Analysis of the regional spectral properties in northwestern South China Sea based on an empirical orthogonal function

This study presents an analysis of the spectral characteristics of remote sensing reflectance(Rrs)in northwestern South China Sea based on the in situ optical and water quality data for August 2018.Rrswas initially divided into four classes,classes A to D,using the max-classification algorithm,and the spectral properties of whole Rrs were characterized using the empirical orthogonal function(EOF)analysis.Subsequently,the dominant factors in each EOF mode were determined.The results indicated that more than 95%of the variances of Rrs are partly driven by the back-scattering characteristics of the suspended matter.The initial two EOF modes were well correlated with the total suspended matter and back-scattering coefficient.Furthermore,the first EOF modes of the four classes of Rrs(A-D Rrs-EOF1)significantly contributed to the total variances of each Rrs class.In addition,the correlation coefficients between the amplitude factors of class A-D Rrs-EOF1 and the variances of the relevant water quality and optical parameters were better than those of the unclassified ones.The spectral shape of class ARrs-EOF1 was governed by the absorption characteristic of chlorophyll a and colored dissolved organic matter(CDOM).The spectral shape of class B Rrs-EOF1 was governed by the absorption characteristic of CDOM since it exhibited a high correlation with the absorption coefficient of CDOM(ag(λ)),whereas the spectral shape of class C Rrs-EOF1 was governed by the back-scattering characteristics but not affected by the suspended matter.The spectral shape of class D Rrs-EOF1 exhibited a relatively good correlation with all the water quality parameters,which played a significant role in deciding its spectral shape.

基于REOF的两种卫星降水产品(IMERG和MSWEP)在金沙江流域降水分区尺度精度评估

高时空分辨率降水产品的精度评估是卫星降水用于水文气象干旱等研究的前提。本研究提出在降水分区尺度下评估IMERG和MSWEP两种卫星降水产品的精度,并与不分区尺度(即流域尺度)进行比较。首先采用旋转经验正交函数(REOF)对金沙江流域(JSB)进行降水分区,通过贡献率得出8个分区较为适合。然后识别降水的空间分布特征,发现2种降水产品都可以很好地捕捉降水呈现出的从上游到下游逐渐增加的趋势。最后在日尺度、降水发生概率和极端降水探测能力3个方面对降水产品在分区尺度和不分区尺度的性能进行评估。结果表明,在日尺度上,MSWEP的精度在多数降水分区优于IMERG,被推荐5次(1、3、6、7和8区),集中在流域的中游。同时流域尺度也推荐MSWEP。在降水事件发生概率方面,MSWEP能再现不同等级降水强度的概率密度分布,但过高估计0.1~1 mm/d降水事件的发生概率;而IMERG过高估计小于0.1 mm/d降水事件的概率。在极端降水探测能力方面,流域尺度的KGE值都是正值,且IMERG优于MSWEP,但分区尺度上,KGE值在部分降水分区中存在负值,表明IMERG和MSWEP均不能很好地探测出该区的极端降水事件。本研究成果表明降水分区尺度是必需的,能够更加精细地评估降水产品。研究结果可为具有类似气候条件的卫星降水评估提供参考。

基于REOF分析的山东省年降水区域特征及趋势分析

[目的]探究山东省不同气候分区年降水量的时空特征,为该地区气候分析、防灾减灾提供更加区域性的参考依据。[方法]根据山东省95个国家地面气象观测站1991—2020年降水年值数据,首先对山东省年降水场进行气候分区,然后通过相关统计方法分析各分区降水的时空变化特征。[结果](1)山东省各降水模态降水偏少的年份更多,降水偏多的年份降水强度更大,年代际变化均较为明显,但各模态降水偏多偏少的年份分布及强度变化有所不同。(2)山东省年降水量大致由东南向西北递减,年降水场划分为东南沿海区(Ⅰ区)、西北平原区(Ⅱ区)和中部山地区(Ⅲ区)3个区域,各降水分区年降水均呈不显著增加趋势,趋势率各不相同,突变均不明显。(3)山东省各降水分区年降水量均具有较为明显的周期性特征,东南沿海区年降水场存在2个较为明显的能量中心,中心尺度均为2~3 a,未来变化具有强持续性;西北平原区年降水场存在3个较为明显的能量中心,中心尺度分别为5~7 a, 3 a和2~3 a,未来变化具有持续性;中部山地区年降水场存在2个较为明显的能量中心,中心尺度分别为2~3 a, 6 a,未来变化具有强持续性。[结论]山东省降水偏少的年份更多,降水偏多的年份降水强度更大,年降水场大致可分为3个分区,各分区年降水量均呈不显著增加趋势,均具有较为明显的周期性特征,且未来变化均具有持续性。

基于REOF分析的贵州省降水模式识别及变化趋势预测

【目的】为了解贵州省区域降水特点和变化趋势,更好地应对气候变化。【方法】应用旋转经验正交函数分解(REOF)方法,将贵州省1963-2022年降雨场划分为4个区域,并分析了各区域降水特征及其变化趋势。【结果】总体上Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅳ区呈减少趋势,Ⅲ区呈增加趋势,变化趋势在1989-2014年之间通过P<0.05的显著性检验,其中Ⅳ区变化趋势在1986年有突变;各区均有35 a的主周期变化,其中Ⅰ区未来5 a为下降周期,Ⅱ区未来9 a为下降周期,Ⅲ区和Ⅳ区未来4 a为下降周期。【结论】贵州省降水有明显的年代际变化,Ⅰ区、Ⅱ区相较于Ⅲ区、Ⅳ区出现极端干旱和强降水事件的概率更大,各区年平均降水量均显示出较为明显的周期性变化特征,未来变化有显著的持续性。

云南区域性暴雨过程时空变化特征

针对中国气象局发布的《区域性重要过程(暴雨)监测和评价业务规定》确定了云南本地化区域性暴雨过程识别阈值,经灾害数据检验客观有效。进一步应用气候趋势分析、M-K检验、小波分析、EOF分析及REOF分析等方法研究了1961—2022年云南区域性暴雨过程的时空分布特征。结果表明:云南历次区域性暴雨过程综合强度波动较大,年平均综合强度呈减小趋势,但不显著,月平均综合强度呈波动分布,峰值出现在1月,雨季各旬平均综合强度变化较小。云南区域性暴雨过程年均4次,1977年以后呈减少趋势,但不显著,没有明显突变点,2008—2022年过程频次有6~8 a周期,但不稳定,云南区域性暴雨过程夏季最多,冬季最少,6月中旬至8月下旬过程数约占全年近7成。云南区域性暴雨过程呈南多北少分布,北部边缘虽然频次较少,但过程降水强度较大。云南区域性暴雨过程呈现全省大部一致型、东北-西南反向型及南北反向型等5个主要模态,进一步可分为5个典型区,即南区、西区、中东部区、北区及西北区,过去62 a,南区、西区和中东部区波动较大,变化趋势不明显,北区平稳少变,西北区前期以偏少为主,后期增加明显。

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。

ROTATED COMPLEX EMPIRICAL ORTHOGONAL FUNCTION(RCEOF)ANALYSIS:THEORY AND EXAMPLES—PART I

In this paper,a new diagnostic method,the rotated complex empirical orthogonal function (RCEOF)analysis is developed.The general principle and the mathematical foundation of RCEOF are discussed.

ROTATED COMPLEX EMPIRICAL ORTHOGONAL FUNCTION(RCEOF)ANALYSIS—PART Ⅱ:THEORY AND EXAMPLES

The numerical solving and the program designing of the rotated complex empirical orthogonal function(RCEOF)are discussed.Some examples of RCEOF are also presented.

青海省多年地表感热通量的时空变化特征

选取青海省35个气象站观测数据,基于CHEN-WENG感热系数方案,计算了1980—2017年青海省地表感热通量。利用小波分析、Mann-Kendall突变检验和经验正交函数法(Empirical Orthogonal Function,EOF),对感热通量的时空变化特征及其影响因子进行分析。结果表明:(1)1980年以来,青海省全年和各季节感热通量总体上均呈上升趋势,并具有28 a的主周期和约18 a的副周期,冬季的周期变化较为复杂;(2)全年和各季节感热通量与地气温差存在显著相关性,2004—2017年受地气温差增大的影响上升;(3)全年、春季和秋季感热通量与风速存在显著相关性,1980—2004年受风速减小的影响感热通量下降;(4)夏季降水与感热通量呈显著负相关;(5)从空间上看,全年以及春季感热通量呈现出显著的东西分异,秋、冬季表现出一定程度的南北分异。

基于相对湿润指数的浙江省茶叶气象干旱特征分析

【目的】研究浙江省茶叶气象干旱的演变规律,为茶叶安全生产优化布局提供科学依据。【方法】利用浙江省68个地面气象观测站50 a(1971—2020年)的逐日气温、降水量、日照时数等数据,基于相对湿润指数、正交经验函数和小波分析法等分析浙江省茶叶气象干旱的时空分布规律。【结果】浙江省茶叶生产夏季干旱的强度和发生频率高于秋季,且均呈现西高东低的分布,中西部尤其金衢盆地的干旱强度和频率为全省最强,浙北地区次之,沿海地区最小。茶叶夏季干旱站次比呈逐年下降的趋势,秋季则呈现先升后降的趋势,2000年以后夏秋两季出现极端大范围茶叶气象干旱的年份增多。茶叶夏季和秋季干旱强度的正交经验函数第一模态表现为全省变化一致性,第二模态中沿海局部地区和内陆呈反相位变化,夏秋两季干旱强度的主模态时间序列分别存在2-6、2-4、6-10 a的振荡周期。【结论】浙江省在夏季和秋季出现茶叶气象干旱的频率在下降,但出现极端干旱的概率在增加,应重点加强茶叶主产区干旱监测预警能力建设,提升防旱抗旱能力。

长江中下游降雨侵蚀力时空变化及其与植被覆盖的关系

充分掌握大尺度流域降雨侵蚀力的时空变化特征对流域水土保持、防洪减灾和生态环境保护至关重要。基于长江中下游的119个气象站点57a逐日降雨资料,通过Xie模型计算各站降雨侵蚀力,使用旋转经验正交函数(REOF)法对降雨侵蚀力进行区域划分;结合Mann-Kendal检验、重标极差(R/S)法和相关性分析方法分析长江中下游降雨侵蚀力的时空变化特征,并揭示其与植被覆盖度之间的关系。结果表明:(1)长江中下游降雨侵蚀力整体呈上升趋势,年均降雨侵蚀力为5643MJ mm hm^(-2)h^(-1)。(2)不同季节降雨侵蚀力空间分布存在差异。冷季降雨侵蚀力空间分布不均,高值区主要集中在流域的西部和东北部,而暖季降雨侵蚀力则表现为以江西省为中心沿西北方向递减的空间分布格局,最大值和最小值出现在鄱阳湖环湖区(III区)和长江干流武汉以下段及太湖水系(IV区)。(3)长江中下游相邻地理分区间降雨侵蚀力变化速率差异较大,降雨侵蚀力区域性差异显著。其中III区、湘江及赣江流域(I区)和IV区年均降雨侵蚀力呈显著增长趋势(P<0.05)且未来将保持该趋势,为水土保持重点关注区域。(4)研究所发现的长江中下游水土保持重点关注区域的降雨侵蚀力与植被覆盖度存在负相关。但值得注意的是I区在冷季呈现正相关,而且其中的湘江上游流域出现显著正相关。研究表明降雨侵蚀力是影响地表侵蚀过程的关键因素,侵蚀性降水会影响植被覆盖情况,进而影响地表的侵蚀过程。因此在重点关注高降雨侵蚀力地区的同时还需加强植被保护工作。研究结果可为长江中下游区域水土保持及生态环境保护工作提供科学依据。

1961—2020年黄河源区降水时空变化特征研究

基于1961—2020年黄河源区16个雨量站点的逐日降水资料,应用线性趋势法、Mann-Kendall(MK)检验、滑动t检验、Pettitt检验、小波分析、经验正交分解(EOF)方法对黄河源区年降水、季节降水、汛期降水的变化趋势及时空分布特征进行分析。结果表明:(1)黄河源区年降水以10.0 mm/10 a的趋势显著增加;除冬季呈不明显的减少趋势外,春季、夏季、秋季和汛期降水同样呈增加趋势。(2)黄河源区降水除春季无明显突变外,全年、夏季、秋季、冬季和汛期的对应突变年份分别为2015年、1998年、2018年、2016年和2019年。(3)黄河源区年降水存在3~7 a、6~12 a、9~13 a和16~24 a的变化周期,第一、第二主周期为19 a和11 a,两种主周期都经历了3次“丰-枯”变化;年降水存在2种模态,4种降水表现类型,2种模态的年份数为35 a和13 a。研究成果可为黄河源区防汛抗旱及上游水库群水资源调度提供参考。

北部湾叶绿素a浓度时空变化及影响因素

【目的】研究北部湾表层叶绿素a质量浓度的时空分布及其影响因子,为北部湾初级生产力评估及深远海养殖提供依据。【方法】基于2003-2020年逐月卫星遥感叶绿素a质量浓度、海表面温度(SST)、降雨数据以及再分析风场数据,利用经验正交分解(EOF)、小波相干等方法分析SST、降雨、风等环境因子对北部湾叶绿素a质量浓度的影响。【结果与结论】北部湾叶绿素a质量浓度呈近岸高、中央低的空间分布规律。年际变化特征明显,2016年为浓度峰值年,平均质量浓度为1.6 mg·m^(-3),2010年质量浓度最低,仅为1.1 mg·m^(-3)。在季节变化方面,北部湾区域平均叶绿素a质量浓度冬季最高,春季浓度最低,涠洲岛南侧海域平均叶绿素a质量浓度冬季最高,夏季节最低。红河河口区域夏、秋叶绿素a质量浓度高于春、冬叶绿素a质量浓度。长山山脉东侧区域平均叶绿素a质量浓度在秋季最高,在春季最低。月变化方面,北部湾叶绿素a质量浓度在5月最低,12月最高。海表面温度、降雨和风是影响北部湾叶绿素a质量浓度时空分布的主要因素。在北部湾的中、东海域,海表面温度与叶绿素a质量浓度显著负相关(P <0.05,r <-0.8)。降雨的影响主要集中在湾西部,降雨增加的径流量提供更多营养物质,使红河河口区域夏、秋季叶绿素a质量浓度较高,长山山脉东岸区域叶绿素a质量浓度在秋季达到峰值。风速与北部湾叶绿素a质量浓度显著正相关(P <0.01,r=0.4)。

海洋遥感数据缺值对EOF和REOF时空分布分析的影响

本文分别采用经验正交函数EOF和旋转经验正交函数REOF两种方法，对中国海（14°-40°N、105°～132°E）1998年1月～1999年8月之间SeaWiFS归一化离水辐射率Lwn（490nm）数据，进行时空分布分析研究．结果表明：在不同时间区段、不同空间范围，利用EOF和REOF分解得到的典型要素场时空分布存在较小差异，在时间、空间分布上较稳定．同时也说明，被云遮掩的部分遥感数据对EOF和REOF分析结果影响是很小的．

基于REOF分析的广东前汛期降水趋势的区域特征

采用旋转经验正交展开(REOF)方法,对广东48站前汛期降水标准化距平场进行客观分区,在此基础上对各区区域平均前汛期降水的长期演变趋势进行了讨论。结果表明:广东省前汛期降水量场可以划分为4个区域,即粤东区、粤中区、粤西北区以及雷州半岛区。该4区前汛期降水量线性趋势不显著,年代际变化特征明显。进入21世纪以来,除雷州半岛区降水持续减少外,其余各区出现明显增加。而20世纪90年代以来粤东区和粤中区旱涝发生更为频繁。

藏东南地区近二十年降水分区及时空演化特征

在全球变暖的背景下,藏东南地区的降水变化不仅会影响区域水资源分布,同时还对区域的水循环、冻土演变等产生重要影响,因此深入研究该地区的降水时空格局及演化规律,对区域生态环境保护具有重要意义。对藏东南地区76个气象站点2000—2021年的降水数据,采用反距离权重插值(IDW)、旋转经验正交函数(REOF)、Sen’s斜率估计、Manne-Kendall趋势检验和Morlet小波分析等方法分析了该地区降水的时空分布及演化特征。结果表明:藏东南地区降水空间和时间上总体表现为“东高西低”“雨热同期”。基于旋转经验正交函数将研究区划分为10个子区域。不同子区域间降水分区特征明显,其中东部的Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅳ区、Ⅵ区和Ⅹ区降水呈现增加趋势,其余子区域降水均呈现不同程度降低趋势;各分区的年平均降水量在近20年内均有突变产生,且不同分区间的平均降水量波动周期有所差异。以上成果可为藏东南地区生态环境保护措施的制定提供支持。

嫩江流域生态干旱影响因素及其时空演变格局

近几十年来,嫩江流域湿地大面积萎缩、土地盐碱化严重,干旱频发,严重威胁生态安全、水环境安全和社会经济可持续发展。为量化嫩江流域干旱对生态系统的影响,利用标准化生态缺水指数(SEWDI),结合旋转经验正交函数、累积和曲线和Pearson相关性分析法分析嫩江流域1980—2017年生态干旱的时空演变规律,并利用游程理论提取生态干旱特征。结果表明:(1)生态干旱与影响因子间的相关系数排序为相对湿度>归一化植被指数>径流>降水>气温,其中生态干旱和相对湿度相关系数最大且大于0.5,呈现显著相关性,其余因子的相关系数均小于0.5,呈现低度相关性;(2)从SEWDI变化曲线上看,1980—1999年干湿交替呈现出一定的周期性,生态干旱以轻旱和中旱为主,总体呈加剧趋势;2000—2017年极端干旱和极端湿润事件频发,生态干旱总体呈缓解趋势。从累积和曲线上看,1980—1995年为嫩江流域生态干湿状态的正常波动时期,1996—2009年为嫩江流域生态干旱期,2012—2017年为生态湿润期;(3)生态干旱的干旱历时和烈度显示流域西南部严重程度较大,长期干旱风险较高,而流域北部干旱强度较大,较易发生单次较为严重的短期干旱。

基于索周法的辽宁省干旱周期演变特征研究

为探究辽宁省不同气候特征区域年、季干旱周期性规律,基于辽宁省22个国家地面气象观测站1961~2020年逐日降水数据,首先采用旋转经验正交函数对研究区进行降水分区,再计算不同时间尺度的标准化降水指数,利用索周法分析各分区不同尺度标准化降水指数周期特征,并与Morlet小波周期分析的结果进行对比。研究表明,索周法可以很好地应用于干旱周期分析。年尺度上,Ⅰ、Ⅱ区存在7年左右的显著周期规律,Ⅲ区周期规律以5年为主。季尺度上,Ⅰ、Ⅱ区各季节的周期规律以4~7年为主,而Ⅲ区周期尺度稍长,各季节主要表现为6~9年,各分区不同时间尺度周期演变特征存在一定的差异。

Spatial and Temporal Differences of Climate Suitability of Ice and Snow Sports in Major Ski Tourism Destinations in China

Ice and snow tourism in China has grown significantly since the country successfully hosted the Beijing Winter Olympics.Climatic conditions profoundly impact the development of ice and snow tourism;however,most studies have focused on constructing different climate suitability indicators for ice and snow tourism to evaluate individual regions,lacking horizontal comparative studies across multiple regions.This study aims to enrich the connotation of climate suitability for ice and snow sports,establish an evaluation model based on snowfall amount,temperature,and wind speed,and use daily meteorological data from 1991 to 2021 to horizontally compare the climate suitability for ice and snow sports in major ski tourism destinations in China.This study boasts four major findings:1)the average ice and snow sports climate index of each region decreases over time,and the overall suitability of the climate for ice and snow sports is reducing;2)northern Xinjiang exhibits the most evident regional differentiation from‘very suitable’to‘generally suitable’;3)the spatial zoning of climate suitability for ice and snow sports exhibits heterogeneity,as northern Xinjiang is divided into two‘suitable and above’zones with rotating empirical orthogonal function(REOF).Correspondingly,the four provinces of Hebei,Heilongjiang,Jilin,and Liaoning are divided into three‘generally suitable and above’zones;4)snowfall amount is the main factor affecting the climate suitability of ice and snow sports in the major ski tourist destinations in China.

Spatio-temporal variability of surface chlorophyll a in the Yellow Sea and the East China Sea based on reconstructions of satellite data of 2001-2020

Chlorophyll-a(Chl-a)concentration is a primary indicator for marine environmental monitoring.The spatio-temporal variations of sea surface Chl-a concentration in the Yellow Sea(YS)and the East China Sea(ECS)in 2001-2020 were investigated by reconstructing the MODIS Level 3 products with the data interpolation empirical orthogonal function(DINEOF)method.The reconstructed results by interpolating the combined MODIS daily+8-day datasets were found better than those merely by interpolating daily or 8-day data.Chl-a concentration in the YS and the ECS reached its maximum in spring,with blooms occurring,decreased in summer and autumn,and increased in late autumn and early winter.By performing empirical orthogonal function(EOF)decomposition of the reconstructed data fields and correlation analysis with several potential environmental factors,we found that the sea surface temperature(SST)plays a significant role in the seasonal variation of Chl a,especially during spring and summer.The increase of SST in spring and the upper-layer nutrients mixed up during the last winter might favor the occurrence of spring blooms.The high sea surface temperature(SST)throughout the summer would strengthen the vertical stratification and prevent nutrients supply from deep water,resulting in low surface Chl-a concentrations.The sea surface Chl-a concentration in the YS was found decreased significantly from 2012 to 2020,which was possibly related to the Pacific Decadal Oscillation(PDO).