非线性主成分分析在中国四季降水异常分布中的应用

利用中国160站逐月降水资料,运用一种基于前馈型人工神经网络的非线性主成分分析方法(nonlinear principal component analysis,NLPCA)研究了中国近50 a四季降水异常分布的非线性特征.结果表明,NLPCA有能力表示出更一般的低维结构特征.四季降水的异常分布都具有一定的非线性相关空间结构,其中春夏季节非线性较强,秋冬季节稍弱;四季降水距平的一维NLPCA近似在非线性主成分取极端相反位相时,对应的空间分布型表现出明显的不对称性.四季降水异常的一维NLPCA近似都比传统一维PCA的近似逼真,且存在季节变化.     

近53a中国气温异常分布的非线性特征

运用一种基于神经网络的非线性主成分分析法（nonlinear principal component analysis,NLP-CA）对中国1951—2003年53 a四季气温距平场（surface air temperature anomaly,SATA）进行分析,NLPCA第一模态结果显示中国四季气温异常具有一定的非线性特征,并且具有显著的季节性差异,即春、夏两季的非线性较强,秋、冬两季较弱。一维NLPCA对原始气温距平场的近似比一维PCA（principal component analysis）更好地反映了气温场的实际分布情况。     

中国春季气温异常变率的非线性特征

运用一种基于神经网络的非线性主成分分析法(NLPCA)对中国1951-2003年53 a春季气温距平场进行分析,结果表明,春季气温异常变率具有显著的非线性特征,当非线性主元u分别取最大值和最小值时,对应的空间气温异常分布型具有显著的非对称性。     

中国春季气温异常变率的非线性特征

运用一种基于神经网络的非线性主成分分析法(NLPCA)对中国1951-2003年53 a春季气温距平场进行分析,结果表明,春季气温异常变率具有显著的非线性特征,当非线性主元u分别取最大值和最小值时,对应的空间气温异常分布型具有显著的非对称性.     

北半球月平均环流异常与我国夏季月降水量异常之间关系的时空综合EOF分析

本文利用一种时空综合的经验正交函数（ＥＯＦ）方法探讨了我国夏季降水场与同期及前期北半球５００ｈＰａ环流场之间的关系。这种方法能够同时给出降水场的距平分布及其对应的同期和前期环流场距平分布型。分析了前三个特征向量场的空间结构，得到了三种不同降水异常分布型及其与之相应的同期和前期５００ｈＰａ环流异常型。结果发现，前期（冬季）５００ｈＰａ高度距平场在中高纬度地区有着同夏季几乎完全相反的分布特征，在这一特征下，我国东部夏季降水场有较一致的距平分布，此外，当前期冬季５００ｈＰａ出现ｗｐ型环流异常时，我国长江流域夏季降水会出现显著异常。     

青藏高原冬春季地温异常对长江中下游夏季旱涝影响的研究

探讨了青藏高原地温异常对长江中下游地区降水的影响。通过资料分析揭示：长江中下游地区夏季旱涝前期冬春青藏高原各层次的地温距平具有反位相分布和高方差分布的特征，前期冬、春季青藏高原地温的三维结构对长江中下游地区夏季降水异常具有“强信号”指示特征。从地面0cm到地下3．2m的地温距平分布为：涝年高原偏南部为正，中部和北部为负，旱年时则与此相反，高原中部和东南部是反位相最明显的地区。地温距平在近地表变化较快，地温距平的大值区在40cm层到1．6m层之间，1．6m到3．2m层地温距平变化较慢。资料分析表明前期青藏高原不同层次地温异常是后期长江中下游地区降水异常的一个重要原因。资料分析和数值试验都揭示了北半球环流型对青藏高原不同层次地温异常可能产生遥相关波形并形成季尺度低频波，此相关波列的激发和传播可能影响长江中下游地区后期的降水。     

近100年来中东亚干旱区气候异常与海平面气压异常的关系

利用中东亚干旱区近100年(1901-2002年)降水、气温及北半球海平面气压的格点资料,分析了该干旱区冬季、夏季降水和气温与海平面气压分布形势的相关关系,同时对典型的降水和气温异常年份的海平面气压距平场进行了合成分析.结果表明:冬季西北太平洋海平面气压持续增强、阿拉伯海附近维持较高气压时,中东亚干旱区冬季降水偏多、气温偏高.前期春季海平面气压的变化对中东亚干旱区夏季降水有显著的影响,当春季阿留申低压和其南部的西太平洋副热带高压偏强时,中东亚干旱区夏季降水偏多;当春季西太平洋副热带高压位置附近的海平面气压偏高时,中东亚干旱区夏季气温偏低;前期春季海平面气压的异常对中东亚干旱区气候变化的显著影响,对气候预测有很好的指示意义.另外,中东亚干旱区冬季异常多雨、高温年份,海平面气压在中高纬度地区为负距平,在低纬度地区则为正距平.而冬季异常少雨、低温年份,气压场分布的主要特征则相反.在夏季异常多雨年,中东亚干旱区主要位于正的气压距平区,夏季异常少雨年则反之.夏季异常气温偏高年,正距平区主要分布在印度半岛北部,中东亚干旱区西部处于负距平区、东部处于弱的正距平区中.分析结果同时说明了中东亚干旱区易出现冬季多雨/高温(少雨/低温)和夏季多雨/低温(少雨/高温)的气候配置.     

基于NLCCA的中国夏季降水与东亚夏季风关系的探讨

运用一种基于人工神经网络的非线性典型相关分析方法(NLCCA),对中国夏季降水与东亚夏季风之间的非线性关系进行了分析。结果表明,夏季降水对东亚夏季风的响应具有一定的非线性,当夏季风较强与较弱时,对应的中国夏季降水异常分布呈现明显的不对称性。夏季降水与夏季风之间的关系可分离为线性响应和非线性响应,其中非线性响应部分占总方差贡献的52.1%,说明我国夏季降水异常分布与东亚夏季风相互之间的关系既有线性特征也有非线性特征,非线性响应略显重要。     

基于降水遥相关型的夏季降水模式预测改进研究

我国月—季降水分布在空间上存在类似于大气环流遥相关的空间遥相关型。本文基于中国近57年夏季降水资料研究了我国夏季降水空间遥相关型的主要空间模态特征及其年代际变化,评估并改进了BCC_CSM模式、ECMWF_SYSTEM4模式以及NCEP_CFSV2模式对中国夏季降水的预测能力。研究结果显示,中国夏季降水实况中存在华北—长江下游、华东—中国中北部、华南—长江流域、西南—东北中部等4类显著的空间遥相关型。动力模式可以预测大尺度的降水分布,而对于不同区域之间降水遥相关这种雨带细节特征的预测能力则较为薄弱,存在着较多虚假相关。为改善模式降水预测技巧,以实况中的降水遥相关型作为约束条件构建了修正方案,以此来修正模式中的降水遥相关型分布。结果显示,经过修正能够有效地改善模式对东北中部、长江下游的预测能力,4年的回报检验结果显示,模式预测的平均距平一致率从47%提高为58%;平均均方根误差从153 mm减小为120 mm;平均趋势异常综合检验（PS）评分从64提高为73。     

吉林省极端降水的变化特征及其与环流异常的关系

本文利用极端降水指数对吉林省1960～2003年日降水量资料进行了分析,同时利用同期北半球NCAR/NCEP再分析月平均表面温度、500hPa高度、1000hPa高度资料分析了极端降水与环流异常的关系。得出吉林省夏季极端降水日数呈弱的减少趋势。夏季极端降水事件典型多年与典型少年,500hPa高度距平场上分布特征相反;1000hPa高度距平场上均以500N为界出现北负南正的分布特征,但前者正距平最大值区位于400N的北太平洋中部,而后者位于400N的亚洲大陆东岸;表面温度距平场上,前者欧亚大陆多为大面积的正距平控制,而后者多负距平控制。     

冬季欧亚海平面气压场主要空间模态的年代际变化特征

 运用非线性主成分分析法对欧亚地区1948-2007年冬季海平面气压距平场进行分析。结果表明：冬季欧亚地区海平面气压异常变率具有显著的非线性特征,当非线性主成分取不同的异常值时,对应的空间气压异常分布型具有显著的非对称性。同时,第一非线性模态（NLPC1）年际振荡强度和周期在20世纪70年代初存在明显的年代际变化,1970年以后,年际振荡强度显著增强。     

冬季欧亚海平面气压场主要空间模态的年代际变化特征

运用非线性主成分分析法对欧亚地区1948-2007年冬季海平面气压距平场进行分析。结果表明：冬季欧亚地区海平面气压异常变率具有显著的非线性特征,当非线性主成分取不同的异常值时,对应的空间气压异常分布型具有显著的非对称性。同时,第一非线性模态（NLPC1）年际振荡强度和周期在20世纪70年代初存在明显的年代际变化,1970年以后,年际振荡强度显著增强。     

The Relationship between Precipitation and Airflow over the Tibetan Plateau in Boreal Summer

Based on the observation data and the reanalysis datasets, the variability and the circulation features influencing precipitation in the Tibetan Plateau (TP) are investigated. Taking into account the effects of topography, surface winds are deconstructed into flow-around and flow-over components relative to the TP. Climatologically, the flow-around component mainly represents cyclonic circulation in the TP during the summer. The transition zone of total precipitation in the summer parallels the convergence belt between the southerlies and the northerlies of the flow-over component. The leading mode of rainfall anomalies in the TP has a meridional dipole structure, and the first principal component (PC1) mainly depicts the variation of rainfall in the southern TP. The wet southern TP experiences strengthened flow-over, which in turn mechanistically favors intensified ascent forced by the flow-over component. In addition, variations in the Indian summer monsoon (ISM) have an important role in influencing the flow over the southern TP, and the ISM ultimately impacts the precipitation over southern TP.     

A STUDY ON THE RELATIONSHIP BETWEEN THE SUMMER PRECIPITATION IN NORTHEAST CHINA AND THE GLOBAL SEA SURFACE TEMPERATURE ANOMALY (SSTA) IN PRECEDING SEASONS

1 INTRODUCTION Chilling damage, flooding and drought in summer are the major climatic disasters inNortheast China. Before the 1980s chilling damage often occurred, and after 1990s flooding and drought disasters were more noticeable in this region. These c…     

东北亚地区初夏、盛夏和传统夏季降水特征及环流型的异同性研究

本文利用1979~2015年GPCP（Global Precipitation Climatology Project）逐月降水资料,采用经验正交函数（EOF）分解和Morlet小波分析方法,对东北亚地区初夏、盛夏和传统夏季降水的时空分布特征以及环流型开展了系统性的研究,揭示了东北亚地区传统夏季降水表现为盛夏降水贡献占主导,其年际和年代际特征以及环流特征同盛夏降水特征相一致,而初夏降水和盛夏降水特征及形成机制则具有显著差异。空间分布上,初夏的降水EOF第一模态表现为“+－+”的三极型分布,而盛夏和传统夏季则表现为南北相反的偶极型特征;时间演变方面,初夏降水表现为5~6 a振荡周期,盛夏为2~3 a为主的振荡周期,传统夏季则兼具上述两类振荡周期;在年代际调整方面,在1990年代末,盛夏降水和传统夏季降水在华北和东北地区发生了显著的年代际转折。此外,分析降水与环流的联系发现:初夏,由于西太平洋上空异常反气旋将西太平洋等地的水汽向北方地区输送,且受欧亚Ⅱ型（EUII）遥相关的作用,东北亚地区初夏降水异常具有明显纬向特征。盛夏,东北亚地区降水主要受到西太平洋副热带高压西伸北进、孟加拉湾和南海等地水汽加强的影响。欧亚Ⅰ型（EUI）遥相关和亚洲太平洋型（EAP）遥相关与我国东北以西和沿海地区的降水具有显著相关性。EU型遥相关的作用使东北亚夏季降水的异常中心存在西北—东南向的波列特征,EAP型遥相关的作用则使夏季降水存在经向三极型或偶极型特征。     

耦合模式FGOALS-s2海洋同化试验模拟的西北太平洋海气相互作用特征

观测发现,西北太平洋区域夏季降水—SST存在显著的负相关,主要是由于El Ni?o衰减年西北太平洋异常反气旋持续至夏季,该过程是检验耦合模式性能的重要参照标准。本文利用中国科学院大气物理研究所近期气候预测系统IAP-DecPreS,通过海洋同化试验、大气模式AMIP试验与观测结果的比较,评估海洋同化试验对西北太平洋夏季局地海气相互作用特征的模拟影响。结果表明,海洋同化试验能够模拟出西北太平洋区域夏季降水—SST负相关,但负相关区域范围偏小。其与观测之间的最大差异出现在8月,西北太平洋负降水异常及异常反气旋位置偏东,强度偏弱。这是由于其模拟的El Ni?o衰减年夏季赤道东印度洋正降水异常偏弱且移动至赤道南侧,对流层增温偏弱,对西太平洋的遥相关作用偏弱。AMIP试验未考虑大气对海洋的反馈作用,不能再现西北太平洋降水—SST负相关,无法模拟出El Ni?o衰减年夏季西北太平洋异常反气旋。研究表明,海洋同化试验对西北太平洋区域局地海气相互作用特征的模拟能力较AMIP试验有所提升,其对8月西北太平洋降水与环流场的模拟偏差与东赤道印度洋降水模拟偏差有关。     

气候变暖背景下我国南方旱涝灾害时空格局变化

我国南方地区各季节降水异常主要包含三种优势模态：长江及其以南地区降水呈整体偏多或偏少的一致型,长江中下游流域与华南呈反相变化的南北反相型以及东南与西南呈反相变化的东西反相型。其中一致型是南方地区各季节降水变率的第一优势模态。总体而言,在1961—2013年南方地区平均降水存在明显的年代际和长期趋势变化。其中,夏季和冬季南方区域平均降水具有相似的年代际变化特征,而秋季降水的年代际演变几乎与上述两个季节的相反。不过,在近30年南方各季降水量发生年代际转折的时间不尽相同：春季和秋季降水分别在21世纪初期和20世纪80年代中后期之后进入干位相,冬季和夏季降水则分别在80年代中期和90年代初期之后进入湿位相。自21世纪初期以来,南方夏季和冬季降水逐渐转入中性位相。此外,南方春季和秋季降水均呈减少趋势;而夏季和冬季则相反,均呈增多趋势。对于西南地区,除了春季外,其他三个季节的降水均呈减少趋势,出现了季节连旱的特征,尤其是秋旱最为严重。不过,不管是季节降水量还是旱/涝日数,在我国南方大部分地区其线性变化趋势并不十分显著,这与南方降水年代际分量对降水变率存在较大贡献相关。分析还发现,我国南方区域洪涝受灾面积具有比较明显的年代际变化,而干旱受灾面积则没有明显的年代际变化特征,近十多年来西南地区干旱和洪涝受灾出现了交替互现的特点。     

Interannual-to-decadal variability of the North Atlantic from an ocean data assimilation system

An ocean analysis, assimilating both surface and subsurface hydrographic temperature data into a global ocean model, has been produced for the period 1958–2000, and used to study the time and space variations of North Atlantic upper ocean heat content (HC). Observational evidence is presented for interannual-to-decadal variability of upper ocean thermal fluctuations in the North Atlantic related to the North Atlantic Oscillation (NAO) variability over the last 40 years. The assimilation scheme used in the ocean analysis is a univariate, variational optimum interpolation of temperature. The first guess is produced by an eddy permitting global ocean general circulation forced by atmospheric reanalysis from the National Center for Environmental Prediction (NCEP). The validation of the ocean analysis has been done through the comparison with objectively analyzed observations and independent data sets. The method is able to compensate for the model systematic error to reproduce a realistic vertical thermal structure of the region and to improve consistently the model estimation of the time variability of the upper ocean temperature. Empirical orthogonal function (EOF) analysis shows that an important mode of variability of the wintertime upper ocean climate over the North Atlantic during the period of study is characterized by a tripole pattern both for SST and upper ocean HC. A similar mode is found for summer HC anomalies but not for summer SST. Over the whole period, HC variations in the subtropics show a general warming trend while the tropical and north eastern part of the basin have an opposite cooling tendency. Superimposed on this linear trend, the HC variability explained by the first EOF both in winter and summer conditions reveals quasi-decadal oscillations correlated with changes in the NAO index. On the other hand, there is no evidence of correlation in time between the NAO index and the upper ocean HC averaged over the whole North Atlantic which exhibits a substantial and monotonic warming trend during the last two decades of the analysis period. The maximum correlation is found between the leading principal component of winter HC anomalies and NAO index at 1 year lag with NAO leading. For SST anomalies significant correlation is found only for winter conditions. In contrast, for HC anomalies high correlations are found also in the summer suggesting that the summer HC keeps a memory of winter conditions.     

西藏夏季降水的季节内变化特征及其影响系统

利用西藏地区1980-2013年夏季降水量资料、NCEP再分析资料等,分析了西藏地区夏季降水主模态季节内变化特征,尤其是盛夏7和8月降水异常对应的大尺度环流特征和影响系统。结果表明:西藏夏季降水存在明显的季节内变化,6和7月降水主模态的时间系数变化具有较好的持续性,而7和8月降水主模态的时间系数的相关关系明显减弱。西藏地区7和8月降水偏多年,西藏地区上游低层纬向风场均呈西风异常,但是水汽来源有差异;同时欧亚中高纬地区对流层中高层环流存在显著差异。西藏7月降水与南亚高压强度存在显著负相关关系,南亚高压偏强/弱时,降水偏少/多。西藏8月降水与南亚高压的位置关系更密切,南亚高压偏南/北,降水偏多/少。