基于转动主分量分析法的华东区年平均气温变化趋势分析

基于转动主分量分析法的华东区年平均气温变化趋势分析

20世纪世界气候变化动听，公众越来越关注气候变化。气候变化已成为气候科学研究的热点。中国东部经济相对发达，人口相对集中。工农业生产对气候有很大的依赖性。对该地区温度变化的研究具有重要的理论和实用价值。气候变化的原因非常复杂，不同地区的气候变化各不相同。不同地区的气候变化有不同的特点。不同季节的气候变化是不同的。在全球气候持续变化的过程中，中国东部的气候如何变化？由于地域南北走廊的巨大差异（22.5n38n），不同地区、不同季节的气候变化差异很大。本文根据区域温度变化的区域差异，将整个中国东部划分为几个区域，并讨论各区域温度变化的特点。1平均气温特征资料序列所用资料为华东地区60个站的38年(1961～1998)逐日平均、最高和最低气温实测资料.以此为基础建立冬季(12～1月),夏季(6～8月)和年平均气温序列.为了消除因地理原因引起的平均值和变率差异的影响,对这些资料序列分别进行了标准化处理.2转动主分量法转动主分量分析方法在很多文献中都可查到.它能将空间相关的地区减少到少数几个用来客观地识别空间型.空间场每一个空间点对应的变量只与一个主成分存在高相关,因此,用转动主分量法可以较客观地进行分区.显著主分量个数的确定可采用堆砌图的检验原则,即特征值l的抽样标准差约为l(2/n)1/2(l为特征值,n为测站数),当相邻两个特征值之差至少是这个值的一到两倍时,表明对应的主分量是显著的,从而确定需要转动的主分量个数.据此原则,本工作中共选取显著主分量3个.旋转过程中,令ε=10E-6,当相邻两次方差贡献之差小于ε时停止旋转.绘制各旋转主成分荷载向量场,标明荷载≥0.6的站点.本工作用转动主分量法对华东地区年平均气温场进行区域划分,分区原则是:1)同一荷载向量场,荷载≥0.6且地理上连成一片的测站多于4个的区域划分为同一个气温变化区.若有地理上不连续的两块或以上符合该原则,则为不同气温变化区.2)若某荷载向量场中荷载≥0.6的站点少于4个或虽多于4个,但地理上连成一片的站点数少于4,则认为无与该荷载向量场相对应的气候变化区.这些荷载较大的测站的归属,按其与其他荷载场的关系密切程度进行划分.3)个别测站按上述原则可能同时归于两个或以上相邻气温变化区,对这些测站也按其与相邻气候变化区对应的荷载向量场荷载的大小,将其归于荷载最大区域.3个站的测定按上述原则将整个华东区分为3个区(图1),Ⅰ区为山东、江苏、安徽和上海,包括35个站;Ⅱ区为江西省西北大部,浙江和福建北部,包括15个站;Ⅲ区为福建,包括10个站.显然,分区结果与下垫面特征等地理环境有很大关系.为讨论方便,取各区中因子荷载最大的站为各区域代表站.计算各区域内各站点的温度序列与代表站序列的相关系数.表1分别列出各区域内各站与代表站的相关系数最大和最小值,所有这些值均通过置信水平为95%的显著性检验,这说明所选代表站对所在区域有较好的代表性,即各代表站的温度变化趋势可以反映所在区域的温度变化趋势.4各地区年平均气温变化的特征分析4.1区年平均气温特征图2分别为各区年平均、年平均最高和最低气温变化趋势及其9年滑动平均曲线.这组曲线反映了华东地区近38年来年平均气温变化趋势的3种基本形态.对年平均温度而言,Ⅰ区气温20世纪60年代呈降温趋势,60年代末降到最低,70年代初开始呈持续上升趋势,90年代末达到最高.Ⅱ区60年代末和70年代末出现过两次高值.70年代后期到90年代末呈“V”型变化,即前期降后期升.最低值出现在80年代初.Ⅲ区气温总线性趋势略有上升.60到70年代气温低于平均值,之后有所上升,但幅度并不很大.可见,近38年来整个华东区年平均气温总体呈上升趋势,Ⅰ区最显著,增幅达1.1℃.从年平均最高气温曲线看,Ⅰ区年平均最高70年代前较低,1969年达到38年来最低值14.8℃,之后持续增温,70年代后期变化平缓,1985年开始快速增温,1997年达到38年最高值17.3℃,变幅达到了2.5℃.Ⅱ区年平均最高气温与其最低气温变化趋势和变化幅度都很相似,总趋势略有下降.基本围绕平均值上下波动,1969年出现过一次38年最高值26.2℃,1991年出现38年最低值20.6℃.Ⅲ区年平均最高气温线性趋势持续下降,变率约0.3℃/10年.从年平均最低气温曲线看,Ⅰ区20世纪70年代前呈下降趋势,之后持续上升,到1997年达到最高,上升了2.6℃.Ⅱ区基本呈波状型,即只在平均值附近振动,且振幅不大,线性趋势略下降.70年代中期之前在平均值以上,之后低于平均值.Ⅲ区60到80年代初,都低于平均值,且变化缓慢,之后也呈线性上升趋势,但近10年波动较大,1997年达到最高值17.2℃.可见,Ⅰ区年平均最高和最低气温都呈上升趋势,相应的年平均气温也呈上升趋势,所以增温并不都是最低气温升高引起的,最高气温的显著升高也有很大的贡献.Ⅱ区年平均最高、最低气温和其年平均气温的变化都很相似,基本上是20世纪60年代到80年代中期下降,80年代中期到90年代末有所上升,但下降和上升的幅度都不大.Ⅲ区年平均最高气温下降,年平均最低气温上升.而年平均最低气温的上升幅度大于年平均最高气温的下降幅度,所以总的年平均气温是升高的.由于温室效应加强,华东区过去38年日较差变小与最低气温明显升高有关,所以将进一步分析冬夏季平均气温场年际变化趋势.这对解释平均温度变化趋势很有意义.图3可见,Ⅰ区冬季平均气温上升为主,尽管60年代略下降,但自60年代末持续上升,增幅1.9℃.夏季平均气温线性上升趋势明显,尤其90年代上升较快,38年上升0.8℃.Ⅱ区冬季平均气温也呈上升,38年上升1.1℃.60年代上升明显,60年代末到80年代初变化平缓,80年代初到90年代末一直上升.夏季平均气温基本无明显变化.Ⅲ区冬季平均气温变化平缓,80年代初开始基本是呈上升趋势的,从80年代最低8.1℃到90年代末最高11.6℃.夏季平均气温略呈上升趋势,但不明显,1997年出现了一次38年来的极小值21℃.可见冬季各区的平均气温都呈上升趋势,且Ⅰ区增幅最大;夏季Ⅰ区上升趋势较明显,其余两区并不明显.4.2区的来升势分析从年代际平均气温变化(表2)看,Ⅰ区上升趋势明显,且变暖速度加快.20世纪90年代比60年代上升0.9℃.Ⅱ区先降后升,80年代转折,80到90年代升幅较大,但未超过60年代.Ⅲ区也先降后升,转折点在70年代,之后基本持续上升.从年平均最高气温年代际变化(表3)看,显然Ⅰ区持续增温,尤其是90年代上升幅度很大.Ⅱ区先降后升,转折点在80年代,上升幅度未超过60年代.Ⅲ区显然是持续下降的.从年平均最低气温年代际变化(表4)看,Ⅰ区先降后升,转折点在70年代,之后持续上升,且幅度较大.Ⅱ区也是先降后升,转折点在80年代,但90年代上升幅度不大.Ⅲ区上升趋势较显著,尤其80年代上升最快.5区的周期特征用功率谱分析法对华东区60个站年平均气温序列进行了周期分析.取最大落后步长m=10,显著性检验采用了RaoK.N.等人给出的判据.结果表明,Ⅰ、Ⅱ区存在4年左右准周期,Ⅲ区的主要周期为20年左右,以上周期均通过或接近置信水平0.90显著性检验.有必要指出,在进行显著性检验时发现长江以北站点平均气温变化基本上以红噪音过程为主,而以南则基本为白噪音过程.分别满足红、白噪音过程的站点的分界线与年平均气温场Ⅱ区与Ⅲ区分界线吻合(图4).说明北方年平均气温变化连续性较明显,而南方年平均气温的年代际变化较明显.6总温和年平均气温变化规律对华东区60个站年平均气温场做转动主分量分析,结果将其划分为三个变化较为一致的区域:长江以北(Ⅰ区),长江以南平原及沿海(Ⅱ区)和福建东南大部及江西东南部(Ⅲ区).38年来,整个华东区年平均气温总体呈上升趋势.Ⅰ区为增温最显著区,升幅1.1℃;Ⅱ区的总体趋势下降,尽管20世纪90年代以来温度上升;Ⅲ区总体趋势上升,但升幅远不如Ⅰ区.各区年平均气温变化趋势都与其相应的年平均最低气温变化趋势极相似,说明年平均气温升高主要是由年平均最低气温升高引起.Ⅰ区、Ⅱ区年平均最高和最低气温变化趋势与