基于EOF和MK趋势分析的赣江流域降水时空分布格局

[目的]研究赣江流域降水的时空分布特征,明确流域上中下游地区不同等级降雨的年际、年内和空间变化规律,并揭示易引发洪涝灾害的大雨和暴雨的高发时段和集中分布区域。[方法]使用经验正交函数分析(EOF)和Mann-Kendall(MK)非参数检验等方法对全流域和上中下游降水量以及不同等级降水进行了分类与统计研究。[结果](1)对赣江流域降水空间分布格局的分析发现,降雨的高值中心位于流域东南部的宁都和石城地区,以此为起点向南北两个方向逐渐递减;大雨和暴雨的高值中心也主要位于流域东部及其偏南地区,由此向南北递减;中雨和小雨的高值中心则与之相反,主要位于流域西部及其偏南地区。(2)赣江流域降水的年际趋势变化显示,流域整体降水量呈现不显著增加趋势,仅3个站点和下游区域的降雨量有显著增加趋势;不同等级降雨中,小雨表现为显著下降趋势,中雨整体表现为不显著下降趋势(下游除外),大雨和暴雨在全流域及其不同分区都表现为显著增加趋势。(3)不同等级降雨的年内变化显示,全年降雨量主要集中发生于汛期,中雨和大雨为主要降水类型;6月降水最多,尤其是暴雨量显著大于其他月份,12月降雨量最少。[结论]赣江流域降水呈现出小雨中雨减少,大雨暴雨显著增加的两极分化现象,且呈现明显的时空分布不均现象;以石城和瑞金为起点的流域东南部地区在主汛期(尤其是6月)发生区域性暴雨洪涝灾害的概率较大。

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。

云南雨日特征及其影响因子分析

为研究云南雨日特征,基于1960~2019年气象站点观测的逐日降水资料、NCEP/NCAR再分析资料和NOAA的重构海温资料,分析了云南降水日数的时空变化特征及其与海温的联系。结果表明,云南降水主要集中在5~10月,以6~8月最多,并以5 d及以上的长持续降水为主。但是,近年来,云南雨日数有明显下降趋势,EOF分析第一模态表明,云南5~10月雨日变化主要为全区一致型。通过线性相关分析发现,同期北印度洋海温与云南雨日有显著负相关关系,将10°~25°N,55°~65°E区域平均海温定义为北印度洋海温指数,通过海温指数与同期大气环流的回归分析,结果表明:当印度洋海温偏高时,200 hPa西风急流增强,云南地区附近高空有风场辐合,500 hPa低纬度地区位势高度增加,700 hPa低空存在较明显的水汽通量辐散和下沉运动,由印度洋和南海向云南输送的水汽减少,不利于降水发生。通过对比海温低值和高值年的雨日数可以发现,印度洋海温高值年,云南5~10月雨日数均为负距平,反之亦然。研究成果可为金沙江中下游水资源调度和水库群联合调度提供参考。

基于EOF和小波分析的福建近40年旱涝时空变化特征研究

采用经验正交函数分解(EOF)、快速富里叶变换(FFT)、连续(CWT)和正交小波变换(OWT),对近41 a来福建省25个代表站不同雨季旱涝指数(Z指数)序列进行了分析。结果表明：(1)福建旱涝在1965-1975年及1990年代具有显著的2-3a周期；(2)在1980年代中期以后南北反向变化具有显著的1a和3-4a周期；(3)中西部与其它区域的反向变化,在1985-1998年间有显著的1-2a周期,在1980年代以后9-13a周期较强；(4)近40年来有干旱趋势,南部(东部)比北部(西部)明显,其中1990年代这种趋势显著。(5)1960年代和1980年代相对湿润,而1970年代和1990年代则相对干旱。

基于REOF方法的辽宁气候舒适度区域特征分析

基于辽宁省50个气象站1964-2008年的气象资料,采用适应东北地区的人体舒适度计算公式及分级标准,得出辽宁省近45年历年人体各舒适度级别日数,使用旋转经验正交分解法(REOF),对辽宁省气候舒适度进行区域划分,并分析了各区域气候舒适度的空间分布特征和变化趋势。结果表明:(1)根据前4个旋转荷载向量场高载荷区分布,将辽宁分成4个气候舒适区,即辽东、辽北地区、辽河河口平原区,辽西地区和辽东半岛区;(2)辽东半岛区是我省平均舒适日数最多地区,辽东、辽北地区是我省平均冷不舒适日数最多地区,热不舒适日数则在辽西地区较为突出;(3)近45年来,辽宁各区域冷不舒适日数呈明显减少趋势,热不舒适日数逐渐增多,而舒适日数也逐渐增多,但趋势不明显。

赤道太平洋温度、流场距平EOF分析及与厄尔尼诺的关系

利用EOF分析方法,讨论了最近20a赤道太平洋次表层温度、纬向流距平与厄尔尼诺的关系.结果表明:赤道太平洋海温距平EOF分析第一、二主分量占总量的近80％,其中第一主分量类似于厄尔尼诺模态,第二主分量类似于暖池模态;后一模态存在着突变和渐变两种过程,其中由冷位相变暖位相过程为渐变过程,而暖位相变冷位相过程为突变过程.厄尔尼诺事件是赤道西太平洋暖池突变过程的结果.赤道太平洋纬向流距平EOF的第二主分量代表赤道西太平洋潜流和东太平洋南赤道流的变化,这个模态存在着半年左右的振荡和与厄尔尼诺同位相的年际振荡两种频率.另外,它还存在明显的年代际变化.赤道西太平洋潜流和东太平洋南赤道流减弱是产生厄尔尼诺的必要条件.统计回归分析表明,赤道太平洋海温距平和纬向流距平EOF的第二特征向量的时间系数对厄尔尼诺和拉尼娜均有一定的预报意义.

浅水声速剖面用经验正交函数(EOF)表示的可行性研究

本文研究利用经验正交函数（ＥＯＦ）及少量参数以近似表示实测浅水声速剖面的方法，研究了 样本数，不同浅水域的样本和算法的关系，并得出结论：一定区域的浅水声速剖面，以经验正交函数 （ＥＯＦ）近似表示，仍可以达到较好的精度。这对于声场层析及被动定位问题有着很重要的意义。

中蒙干旱半干旱区降水的时空变化特征(Ⅰ):年降水特征及5～9月降水的REOF分析

此系姐妹篇文章的上篇,利用中蒙地区106站1954—2005年间的实测降水资料,使用EOF及REOF等统计方法,整体地分析了中蒙干旱半干旱区降水的时空变化特征。结果表明:(1)中蒙干旱区的降水分布很不均匀(我国西北区尤甚),从该区东南侧最湿的陕南向南疆盆地东端极端干旱区过渡,年雨量从922mm锐减到25mm以下,最干的托克逊仅6.9mm;蒙古国以中北部最湿,年雨量达400mm以上,到南部仅100mm左右,再到西南角仅30mm左右。(2)该区降水分布受不同尺度地形影响大,降水的年及年际变化也大。约80%的降水集中在夏半年(5～9月),南疆盆地东端干中心区的年降水相对变率最大,接近0.80,远高于蒙古国和我国其他地区,也高于全球明显增暖前。其干旱程度及降水变率居世界8大干旱区前列。(3)该区降水异常分布的局域特征明显。区内夏半年的降水异常分布常出现河东、南疆、汉中关中、北疆、蒙古国中北部、河西阿拉善,以及柴达木等7个模态。(4)过去50余年来,中蒙地区东北部的降水总体呈线性减少趋势,而西南部则呈增加趋势。

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。

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。

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。

多时次资料的EOF迭代在云南夏季气候预测中的应用

多时次资料的EOF迭代预测方法能较好地应用历史资料中的信息 ,并能将经验法则、观测事实和气候规律等引入到实际的短期气候预测过程中 ,特别是随着我们对影响短期气候变化的物理过程和因子认识的深入 ,这种预测方法将会得到更加有效地改进和实际应用。本文考虑 4个区域月平均海表水温的多时次历史资料 ,基于EOF迭代方案 ,建立了云南夏季气候变化的一种多时次EOF迭代预测模型。在对云南分 5个区域 ,每个区域 16个气象观测站点的夏季降水和气温趋势的预测中 ,该模型对云南 1995— 1999年的夏季 6～ 8月总雨量和平均气温趋势预测检验的最新业务标准评分平均分别达到 79.6 %和 87.0 %。该评分成绩表明 ,这种容纳多时次资料 。

利用EOF相空间分析东亚梅雨旱涝长期过程的初步研究

利用非线性动力学中的相空间概念，分析了梅雨旱涝３～５年循环的长期过程。对全球热带 ８５０ ｈＰａ的纬向风场距平所作的 ＥＯＦ，第 １特征向量显示Ｔ Ｗａｌｋｅｒ环流异常在赤道球圈上的分布；第２特征向量主要显示热带一副热带之间的环流异常的经向分布。在第１时间系数和第２时间系数所定义的二维相空间中，由相轨线分析，得到梅雨涝年主要集中于第２象限，而旱年则相对多在第４象限。说明梅雨旱涝年际变异的主导模态和热带大气环流的主要特征向量有着密切的关联。它们显示了以３～５年时间尺度的大气环流演变的长期特征性过程。

东、黄海海表面温度季节内变化特征的EOF分析

基于1998—2004年的TRMM/TMI卫星遥感海面温度(SST)数据,在初步分析东、黄海SST的季节分布特征的基础上,采用EOF方法分析了SST的季节内变化特征,进而对SST季节内变化的可能机制进行了探讨。EOF分析获得的前4个模态的累积方差贡献率为57.07%,其结果基本反映了东、黄海SST变化的主要物理过程。其中,EOF的第一模态的方差贡献率占30.17%,其空间模态揭示了以东海北部为中心的、整个海域SST变化趋于一致的特征,这一模态的显著变化周期为6.3周;第二模态的方差贡献率占14.36%,其空间模态呈现东南海域与西北海域SST的反相变化趋势,显著变化周期为8.7周和10.6周;第三模态的方差贡献率占7.02%,其空间SST变率最大的区域位于黄海海域,显著变化周期为6.8,8.7,10.2周等;第四模态的方差贡献率占5.52%,其空间SST变率最大的区域位于东、黄海近海,显著变化周期为6.8周。东、黄海SST季节内变化与此海区大气中的季节内振荡是紧密相关的。

基于EOF分析的三江源区植被覆盖变化时空分布特征

基于遥感图像1999—2010年SPOT-VEGETATION NDVI数据,利用经验正交函数(EOF)分析方法,研究了近12a来三江源区植被变化的时空分布特征。结果显示近12a来源区植被覆盖呈整体增加趋势:(1)第一特征向量(方差贡献率为45.62%)及对应时间系数表明源区植被覆盖逐渐增加,且增速加快;(2)第二特征向量(方差贡献率为9.77%)及对应时间系数表明东南部和中部植被变化情况以退化为主,而东北部和西南部植被变化情况以增加为主。

GIS支持的广东地名景观EOF模型分析

将广东全省划分为86个行政单元,并选取64个典型地名的通名,运用EOF模型进行运算;选取累积方差超过70%的前三项做主成分分析,并借助G IS技术输出其各自的空间分布图。研究发现:64个通名在空间分布上明显地表现为不均衡性,即普遍分布和相对集中同时并存。以塘、坑、山、水等反映地貌特征的通名分布较为普遍,而以沥、厝、屋、板、六、都等民族或族群的方言通名分布则较为集中,其中以涌(冲、埇)、朗(塱)、沙、排、寮、塘、潭、沥、滘、基等通名主要分布在粤方言的珠江三角洲水网密集区,以坪、背、坑、岭、屋、畲(輋)、磜、溪等通名主要分布在粤东北和粤北及其它客家人分布区,以厝、洋、垄(垅)、田、寨、华、美(尾)等通名主要分布在粤东潮汕和粤西南雷州半岛福佬人分布区,以洞(垌、峒)、罗、六(箓、菉、弄)、板(曼、迈、麻)、那(纳)、古(过)、都(多)、云、栏(兰)等通名则主要分布在与广西交界的粤西和粤西南地区。

海表温度对南沙海域鸢乌贼资源变动的影响

根据南沙海域2018—2019年鸢乌贼(Sthenoteuthis oualaniensis)灯光罩网渔获数据和海表温度(sea surface temperature,SST)遥感数据,研究SST对鸢乌贼资源变动的影响。经验正交函数分析(empirical orthogonal function,EOF)显示南沙海域SST季节变化明显,月均值在年内呈双峰型变化,峰值出现在5—6月和10月。2019年南沙海域发生厄尔尼诺,SST高温频率升高,年均值较2018年升高0.3℃。2018年鸢乌贼的单位捕捞努力量渔获量(catch per unit effort,CPUE)为春季(3—5月)高,夏季(6—7月)低,2019年CPUE为冬季(2月)高,夏季(6月)低。广义相加模型(generalized additive model,GAM)显示,月份、SST、纬度和经度4个因子对CPUE的总偏差解释度为55.0%,其中月份与SST的偏差解释度大于其他因子。鸢乌贼群体的适宜温度为27.5~29.5℃,SST超过29.5℃会导致CPUE降低。鸢乌贼渔场集中分布于10°N—12°N、113°E—116°E,各月渔场重心随温度发生变化,低温时东移,高温时西移。

用EOF方法研究青藏高原积雪深度分布与变化

对青藏高原１９７８～１９８７年ＳＭＭＲ微波候积雪深度资料、５５个地面基本气象台站１９６３～１９９２年逐日积雪深度记录进行了ＥＯＦ分析．结果表明，青藏高原积雪空间分布极不均匀，四周多雪，特别是东西两侧多雪与广大腹地少雪形成鲜明对比．高原东部是高原积雪年际变化最显著的地区，它主导了整个高原积雪的年际变化，并且与西部多雪区年际波动呈反位相关系．

一次暴雨过程的EOF分析

在用21层η坐标细网格模式对1998年7月21-22日发生在武汉地区的一次持续性特大暴雨过程数值模拟的基础上，利用较高时空分辨的模式输出结果对暴雨过程做经验正交函数分解（EOF分析）尝试。结果表明：EOF第1主分量的空间分布代表典型的暴雨环境背景场的低值系统；EOF第2主分量的空间分布与人字形切变线（西部为冷式切变，东部为暖式切变）相联系，是影响这次暴雨的重要形势场；利用相轨线分析方法发现，暴雨过程中EOF第1主分量和EOF第2主分量的时间系数在暴雨临近阶段，两者正相关，激发暴雨，在暴雨后期两者负相关，促使这次暴雨趋于减弱结束。