概率模型得到广泛应用。传统方法直接对模型的因子进行监控,但由于建模所得因子中可能包含质量无关的信息,因此会增加质量相关故障的误报率,这对主要关心产品质量的生产过程是无益的。同时,针对实际过程与质量样本采样率不同导致的难以精确建模的问题,提出一种半监督正交因子分析(semi-supervised orthogonal factor analysis, Semi-SOFA)方法,建立概率模型,并对因子进行质量相关的正交分解,分别构造T2统计量;根据新样本是否含质量标签的数据性质计算相应的SPE统计量。提出的Semi-SOFA可有效检测出发生的故障是否影响质量,最后通过数值例子和Tennessee Eastman(TE)过程仿真验证了所提方法的有效性。

Rec-EOF质量控制方法在地面观测2m比湿中的应用

针对地面观测站资料,从资料同化的角度出发,通过引入递归的概念,提出了递归经验正交质量控制(Rec-EOF QC)方法,并将该方案应用于不同时段的地面观测资料和不同种类的背景场资料中。结果表明:Rec-EOF QC方法一般在递归4次之后,质量控制过程达到稳定状态。通过递归方法,该质量控制方案能够通过资料本身调整质量控制的临界值,对资料具有普适性。而且与传统EOF QC方法相比,Rec-EOF QC方案能识别出更多的离群值,并且可以使观测偏差也更接近于高斯分布。另外还研究了背景场差异对质量控制的影响,分别利用FNL、ERA-Interim和JRA-25三组资料作为背景场进行地面质量质量控制试验,结果表明JRA-25剔除的资料最多,ERA-Interim次之,FNL最小。无论选用何种资料作为背景场,冬季的资料剔除率始终大于夏季的。

基于改进型集合经验模态分解的谐波检测方法

由于大功率器件使用,造成电网中有大量谐波,威胁设备的安全。本文提出运用改进型集合经验模态(Ensembel Empirical Mode Decomposition,EEMD)算法来检测电力系统谐波。首先,针对在EEMD分解过程中,由于白噪声信号的添加,势必会对各模态函数造成影响,提出添加正负幅值相反的白噪声信号,以消除其带来的弊端。其次,运用施密特正交化理论,对各个模态函数进行正交化,从而避免模态混叠现象,提高了谐波检测精度。最后,经过与其它检测方法的仿真对比,证明了本文所述方法具有较高的检测精度。

基于GLORYS12V1再分析数据的楚科奇陆架区流场季节变化特征分析

楚科奇海是北太平洋海水进入北冰洋的唯一通道,为更好地了解北太平洋入流水在陆架区流场的季节变化特征,本文基于1993~2020年的GLORYS12V1再分析数据,对楚科奇陆架区流场的空间分布和关键通道断面流场季节变化特征进行了分析。气候态平均结果显示,太平洋入流水通过白令海峡进入楚科奇海后主要由汉娜德海谷、中央水道、巴罗峡谷和德朗海峡断面流出陆架,四支路径的流量占白令海峡入流的比例分别为50.3%、25%、16%和6.9%。季节变化结果显示,白令海峡和德朗海峡断面流量的月变化在5月达最大,其余断面则在7月达峰值。德朗海峡断面西侧东南向沿岸流在秋季最强。5 m和30 m流速的联合经验正交函数分解的模态较为类似,体现了垂向结构的一致性。第一模态的空间分布显示整个研究区域均为同位相分布,且四支主要路径上呈现高值,其时间序列在冬夏半年呈反位相变化。第二模态主要体现陆架区西侧西伯利亚沿岸流场的上下半年呈反位相变化。将各断面的流量序列分解为与风相关的部分和非风因素相关的部分进行分析发现,气候态平均流量除德朗海峡处风起主要贡献外,其余断面均为非风因素对流量起正贡献而风起负贡献,非风因素引起的流量达0.23×10^(6)~1.33×10^(6) m^(3)/s,不过风和非风因素对各断面季节变化特征的影响并不一致。气压场和风场季节变化的分析结果显示,夏冬季波弗特高压和阿留申低压之间气压差的变化导致了东北风强度变化,进而影响了楚科奇陆架中心区冬/夏半年北向流的弱/强。而春秋季主要分别是波弗特高压和阿留申低压的东西位置变化对西伯利亚沿岸的流场产生影响。

基于EOF/SVD的短期气候预测误差订正方法及其应用

利用中国科学院大气物理研究所第2代短期气候数值预测系统(IAP-DCPⅡ)1980—1999年共20年的集合回报结果,提出了基于经验正交函数(EOF)和奇异值分解(SVD)的模式误差订正方法,并考察了上述订正方法对中国科学院大气物理研究所气候预测系统预测性能提高的季节差异及其稳定性,分析了订正方法对不同预报场的适用范围及其可能原因。结果表明:基于EOF/SVD的订正方法均可显著提高IAP-DCPⅡ东亚地区各个季节降水预测的水平,在这20年的降水订正预报试验中,各季节80%左右的年份订正预报效果要优于模式原始结果。其中EOF订正方法在夏、冬季略优,回报与实测降水之间的距平相关系数(ACC)平均值分别从订正前的-0.07和0.16提高到0.25和0.44。而SVD方法则在春、秋季明显较好,ACC平均值分别从订正前的-0.09和-0.07提高到0.36和0.30。两种订正方法多年的ACC提高效果比较还表明SVD订正结果在各个季节ACC为负值的年份明显少于EOF方法。因此,对于实际预测而言,SVD订正方法效果更为稳定。ACC的方差比较也证明,SVD订正方法具有相对较好的稳定性。同时针对订正方法实际应用的需要,以夏季降水、地表气温和500hPa高度场这3个变量为代表,文中还进一步分析了两种订正方法对夏季不同预报场的订正效果。结果表明,模态订正方法对不同预报场订正效果存在一定差异,对于中国科学院大气物理研究所的气候预测系统,上述方法并不适用于对夏季地表气温和500 hPa高度场预报结果的订正。

经验正交函数方法和TRMM数据对长江流域降水模式与极端水文过程的研究

气候变化加剧了极端天气和水文事件的发生,降水是区域干旱与洪水事件最直接驱动因素。以TRMM/PR月累积降水反演遥感数据为基础,利用经验正交函数EOF(Empirical Orthogonal Function)方法对长江流域降水时空变化模式进行提取,并对比分析了主要模式振幅强弱与极端水文事件的对应关系。结果表明在流域尺度上EOF方法及TRMM/PR数据可以较好地识别降水主要模式,通过时空尺度变换成功揭示主要降水模式强弱与流域极端水文事件的对应关系。鉴于日益丰富的巨量水文气象时空数据,EOF方法在模式提取、水文模拟、极端事件预估及灾害适应性研究等方面具有应用潜力。

涡度方程的时空客观分解与副热带高压的突变与分岔

为了分析研究副热带高压异常活动的动力学机理,基于热力强迫和涡动耗散效应的大气偏微涡度方程,采用Galerkin方法进行方程的时-空变量分离,针对常规方法在空间基函数选择中存在的主观人为性,提出从实际资料场序列中用经验正交函数(EOF)分解与遗传算法结合客观反演空间基函数的思想.选择一组三角函数族作为广义空间基函数,以该基函数与EOF典型场的误差最小二乘和基函数间的完备正交性构造双约束泛函,再引入遗传算法进行空间基函数曲面拟合和系数优化,反演得到客观合理的副热带高压常微动力模型.最后,基于所得非线性动力学模型,对热力强迫作用下的副热带高压的动力学行为和机理进行了分析和讨论,发现太阳辐射加热和纬向海陆热力差异是影响副热带地区位势和流场变化从而导致副高强弱变化和中期进退活动的重要因素,前者以渐变为主;后者则更多表现出突变的特性.通过分析,得到了一些有意义的结果.

两种四维奇异值分解同化方法的比较及误差分析

4DSVD是最近提出的一种新的资料同化方法。目前还存在一些需要解决的问题,比如如何选取样本,如何得到支撑大气吸引子的基向量以及选取基向量的个数问题等等。作者利用奇异值分解(SVD)与经验正交函数分解(EOF)两种方法来获得支撑大气吸引子的基向量,推导了基于这两种方法的4DSVD分析场的理论公式,并用简单的数值试验比较了基于这两种方法的4DSVD分析场的空间相关系数和误差,初步分析了分析场与基向量个数的关系以及与样本选取的关系和分析误差的来源及各种误差对分析误差影响的相对大小。结果表明,用SVD方法作为获得支撑大气吸引子基向量的方法得到的分析场较EOF方法稳定,分析场与基向量个数有密切关系,观测误差、模式误差和观测代表性误差是分析误差的主要来源,且其引起的分析误差随着基向量个数增多而增大。

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。