利用经验正交函数方法(EOF)浅析中国夏季降水时空分布特征

根据 195 1～ 2 0 0 0年中国夏季月降水资料 ,用经验正交函数方法 (EOF)分析了中国夏季降水分布特征和旱涝情况。

经验正交函数与广义数值环境模式重构声速剖面的比较

本文利用Argo资料对经验正交函数(EOF)和GDEM模式拟合声速剖面的效果进行了比较。结果表明,两种方法都能较好地重构局地声速剖面。EOF方法的拟合精度与选取的EOF阶数有关,阶数越高,精度越高;GDEM模式的拟合精度介于EOF的前5阶到前10阶之间。EOF易受到样本数量和采样深度的限制,难以提供完整的声速剖面;而GDEM模式能够将剖面扩展到更深的深度,与仅有上层海洋采样数据的声速剖面相比,结合深海水团的信息可使拟合结果达到更高的精度。

斯里兰卡极端降水时空演变特征及趋势预测

斯里兰卡是中国“一带一路”倡议的重要节点国家,极端降水对当地社会经济威胁较大,极易引发灾害。选取当地10个气象站2008—2020年的逐日降水资料,基于RClimDex模型计算斯里兰卡6个极端降水指标,利用经验正交函数分析、Morlet小波分析和重标极差法(R/S分析)等,分析极端降水事件的时空演变特征。结果表明:极端降水指数在时间分布上,除持续干旱指数(CDD)呈减少趋势外,其他各指数均为上升趋势;极端降水指数空间差异表现为北部沿海平原地带的极端降水强度高于南部沿海平原,拉特纳普勒市以西地区为斯里兰卡降水事件的多发区;极端降水指数周期性明显,绝大多数极端降水指数以6~7 a为第一主周期。R/S分析表明当地极端降水事件未来持续可能性较大。研究成果可为斯里兰卡极端气候预测、生态环境保护、防灾减灾工作等提供决策支持。

台湾以东海域声速剖面序列的EOF分析

利用了4 a的Argo剖面序列,通过经验正交函数（EOF）分析,得出了台湾以东海域声速垂直结构的时空变化特征。EOF拟合声速剖面的精度与选取的模态数有关,合成剖面时包含的模态数越多,精度越高;前3-6个模态反映了海区声速结构的主要变化,累积方差贡献率可达89.4%-96.6%。第1模态描述了声速在垂直方向上的同相变化,具有年周期,峰值和谷值分别出现在夏季和冬季;第2模态描述了声速在近表层与次表层和主跃层的反相变化。第1、2模态的共同作用是声速垂直结构差异的主导因素,使近表层声速的季节性变化较大,而主跃层的变化相对较小;而第3模态及更高阶的模态对声速剖面的调制作用在物理意义上并不明显。

EOF/PCA诊断气象变量场问题的新探讨

进一步论证了经验正交函数 /主分量分析 (EOF PCA)在气象变量场诊断中的物理内涵 ,证明基于EOF PCA的R型和Q型展开 ,可描述为气象变量场主要振荡型分解和主要空间分布型分解两种方案。前者表明 ,气象变量场的准周期振荡可分解为各主分量的周期振荡 ,它们各自等价于不同网格点 (或站点 )以其载荷为权重的迭加周期振荡 ,因此 ,气象变量场准周期振荡可视为来自不同周期源 (网格点或站点 )的准周期振荡逐层叠加的结果 ;后者表明 ,气象变量场的水平空间分布可视为各种主要空间分布型的叠加 ,而Q型展开才是对各种主要空间分布型的正交分解。由此深化了EOF PCA气象变量场诊断的物理内涵。

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。

城市空气质量的EOF展开及其与气象因子的CCA分析——以南京市为例

以南京市城区夏季情况为例,利用1996—1998年SO2、NOx、TSP日平均浓度资料,从空气污染物超标率原始序列出发进行EOF(经验正交函数)展开,分析了南京市大气污染静态状况及动态演变特征。还采用各测站SO2浓度与同期气象资料进行CCA(典型相关分析)的方法,比较了各气象因子对污染物浓度的影响大小。

珠江三角洲典型灰霾天气过程和清洁过程近地层流场的EOF对比分析

利用广东省466个地面自动气象站资料、广州气象站常规气象资料及珠江三角洲4个主要城市的PM10浓度等资料，通过矢量EOF方法，对选出的珠江三角洲典型灰霾天气过程（2004年1月4～10日）和清洁过程（2005年11月15～21日）的近地层流场进行对比分析。分析表明典型灰霾天气过程第二、三模态有非常明显的日变化特征，受局地中小尺度环流系统影响，污染物局限在当地，出现严重的灰霾天气；而清洁过程与强平流输送有关，主要受大尺度环流系统影响。

青海高原春夏云量场的EOF分析

主要利用青海省26个代表站1970-2002年33a的春夏(3-8月)地面观测总云量资料,采用经验正交函数 (EOF)和累积距平法对高原春夏平均总云量的时空分布特征和变化趋势进行了分析。结果表明:经EOF分解后的前三个特征向量累积方差贡献达80.4%,青海高原春夏平均总云量不但具有变化趋势基本一致的特征,而且存在着东西、南北不同分布类型的差异,云的形成分布受地形抬升和大气波动影响比较明显;春夏平均总云量的年际波动变化呈现出较明显的下降趋势,30多年来春夏平均总云量经历了一次大的波动,70年代至80年代末平均总云量变化趋势为持续上升阶段,自1989年以后为下降阶段。

太行山地区1973—2022年暴雨时空演变特征分析

基于太行山地区13个气象站点50 a的逐日降水数据,使用Mann-Kendall突变检验、信噪比检验、Sen’s斜率估计、小波分析法、正交函数分解等方法,对太行山地区的暴雨时空演变规律进行了研究。结果表明:(1)太行山地区年暴雨量波动幅度较大,根据拟合斜率和Sen’s斜率估计法的结果可知,太行山地区的暴雨量将会呈增多趋势;(2)Mann-Kendall突变检验和信噪比检验结果表明,2006年太行山暴雨量发生了由少变多的突变;(3)Morlet小波分析结果表明,在2017—2020间研究区暴雨量存在2~3 a的周期尺度变换;(4)该地区暴雨量经验正交函数(EOF)展开的前两个模态显示,暴雨量呈现全区一致变化以及西南—东北向的空间变化特征,这两个模态情境下的暴雨状况受到环流因子和地形的共同影响。

EOF迭代及其在月平均气温预报中的应用

本文在经验正交函数(EOF)展开的基础上,提出了一种预报月平均气温的EOF迭代方案,试验结果表明,本方法对六个月以内的日平均气温有较好预报能力。

贵州夏季降水异常及其与海温异常的关系

利用贵州1961—2018年夏季0.5°×0.5°格点月降水资料和全球逐月海面温度(以下简称“海温”)资料,分析贵州夏季降水量的时空分布特征及其与前期海温的联系,并合成分析海温异常影响大气环流异常从而对降水量产生的影响。结果表明:(1)贵州夏季和夏季各月降水量均无显著趋势变化,降水量从东北部的中部向西南逐渐增加,并且贵州夏季降水异常主要有全区一致型、南北反向型和东西反向型3个模态。(2)贵州夏季降水异常与北赤道暖流区、加利福尼亚冷流区、北太平洋中纬度海域的海温异常联系密切。(3)北赤道暖流区和加利福尼亚冷流区的显著时段是前一年6—11月,其中7月影响最为显著,影响范围主要是贵州东部及南部;北太平洋中纬度海域是前一年6—7月,其中7月影响最为显著,影响范围主要是贵州东北部及东南部。(4)关键海区海温与贵州降水偏少年的联系不如偏多年密切。

北美与东亚中纬地区电离层TEC变化的EOF建模和分析

考察了北美(30°N—50°N,140°W—50°W)与东亚(42.5°N—57.5°N,65°E—140°E)中纬地区电离层总电子含量(TEC)的变化.TEC数据来自美国喷气动力实验室(JPL)约15年的全球电离层图(Global Ionospheric Map,GIM)数据.利用经验正交函数(Empirical Orthogonal Functions,EOF)得到上述两地区前三阶本征模及相关时间系数,分别约占TEC总变化的99.57%和99.79%.结果表明,两地区前三阶:EOF分量所表现出的TEC变化基本一致.第一阶EOF分量表现为受太阳活动调制的半年变化;第二阶EOP、分量表现为关于零磁偏线的经向电子浓度东西不对称结构,计算表明该结构与受地磁偏角控制的热层纬向水平风引起的等离子体向上漂移密切相关;第三阶EOF分量表现为磁倾控制的热层子午向风引起的等离子体向上漂移影响.

基于EOF和小波分析的山东省年降水时空变化特征

为了探究山东省年降水量的时空变化特征,根据山东省29个国家基本、基准地面气象观测站1980—2019年逐月降水资料,通过经验正交分解(EOF)、小波分析等方法对山东省年降水量变化特征进行了分析探讨。结果表明:山东省年降水量介于507.0~1047.4 mm,大体上由东南向西北递减;山东省年降水场主要具有2种模态,4种表现类型,分别为全省多雨型,全省少雨型,东南部降水偏多、西北部降水偏少型以及东南部降水偏少、西北部降水偏多型,山东省40 a来降水场表现出4种类型的年份数分别为12,12,2,4 a,4种降水类型分布年份实况验证的准确率达到96.7%;山东省年降水量存在3~9 a的年际变化周期,以及15~32 a的年代际变化周期,其中主周期为28,18,4,7 a,分别经历了大约2,3,15,8.5个丰—枯转换期。综上,山东省年降水量由东南逐渐向西北递减。年降水场具有2种模态,4种表现类型,且具备多时间尺度周期特征。

声速剖面EOF重构的实测数据采样深度研究

经验正交函数(experiential orthogonal functions,EOF)是重构声速剖面(sound speed profile,SSP)的一种有效方法,利用部分实测数据结合历史剖面资料可以重构当前位置的声速剖面。针对实测数据的采样深度难以确定这一问题,本文介绍了一种基于历史声速剖面资料的实测数据采样深度选取方法,根据EOF空间函数的方差贡献率确定数据量,进而采用EOF算法重构全海深声速剖面。实验结果表明:采用该方法得到的数据重构的声速剖面与实测声速剖面具有较好的一致性,基于常梯度声线跟踪法得到的水深数据能够满足0.25%倍水深限差,有效波束比达到了100%,为实际测量作业中声剖数据的采样深度提供了参考。

多波束测深中声速剖面的分层EOF自适应重构

在海水性质变化剧烈地区利用重构声速剖面进行多波束测深时,传统的经验正交函数(Empirical Orthogonal Functions,EOF)方法在阶次选取时未顾及声速浅水的复杂性和深水的平稳性的特点。针对传统EOF方法存在计算量大、精度低等问题,给出了一种声速剖面EOF重构中分层阶次的确定方法。根据常梯度声线跟踪计算深度,在满足0.25%倍水深限差的要求下,统计有效波束比,采用自适应方法确定出合理的阶次。实验结果表明,该方法相较于传统EOF重构声速剖面测深的阶次选取方法,降低了运算量,提高了精度。

基于分层EOF的深海声速剖面时变特征建模

针对目前局部海域小时间尺度声速场建模方法未顾及不同深度区间内声速变化规律的问题,本文根据实测深海声速剖面的统计特征,提出了声速剖面分层方法,并进一步基于经验正交函数(Empirical Orthogonal Function,EOF)提出了局部小时间尺度的声速剖面分层时变模型构建方法。利用南海实测全海深声速剖面数据,分析了分层EOF第一模态系数和等效平均声速的日变化特征,并比较了不同拟合模型的精度。最后,利用试验海区的温度和潮汐数据分析了声速剖面周期变化的影响因素。结果表明:①声速剖面分层EOF第一模态系数及等效平均声速具有日周期变化特征,上层声速日周期变化特征不明显,中层声速日周期变化特征较明显,下层声速变化较小但仍具有日周期变化特征;②局部海域小时间尺度声速拟合应考虑长期变化项的影响;③试验海区声速剖面EOF第一模态系数变化与温度显著相关,提取的声速剖面时变特征与海区潮汐周期特征基本吻合。

A comparative study on three EOF analysis techniques using decades of Arctic sea-ice concentration data

Change in Arctic sea ice extent is one of the indicators of global climate changes. Spatio-temporal change and change patterns can be identified using various methods to facilitate human understanding global climate changes. Three empirical orthogonal function(EOF) techniques are discussed and applied to decades of sea-ice concentration(SIC) dataset in Arctic area for identifying independent patterns. It was found that: 1) discrepancies exist in magnitude and scope for each EOF pattern, however, the first two leading EOFs of variability possess high similarities in structure and shape; 2) Even though there are somewhat differences in amplitude of each PC mode, the first two leading PC modes maintain consistent in overall trend and periodicity; 3) There are significant discrepancies and inconsistencies in the third and fourth leading EOF and PC modes. The accuracies of three techniques are further validated in representing the physical phenomena of SIC anomaly patterns.

贵阳地区夏季旱涝指数的EOF分析

本文利用贵阳地区8个国家级观测站1988年~2017年夏季(6~8月)逐月降水资料,采用经验正交函数分解(EOF)方法来分析贵阳地区夏季旱涝的时空分布特征。结果表明,全市范围内一致性偏旱或偏涝是贵阳地区夏季旱涝分布的最主要的形态,时间系数的极值出现的年份与贵阳地区发生旱涝的年份有着较好的对应关系。另外,在全市旱涝总趋势一致的基础上,仍具有南北区域旱涝趋势相反的变化趋势。

阈值选择对高温时空变化特征的影响

在全球变暖的大环境下,极端高温事件的发生频率正在不断增加。尽管国内外已经有许多关于高温发生频率与时空分布特征的研究,但目前学界对于高温仍没有一个统一的定义。为了分析不同阈值检测出的高温事件的差异,基于中国国家级地面气象站均一化气温日值数据集(V1.0)中的1979―2019年的日最高温和日最低温数据,使用绝对阈值和相对阈值2种方法来定义高温,在此基础上计算绝对阈值高温日数、绝对阈值高温积温和相对阈值高温日数3个高温指标,使用Mann-Kendall检验、Sen's slope、Hurst指数和经验正交函数(EOF),对比分析不同阈值条件下计算的高温指标的变化趋势和时空分布的差异。结果显示:①全国大部分地区的高温呈现增加的趋势,但使用不同阈值的高温指标变化趋势以及持续性存在不同程度的差异。相对阈值法得到的高温日数呈显著增加的站点相比绝对阈值法的更多。绝对阈值法显示高温日数在新疆、华南地区和黄淮海地区的持续性较强,而相对阈值法显示高温日数在东南沿海和西南地区持续性较高。②不同阈值的高温指标的EOF反映的高温指标的时空分布模式同样存在明显不同,绝对阈值高温指标的第二模态反映的是华东地区南部和华南大部分地区与其他地区的反向分布模式,相对阈值高温指标的第二模态反应的是南北地区的反向分布模式。研究者需根据自己的研究目的和研究问题选择合适的高温阈值。