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。

青藏高原冬季平均温度、湿度气候特征的REOF分析

通过对青藏高原 1 2 3个测站 ,1 961～ 1 998年冬季 ( 1 2月至翌年 2月 )平均温度、相对湿度资料做气候特征分析 ,得到 32°～ 33°N附近地区可能是高原南北温湿变化的分水岭 ,以北主要受干冷空气影响 ,以南主要受暖湿空气影响。用方差极大正交旋转EOF(即REOF)方法对以上资料进行分析 ,可以将青藏高原温度、相对湿度进行分型、分区 ,并对各区的温度、相对湿度特征进行分析。结果表明 ,近 40年来 ,各区的温度总趋势是在波动中逐步升高的。增温时段主要出现在 1 978～ 1 981年及 1 983年至今。 1 983年开始的增温 ,是近 40年来最强的一次 ,增温幅度大且持续时间长 ,但从 90年代开始增温幅度及范围出现波动。从温度线性倾向来看 ,东部高原增温幅度从南到北存在“大—小—大”的现象。高原大部分地区湿度变化总趋势是在波动中逐步增湿的 ,但高原北界以变干为主。从 80年代后期至今高原进入显著增湿阶段 ,但从 90年代中后期开始增湿幅度及范围出现波动。从湿度线性倾向来看东部高原增湿幅度从南到北存在逐步减小现象 ,甚至祁连山地区出现变干现象。

基于EOF和REOF分析江淮梅雨量的时空分布

基于江淮梅雨区域50个气象台站1960-2002年的梅雨量资料,利用EOF、REOF展开方法,分析了江淮梅雨降水的空间分布及时间演变特征.EOF展开方法表明江淮梅雨前三个特征向量累积方差贡献比例为88.9%,其主要特征是三个特征向量场呈现纬向带状分布;第一特征向量场空间分布均为正值,说明江淮梅雨量的干湿变化具有一致性,但是各特征向量场之间的特点相差明显.REOF展开方法表明可以把江淮梅雨划分为6个典型的梅雨量场;后一个时间系数序列的变化幅度比前一个时间序列要小;主成分旋转后载荷要比旋转前分布均匀得多;第一时间系数的变化等同于各站平均梅雨量变化.

重庆夏季极端最高气温的时空变化特征分析

利用1960-2007年重庆34个气象站夏季极端最高气温的标准化资料，运用EOF，REOF等方法，对重庆近48a夏季（6～8月）极端最高气温的空间分布、时间演变特征等进行了详细分析．结果表明：一致性异常分布是重庆夏季极端最高气温的最主要空间模态；夏季极端最高气温的异常空间分布可分为以下4个关键区：重庆西部、重庆东南部、重庆东北部、重庆中部；在重庆夏季极端最高气温的4个空间关键区中，2～4a的周期振荡表现得比较显著；另外重庆夏季极端最高气温同区域性增暖呈显著的正响应．

中蒙干旱半干旱区冬、夏季地面气温时空变化特征分析(Ⅱ):7月

为整体地分析中蒙干旱半干旱区（中蒙干旱区）夏季气温的时空变化特征，利用中蒙干旱区内分布相对均匀的104个站点（包括5个“人造站”）1961—1997年7月的平均地面气温资料等，首先分析了该区夏季的平均气温场、气温年较差及日较差等背景；然后，对标准化的7月平均气温距平资料分别作了EOF和REOF分析。结果表明：（1）中蒙干旱区夏季的热量资源充足。夏季气温场分布的区域性特色更明显。（2）受纬度、地形高度及远离海洋等的影响，中蒙干旱区地面气温的年较差大，日较差也大，呈典型大陆性气候（大陆度高）的特色，但是区内的夏季气温年际变化小。（3）根据气温的EOF分析，中蒙干旱区夏季气温异常可粗分为全区一致型、准东西差异型、准南北差异型及准东北一西南差异型等4种常见分布模态；再根据REOF分析，可将该区夏季气温异常进一步细分为青海高原、高原东北侧、南疆、北疆、陕西甘南区、蒙古国西北部及东南部等7个分区。（4）近37年来，中蒙干旱区夏季气温增暖主要出现在高原东北侧和南疆区，强度比冬春季弱；在青海高原及蒙古国东南部气温还在变凉，区内各分区夏季气温变化也约有3～4年的周期。

中蒙干旱半干旱区降水的时空变化特征(Ⅱ):综合气候分区及各分区降水周期变化的进一步分析

利用中蒙干旱半干旱区106站1954-2005年降水资料和1961-1997年气温资料,本文在文献[1]的基础上进一步分析了该区的综合气候分区及各分区降水周期变化的特征。结果表明,(1)主要根据降水REOF分析的各异常模态等,将全区综合划分为关中汉中、河东、河西及蒙古戈壁、北疆、南疆、柴达木、青海高原南部、以及蒙古国中北部和西北部等9个气候分区。(2)几乎各分区都不同程度地存在降水的准3年的短周期变化,且是大部分分区的主要周期。另外,一些分区也有准16年的中周期及8年的周期。其中,关中汉中、蒙古中北部及西北部3个分区的降水周期变化更清楚、更稳定;河东、河西及蒙古戈壁和北疆区降水的周期变化也较清楚;而南疆、柴达木及青海高原南部3个分区的周期性较差;(3)对近期关注的"西北气候转型"说,考虑到明显变湿还不是全西北区尺度的;似已结束了的近期变湿期可能仅是新疆地区降水20年左右周期(即年代际)变化的反映;还考虑到干旱区降水气候预测的复杂性和不确定性,其预测要更加审慎。

中国近45年低温指数时空持续变化分析

选取全国621个气象台站的逐日最低气温资料,分析了中国近45 a来持续低温指数(consec-utive cold day index,CCDI)的时空变化规律,得到如下几点结论:(1)近45a来,我国大部分地区CCDI呈下降趋势,仅在西南和华中地区的个别站点存在小幅的升高趋势;(2)以每10a为一个年代,在各个年代,我国北方地区CCDI值均高于南方地区。从20世纪60年代到90年代CCDI呈下降趋势,但进入21世纪,长城一线以北,特别是我国东北地区CCDI表现出明显的增大趋势;(3)REOF分析表明:以东北、华北、新疆北部和华中的部分地区CCDI的降低为特征的模态是近45a来CCDI变化的第一主要模态,但该典型模态自80年代以来表现趋弱,上述地区CCDI的降低趋势变缓,个别地区甚至出现增加的趋势。以成渝地区为中心的CCDI增大是近45a来CCDI变化的第二主要模态,且该模态在近45a表现稳定。

中蒙干旱半干旱区冬、夏季地面气温时空变化特征分析(Ⅰ):1月

为了整体地分析中蒙干旱半干旱区冬季气温的时空变化特征,首先利用1961-1997年1月的实测气温资料,分析了平均场和标准差场,然后再选取区内104个分布相对均匀的站点,对1月气温作了经验正交函数(EOF)和旋转经验正交函数(REOF)分析.结果表明:纬度、地形及西伯利亚高压是影响冬季气温的3个主要因子;区内绝大部分地区冬季气温的年际变化>2℃以上.根据EOF分析,区内冬季气温异常有'全区一致型'、 '东西差异型'和'南北差异型'三种模态;根据REOF分析,区内的冬季气温可划分为高原东北侧、南疆、北疆、青海高原、蒙古中东部及西部6个分区.区内冬季增暖明显,增暖中心在中蒙南边界的临河-富蕴及拐子湖一带,近20年平均增温达2.5℃以上,1977年是由冷转暖的突变年;区内大部分地区冬季气温变化有3～4年周期,部分地区还有8年的变化周期.

基于REOF研究辽宁省极端最高气温时空分布

选用辽宁省35个代表站1961～2005年逐日最高气温,研究极端最高气温事件的时空分布特征,采用REOF、均方差等方法,反映辽宁不同地域极端最高气温的变化和分布情况。结果表明,辽宁省年极端最高气温可分成3个区域,分别是东北部地区、西部和西北部地区、南部和东南部地区;辽宁省极端最高气温阈值分布特征与平均气温分布特征基本一致,极端最高气温阈值相对较高的地区位于西北部地区,相对较低的地区位于东南部和东部大部地区;辽宁省极端最高气温在冬季变化最大,夏季变化最小,极端最高气温日数在夏季变化最大,而春、秋、冬季变化都不大。

海南岛冷空气降水天气形势差异分析

利用2000-2017年海口常规探空资料、海南岛18个国家气象站的日降水量和欧洲中期数值预报中心再分析资料(ECMWF-Interim),采用REOF和k-means聚类相结合的方法,对冷空气低空偏东急流(LLEJ)背景下海南岛暴雨和少雨两类天气的环流形势分别进行分类。结果表明:导致海南岛暴雨和少雨的主要环流形势分别有两种。总体上,暴雨型中的海南岛水汽输送条件以及抬升触发条件较好,而无雨型中海南岛受下沉运动控制,水汽输送条件一般。其中,暴雨Ⅰ型中海南岛低层至中高层深厚的偏东气流输送水汽和暖湿不稳定能量,较强锋面的抬升作用使不稳定能量释放导致强降水;暴雨Ⅱ型中海南岛低层(850 hPa以下)偏东气流输送水汽,南支槽和较弱锋面的抬升作用触发较强降水的发生;少雨Ⅰ型中海南岛受较强干冷空气影响,500 hPa为偏西风影响,700 hPa为反气旋环流控制,低层水汽条件差;少雨Ⅱ型中海南岛受西太平洋副热带高压环流影响为主,700-500 hPa皆位于反气旋环流中心附近,以下沉运动为主。

四川盆地区表层土壤湿度时空变化特征分析

分析常年土壤干湿状况及其影响因子，是监测评价四川盆地区土壤水分变化的基础，有利于农业干旱防灾减灾。利用四川盆地区农业气象站近17年0～20cm的逐句土壤湿度观测资料，运用旋转正交函数分解（RE—OF）、相关分析、趋势倾向率分析等方法，对四川盆地区表层土壤相对湿度的时空变化特征进行分析，并分区域选取代表站建立表层土壤湿度与气温、降水量、日照时数的多元回归方程。结果表明，盆地表层土壤相对湿度空间分布大致是从南到北逐渐减小；年际变化呈现弱的上升趋势；常年季节变化呈双峰型特点，秋季高，春季低，夏季波动明显，初夏高盛夏低；表层土壤干湿状况总体呈现出冬春季相对偏干、夏秋季相对偏湿的季节变化。盆地表层土壤湿度变化与气温、日照显著负相关，与降水显著正相关性，气温、日照、降水因子分别对盆地东北部、中南部、西北部表层土壤湿度变化影响大。

近45 a黑龙江省春季风速变化的区域特征分析

用方差极大正交旋转REOF方法,将经过均一性检验、分布较均匀的黑龙江省1961～2005年25个测站春季风速变化分为5个区,并对各区风速变化特征进行了分析,最后探讨了人类活动对风速变化的可能影响。结果表明:近45 a来,黑龙江省各个区域风速均呈减小趋势,人类活动可能是导致春季风速减小的一个原因。

1957-2018年永定河流域降雨时空演变规律研究

基于永定河流域内14个气象站点1957-2018年逐日观测数据,采用线性倾向估计、距平分析、小波分析对永定河流域降雨时空演变规律进行了分析,采用旋转经验正交函数(Rotated Empirical Orthogonal Function,REOF)法对降雨进行特征分区并通过相关分析揭示流域降雨的主要相关因子。结果表明:在全球变暖的背景下,永定河流域降雨量呈下降趋势,下降速率为-2.88 mm/10 a,多年降雨量均值为389.22 mm。季尺度上,春秋两季降雨量呈上升趋势,以秋季降雨量上升最为明显,上升速率为3.75 mm/10 a;夏冬两季降雨量呈下降趋势,以夏季降雨量下降最为明显,下降速率为-8.14mm/10 a。小波分析结果表明,流域降雨量变化存在着28、15、4 a三个周期,以28 a为主周期。空间上,降雨量地域性差异较大,流域降雨量由东南平原区向西北山区递减。REOF分析表明,前六个模态可以较好地反映永定河流域降雨的空间分布类型;根据各模态高荷载区分布,永定河流域可划分为六个降雨区:Ⅰ区为西南大同盆地区,Ⅱ区为北部张家口地区、Ⅲ区为延怀盆地区、Ⅳ区为北京及冀西北盆地区、Ⅴ区为西北内蒙山区、Ⅵ区为滨海平原区;其中Ⅰ、Ⅴ区和Ⅳ、Ⅵ区分别受大陆性气候和季风气候的影响;Ⅱ、Ⅲ区受当地地形影响较为明显。相关分析结果表明,副热带南印度洋偶极子、蒸发、最高气温、日照时数和散射与降雨相关性显著。

中国雷暴气候分布特征及变化趋势

利用1951—2005年雷暴和冰雹观测资料,统计出中国743个站点的雷暴以及冰雹发生日数。统计结果表明,中国雷暴和冰雹等强对流天气发生的概率分布具有明显的地理和日变化差异,日间与夜间强对流天气分布变化很大。中国雷暴发生频繁的区域共有5个,分别是青藏高原东部、云南中南部、四川境内、华南两广地区及新疆西部,各区域雷暴日数存在不同的年际变化特征。全国雷暴日数除青藏高原地区略有上升外,总体呈下降趋势。冰雹发生频繁的区域主要在青藏高原祁连山地区,天山地区和华北北部为冰雹活动的次频繁中心。冰雹日的年际变化也因区域不同而有所区别。由中国雷暴日数的REOF分析可以看出,华南、长江流域等地区都存在独立的异常时空分布,与特定的大尺度环流密切相关。

西北地区东部可利用降水的时空变化特征

利用西北地区东部91站1961-2009年间的实测气温降水资料,分别计算了该区水分资源各分量降水、蒸发及可利用降水,使用REOF等统计方法,整体分析了该区可利用降水的时空变化特征。结果表明:西北地区东部水分资源匮乏且年际变化大,水分资源各分量时空分布极不均匀;总体上各分量从该区东南部向西北部递减,呈南多北少特征,其中该区东南侧的陕南、陇南、六盘山区及青藏高原东部部分地区年降水量、蒸发量和可利用降水量分别在500、200和200 mm以上,年降水可利用率在30%～50%,可利用降水标准差达80～110 mm,而该区西部的河西走廊和青海西部的年降水量不足50 mm、年可利用降水量不到10 mm,年降水可利用率不足10%,可利用降水标准差在20 mm以下;各分量夏季最大,冬季最小,5～9月是该区主要降水和可利用降水的集中期;降水在水资源各分量中起决定性作用,因此降水的小幅变化导致可利用降水的大幅变化是降水稀少的西北地区东部可利用降水资源匮乏的主要原因,但气温变化造成的影响也不可忽视;西北地区东部5～9月可利用降水异常分布的局域特征明显,常出现陇南、河东、高原、河西走廊等4种异常分布特征。近50 a来,区内可利用降水总体呈东部减少(六盘山区及陇南区尤甚),西部增加的变化格局。

亚非季风区夏季降水变率

本文利用比较完整的格点资料，采用Ｇａｍｍａ分布百分位数的降水量指标系统分析了亚非季风区夏季降水变率及其与赤道东太平洋冷水区ＳＳＴ的关系。首先根据ＲＥＯＦ分析，指出亚非季风区里有五个关键地区，分别为萨赫勒地区、日本南部到中国长江流域、中国华南到印度半岛东部、热带非洲地区和东亚地区。

春末夏初青藏高原植被对全球变暖响应的区域特征

利用1982—2002年Pathfinder NDVI遥感数据,采用REOF和倾向度趋势分析方法,研究了5～6月青藏高原地表植被变化区域特征及与全球变暖的关系。21年来高原区域春末夏初植被变化存在明显的空间差异,且存在一个位于高原南北呈带状分布的植被显著变化区域。该区域内植被对全球气温变暖响应显著,与前期5月北半球平均气温相关系数达到0.7675,通过0.001显著性水平检验;植被NDVI随气温升高呈现出显著一致的增加趋势,增长速率超过10%/10 a,是全球变暖响应的显著区和敏感区。进一步的分析表明,对植被全球变暖响应显著的区域基本上处于高山山脉或半荒漠NDVI值低于0.12覆盖度较低的区域。不同植被类型对变暖响应的对比表明,草地对全球变暖响应明显高于林地,其植被NDVI 21年约增加10%。

近30年中国地面风速分区及气候特征

通过中国近地面风速区划可以深入了解风速分布规律,有助于研究风速的变化机制。利用1980-2009年中国608个测站的日平均风速资料,经过旋转经验正交函数分解法(REOF)得到10个分区,各分区范围和地形有一定的关系。风速频率曲线变化表明,中国北部地区(第3、4区)风速偏大,中部地区(第2、10区)风速普遍较小;对比分析了区域有效风速日数频率和风能分布。根据谐波方法得到各分区风速的年变化特征,大部分区域呈单峰单谷型或双峰双谷型,高值区主要出现在春季,并分析了形成上述特点的可能天气学成因。风速线性倾向估计结果表明,中国大部分地区风速呈减小趋势,第1、4、5区平均风速递减率在-0.028^-0.023 m·s-1·a-1之间,但是,中部地区(第2区、第6区西部、第10区)年平均风速出现递增。通过Mann-Kendan法和小波分析方法检测表明,第2、3、5区突变点出现在2000年附近,第1、4、6区突变点出现在20世纪90年代初。环流特征量指数和风速同期相关性分析,揭示了北极涡和副热带高压对风速的影响。

渤海冬季温盐年际变化时空模态与气候响应

根据渤海断面1978-2012历年2月表、底层海水温度、盐度和气候要素观测资料,采用旋转经验正交函数(REOF)、最大熵谱分析和延迟相关分析等方法,研究了渤海冬季表底层温度、盐度年际变化时空模态与气候响应。渤海冬季表底层温度年际变化分为三种时空模态:开阔海型、黄河口型和辽河口型,其中只有开阔海型模态是对冬季气温变暖的响应,时间分量有显著线性升高趋势和跃变升高。黄河口型模态是对冬季西北季风强度逐渐减弱的响应,时间分量有显著线性降低趋势。辽河口型模态是对局地海冰年际变化的响应,时间分量准平衡变化。渤海冬季表底层盐度年际变化分为二种时空模态:辽东湾型和黄河口型,其中黄河口型模态与黄河口年径流量滞后5年显著负线性相关,该模态时间分量有显著线性升高趋势和跃变;辽东湾型模态与黄河年径流量滞后7年显著负线性相关;滞后2年显著非线性相关,该模态时间分量年际变化为准平衡形态。黄河口年径流量是影响渤海冬季盐度年际变化的主要因素。

渤海温盐场季节循环时空参数模型

根据1978年1月-1981年11月渤海温盐场逐月调查资料,采用旋转经验正交函数(REOF)、最大熵谱分析、调和分析等方法,构建渤海表底层温盐场季节循环时空参数模型。表底层温度场主要有两种季节循环时空模态,第一模态是对潮流混合局地水体热容量扩散作用和太阳辐射季节变化的响应;第二模态是对东南-西北季风风向转变产生风海流-补偿流形态变化引起水体水平-垂直热量输送差异和东南-西北季风风向转变的响应。表底层盐度场存在3种变化形式:线性趋势、季节循环和年度跃变。黄河口月径流量逐年减少是盐度线性趋势和跃变升高的主要原因。表底层盐度场主要有2种季节循环时空模态,第一模态是对黄河、辽河月径流量季节变化的响应;第二模态是对月降水量和河流月径流量季节变化的响应。