全球对流层顶气压场的季节变化特征分析

利用经验正交函数分解(EOF)方法对1948-2004年全球对流层顶月平均气压场进行分析,讨论57 a来气压场的空间载荷向量场及其对应的标准化时间系数的演变,并且利用小波分析方法分析各个季节对流层顶气压周期变化特征.结果表明:春季和夏季整个时段内全球大部分地区对流层顶气压降低趋势比秋冬季明显,对应对流层顶高度有升高趋势,特别是东亚及北美等地在春季具有对流层顶气压升高的显著趋势,对应对流层顶高度可能降低;对流层顶气压场各个季节的标准化时间系数变化具有多时间尺度特征,在各个季节都有明显的3～5 a的周期振荡,春季还具有明显的准2 a周期特征.     

韶关地区春季降水的时空变化特征

根据韶关地区8个国家气象观测站1965-2011年共47年逐日降水观测资料,采用经验正交函数(EOF)分解和Morlet小波变换方法,分析了韶关地区近47年春季降水变化特征.结果表明,前3个特征向量占总方差的94.38％,基本上反映了韶关地区春季降水空间分布场的主要特征,其中第1模态为总体一致型,第2模态为南-北差异型,第3模态为东南-中-西北差异型.韶关春季降水空间分布可分为3个区即南部区:新丰、翁源;中部区:乳源、曲江、仁化、始兴和南雄;北部区:乐昌,分区略呈西南-东北走向.EOF分解的空间场第1模态时间系数能基本反映原场随时间的演变趋势,其时间系数Morlet小波分析显示韶关地区春季降水年际变化明显,主要存在2～3年的周期振荡.     

韶关地区春季降水的时空变化特征

根据韶关地区8个国家气象观测站1965～2011年共47年逐日降水观测资料,采用经验正交函数(EOF)分解和Morlet小波变换方法,分析了韶关地区近47年春季降水变化特征。结果表明,前3个特征向量占总方差的94.38%,基本上反映了韶关地区春季降水空间分布场的主要特征,其中第1模态为总体一致型,第2模态为南-北差异型,第3模态为东南-中-西北差异型。韶关春季降水空间分布可分为3个区,即南部区:新丰、翁源;中部区:乳源、曲江、仁化、始兴和南雄;北部区:乐昌,分区略呈西南-东北走向。EOF分解的空间场第1模态时间系数能基本反映原场随时间的演变趋势,其时间系数Morlet小波分析显示韶关地区春季降水年际变化明显,主要存在2～3年的周期振荡。     

平流层30 hPa月平均高度场的气候特征

采用经验正交函数分解(EOF)方法对NCEP／NCAR全球再分析资料中1958—1997年共40年,30hPa月平均高度和月平均风场进行了分析,讨论了40年平流层的主要特征向量和相应时间系数的变化特征,发现高度场的EOF第一模态具有很好的空间整体性和明显的季节变化。在平流层中,北半球冬季为一较大的环极冷低压,夏季为一以整个半球为规模的环极暖高压。并以1月和7月代表冬、夏季,选取1月和7月的40年资料作为时间序列,用EOF分析了冬、夏季不同的空问振荡型的特征,运用小波分析方法考察了其年际及年代际变化周期。并据此定义了不同的振荡型指数,为以后分析平流层要素场与气候变化的关系奠定了基础。     

全球对流层顶高度的空间演变规律研究

利用1979—2010年ECMWF提供的月平均温度资料,选取热力学对流层顶定义,应用滑动的EOF分析方法研究了全球对流层顶高度的空间模态随时间的变化趋势。结果表明:①从1979—2010年,冬夏半年对流层顶高度场的第一空间模态均呈显著的纬向分布型。②夏半年两半球呈现出"-+"的纬向分布结构。冬半年南半球维持"+-"的纬向分布,北半球则在"+-+"和"+-"结构之间交替。③两半球副热带地区的分布差异较大,在两半球各自的夏半年副热带为正值区,而冬半年则为强负值区。副热带地区异常的空间分布对应于对流层顶断裂带的位置。     

1979-2008年华北地区对流层顶高度变化特征

利用1979-2008年华北地区12个测站逐日对流层顶探空资料,运用统计学方法对该地区不同类别对流层顶发生及其高度的季节特征进行探讨,并采用线性趋势、小波分析和EOF分解等方法对其高度变化等气候特征进行分析,揭示了该地区对流层顶的季节特征及其高度变化的基本事实和规律.结果表明:华北地区第一对流层顶冬季出现多,夏季少,近...     

我国前冬和后冬气温年际变化的特征与联系

基于我国160个台站观测的月平均地面气温资料,通过考察冬季各月气温之间的联系将11月和12月划分为前冬,次年的1月至3月划分为后冬,并利用160站资料和NCEP/NCAR再分析资料,通过经验正交函数 （EOF,empirical orthogonal function）分解和依赖于季节的EOF（SEOF,season-reliant EOF）分解对近62年来我国前冬和后冬气温各自的年际变化特征、它们之间的联系以及对应的大气环流进行了分析。结果表明,我国前冬和后冬气温年际变化的前两个EOF模态在空间上均表现为全国一致的变化和南北相反的变化;其时间系数的分布表明,当前冬出现全国性偏暖（冷）或北冷（暖）南暖（冷）的气温异常时,后冬出现类似气温异常和相反气温异常的概率均在50%左右。进一步,通过SEOF分解得到了年际变化时间尺度上我国冬季气温演变的两个主要模态。第一模态（SEOF1）为前冬到后冬同相演变型,即前冬全国一致偏暖（冷）时后冬亦全国一致偏暖（冷）,该模态在20世纪80年代中期有明显的年代际增暖;第二模态（SEOF2）表现为前冬到后冬反相演变型,即前冬全国一致偏冷（暖）而后冬全国一致偏暖（冷）,该模态以年际变化为主。对环流场的分析表明,中纬度大气过程特别是大气遥相关型的变化是同向和反向两种演变模态产生的主要原因。SEOF1的环流表现为对流层中层斯堪的纳维亚遥相关型在整个冬季的持续性同号异常,与此相伴的海陆气压差强度和东亚高空急流强度的变化使得前、后冬中的东亚冬季风环流呈一致加强或减弱,从而引起同相演变模态。SEOF2的环流在前冬表现为欧亚遥相关型的特征,整个对流层的变化都很显著,而后冬的环流信号主要在对流层中低层显著,此时表现为类似斯堪的纳维亚遥相关型的特征且符号发生了反转,从而引起反相演变模态。     

四川盆地气温的时空分布变化分析

本文利用正交分解(EOF)方法,对四川盆地气温的时空分布进行研究分析,识别出了盆地气温的主要空间型和时间演变特征.在春夏秋冬不同季节,四川盆地气温场呈一致性的正值,反映四川盆地气温大范围位相一致的变化,表现为全盆地性冷(暖),并且气温场在不同的季节,其分布特征具有较大的相似性和稳定性.从第一特征向量场对应时间系数演变过程来看,冬、夏两季的波动范围较春、秋两季的波动范围小;从第一时间系数年际变化分析,除盆地夏季平均气温没有明显变化外,冬、春、秋季的气温从20世纪90年代后期均持续表现为上升趋势,出现明显的气候变暖突变.冬季与秋季的气温分布及春季与秋季的气温分布具有较为显著的正相关关系.     

近51年我国对流层顶高度的变化特征

利用NCEP/NCAR的对流层顶气压多年月平均和逐月平均再分析资料,运用EOF和REOF方法对近51年中国对流层顶高度的空间分布和时间演变特征进行了详细分析。结果表明,中国地区热带对流层顶(第二对流层顶)和极地对流层顶(第一对流层顶)的边界线,2月最南,8月最北,较高的热带对流层顶从2月开始,逐渐北进,8月到达最北界(44°N附近),然后开始南退,2月其北界处于最南端,在29°～30°N附近;我国29°～44°N之间的中纬度地区,对流层顶高度的年变化幅度较大;对流层顶高度场有三种主要的模态:第一种为全区一致的偏高(偏低)型;第二种为南高(低)北低(高)的南北相反分布型;第三种为南北地区-中部地区相反分布型。对对流层顶高度场进行REOF分解可将中国地区分为6个气候分区,即华南区、新疆区、东北区、华北区、长江流域区和青藏高原区,各区对流层顶高度最大值一般都出现在夏季,最小值出现在冬季,只有华南区的最大值出现在春季,最小值出现在夏季。中国地区对流层顶高度的年际变化和长期趋势具有十分明显的区域性。     

近百年北半球冬季海平面气压场与冬季气温的多时间尺度相关

用１８８４～１９９４年资料研究了北半球冬季海平面气压距平场的时空结构及其与北半球冬季气温的相关关系。指出,近百年北半球冬季大尺度海平面气压场表现为４个基本模态。研究了这些模态的空间环流结构和时间演变特征（长期趋势、突变及阶段性）。指出,反映北半球阿留申低压强度的冬季海平面气压距平场的第二特征模态,在年际,年代际变化关系上与北半球的平均气温关系是非常密切的。     

PRELIMINARY RESEARCH OF THE PACIFIC-INDIAN OCEAN SSTA MODE AND DEFINITION OF ITS INDEX

Applying the empirical orthogonal function (EOF) analysis to the sea surface temperature (SST) field of the tropical Pacific and Indian Oceans for determination of the first eigenvector field, the current work reveals that there are significant zonal gradients of SST in all seasons of the year in the northwestern and eastern Indian Ocean and equatorial central and eastern Pacific and western Pacific. It is also found that the variance contribution rates of the first EOF mode of every season is more than 33%. This shows that this kind of spatial distribution of the SST is stable. This pattern is named Pacific-Indian Oceans SSTA mode. Through careful analysis and comparison, an index of the mode was defined.     

夏季纬向平均气流变动的主要模态及其与AO和ENSO的联系

使用NCEP-NCAR月平均再分析资料,研究了夏季纬向平均气流变动的主要模态及其与北极涛动(AO)和ENSO的联系,探讨了夏季[u]主要模态维持的可能机制。结果表明,北半球夏季纬向平均[u]的异常分布表现为两个主要模态。EOF1反映了与AO相对应的纬向平均[u]的分布,EOF2反映了与ENSO相对应的纬向平均[u]的分布。周期分析显示了EOF1、EOF2分别具有与AO及ENSO相似的周期。滞后相关分析表明,除了夏季之外的其他季节EOF1与ENSO存在显著相关,而EOF2与AO亦存在显著相关。夏季,EOF1与ENSO、EOF2与AO的同期相关量值小且不显著。这些说明,北半球夏季纬向平均气流变化的主要模态可以有效分离,其分别代表了AO和ENSO有关的信号。这对于更好地理解AO和ENSO的全球影响具有重要意义。利用准地转无加速定理,发现EOF1和EOF2对应的时间系数高低值年的E-P通量散度的合成差值场分别与纬向平均[u]的EOF1、EOF2分布表现出很好的对应关系,其中行星波对纬向平均气流主要模态的维持起着主要作用。余差环流与E-P通量散度分布型相似,量值相当,但符号相反。在一些地区,大气涡动的摩擦耗散也起着一定的作用。这些平衡了波动的能量输送作用,使纬向平均[u]的结构得以维持。     

西北太平洋区域纬向风垂直切变的气候特征研究

西北太平洋区域纬向风垂直切变的变化是影响西北太平洋热带气旋生成和发展的一个重要的动力因子,弱的纬向风切变有利于热带气旋的发生、发展。文中将西北太平洋区域纬向风垂直切变幅度(MWS)定义为850与200 hPa的纬向风之差的绝对值,以研究MWS的气候特征。结果表明,西北太平洋区域的MWS有两个主要空间模态,第1空间模态表现为在15°N以南的热带西太平洋存在MWS东西向变化相反的两个区域,20°N附近的热带西太平洋MWS的变化与其以北海区的MWS的变化相反。第2空间模态表现为在热带太平洋140°E东、西的变化相反。研究了两个模态相关的大气环流特征,发现去掉强ENSO信号后,第1模态不但与低纬度大气环流有关,而且还与南、北半球中高纬度的大气环流有关,第2模态主要与热带西太平洋和北太平洋局地大气环流有关。另外,第1模态的时间系数与赤道东太平洋海温、西北太平洋台风生成频次有着密切联系;第2模态时间系数与西北太平洋台风活动频次联系密切。     

夏季东亚季风区500 hPa月环流异常及与我国降水关系的向量EOF分析

利用NCEP/NCAR1980～1997年夏季月平均风场及同时期我国160个测站月平均降水资料，讨论了运用向量经验正交展开(EOF)方法得到的流场月距平主要模态的时空变化特征。分析了主要模态与中国夏季降水(雨型)的相关分布，指出EOFl及EOF2模态与中国夏季降水最主要分布型式有很好的对应关系。用小波变换方法对主要模态的时间系数进行了分析，揭示了各模态的多时间尺度性质，发现3～6年周期振荡是主要的。     

1979-2008年华北地区对流层顶高度变化特征

利用1979—2008年华北地区12个测站逐日对流层顶探空资料,运用统计学方法对该地区不同类别对流层顶发生及其高度的季节特征进行探讨,并采用线性趋势、小波分析和EOF分解等方法对其高度变化等气候特征进行分析,揭示了该地区对流层顶的季节特征及其高度变化的基本事实和规律。结果表明：华北地区第一对流层顶冬季出现多,夏季少,近30a来呈减少趋势,第二对流层顶夏季出现多,冬季少,近30a来呈增加趋势;全年均出现复合对流层顶,且在季节转换时期出现频率较高;第一对流层顶高度年变程呈双峰型,夏季高,冬季低,第二对流层顶高度年变程呈单谷型,冬季高,夏季低,春、秋季介于两者之间;两类对流层顶高度变化均存在5-6a的周期,第二对流层顶相比具有更多时间尺度周期变化。近30a间华北地区第一、第二对流层顶年平均高度变化均呈升高趋势,且与其上下层间平均温度有关。     

NCEP/NCAR再分析风速、表面气温距平在中国区域气候变化研究中的可信度分析

采用计算标准化均方根误差、相关分析和EOF分解等多种客观分析统计方法,对NCEP/NCAR再分析风速、表面气温距平在中国区域的可信度进行了研究,结果表明中国东部不同要素距平的标准化均方根误差均比西部地区的小,说明NCEP/NCAR再分析资料的可信度东部比西部要高,可能是受到模式地形和中国地面气象站点“东密西疏”分布格局的较大影响。随着高度升高,NCEP再分析风速距平的误差减小,进一步表明地形对NCEP再分析资料的可信度具有较大影响。另外,冬季再分析风速误差较大的特点在850,500和200 hPa等压面上均存在,表明冬季再分析风速距平的可信度受到再分析模式系统误差的较大影响。相关分析结果和标准化均方根误差计算结果之间具有很好的反向对应关系,即均方根误差大,NCEP再分析资料与实测资料的相关性就差,均方根误差小,则对应两者之间的相关性就较好。标准化均方根误差较小的要素,其NCEP再分析和站点实测资料距平EOF分解得到的特征向量空间分布较为相似,各特征向量对应时间系数的相关性也比较好;反之,标准化均方根误差大的要素,其NCEP再分析和站点实测资料距平EOF分解得到的特征向量空间分布则相差较大,对应时间系数的相关性也比较差,因此采用EOF分解方法,分析对应特征向量空间分布相似性及其时间系数变化的一致性,可以对NCEP再分析资料的可信度有一个更加客观的认识。综合上述各季节、各要素多种方法的分析结果,可以发现NCEP再分析风速距平在春、夏、秋季具有一定的可信度,但冬季的可信度较差;表面气温距平则是冬季的可信度最好,夏季的可信度较差。     

中国东北地区冬季气温趋势及反相模态分析

利用1951—2010年我国东北地区共97个台站的逐月气温资料,应用trend-EOF和EOF分析方法研究了我国东北地区冬季气温的趋势模态和反相模态及其影响因子。trend-EOF的结果表明,东北地区均为一致型的趋势变化,trend-PC1有明显的年代际周期变化和更长期的上升趋势变化特征。去除全球变暖信号后的EOF分析结果表明:第一模态仍为全区一致型的空间分布,而第二模态的空间分布呈现南北反相型的分布特征,是东北冬季气温变化模态中极为重要的一部分,对应的时间序列有明显的年际周期变化,前两个模态可以解释总方差80%以上的变化。东北地区全区一致的上升趋势是在全球变暖大背景下发生的,既是对全球变暖的局地响应,同时全球变暖也使大气环流发生了变化,西伯利亚高压减弱,纬向环流增强,导致了东北地区冬季气温全区的上升趋势。赤道东太平洋的异常海温对第二模态的出现具有一定的预示意义,当太平洋出现典型的厄尔尼诺年海温距平场分布特征时,东北南部较常年偏暖,北部地区却较常年偏冷。     

近40年来东亚冬季风的年代际时空变化趋势

利用经验正交函数－奇异值分解（EOF－SVD）综合分析方法和1961～2000年NCEP/NCAR月平均再分析资料对近40年来东亚冬季风和冬季表面气温的年代际变化特征及其相关关系进行了分析。研究结果表明, EOF得到的冬季海平面气压场主成分空间结构（第一特征向量）及其时间系数可以较好地反映出东亚冬季风的变化, 而且可以同时得到东亚冬季风强度和南扩程度的变化, 具有一定的优越性。通过对冬季海平面气压和表面气温年代际分量的EOF－SVD综合分析, 发现了东亚冬季风强度减弱、南扩加强的年代际变化趋势, 冬季表面气温则表现出中高纬地区海陆热力差异减弱、低纬地区海陆热力差异加强的年代际变化特征, 两者之间存在很好的对应关系。另外, 大陆冬季表面气温与海平面气压的年代际对应关系比海洋的更加显著, 表明对温室效应的区域气候响应与东亚冬季风的年代际变化之间可能存在较为密切的联系。