（自然地理学专业论文）东北地区气候对厄尔尼诺响应的时空分析.pdf

摘要 本研究应用1 9 5 1 2 0 0 2 年共5 2 年的东北地区8 2 个地面站夏季温度、冬季温度 和汛期( 6 9 月) 降水资料及美国国家环境预报中心( n c e p ) 提供的1 9 5 1 2 0 0 2 年n i n 0 3 区海表逐月温度( s e as u r f a c et e m p e r a t u r e ) 距乎，利用m a t l a b f i 5 、 a r c g i s 9 0 、s u f e r 等软件，采取经验正交函数分解的方法，分析了东北地区夏季 温度、冬季温度和汛期降水在厄尔尼诺事件发生前后变化情况的时空分布规律。 通过对原始气象数据的分解，本文 ! 导出以下结论： 1 西北部大兴安岭地区、东南部长白山地区在厄尔尼诺事件发生当年夏季温 度偏低幅度最大，次年夏季温度偏高幅度最大，为厄尔尼诺事件发生前后夏季温 度典型敏感区，全区表现为由低纬向高纬温度变率逐渐增强的趋势。 2 辽宁南部地区在厄尔尼诺事件发生当年冬季温度偏低幅度最大，次年冬季 温度偏高幅度最大，为厄尔尼诺影事件发生前后冬季温度典型脆弱区，全区表现 为由低纬向高纬温度变率逐渐减弱的趋势 3 西南一东北向狭长平原区厄尔尼诺事件发生当年降水增幅最大，次年降水 减幅最大，为厄尔尼诺事件发生前后汛期降水典型脆弱区，全区表现为由中部平 原区向两侧山地区汛期降水笺率逐渐碱弱的趋辨 关键词：东北地区；经验正交函数分解：厄尔尼诺；时空分析 a b s t r a c t b yu s i n gt h em o n t h l ya v e r a g e dn c e pr e a n a i y s i s d a t ao fs e as u r f a c e t e m p e r a t u r eo fn i n e 3a n dt h ed a t ao fs u m m e rt e m p e r a t u r e ，w i n t e rt e r n p e m t u r ea n d p r e c i p i t a t i o nd u d n g f l o o dp e r i o di n8 3m e t e o r o l o g i c a ls t a t i o n si nn o r t h e a s t e r nc h i n a f r o m 1 9 5 1t o2 0 0 2 ，a p p l i c a t i o no fe m p i r i c a lo r t h o g o n a if u n c t i o nr e s o l u t i o n ，b y s o f t w a r ea sm a t l a b 6 5 、a r e g i s 9 0 、s u r f e r ，t h i sp a p e ra n a l y z et h es p a t i a la n dt e m p o r a l d i s t r i b u t i o nc h a r a c t e ro fs u m m e rt e m p e r a t u r e ，w i n t e rt e m p e r a t u r ea n dp r e c i p i t a t i o n d u r i n gf l o o dp e r i o dc h a n g ei nn o r t h e a s t e r nc h i n aw h e n o c c u r r e n c ea n de v o l u t i o no f e i n i n o b a s e do n a n a l y s i n gm e t e o r o l o g i c a ld a m ，t h ef o l l o w i n gr e s u l t sc a nb e e o n c l u d e a l ： 1 d a x i n g a n l i n ga r e ai nn o r t h w e s t e ms t u d yr e g i o na n dc h a n g b a im o u n t a i n si n s o u t he a s t e r ns t u d yr e g i o ns h o wt h em a x i m u mr a n g el o wt e m p e r a t u r et h a no t h e r r e g i o ni nt h es u m m e ro ft h ey e a r se ln i n ee v e n t sh a p p e n e d , w h i l et h em a x i m u m r a n g eh i g hi nt h es e c o n dy e a r s ，a st h es e n s i t i v et y p i c a lr e g i o ni ne l n i n oe v e n t s i t s h o w s s t r o n g e rg r a d u a l l yf r o ms o u t h w a r dt on o r t h w a r do v e re n t i r er c g i o n 2 t h es o u t h e r na l e a so fl i a o n i n gp r o v i n c es h o w st h em 缸i m u mr a n g el o w t e m p e r a t u r e t h a no t h e rr e g i o ni nt h ew i n t e ro ft h ey e a r se ln i n oe v e n t s h a p p e n e d ，w h i l et h em a x i m u mr a n g eh i g ht e m p e r a t u r ei nt h es e c o n dy e a r s ，a st h e s e n s i t i v et y p i lr e g i o ni ne ln i n ee v e n t s i ts h o w sw e a k e ng r a d u a l l yf r o m s o u t h w a r dt on o n h w a r do v e re n t i r er e g i o n 3 t h en a r r o wp l a i nf r o ms o u t h w e s tt on o r t h e a s ts h o w st h em a x i m u mr a n g e e x c e s s i v ei n c r e a s er a t eo fp r e c i p i t a t i o nd u r i n gf l o o dp e r i o d t h a no t h e r so ft h ey e a r s e ln m oe v e n t sh a p p e n e d , w h i l et h em a x i m u mr a n g el i t t l ei nt h es e c o n dy e a r s 。a st h e s e n s i t i v et y p i c a lr e g i o ni ne ln i n ee v e n t s i ts h o w sw e a k e n sg r a d u a l l yf r o mn a r r o w p l a i nt om o u n t a i nl a n do v e re n t i r er e g i o n ， k e y w o r d s ：n o r t h e a s t e r nc h i n a ；e o f ；e ln i n e ；e m p o r a ia n ds p a t i a la n a l y s i s n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果也 不包含为获得东北师范大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：日期： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解东北师范大学有关保留、使用学位论 文的规定，即：东北师范大学有权保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权东 北师范大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：丞l 连 指导教师签名：兰垒乞 日期： 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 日期： 电话： 邮编： 第一章前言 近年来，各研究机构和媒体越来越关注“厄尔尼诺”这个气候名词，因为众 多气候现象与灾难都被归结到厄尔尼诺的肆虐上，例如印尼的森林大火、巴西的 暴雨、北美的洪水及暴雪、非洲的干旱等等。“厄尔尼诺”( e ln i n o ) ，气象学 中使用起源于秘鲁和厄瓜多尔，每年从圣诞节起，秘鲁和厄瓜多尔沿岸海水都会 发生季节性的水温升高现象，次年3 月以后，暖流逐渐消失，水温逐渐变冷。当 地渔民称这种异常现象为“厄尔尼诺”。这种现象已有几千年的历史，但直到1 9 世纪初才开始有这方面的记载。后来，“厄尔尼诺”一词就被气象和海洋学家用 来专门指那些发生在赤道太平洋东部和中部，主要是南美溯赤道附近幅度数千公 里的海水带的异常增温现象。 在2 0 世纪6 0 年代，很多科学家都认为“厄尔尼诺”是区域性问题，它主要 影响太平洋东部的南美沿海地区和太平洋中部的澳大利亚浅海地区。然而2 0 世 纪8 0 年代以后，通过气象卫星的观测发现，“厄尔尼诺”在很多地方都出现， 现在定义为在全球范围内，海洋和大气相互作用下造成的气候异常。通过洋流或 者大气环流的作用，厄尔尼诺会影响到中高纬度地区，甚至给全球气候带来异常。 由于海水表面温度平均每升高l ，就会使海水上空的大气温度升高6 ，造成 大气环流异常，从而严重地影响世界各地的气候。所以每当厄尔尼诺现象发生时， 世界上很多地方都会发生诸如冷夏、暖冬，干旱、暴雨等异常气候。例如，厄尔 尼诺还常常引起非洲东南部和巴西东北部的干旱以及加拿大西部和美国北部冬 天变暖、美国南部冬季暖湿多雨；它对日本及我国东北的夏季低温还有两国的降 水等也有一定的相关性。此外，厄尔尼诺常常抑制西太平洋和北大西洋热带风暴 生成，但会使得东北太平洋飓风增加。 由于厄尔尼诺的影响非常大，因此对厄尔尼诺事件的研究是十分必要而有意 义白弓。在厄尔尼诺事件对全球范围气候影响上，学者们做了很多工作，研究区域 各不相同，而研究的方法日臻完善。 1 1 厄尔尼诺事件对区域气候影响的研究进展 2 0 世纪6 0 年代，挪威气象学家b j e r k n e s 首先提出了大气和海洋相互耦合的观 点，这一开创性的工作使热带海气相互作用的研究成为近代气候学研究的一个重 要领域。8 0 年代初以后，人们开始把厄尔尼诺和南方涛动和称为“e n s o ”，并对 其开展了深入的研究。研究表明，“e n s o ”信号不仅存在于热带的海面温度、气 压、风和云量等要素场中，而且在世界许多地区的大气环流和气候的年际变化中 都有较清楚地反映例如：热带太平洋一大气系统存在卜分明显的3 4 年的甚低频 震荡，西太平洋副热带高气压强度变化以及长江流域梅雨等，都与“e n s o ”信 号紧密相连。 在我国，大规模研究厄尔尼诺事件对我国气候所造成的影响始于2 0 世纪8 0 年代初期。学者做厄尔尼诺事件对区域气候的影响的方法很多，但是大多数著作 并不是单纯的采用一种方法，而是多种方法的交叉使用，归纳起来主要有以下几 种： 距平法i ”l 。张丽娟，郑红等在研究厄尔尼诺事件对黑龙江省春夏季降水的 影响时，采用的是距平法，首先求出3 0 年降水的距平值和降水距平百分率，继而 求得厄尔尼诺年及前一年降水异常出现的概率和降水异常幅度，在此基础上，分 析厄尔尼诺年南方涛动与副高的相互作用对黑龙江省各个季节降水的影响，得出 厄尔尼诺事件发生的当年及其前一年黑龙江省以春季4 6 月份少雨干旱与夏秋 季7 、8 月份多雨洪涝为其主要趋势，在厄尔尼诺年的后年春季4 6 月与秋季8 、 9 月份基本为少内十旱的趋势；刘永强，丁一汇等利用我国1 6 0 个气象站降水和温 度的观测资料，计算出厄尔尼诺事件发生当年和次年季节降水和温度的距平百分 率，并且绘制出降水和温度异常相对百分率图，将我国划分为8 个区，得出厄尔 尼诺年降水和温度异常型。 合成分析法1 4 - 8 1 。合成分析法主要针对多个测站不同年代同一季节的气候 变量，根据它们在厄尔尼诺年的不同反应，通过合成分析的方法将它们综合在一 张图上，从而来分析此时期该变量在研究区的变化规律。张丽娟等在研究e n s o 事件对我国季节降水和温度的影响时，求出了不同季节降水及温度异常的相对百 分率，并且对厄尔尼诺事件当年和次年我国季节降水和温度异常进行了合成分析 和信度检验。结襄衷n 目：厄尔尼诺当年我国以少雨、低温为宅，次年则栩反。降 水和温度异常季节变化也基本呈相反趋势；长江中f 游地区显著降水异常并不发 生在夏季，而在厄尔尼诺当年秋季至次年春季，在此基础上指出我国季节降水和 温度异常是许多因f 共同作用的结果，只有当厄尔尼诺样本足够多时，爿能较好 地区分出厄尔尼诺的影响。因此，采用更长厄尔尼诺序列及相应的我国降水和温 度资料是增加结果叮信度的途径之一。此外，钱步东等均在对气候变量求距平值 的基础i - ，采用合成分析的方法探讨了厄尔尼诺事件- b 我国气候异常的关系。 聚类分析法1 91 0 l 。聚类分析法是多元统计理论进行分类的一种方法，由于 它能解决很多实际| 口j 题，因而引起了人们的重视，目前已在生物、地质、图象识 别、电子工程等领域中得到广泛应用，许力，施能应用聚类分析中的k - 均值法对 对中国东部1 2 7 站4 7 年夏季的降水距平百分率数据进行客观分类，分析了我国东 部夏季e 要雨型的字间和时间特征，得到三类雨型，三类雨型的雨带的地理位霄 更加清楚，多雨、少阿范围及中心的分布亦明确，王种不同的雨型之问的笔异更 加明显，特征更加突出，在此基础上，运用合成法探讨了秋冬出现厄尔尼诺事件 当年和次年我国夏季( 6 8 月) 的降水分布和冷暖情况。 经验正交函数分解1 1 1 7 1 。此方法能够清晰的表达出一个气候场时间上的演 变规律与小片空间区域与空间整体之间的关系，潘华盛等利用经验正交函数分解 法将太平洋海温距平场经纬网格2 8 6 个点共3 8 年4 5 6 个月逐月进行e o f 展开，取第 一特征向场l 1 2 月平均距平。在此基础上，定义了厄尔尼诺指数，根据厄尔尼 诺指数的大小，将厄尔尼诺事件的强弱进行了划分，进而讨论了厄尔尼诺事件与 黑龙江省夏季及秋冬持续低温的关系。另外，魏风英采用1 0 。s 1 0 。n 范围内 5 0 x 5 0 网格共9 8 点，时间为1 9 5 l 1 9 s 6 年赤道太平洋月平均海表温度资料及非均 匀分布在全国范围内1 6 0 个测站的汛期降水资料，首先对降距平百分率，然后求 得整个汛期( 4 9 月) 降水距平百分率的平均值，对赤道太平洋海表温度资料，求 出各季的距平平均值。这种方案实际上就是考虑一年海表温度异常对当年我国汛 期降水的影响。在此基础上，对汛期降水进行旋转正交经验分解，得到我国汛期 降水的几种典型结构，从而探讨了赤道东太平洋海表温度异常与我国黄河流域中 部、长江下游及以南地区的关系，得出厄尔尼诺开始的经度位置对厄尔尼诺年后 一年我国黄河流域中部、长江下游及以南地区降水有很重要的关系。此外，魏凤 英。张先恭在对我国东部2 5 个站1 9 5 l 1 9 9 1 年6 8 月降水距平百分率、1 8 5 0 1 9 9 1 年和1 4 7 0 1 9 9 1 年汛期早涝等级百分率作e o f 分解的基础上，对近4 0 9 、近 1 0 0 年和近5 0 0 年各类厄尔尼诺当年和次年的前5 个特征向量的时间系数作平均， 并乘以各自的特征向量，从而合成出不同形成过程、不同爆发季节和不同强度厄 尔尼诺事件当年和次年中国东部讯期降水异常的分布j 其他方法【1 嘲。近年来，也有很多学者利用奇异值分解( s v d ) 的方法， 探讨两个不同的场，比较多见的就是海表温度场与某个区域的气候要素场之阃的 相互关系。此外，在这个领域还有很多学者使用谱分析法，通过求离散功率谱或 连续功率潜的方法来得到气候要素的变化规律，还有小波分析的方法，这里不做 过多的介绍 然而，由于不同学者在研究厄尔尼诺现象时所选的地区和月份不同，造成人 们对厄尔尼诺现象缺乏统一、客观、定量的标准，从而导致对厄尔尼诺事件的划 分没有一个统一的结论。在探讨厄尔尼诺对我国气候的影响中，由于所用的厄尔 尼诺指标的不同，其结果也有差异，有的甚至发生矛盾。 在研究厄尔尼诺事件与我国汛期降水关系时，史久恩i z 3 l 等的统计结果指出： 在厄尔尼诺当年，长江流域讯期降水偏少，南北方偏多；赵汉光l 驯等认为，秋冬 季开始出现明显增晚的厄尔尼诺事件无论其当年或次年长江流域梅雨均以偏少 为主；而魏风英计算过赤道太平洋海温与全国1 6 0 个站讯期降水的相关性，指出 超出信度的相关系数主要集中在华北地区；张雪刚【矧等从我国各地降水资料的实 3 际出发利用4 8 个测站尽町能长年代的降水资料和2 0 世纪5 0 年代以来的厄尔尼 诺事件和反厄尔尼诺事件，分析了厄尔尼诺现象对我国夏季降水的影响，结果表 明在厄尔尼诺不同位相时，相同月份降水的分布情况不同，在同一位相下，每个月 的降水分布也存在很大差异，各个月与整个夏季降水存在不同程度的差别：孔春 燕【硼分析了厄尔尼诺对中国东部地区降水的影响认为，不同气候背景以及分类对 应的不同厄尔尼诺类型对中国东部地区降水是不同的，但是对长江中下游及江淮 地区的降水是一致的，一般偏少。 1 2 本文研究意义与目标 厄尔尼诺事件发生前后，全世界的气候发生异常，我国也不例外。首先是台 风减少，厄尔尼诺发生后，西北太平洋热带风暴的产生个数及在我国沿海登陆个 数均较正常年份少；其次是我国北方夏季易发生温度异常闭j ，通常在厄尔尼诺事 件发生的当年，我国的夏季风较弱，季风雨带偏南，位于我国中部或长江以南地 区，我国北方地区夏季往往容易出现温度异常；第三是我国南方易发生低温、洪 澍2 ”4 l ，在厄尔尼诺现象发生后的次年，在我国南方，包括长江流域和江南地区， 容易出现洪涝，近百年来发生在我国的严重洪水，如1 9 3 1 年、1 9 5 4 年和1 9 9 8 年， 都发生在厄尔尼诺年的次年；最后，在厄尔尼诺现象发生后的冬季，我国北方地 区容易出现暖冬。 根据近5 0 年的气象资料，厄尔尼诺事件发生后，我国当年冬季温度偏高的几 率较大，第二年我国南部地区夏季降水容易偏多，而北方地区往往出现大范围干 旱。厄尔尼诺对我国气候的影响研究主要集中在旱涝和低温冷害两方面，主要表 现在长江中下游地区薛末复初降水偏少。东北地区夏季低温冷害和我国部分地 区冬季偏暖等，钱步东例研究r 我国汛期降水与厄尔尼诺不同位相的联系，根据 对长年代降水资料所作的统计分析，厄尔尼诺与我国各地汛期降水的分布存在一 定的联系，但多数地区在统计意义上并不十分显著。这也说明厄尔尼诺并不是决 定我国各地汛期降水的唯一因素，因而其问的联系并非简单明确的对应关系，造 成统计显著性较差。另一方面，虽然我国较多地区厄尔尼诺冷暖位相时期汛期降 水与其他年份没有统计意义上的显著差异，但大范围的降水距平百分率的分布特 征说明厄尔尼诺与我国汛期降水的分布有明确的联系。这种联系与厄尔尼诺冷暖 位相时期赤道东太平洋海温异常对两太平洋副热带高压的影响及其时间滞后性 有关。基于海温异常、区域暴阿等方面脚3 7 1 许多学者也作了很有意义的研究工 作。 虽然过去从整体七分析中陶复季降水和温度异常特征的工作已经有过不少。 用更为完备的资料特殊关注某b 域旱涝和温度的研究也有所1 3 8 - 4 0 l 开展。但相 比之下，详细探讨中国东北地区汛期降水及各个季节温度异常的气候分析并不是 很多，甚至还有一些相悖的结论。 本文通过对1 9 5 1 2 0 0 0 年以来发生的厄尔尼诺事件以及n i n 0 3 区的海水温 度距平值，结合东北地区时间序列较长的气象观测站数据，合成分析出厄尔尼诺 事件以及不同强度的厄尔尼诺事件与东北地区气候的相关性，探讨东北地区夏季 温度、冬季温度、汛期降水异常情况与厄尔尼诺事件的关系；在此基础上，选取 均匀分布的气象站观测数据，通过自然正交经验函数分解，对整个东北地区进行 空问分析，得出响应程度不同的空间分布型式，对于东北地区预防夏季低温冷害、 汛期暴雨等具有很大的实际意义。 第二章研究区概况与研究方法 2 1 研究区概况 东北地区包括辽宁、吉林、黑龙江三省和内蒙古自治区东部的三市一盟，位 于世界最大的大陆欧亚大陆的东部，世界最大的大洋太平洋西岸，是世界最典型 的季风气候区，特殊的位置也决定了受厄尔尼诺的影响比较大。东北地区幅员辽 阔，土地面积占全国的8 3 ，南北和东西相差约1 5 个纬度和经度，因此气候及其 变化的差异较大，是典型的“气候脆弱区”。 本研究区气候的基本特征是，具有寒冷而漫长的冬季，温暖而短促的夏季， 有可靠的一年一熟的农业生长季节和降水量。冬季在蒙古高压的影响下，盛行寒 冷干燥的西北风，很多地方冬季长达半年以上，地表积雪最后可达5 0 e r a ，雪盖 次年融化，可补偿春季水分之不足。夏季，本区位于印度低压的东北部。受西太 平洋副热带高压的影响，夏季风盛行。本区是南北气流交汇的地区，气旋活动频 繁，降水丰富，汛期降水可占全年的5 0 7 0 9 6 ，其集中程度从东南向西北逐渐 增大。本区夏季短促，7 、8 月份平均温度可达2 0 以上。 本研究区的人均占有粮食居全国各大区之首位，也是唯一能调出大量商品粮 的地区，因此东北地区农业地位，尤其粮食生产地位十分重要，可以说东北粮食 生产的兴衰影响着中国粮食供应安全的命运。但东北地区农业生产受旱、涝、低 温冷害等自然灾害的影响，粮食生产年际波动较大。东北地区热量条件年际间变 化较大，低温年常发生农作物冷害，这种低温冷害的机率很大，平均每3 4 年就 出现一次，严重的冷害7 8 年一次。热量条件的波动造成的低温冷害以及春旱和 夏季暴雨是东北地区农业产量不稳的重要原因，因此研究并且正确预测东北地区 的自然灾害，对发展东北地区粮食基地，保证国家粮食安全，具有深远的战略意 义。 2 2 数据选取与研究方法 2 2 1 数据选取 “厄尔尼诺”指那些发生在赤道太平洋东部和中部，主要是南美洲赤道附 近( 约5 。n 5 。s ，1 5 0 。霄9 0 。e 之间) 幅度数千公里的海水带的异常增温现 象，通常通过赤道东太平洋的区域平均s s t 指数变化来判定e 1n i n o 的发生与结 束，主要用n i n 0 3 区的海表温度持续异常来确定，最近也有一些学者用其他海区 的海表温度持续异常变化来确定，如n i n 0 3 4 区等。 本文采用n i n 0 3 区的s s t 指数标准来判定e 1n i n o 事件，当月平均海温正距 平值大于或等于0 5 0 c 持续6 个月以上，则定义为一次厄尔尼诺事件，海温正距 平首次出现大于0 5 0 c 年份为厄尔尼诺起始年，出现最大正距平年份为厄尔尼诺 年。本文太平洋海温数据选用的是美国国家环境预测中心( n c e p ) 提供n i n 0 3 区( 9 0 1 6 0 。w , 5 。n 5 。s ) 海表温度( s e as u r f a c et e m p e r a t u r e ，简称s s t ) 数 据，时间范围是1 9 5 1 2 0 0 2 年，数据分辨率为月分辨率数据，即数据是1 9 5 1 2 0 0 2 年的n i n 0 3 区海表温度的逐年逐月数据。 对于厄尔尼诺事件强度的划分，中外学者有不同的划分标准，我国的黜 监测小组，根据整个事件期间赤道中、东太平洋海域的平均温度距平的总和来确 定厄尔尼诺事件的强度，反映了事件的异常程度和持续时间等综合特征，把厄尔 尼诺事件划分为极弱、弱、中等、强、极强5 个等级。 表2 - 1 历次厄尔尼诺事件的起讫时问及等级划分 由于太平洋海温升高对我国东北地区气候的影响不是直接实现，而必须通过 海气相互作用或洋流等来影响，所以文章中采用厄尔尼诺事件出现后影响的第一 个季节的气象资料 东北地区所有气象观测站的经度和纬度及建站以来逐年逐月的月平均降 水值和月平均温度值。一部分观测资料时间序列为1 9 5 1 2 0 ( f 2 年，大部分为 1 9 5 6 2 0 0 2 年。这些气象观测站均匀的分布在东北地区的各个方位，对空间分析 不会有影响，可以充分的反映整个东北地区的讯期降水和冬夏季温度的时窄分布 规律。所有站点地理分布如图2 1 所示： 图2 - 1 东北地区气象观测站点地理分布示意图 2 2 2 经验正交函数分解c e m p i 矗lo r t h o g o n a if u n c t i o n ，简称e o f ) 方法 2 2 2 1 方法概述 某一区域的气候变量场通常由许多个观测点或网络格点构成，这给直接研究 其时空变化特征带来困难。如果能用个数较少的几个空间分布模态来描述原变量 场，且又能基本涵盖原变量场的信息，是一个具有实用价值的工作，具体地说， 就是寻找某种数学的表达式将变量场的主要空间分布结构有效地分离出来。经验 正交函数就是通过刻划母体的多个指标的( 相关性) 分析，找出既能充分反映原 指标信息又尽量少的新指标的方法。 经验正交函数分解，主要是针对气象要素来进行，其基本原理是对包含m 个空问点的场随时间变化进行分解。设样本容量为n 的资料则场中任一空间点 i 和任一时间点j 的资料值”) 皿可看成由空间函数e o f 和时间函数p c 的线 性组合1 4 2 1 。为了方便计算。将空间点的变量场先进行标准化处理，然后采用经验正 交函数( e o f ) 展开方法1 4 3 ”j 将气象观测资料分解成空间函数和时间函数之积，其 基本公式：x ：e o f p c , 其中x 为气象要素场，e o f 为空问函数，p c 为时间函数。 经过经验正交函数展开分解得到空间函数，即各个模态( 主分量或特征向量) ， 取累积方差贡献率大的前几位模态。可以很好解释原始序列的大部分方差并且能 表示气象要素场的空间分布，如果特征向量的各分量均为同一符号的数，那么这 一特征向量所反映的是该区域变量变化趋势基本一致的特征，数值绝对值较大处 为中心；如果某一特征向量的分量呈正负相间的分布型式，这一特征向量则代表 了两种分布类型。各模态对应的那部分时间函数，即时间系数，可看成各个模态在 时间上的权重，也就是各模态在时间上的变化系数绝对值数值越大，表明这一 时刻这类分布型式越典型。从特征值的方差贡献和累积方差贡献了解所分析的特 征向量的方差的比例及前几项特征向量总共占总方差的比例。 2 2 2 2 经验正交西数分解变量场资料的预处理 经验正交函数分解实际上就是求矩阵x x 1 的特征值和特征向量的过程。求 x x l 时，使用变量场x 的数据形式不同，得到的结论就不同。 变量场无外乎三种形式原始变量场、变量的距平场和变量的标准化场 当用原始场计算时，x x 1 就是原始数据交叉乘积，得到的第一特征向量代表了平 均状况，其权重很大，对于不存在季节变化的变量场来说，它的分解结果物理意 义直观。但是，对于以分析变量场特征为主要目的的研究，所用的变量场大多存 在季节变化，平稳性很差，造成经验正交函数不稳定。当用距平场计算时，x x 1 是协方差矩阵，从分析的意义来讲，分离出来的特征向量代表的是变量场的相关 分布状况，更适合做分类分型的分析。由此可见，在使用e o f 分解时，应该对特 征向量所代表的物理意义含义应该有明确的认识，因此需要根据内容而采取不同 的数据形式。 由于经验正交函数方法用于地球物理场中具有浓缩信息，截取主要分量，摊 除高频项随机干扰等优点，应用于提取气象场时空变化的优势信号特征方面，已 成为单个气象场诊断分析的主要工具。本文主要采用经验正交函数分解的方法， 将气象数据资料分解成时间系数和空间系数，中间穿插合成分析，相关分析等方 法，探讨厄尔尼诺事件对东北地区气候影响，并且按照不同地区的响应程度不同， 进行时空特征分析 2 2 2 3 经验正交函数分解方法实现过程 本文在进行时间序列分析时，采用时间序列最长( 1 9 5 1 2 0 0 2 ) 的2 6 ( 见附 录一) 个气象站点的观测资料，将所有数据处理为月距平数据并组成矩阵；进行 空间分析时，采用时同序列稍短( 1 9 5 6 2 0 0 2 ) 但均匀且密集分角的8 3 ( 见附录 二) 个气象站点的气象观测资料，并标准化为距平百分比矩阵。 所有数据处理和经验正交函数分解过程均采用数学软件m a t l a b 6 5 实现，具体 处理过程如下： ( 1 ) 将所选气候变量场的观测资料以矩阵形式给出，定义原始资料矩阵为 x ，x 是m 行n 列的实数矩阵，其中m 是空间点，n 是时间点即观测次数。对x 做距 平或标准化处理，然后计算其协方差矩阵s = x x ，其中s 是m 行n n 的实对称阵。 ( 2 ) 利用m a t l a b 6 5 ，采用求实对称矩阵特征值和特征向量的方法，求出矩阵 s 的特征值k 和特征向量e o f 。 ( 3 ) 将特征值由大到小排列： k 。k 2 k 3 k m 0 ( 4 ) 求出时间系数： p c = e o f l x ( 5 ) 计算每个特征向量的方差贡献及前若干个特征向量的累积方差贡献。 ( 6 ) 如果空间点数大于样本量，则需要通过时空转换过程来计算。 第三章东北地区夏季温度对厄尔尼诺响应的时空分析 3 1 探讨东北地区夏季温度年代际变化特征与厄尔尼诺事件的关系 选取时间序列最长、资料最全面且基本呈均匀分布的2 6 个气象观测站 1 9 5 1 2 0 0 1 夏季温度气象资料，处理成距平数据，进行经验正交函数分解，展 开为空间系数和时间系数之积 表3 一le o f 分解的前5 个主成分对总方差的贡献率及累积贡献 由表3 1 表可知，对2 6 个气象观测站夏季温度数据经验正交函数分解得出 的所有主分量中，第一主成分的方差贡献最大，第二主成分的方差贡献迅速降低， 后面的主成分方差贡献已经很小，累积方差贡献出现同样的情况，所以第一主成 分的时间系数完全可以说明整个东北地区5 0 年来夏季温度的变化趋势，在此基 础上探讨东北地区夏季温度与厄尔尼诺事件的关系。 提取可以代表整体时间序列变化的主成分，第一主成分方差贡献率达到 7 4 6 ，能充分的反应东北地区夏季温度随时间变化的情况，参照厄尔尼诺事件 发生时间，与第一主成分3 年移动平均曲线进行合成分析，揭示厄尔尼诺事件发 生前后，东北地区夏季温度的时间变化规律。 图3 - 1p c i 与其3 年移动平均曲线对照 根据图3 - 1 ，将夏季温度经验l 卜交函数分解得到的p c i 温度曲线与相应二年 移动平均曲线合成分析，在1 3 次j 巳尔尼诺事件中，当年和次年夏季温度情况( 表 3 1 ) ，当某年温度高于其3 年移动平均曲线时，用“+ ”号表示，相反用“一”号 表示。 表3 2 厄尔尼诺事件发生当年和次年夏季温度情况 由表3 2 町知，在1 9 5 3 2 0 0 1 年问发生的1 3 次厄尔尼诺事件中，事件发生 当年有9 1 3 年次夏季温度低于3 年移动平均曲线，有4 1 3 年次温度高于3 年移 动平均曲线，其中1 9 5 7 年，1 9 6 9 年，1 9 7 6 年为有记载的低温冷夏年；事件发生 次年有4 1 3 年次温度低f3 年移动平均曲线，有9 ，1 3 年次温度高于3 年移动平 均曲线。由表3 - 2 得出，厄尔尼诺事件发生后，当年夏季温度以低于移动平均曲 线为主要趋势，次年以高于移动平均曲线为主要趋势。 3 2 厄尔尼诺事件发生后夏季温度变化空间特征分析 为了进一步说明东北地区夏季温度对厄尔尼诺事件响应空间特征分布情况， 选取时间序列较长、资料全面且基本呈均匀分布的8 0 个气象观测站1 9 5 6 2 0 0 1 年间1 3 次厄尔尼诺事件发生当年和次年夏季温度气象资料，处理成标准化数据， 进行经验正交函数分解，展开为空间系数和时间系数之积。 表3 3e o f 分解的前5 个主成分对总方差的贡献率及累积贡献 表3 - 3 给出了厄尔尼诺事件发生当年，8 0 个气象观测站点夏季温度e o f 分 解前5 个主分量对总方差的贡献率及累积贡献。由表可知，所有主分量中，第 一主成分的方差贡献最大，达到8 0 0 6 ，因此第一主成分的空间系数完全可以 说明5 0 年来厄尔尼诺事件发生当年整个东北地区各个站点夏季温度异常情况强 弱差异，在此基础上探讨厄尔尼诺事件发生当年对东北地区夏季温度的可能性影 响。 图3 2 厄尔尼诺事件发生当年夏季温度变率e o f 。空间分布特征 图3 2 给出了东北地区厄尔尼诺事件发生当年夏季温度变率分布的第一主分 量场，可以在很大程度上反映东北地区夏季温度在厄尔尼诺事件发生当年异常情 况的分布特征。如图，所有气象观测站均为币值，反映整个东北地区夏季温度在 厄尔尼诺当年均为低温，表现出很好的致r ，pf 适低温程度有所不同，1 0 个 最大值为额尔古纳旗( o 1 7 8 ) 、图里河( o 1 6 4 ) 、孙吴( 0 1 5 2 ) 、博克图( 0 1 5 0 ) 、 海拉尔( 0 1 4 7 ) 、阿尔山( o 1 4 2 ) 、小二沟( 0 1 4 1 ) 、呼玛( 0 1 3 8 ) 、扎兰屯， ( 0 1 3 6 ) 、绥芬河( 0 1 3 4 ) ，l o 个最小值出现在瓦房店( 0 0 6 4 ) 、赤峰( 0 0 6 7 ) 、 宝国图( 0 0 7 3 ) 、本溪( 0 0 7 4 ) 、兴城( 0 0 7 4 ) 、绥中( 0 0 7 6 ) 、黑山( o 0 7 7 ) 、 翁牛特旗( 0 0 7 7 ) 、锦州( 0 0 7 9 ) 、熊岳( o 0 7 9 ) 。从整体上来看，正值分布由 南向北逐渐增大，呈现南一北纬向分布型式，因此庄对厄尔尼诺发生当年夏季温 度异常情况的分析中得出，北部地区的变化幅度要比南部地区显著，其中西北部 的额尔占纳旗、图罩河、满洲罩等地为最大正值中心区，北部的孙吴、呼玛、克 山附近和东南延吉、长白、绥芬河附近地区出现较大正值中心区；另外，南部的、 沈阳、鞍山，营口等地等值线闭合为最小正值中心。分析得出，厄尔尼诺事件发 生当年，夏季温度正常偏低最严重区域为西北部的内蒙古自治区部分、以呼玛为 中心的黑龙江北部地区。次严重区为敦化、通化范围所在的吉林东部山区。影响 较小区域为东北地区南部，几乎整个辽宁省境内。 表3 4e o f 分解的前5 个主成分对总方差的贡献率及累积贡献 表3 - 4 给出了厄尔尼诺发生次年，8 0 个气象观测站点夏季温度e o f 分解前5 个主分量对总方差的贡献率及累积贡献率。由表可知，所有主分量中第一主成分 的方差贡献最大，达到7 3 9 2 ，因此第一主成分的空间系数完全可以说明5 0 年 来厄尔尼诺事件发生次年整个东北地区各个站点夏季温度异常情况强弱差异，在 此基础上探讨厄尔尼诺事件发生次年对东北地区夏季温度的可能性影响 图3 3 厄尔尼诺事件发生次年夏季温度变率e o f 空间分布特征 图3 3 给出了东北地区厄尔尼诺次年夏季温度变率的第一e 分量场，可以 在很大程度上反映东北地区夏季温度在厄尔尼诺事件发生次年异常情况分南特 征。如图，所有气象观测站均为正值，反映整个东此地区夏季温度在厄尔尼诺事 件发生次年均为高温，表现出很好的一致性，但是高温程度有所不同，1 0 个最 大值分别为长白( o 1 8 4 ) 、额尔古纳右旗( 0 1 6 5 ) 、阿尔山( 0 1 6 0 ) 、图里河( 0 1 5 1 ) 、 敦化( 0 1 4 3 ) 、靖宇( 0 1 4 1 ) 、海拉尔( 0 1 4 0 ) 、东岗( 0 。1 3 7 ) 、绥芬河( 0 1 3 6 ) 、 博克图( o 1 3 5 ) ，1 0 个最小值出现在瓦房店( o 0 5 0 ) 、兴城( o 0 6 5 ) 、庄河( o 0 6 6 ) 、 赤峰( 0 ，0 6 9 ) 、绥中( 0 0 7 0 ) 、熊岳( 0 0 7 1 ) 、营口( 0 0 7 3 ) 、锦州( 0 0 7 5 ) 、丹 东( 0 0 7 6 ) 、宝国图( 0 0 7 8 ) 。从整体上来看，正值分前i 有由南向北、由中部平 原向两侧的西北东南山地逐渐增大的趋势，因此在对东北地区厄尔尼诺事件发 生次年夏季温度异常情况的分析中得出，西北和东南地区的变化幅度要比中部平 原丘陵区显著，其中西北部的额尔古纳旗，图里河、满洲里等地，东南部的长自、 临江、靖字等地等值线闭合，为最大正值中心区；i 卜部平原k 等值线较为稀疏； 南部的大连、瓦房店、营口等地出现了最小正值中心。厄尔尼诺事件发生次年， 夏季高温幅度最严重区域为西北部的内蒙古部分和吉林东部山区，辽宁南部临海 地区受其影响最小，中部平原地区居中，东北部等值线较为稀疏。 在对厄尔尼诺事件发生当年和次年东北地区夏季温度变化规律时空分析的 基础上，本文初步得出以下结论： 当年夏季温度以低于移动平均曲线为主要趋势，次年夏季温度以高于移动 平均曲线为主要趋势： 西北部大兴安岭地区、吉林东南部长白山区在厄尔尼诺事件发生当年夏季 溢宦偏低的幅度最大，表观最匀明显，丽厄尔尼诺事f ，| 发7 ；灾年夏季高温幅度最 大，为厄尔尼诺事件发生后温度异常典型敏感地区： 西南部辽南范围沿海地区在厄尔尼诺事件发生当年夏季偏低幅度最小，而 厄尔尼诺事件发生次年夏季高温幅度同样最小，为厄尔尼诺事件发生后温度变率 最小地区。 第四章东北地区冬季温度年际变化规律和空间特征量分布 4 1 年代际变化特征 选取时间序列最长、资料最全面且基本呈均匀分布的2 6 个气象观测站1 9 5 1 2 0 0 1 冬季温度气象资料，处理成距平数据，进行经验正交函数分解，展开为空间 系数和时间系数之积。 表4 1e o f 分解的前5 个主成分对总方差的贡献率及累积贡献 由表4 1 可知，对2 6 个气象观测站点冬季温度e o f 分解得出的所有主分量 中，第一主成分的方差贡献最大，第二主成分的方差贡献迅速降低，后面的主成 分方差贡献已经很小，累积方差贡献出现同样的情况。所以，第一主成分的时闻 系数完全可以说明整个东北地区5 0 年来冬季温度的变化趋势，在此基础上探讨 厄尔尼诺事件的影响。 提取可以代表整体时间序列变化的主成分，第一主成分方差贡献率达到 7 4 6 ，能充分的反应东北地区冬季温度随时间变化的情况，参照厄尔尼诺事件 发生时间，与第一主成分3 年移动平均曲线进行对照，从而揭示东北地区冬季温 度与厄尔尼诺事件的关系。 图4 - 1 p c i 与其3 年移动平均曲线对照 根据图4 1 ，将冬季温度经验j f 交函数分解得到的p c i 温度曲线与相应三年 移动平均曲线合成分析得出，在1 3 次厄尔尼诺事件中，当年和次年冬季温度情 况( 表4 - 1 ) ，当某年温度高于其3 年移动平均曲线时，用“+ ”号表示，相反用 “。”号表示。 表4 - 2 厄尔尼诺事件发生当年和次年冬季温度情况 山表4 - 2 可知，在1 9 5 3 2 0 0 1 年闻发生的1 3 次厄尔尼诺事件中，事件发生 当年有9 1 3 年次冬季温度低于3 年移动平均曲线，只有4 1 3 年次高于3 年移动 平均曲线，丽且明显锝出5 0 、6 0 年代厄尔尼诺发生当年冬季温度偏低，7 0 、8 0 年代厄尔尼诺发生当年冬季温度偏高，9 0 年代厄尔尼诺发生当年冬季温度偏低： 事件发生次年有8 1 3 年次温度高于3 年移动平均曲线，只有5 1 3 年次低于3 年 移动平均曲线由表3 - 2 得出，厄尔尼诺事件发生后，当年冬季温度以低于三年 移动平均曲线为主要趋势，次年以高于移动平均曲线为主要趋势。 4 2 空间分布特征 选取时间序列较长、资料全面且基本呈均匀分布的舳个气象观测站 1 9 5 6 - 2 0 0 1 冬季温度气象资料，处理成标准化数据，进行经验正交函数分解，展 开为空间系数和时间系数之积 表4 3e o f 分解的前5 个主成分对总方差的贡献率及累积贡献 表4 - 2 给出了厄尔尼诺发生当年，8 0 个气象观测站点冬季温度e o f 分解前5 个主分量对总方差的贡献率及累积贡献率。由表可知，第一主成分的方差贡献最 大，达到8 3 o ，因此第一主成分的空间系数完全可以说明5 0 年来厄尔尼诺事 件发生当年整个东北地区各个站点冬季温度受其影响强弱差异，在此基础上探讨 厄尔尼诺事件法前后对东北地区冬季温度的可能性影响。 图4 - 2 厄尔尼诺事件发生当年冬季温度变率e o f 。空间分布特征 图4 2 给出了东北地区厄尔尼诺当年冬季温度变率分布图的第一主分量场， 可以在很大程度上反映东北地区冬季温度在厄尔尼诺事件发生当年异常情况主 要分布特征。如图，所有气象观测站均为订：值，反映整个东北地区冬季温度在厄 尔尼诺年均为低温，表现出很好的一致竹但是低温徉度有所不同其中l o 个 最大值分别为大连( o 3 9 6 ) 、鞍山( o ，1 9 9 ) 、兴城( 0 1 7 3 ) 、锦州( 0 1 6 6 ) 、绥中 ( 0 1 6 3