（气象学专业论文）雷州半岛干旱特征及预测模型研究.pdf

雷州半岛干旱特征及预测模型研究 雷州半岛干旱特征及预测模型研究 专业：气象学 硕士生：黄晓梅 指导教师：简茂球 摘要 本工作利用1 9 6 1 2 0 0 7 年共4 7 年雷州半岛6 个测站的逐月降水资料，使用 相关分析、功率谱分析、经验正交函数分解等气候统计方法对雷州半岛的干旱特 征进行了分析，对划分旱涝的两种指标的优缺点进行了探讨；同时还利用 n c e p n c a r 逐月再分析资料，从同期海温场、海平面气压场，位势高度场、风 场、水汽通量六个方面进行分析，分季节对各个场早年进行合成分析，对造成雷 州半岛各季节干旱的影响因子有了进一步认识，最后通过相关分析的方法找出雷 州半岛干旱预测的因子，并通过逐步回归方法建立了预测模型，得到以下一些结 果。 雷州半岛主要降水出现在春、夏季，约占全年降水的8 5 ，其中又以夏季降 水比重最大，约占全年降水的6 3 。除5 、l o 月份，其他月份雷州半岛全区降水 的年际变化具有显著同步( 号) 性。e o f 分析发现，雷州半岛降水场可大致分 为全区旱( 涝) 型( p 型) ，南旱( 涝) 北涝( 旱) 型( p n s 型) ，东旱( 涝) 西涝( 旱) 型( p e w 型) ，其中p 型为主要异常分布型。 雷州半岛区域平均的各季节无雨同与对应季节的降水量逐年变化之间存在 显著的反相关系。对农林业等自然生态而言，用无雨日来定义干旱现象较降水量 更合适些。相对各季气候平均态而言，以无雨日指标划分出的各季干旱事件中， 以夏季最多，冬季最少；而以降水量为指标划分的结果则以春、秋季干旱偏多， 冬季偏少。 通过分析雷州半岛干旱大气环流背景，发现：( 1 ) 西太平洋副高脊线偏北造 i i i 雷州半岛干旱特征及预测模型研究 成的华南较强的偏南风和东亚大槽偏弱( 中高纬度冷空气南侵不利) 是影响雷州 半岛春季偏旱的直接原因。西北太平洋海温变化是这种相互作用的重要影响因 子，暖池海温偏高，雷州半岛春季偏旱；( 2 ) 夏季由于阿拉伯海、孟加拉湾及南 海的海温偏高，海陆热力差异偏弱引起东亚西南季风较弱、南亚西南季风也减弱， 输送到华南的水汽也偏弱，雷州半岛易旱，另外，夏季由于热带气旋路径偏东( 偏 向西北太平洋) 造成登陆广东西部的热带气旋个数偏少也可能是导致雷州半岛夏 季干旱发生原因之一；( 3 ) 秋季亚洲大陆气压场异常偏高，在中国东部尤其是华 南低层产生异常辐散的偏北风，导致向华南水汽输送减少，从而造成雷州半岛易 旱；( 4 ) 雷州半岛冬旱发生与东亚冬季风异常偏弱和e 1n i f i o 事件有密切联系， 一般来说，e 1n i f i o 成熟的当年冬季雷州半岛易发生干旱。 雷州半岛半岛干旱预测模型研究方面，用逐步回归方法建立的雷州半岛春季 旱涝预报模型有较好的预测能力，具有潜在的应用意义。 关键词：雷州半岛干旱特征大气环流预测模型 i v 雷州半岛干旱特征及预测模型研究 c h a r a c t e “s t i c so fd r o u g h ti nl e i z h o up e n i n s u l aa n d p r e d i c t i o nm o d e l m a j o r ：m e t e o r o l o g y n a m e ：x i a o m e i h u a n g s u p e r v i s o r ：m a o q i u j i a n a b s t r a c t t h j ss t u d yf o c u s e so nt h ed r o u g h ti nt h el e i z h o up e n i n s u l a u s i n gm o n t h l y o b s e r v e dr a i n f a hd a t aa t6s t a t i o n si nt h ep e r i o dl9 6l 一2 0 0 7 t h ef e a t u r eo fd r o u g h ti s a n a l y z e db ys t a t i s t i c a lm e t h o d ss u c ha sc o r r e l a t i o na n a l y s i s ，s p e c t r aa n a l y s i sa n de o f a n a l y s i s t h ea d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g eo ft w oi n d i c e sf o rd r o u g h ta r ed i s c u s s e d f u r t h e r m o r e ，t h ea n o m a l o u sf i e l d so fs i m u l t a n e o u sa t m o s p h e r i cc i r c u l a t i o ni ns e a s u r f a c et e m p e r a t u r e ( s s t ) ，s e a - l e v e lp r e s s u r e ( s l p ) ，g e o p o t e n t i a lh e i g h t ，c i r c u l a t i o n a n dm o i s t u r ef l u xa r ea l s oa n a l y z e d b a s e do nn c e p n c a rr e a n a l y s i sd a t a c o m p o s i t i o n so ft h e s ef i e l d sa r ec a r d e do nd i f f e r e n ts e a s o n sf o rt h ed r yy e a r s ，w h i c h p r o v i d e sh i n t st ou n d e r s t a n d i n gt h ei m p a c tf a c t o r so nt h es e a s o n a ld r o u g h ti nt h e l e i z h o up e n i n s u l a p r e c u r s o rp r e d i c t o r sf o rd r o u g h ta r ei d e n t i f i e db yu s i n gc o r r e l a t i o n a n a l y s i s p r e d i c t i o nm o d e li se s t a b l i s h e db ys t e p w i s er e g r e s s i o nm e t h o d t h em a i n r e s u l t sa r ed e s c f i b e da sf o l l o w s t h el a r g ep o r t i o no fr a i n f a l lo v e rl e i z h o up e n i n s u l am a i n l yo c c u r si ns p r i n ga n d s u m m e r , c o u n t i n gf o r8 5 o ft h ea n n u a lm e a n s u m m e rr a i n f a l l t h el a r g e s t c o m p o n e n t c o u n t sf o r6 5 o ft h ea n n u a lm e a n p r e c i p i t a t i o n si na l lm o n t h ss h o w i n p h a s ei n t e r a n n u a lv a r i a b i l i t y , e x c e p ti nm a ya n d0 c t o b e r t h e r ee x i s tt h r e em a i n p a t t e r n so fp r e c i p i t a t i o na n o m a l i e si nl e i z h o u ，t h ef i r s ti sc h a r a c t e r i z e db yt h e u n i f o r md r yo rw e t ( pp a t t e r n ) ，t h es e c o n do n ei ss o u t h n o r t hs e e s a wp a t t e r n ( p n s p a t t e r n ) ，a n dt h et h i r di se a s t w e s ts e e s a wp a t t e m ( p e wp a t t e r n ) ，u s i n ge o fa n a l y s i s a m o n gt h et h r e ep a t t e r n s pp a t t e mi sd o m i n a n t o u t p h a s er e l a t i o n s h i pe x i s t sb e t w e e nt h ea r e a a v e r a g e dn o n r a i n yd a y sa n dt h e s e a s o n a lp r e c i p i t a t i o ni nl e i z h o up e n i n s u l a t h en o n r a i n yd a y si n d e xf o rd r o u g h ti s m o r ev a l u a b l ef o re c o s y s t e ms u c ha sa g r i c u l t u r ea n df o r e s t b a s e do nt h es e a s o n a l m e a no fn o n r a i n yd a y s i ti sf o u n dt h a td r o u g h te v e n t so c c u rm o r ef r e q u e n t l yi n s u m m e r , b u tl e s s i nw i n t e r i nc o n s i d e r a t i o no fr a i n f a l l d r o u g h te v e n t so c c u rm o r e f r e q u e n t l yi ns p r i n ga n da u t u m n b u tl e s si nw i n t e r r e g a r d i n gt ot h ed r o u g h te v e n t si nl e i z h o up e n i n s u l a ，t h el a r g e s c a l ec i r c u l a t i o n f e a t u r e sa r ed i s c u s s e d t h er e s u l t ss h o w ：11t h ed i r e c tm e c h a n i s mf o rd r o u g h ti n s p r i n gi sr e l a t e dt ot h ew e a k e rc o l da i ra c t i v i t i e sf r o mt h en o r t hd u et ot h en o r t h w a r d s h i f to ft h er i d g eo ft h ew e s t e r np a c i f i cs u b t r o p i c a lh i g h w h i c hr e s u l t st oas t r o n g s o u t h e r l yw i n da n o m a l y , a n daw e a kt r o u g hi ne a s ta s i a ( p r e v e n t i n gt h es o u t h w a r d p e n e t r a t i o no fc o l da i rf r o mt h em i d 1 a t i t u d e s ) s s ta n o m a l yi nt h en o r t h w e s t e r n p a c i f i ci sa ni m p o r t a n tf a c t o rf o rt h ea i r - s e ai n t e r a c t i o n a n dw a r m e rs s tr e s p o n d st o v 雷州半岛干旱特征及预测模型研究 d r o u g h ti nl e i z h o up e n i n s u l a 2 ) i ns u m m e r , w a r m e rs s t i nt h ea r a b i a ns e a , t h eb a y o fb e n g a la n dt h es o u t hc h i n as e ar e d u c e sl a n d s e at h e r m a lc o n t r a s t ，w e a k e n i n g s o u t h w e s t e r l yw i n da n dm o n s o o nf l o w s u b s e q u e n t l y , m o i s t u r ef l u x i nt h es o u t h c h i n ai sd e c r e a s e da n dt h ed r o u g h ti nt h el e i z h o up e n i n s u l ao c c u r s i na d d i t i o n ，t h e d r o u g h tm a vb ei n d u c e db yt h ed e c r e a s ei nl a n d f a uo ft r o p i c a lc y c l o n e so v e rt h ew e s t o fg u a n g d o n gp r o v i n c eb e c a u s et h et r a c k so ft h et r o p i c a lc y c l o n e ss h i f te a s t w a r d s ( i n t ot h ew e s t e r nn o r t hp a c i f i c ) 3 ) t h ed r o u g h ti nt h el e i z h o ua r e ai na u t u m ni s r e l a t e dt oah i g h e rp r e s s u r eo v e rt h ea s i ac o n t i n e n tw h i c hc a u s e st h ed i v e r g e n c eo v e r e a s tc h i n a , a s s o c i a t e dw i t ht h en o a h e d yw i n da n o m a l yi nt h el o w e rt r o p o s p h e r ea n d t h er e d u c e dm o i s t u r ef l u x i nt h es o u t h e a s tr e g i o n 4 1t h ew i n t e rd r o u g h ti nt h e l e i z h o up e n i n s u l ai sc l o s e l ya s s o c i a t e dw i t he ln i f i oe v e n t sa n dt h ew e a k e re a s t a s i a nw i n t e rm o n s o o nf l o w i ng e n e r a l t h ed r o u g h ta p p e a r si nt h em a t u r eo fe ln i n o y e a r t h ep r e d i c t i o nm o d e lf o rd r o u g h ta n df l o o di nt h el e i z h o up e n i n s u l ac r e a t e db y s t e p w i s er e g r e s s i o na n a l y s i si se f f e c t i v e k e y w o r d s ：l e i z h o up e n i n s u l a ，c h a r a c t e r i s t i c so fd r o u g h t ，a t m o s p h e r i c c i r c u l a t i o n ，p r e d i c t i o nm o d e l v i 雷州半岛干旱特征及预测模型研究 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论丸是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对 本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名厂懿勉 日期：少础年6 月r 日 l 雷州半岛千旱特征及预测模型研究 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送 交论文的电子版和纸质版，有权将学位论文用于非赢利目的的 少量复制并允许进入学校图书馆、院系资料室被查阅，有权将 学位论文的内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩 印或其他方法保存学位论文。 学位论文作者签名编 嗍年6 月，日 导师签名：衫旅砀托导师签名：掺以够扎 日期：叫年f 月堂日 ， 第1 章前言 1 1 有关雷州半岛干旱研究的意义 雷州半岛位于我国大陆最南端，属北热带季风气候区，东濒南海，南隔琼州 海峡与海南省相望，西临北部湾，主要介于北纬2 0 。1 4 - 2 1 。4 4 ，东经1 0 9 。5 5 1 1 0 。4 4 之间，总面积约1 2 万平方公里。雷州半岛地形和缓起伏， 境内地形主要为海拔较低的台地和冲积平原为主，是我国重要的亚热带果木、蔬 菜及蔗糖生产基地和南亚热带特色农业示范区。虽降水丰富，但由于降水的时空 分布不均，季节之间差异很大，而且太阳辐射强、气温高，蒸发和作物蒸腾量较 大，历来是旱害严重地区，受旱面积平均每年达1 8 9 2 1 0 4 h m 2 以上，受旱时间一 般在三个月以上。 据雷州志不完全统计，雷州半岛在1 9 1 0 - - - 2 0 0 4 年的9 5 年间，有7 6 年 遭受旱灾，1 9 4 9 - 2 0 0 4 年的5 5 年间，有4 8 年出现旱情，其中大旱2 0 年，从旱 灾损失上看，1 9 9 0 年以来的旱灾造成直接经济损失近3 0 1 0 8 元，旱灾成为制约 社会经济发展特别是农业生产的瓶颈之一。广东省人工影响天气实验基地设在湛 江，也说明了广东省政府对雷州半岛干旱问题的重视，因此，综合分析雷州半岛 的干旱问题，建立旱涝预测模型，对于涝年，可提前做好水利防御措施，保护人 民生命财产安全，对于早年，分析在干旱气候环流背景下，是否有适合进行人工 增雨作业的可利用空中水资源，对成功开展人工影响天气研究，提高抵御农业旱 灾的能力，对雷州半岛南亚热带特色农业基地建设和农业可持续发展具有重要意 义。 1 2 有关干旱气候研究及预测的回顾 关于华南和广东降水和旱涝气候特征已有从不同角度进行的多项研究。林爱 兰等和余功梅乜1 分别利用1 3 和1 5 个测站降水资料研究了华南近4 0 年 ( 1 9 5 1 1 9 9 4 年) 的降水和旱涝变化特征，如汛期降水的周期性、年代际变化和 偏干及偏湿期等。贺海晏口3 利用全省8 6 个测站近4 0 年( 1 9 5 1 1 9 9 4 年) 的降水 资料，并以5 级旱涝标准确定了全省和各分区的逐年旱涝级别，讨论了全省的旱 涝特征。李江南等叫用小波分析方法分析了广东省前、后汛期降水的气候特征。 刘黎明畸3 等讨论过广东一月和七月旱涝的典型分布型。赵仲辉3 等研究过广东省 5 - 9 月降水的时空分布特征。这些研究对了解广东降水气候特征都很有帮助。 许多学者对区域旱涝成因和预测方面进行了分析和探讨。梁建茵h 1 等对广东 省汛期旱涝成因和前期影响因子进行了探讨，发现西太平洋副高造成的南海地区 较强的偏南风和较强东亚大槽以及较强南支西风急流( 有利于中纬度冷空气南 侵) 之间的相互作用是影响广东省前汛期降水偏多的直接原因。广东前汛期偏旱 的主要原因是冷空气偏弱；亚洲夏季风系统偏强( 弱) 是造成广东省后汛期偏涝 ( 旱) 的最重要因素，登陆广东的热带气旋个数对后汛期降水的影响也较大。前 期1 2 - 2 月西太平洋暖池海温是前汛期旱涝变化的重要强信号之一，前期5 月份 北太平洋东部地区5 0 0 h p a 位势高度距平是预测后汛期旱涝的重要强信号。谢炯 光等随1 研究了西北太平洋海温与广东省降水的关系，结果发现影响广东前汛期降 水的秋冬季海区主要是n i n 0 2 区、n i n o 西区、n i n 0 4 区，影响广东后汛期降水的 冬春季海区主要是西风漂流区和湾流区、n i n 0 4 区和暖池海区。 在选取物理因子、建立预测模型问题上，谢炯光等国3 利用场与场相关的概念 研制奇异值分解法( s v d ) ，同时，他对西北太平洋海温转用主分量分析，选出天 气意义明确的因子，用逐步回归建立广东汛期各月预报方程。林爱兰n 伽用典型相 关分析法尝试做汛期降水分布趋势的预报。林爱兰等m 3 建立多元均生函数模型， 对模型加入因子变量，使气象要素变化的物理诊断与预测结合起来。陈创买n 2 1 等专家就广东省灾害性气候进行变化趋势及其影响研究，提出了气候场的主分量 逐步回归预报模型，把对气候场的预报变成对气候场的主分量的逐步回归预报， 以具有高信息量的因子场的主分量作为预报因子，使预报模型建立在明确的物理 气候背景上，模型实现了把一个气候场与多个气候背景场联系起来。这个模型应 用在广东省年降水量的预测上，取得了较好的效果。黄茂怡等n 3 1 将典型相关分析 ( c c a ) 应用于我国夏季降水场的预报，以前一年1 2 个月的环流特征量为预报因 子场，将全国降水场分为6 个区，参照文献n 4 1 的方法分别作出6 个区的预报，事 实证明有较好的预报效果，但由于采用经过合成的环流因子资料作为因子场，虽 尽可能多的引入了与短期气候变化有关的气候内部因子和外强迫因子，但难以诊 2 断出与相应的降水场的空间模态相耦合的因子场的空间模态。陈创买等n 司用气候 场的主分量逐步回归方法做广东省年降水预报，首先对预报场作标准化处理，然 后进行p c a 计算，得到主分量矩阵，通过相关分析和逐步回归，求得预报场的主 分量与因子场主分量之间的关系，然后对预报场的标准化主分量进行反算，得到 原始场的拟合和预报。h a r n a c k 等n 町用前期7 0 0 h p a 高度场、北太平洋和北大西 洋海温场的头几个主分量作为预报因子，利用它们与季节降水量的主分量作回归 分析，建立时间函数的预报方程，来做季节降水场的预报。范可n 力等用年际增量 并通过分析与年际增幅有关的大气环流，确定预测因子，建立长江中下游夏季降 水的物理统计预测模型，该模型显著提高了长江中下游夏季降水的业务预测技 巧。 目前，对雷州半岛干旱事件的环流特征、物理成因及预测方法的研究还很欠 缺。 1 3 本文拟研究的科学问题 基于上述研究现状中存在的不足，本文在已有的研究成果基础上，拟研究以 下科学问题 ( 1 ) 雷州半岛的干旱特征分析 ( 2 ) 雷州半岛干旱成因分析 ( 3 ) 雷州半岛春季干旱预测模型研究 因此，本文拟研究的主要内容包括以下三大部分： ( 1 ) 雷州半岛的干旱特征分析。包括雷州半岛的降水场统计特征及时空分 布，通过分析无雨日数与降水量的关系，探讨划分雷州半岛旱涝的合适指标， ( 2 ) 雷州半岛干旱成因分析。从同期的海温场、海平面气压场、位势高度 场、风场、水汽通量等6 个方面进行分析，分季节对各个场早年进行合成分析， 对造成雷州半岛各季节干旱的影响因子有进一步认识，并提出雷州半岛干旱气候 成因的概念模型。 ( 3 ) 雷州半岛春季干旱预测模型研究。通过相关分析方法找出雷州半岛干 旱预测的因子，并通过逐步回归方法建立预测模型。 3 第2 章资料和分析方法 2 1 资料来源及处理 本文使用的资料主要有： ( 1 ) 1 9 6 1 2 0 0 7 年湛江市6 个站点共4 7 年的逐日降水资料。由于有些历史 原因，造成个别站点出现缺、错记录，本文采用差值订正法来对资料进行延长和 插补。资料取自湛江市气象台。 ( 2 ) 1 9 6 1 2 0 0 7 年共4 7 年n c a r n c e p 再分析资料逐月资料子集中的海温 场，海平面气压、高度场资料、纬向风u 、经向风v 、比湿g 等资料，具体来讲， 高度场资料3 层分别为：8 5 0h p a ，5 0 0h p a ，2 0 0h p a ；纬向风材、经向风1 ，3 层分 别为，9 2 5 h p a ，8 5 0h p a ，2 0 0h p a ；比湿8 层分别为1 0 0 0h p a ，9 2 5h p a ，8 5 0h p a ， 7 0 0h p a ，6 0 0h p a ，5 0 0 h p a ，4 0 0h p a ，3 0 0h p a 。上述资料格式为经纬度网格点， 海温场分辨率为2 0 0 x 2 0 0 ，其余分辨率为2 5 0 2 5 0 。 需要说明的是：首先将逐日降水量处理成逐月降水资料，然后统计月无雨 日数( 日雨量0 0 记为无雨) 。 所使用的雷州半岛降水资料站点分布如图2 1 所示。 图2 1 雷州? 卜岛降水资料站点分布图 2 2 基本统计量 4 2 2 1 气候统计特征量计算 据魏风划2 4 】，可计算气候序列的平均值、标准差、变差系数、偏度系数和 峰度系数的无偏估计。气候序列的平均值： i = 上x ， ( 2 - 1 ) 刀乞 u 吖， 气候序列的标准差： s = 气候序列的变差系数： s s 厂= 一10 0 x 序列的偏度系数为： 序列的峰度系数为： 2 3 主要分析方法 ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 本文主要用到合成分析、相关分析、e o f 分析、功率谱分析等多种统计方 法，下面对一些方法进行具体的说明： 2 3 1 相关系数的显著性检验 相关系数是衡量两个变量之间关系密切程度的量。对任意两个要素变量溉和 朋，如果取n 个样本资料，其相关系数公式为 厂肼= 了1 。兰仁。( x k 。i - - 七- x k ) ( x l 。i - - 。x l 一) 。2 6 ， s刀 ) 一x x ， 行m = 启 3 4 s聆 4 ) 一x 一 骱 疗汹 = 厂 这个量的大小是否显著需要做统计检验。一般在样本容量固定的情况下，计 算同意的判别标准，即相关系数临界值r e ，若计算的相关系数， r c ，则认为相 关系数是通过显著性的t 检验。，c 的计算为： r c = = ( 2 7 ) 其中i t 是样本长度，厶是自由度为”一2 时，显著水平口= 0 0 5 的t 分布临界 值，这种计算的前提是假设参与相关计算的两变量序列是随机序列。 2 3 2 均值差异的显著性t 检验 在气候研究中，要分析某些特殊年份相对于一般年份有何显著特征，经常使 用的方法是将特殊年份的气象要素均值与一般年份的进行比较：设x o 为试验年 的某一统计量，用它与其它年份同一对象的统计量进行比较，设抽取n 年样品， 记为确，x ：，荔。假定泊，x ：，而所对应的随机变量为独立的正态分 布变量，则统计量f 遵从自由度为n - 1 的t 分布， f = x o - - x n ( 望) i( 2 - 8 ) s n刀- i - 2 其中x n 为平均值，s 刀为标准差，对于给定的显著水平和自由度，从t 分布 表中查出对应的临界值厶，t 如，就拒绝原假设，认为x o 与其他年份有显著 差异。对于气象要素场来说，对场中每个格点都进行上述计算，将得到均值差异 的显著性t 检验空间分布图。 2 3 3 功率谱分析 气候的功率谱分析可以用来研究要素序列的变化周期，研究中通常采用相关 函数法，即通常称为的连续功率谱。对于一个标准化时间函数x ( t ) ，其加窗连 续功率谱可用下式计算： 啦t ( o ) + 李从坝力c o s 竺卜- o ，1 ，19 m 所) ( 2 - 9 ) i i 其中m 为最大落后系数，k 为波数，r ( r ) 为序列的自相关函数，d ( r ) 为谱窗 6 函数，此处使用帕仁( p a x z e n ) 窗函数【1 9 1 。根据序列的红白噪声过程特殊性还 需作周期显著性的z 2 检验。 2 3 4 经验正交函数分解 经验正交函数分解方法( e o f ) 又称主分量分析、主成分分析、自然正交函 数分解或特征向量分析。它是气象上多变量分析中常用的方法之一。它能够把随 时间变化的气象要素场分解为空间函数部分和时间函数部分。空间函数部分概括 场的地域分布特点，这部分是不随时间变化的，而时间函数部分则由空间点( 变 量) 的线性组合所构成，称为主分量，这些主分量的头几个占有原空间点( 变量) 的总方差的很大部分【1 9 1 。用矩阵形式可表示成。 x = v y( 2 1 0 ) 式中 x = x l lj l j z x nx 牡 】如x ，2 。x h x 抽 mx 一 ，v = ，nv n 1 ，2 l1 ，丝 阳妇 1 ，- 1 ，2 - ，y = y l ly 1 2 y i ly n y 怔y p y h y 2 j 钿 其中，p 为空间点数，1 1 为样本容量，x 为px ，z 资料矩阵，v 为px 刀空间函数矩 阵，y 为p 刀时间函数矩阵。 这种分解要求具有正交性的特点，即 ip 1 1 ，m = 1 , j k l h t = 0 ( 七j ) 扛1 ( 2 1 1 ) ly 缈= 埘= 0 ( 七，) l = l 事实上，对( 2 5 ) 式右乘x 有 x x = 唧y ( 2 1 2 ) 但厨是p xp 矩阵，阵中元素为距平变量的交叉积。据实对称阵分解定理有 x y ：v v ( 2 13 ) 7 式中 为矩阵的特征值组成的对角阵， 为对应的特征向量为列向量组成的 矩阵。比较( 2 1 2 ) 与( 2 1 3 ) 式可知 y y = ( 2 1 4 ) 又据向量性质有 w = 矿v = i( 2 1 5 ) 显然( 2 9 ) 和( 2 1 0 ) 式满足( 2 6 ) 式的要求。由此可知空间函数矩阵八可从觑 矩阵的特征向量求得，时间函数利用( 2 5 ) 式左乘y 阵得到，即 y = v x( 2 1 6 ) 至此，完成矩阵x 的经验正交函数分解。 主分量的方差分别为原p 个变量的协方差阵的特征值，不同的主分量彼此是 无关的；所有主分量方差总和与原变量的总方差是相等的；各主分量的方差贡献 大小按协方差矩阵特征值大小顺序排列，称前m 个( m ( p ) 主分量占总方差的 百分率为累积方差贡献百分率。 y 办 g ( m ) = y 办 j _ 一 f = l 8 ( 2 1 7 ) 第3 章雷州半岛干旱特征分析 雷卅i 半岛地处北回归线以南的低纬度地区，属热带亚热带海洋性季风气候 多年平均降雨从空间分粕上看( 图3 1 ) ，北部廉江、遂溪最多，南部徐闻最少 加上温度高、同照强，土壤多为砖红壤，土壤渗透性强、蒸发力大，集雨j 二程少 降水资源有效化程度低形成了“十天无雨小早，一月无雨太早”的苇早地区 为揭示雷州半岛的干早特征，我们首先来分析雷州半岛降水场的时卒演变特征 立中季节划分按：春季从3 月至5 月，夏季从6 月至9 月，秋季从1 0 月至1 1h 冬季从1 2 月至次年2 月。 幽3 - l 雷州r 岛平均年雨域分布( 单位：m m ) 3 1 雷州半岛降水场演变特征 3l1 区域平均 取霄州半岛6 个站( 廉江、遂溪、吴川、湛江、雷州、徐闻) 逐月降雨量序 列做区域甲均得到区域平均序列。为了检查区域降水量的代表性，埘逆月的平 均降水量分别与6 站相应月份的序列计算相关关系，结果都能通过9 9 的信度检 验( 结果略) 。 为进一步衡量雷州半岛各站降水的逐年变化趋势的异同性，取雷州半岛各站 逐月降雨量序列分别计算相关系数，计算结果见表3 - 1 。分析表3 一l ，发现雷卅l 半岛全区降水的年际变化有显著同号特点其中1 2 月至次年2 月降水逐年变化 的相关性显著，基本部在08 以上，7 月8 月次之，5 月份雷州半岛北部和南部 的相关性较差，9 - - 1 0 月，位于东部的吴川与雷州半岛其余地区的相关性也较差， 均未能通过9 5 的信度检验。 袁3 - 1雷州半岛并站逐月降水相黄系数 ( a ) 5h( b ) 1 0 川 幽3 - 2 以廉江站为参考点的h 雨量单点相关嘲( 阴影部分通过9 5 的信度检验 山以廉江站为参考点的单点相关图( 图3 - 2 ) 可知，雷州半岛虽然埘积不大， 南北不过距离2 0 0 多公里，但处于季节转换期的5 月和1 0 月降水南北( 东西) 差异却挺大，降水具有一定的空间分布特征，例如5 月份如果冷空气活动偏弱， 锋面低槽过程能给北部带来明显降水，却对雷州半岛南部影响不大而一些局地 1 0 天气系统，如海陆风等则可能是造成1 0 月份东西部降水差异的原因。 总的来说，通过各站降水的相关分析，我们发现雷州半岛全区降水的年际变 化显著同号，可以用区域平均序列来作代表进行分析，另外雷州半岛月降水年变 化特征是：1 1 4 月，雷州半岛全区降水的逐年变化有显著的同号特点；5 月， 雷州半岛南部和北部降水逐年变化的相关性不显著；6 8 月，雷州半岛全区降 水的逐年变化有显著的同号特点；9 1 0 月，雷州半岛东部和南部降水逐年变化 的相关性性不显著。 3 1 2 平均降水的统计特征量分析 为进一步揭示雷州半岛降水特征，我们对雷州半岛区域平均降水量进行了一 些统计分析工作。由表3 2 可知，雷州半岛年平均降水量1 6 2 2 9 毫米，主要降水 分布在春夏季，约占全年降水的8 5 ，其中夏季降水更为集中，约占全年降水的 6 3 。由图3 3 ，雷州半岛月降水量年内变化呈单峰型分布，从春季到夏季逐月 增加，6 月次大，7 月略为减少，8 月最大，达到2 9 4 m m ，随后又逐月减少。从 1 1 月至次年3 月，降水标准差较小，只有4 0 m m 左右，该月份降水量较少，出 现暴雨机会不大，容易发生干旱。从1 1 月至次年2 月，降水的变差系数都在1 0 0 以上，1 1 月变差系数达1 1 8 4 ，表明秋冬季降水年际变化较大，尤以1 1 月最剧 烈。各月降水量标准差和极差的年变化是单峰型分布，最大峰值在8 月，其次在 7 月，反映了7 月和8 月既易旱也易涝的特点，四季中冬季的变差系数最大，夏 季最小，夏季的标准差和极差最大，表明夏季降水多变，不稳定。事实上，雷州 半岛夏季以热带气旋、热带辐合带等系统影响降水为主，故降水复杂多变。 就极值而言，年最大降水为2 3 8 6 2 m m ，最小为1 11 6 2 m m ，相差达1 2 7 0 o m m ， 极大降水和极小降水月际变化呈单峰型，峰值都在8 月。降水的逐月偏度和峰度 可看出，降水的正态性表现较差，正态分布检验否定域判据为偏度 o 7 ，峰度 2 0 ，1 0 k 2 0 ，一1 0 k 1 0 ， - 2 0 k 一1 0 ，k 1 0 ，一1 0 毛 1 0 ，毛 一1 0 时的旱涝等级分别定义为 涝，正常，旱；标准差屯满足也 - 1 0 ，一1 0 如 1 0 时的旱涝等级 分别定义为涝，正常，旱。以此标准定义的雷州半岛半岛旱涝年份结果如表3 1 0 。 由表3 1 0 ，可见以这两种指标定义的旱涝年份大部分是相同的。以无雨日指 标划分为早，而以降水量指标划分不旱的年份中，存在着毛、乞反号和同号两种 情况，具体见表3 1 1 。 表3 1 0 雷州半岛旱涝年份划分 季节以无雨日划分以降水量划分 早年 1 9 6 3 、1 9 6 4 、1 9 7 1 、1 9 7 7 、1 9 8 0 、1 9 9 1 、1 9 6 3 、1 9 6 4 、1 9 8 0 、1 9 8 6 、1 9 9 1 、1 9 9 4 、 春季 2 0 0 2 、2 0 0 31 9 9 5 、2 0 0 5 1 9 7 0 、1 9 7 6 、1 9 7 8 、1 9 7 9 、1 9 8 4 、1 9 8 8 、 涝年1 9 6 7 、1 9 7 8 、1 9 8 1 、1 9 9 7 、2 0 0 0 1 9 9 7 旱年 1 9 6 6 、1 9 7 7 、1 9 8 3 、1 9 8 6 、1 9 8 8 、1 9 9 3 、 1 9 7 7 、1 9 8 3 、1 9 8 8 、1 9 9 8 、2 0 0 0 、2 0 0 4 夏季 1 9 9 8 、2 0 0 0 、2 0 0 4 1 9 7 3 、1 9 7 6 、1 9 8 0 、1 9 8 5 、1 9 9 4 、2 0 0 1 、 涝年 1 9 7 2 、1 9 7 3 、1 9 8 2 、1 9 9 4 、1 9 9 7 、2 0 0 2 2 0 0 2 早年 1 9 6 6 、1 9 7 9 、1 9 8 6 、1 9 9 1 、1 9 9 2 、2 0 0 4 、1 9 7 9 、1 9 9 1 、1 9 9 2 、1 9 9 4 、9 9 6 、2 0 0 3 、 秋季 2 0 0 6 2 0 0 4 、2 0 0 5 1 9 7 0 、1 9 7 3 、1 9 7 4 、1 9 7 8 、1 9 8 l 、1 9 8 2 、1 9 6 1 、1 9 7 0 、1 9 7 2 、1 9 8 1 、1 9 8 2 、1 9 8 8 、 涝年 1 9 8 5 、1 9 9 71 9 9 0 、1 9 9 5 、2 0 0 0 早年1 9 6 2 、1 9 7 3 、1 9 9 0 、1 9 9 8 、2 0 0 31 9 6 2 、1 9 7 3 、1 9 7 5 、1 9 8 0 、1 9 9 8 冬季 涝年 1 9 7 4 、1 9 8 2 、1 9 8 4 、1 9 8 9 、1 9 9 l 、1 9 9 41 9 7 l 、1 9 8 2 、1 9 8 4 、1 9 8 9 、1 9 9 l 、2 0 0 1 从表3 - 1 1 中可知，当墨、k 2 反号时，该年份当属干旱年份，当毛、k 2 同号 时，如1 9 7 1 年春季和2 0 0 3 年冬季，分析这两个时段的逐日雨量序列可知，1 9 7 1 年春季雷州半岛( 图3 1 1 ) 无雨日显著偏多，降水量接近正常，但降水主要集中 在季末，前期近7 0 天无明显降水，故该季既旱又涝，2 0 0 3 年冬季亦如此( 图略) 。 由此可见，用无雨日作为划分干旱的指标是可行的，并且对集雨工程较少的 笛州半岛地区尤其是对于涉及农林业自然生态的干旱，用无雨日作为划分早涝 的指标比降水量更为合适。 表3 - 1 1 ；l 两种指标分别划分于早的结果中不同为干早年份的毛、乞值 气与与 1 9 7 i 春季1 9 6 6 夏季1 9 8 6 秋季 也 岛屯 皇气 七 l m 春1 w 6 置季2 0 0 6 获季 屯屯 2 毛与南 2 0 0 2 鲁季1 9 9 3 夏季1 9 帅冬季 岛屯屯 皇 南毛 2 0 0 3 春季i 6 被晕2 0 0 3 冬季 也屯屯 3 6 小结 图3 - i i 雷州半岛1 9 7 1 年春季逐日雨量序列 本章分析了雷州半岛降水场的演变特征，并分析雷州半岛无雨日和降水量之 间的关系，探讨分别以两者作为划分旱涝指标的优缺点，得到以下主要结论： ( 1 ) 雷州半岛主要降水出现在春、夏季，约占全年降水的8 5 ，其中又以 夏季降水比重最大，约占前年降水的6 3 。除5 、1 0 月份，其他月份雷州半岛全 区降水的年际变化具有显著同步( 号) 性。 ( 2 ) e o f 分析发现，雷州半岛降水场可大致分为全区旱( 涝) 型( p 型) ， 南旱( 涝) 北涝( 旱) 型( p n s 型) ，东旱( 涝) 西涝( 旱) 型( p e w 型) ，p 型为主要异常分布型。 ( 3 ) 雷州半岛区域平均的各季节无雨日与对应季节的降水量逐年变化之间 存在着显著的反相关系，对农林业等自然生态而言，用无雨日来定义干旱现象较 降水量更为合适些，相对各气候平均态而言，以无雨日指标划分出的各季干旱事 件中，以夏季最多，冬季最少；而以降水量为指标划分的结果则以春、秋季干旱 偏多，冬季偏少。 2 4 第4 章雷州半岛干旱大气环流背景分析 为进一步了解雷州半岛旱涝成因，本章主要运用合成分析方法，从同期海温 场、海平面气压场，位势高度场、风场、水汽通量六个方面进行分析，分季节对 各个场旱年进行合成分析，找出差异，并用t 一分布对其显著性进行检验，以求对 造成雷州半岛各