青藏高原冬季积雪时空变化特征EOF分析

青藏高原冬季积雪时空变化特征EOF分析 高文良,陈忠明,闵文彬:青藏高原冬季积雪时空变化特征EOF分析 青藏高原冬季积雪时空变化特征E0F分析 高文良,陈忠明,闵文彬 (1.中国气象局成都高原气象研究所,成都610072;2四川省气象局) 摘要:通过对青藏高原冬季积雪的EOF分析.揭示了 青藏高原冬季积雪的时间变化和空间分布特征,分析 出高原冬季积雪的突变现象.对青藏高原冬季积雪时 空变化规律提出了自己的观点. 关键词:青藏高原;冬季积雪;EOF分析 中图分类号:P437 文献标识码:A 文章编号:1003—7187(2004)03—0007—04 1引言 大气运动下边界的冰雪对大气的作用不可忽视 其对气候变率具有重要影响.在积雪研究中的一个 很重要问题是资料的可信度,准确度问题.由于青藏 高原上的测站较少.分布不均.所处的位置多位于河 谷一带.测站观测资料的代 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 性受到一定影响.卫星 资料也有一定的误差.而且由于不同年代的处理方法 的变化经常带来资料精度的不同.因而从各种资料 得出的结果存在显着差异.有必要对积雪本身的空 间分布和时间变化进一步研究.只有搞清楚它自身 的变化特征.才能对它所起的影响做出准确的评判. 对于用台站资料做出的一系列研究成果.有必要用其 它资料进行验证. 2资料和方法 近年来NCEP/NCAR再分析资料得到了广泛的 应用.取得了十分好的效果.这里就NCEP/NCAR 再分析资料中的月累积积雪深度小当量资料作一些 分析.与已有的研究成果作一些比较.虽然NCEP/ NCAR再分析资料是模式资料.但它经过与实测资料 的同化再分析和模式物理及动力学约束.可用来探讨 某些大气环流变化问题. NCEP/NCAR再分析全球月累积积雪水当量深 度资料.时间从1949年1月到1999年12月共51 年.纬向为1.875.的格距.经向为高斯格点共94点. 单位为kg/m..青藏高原取为63.75.,108.75.E. 23.809.,44.761.N的区域,主要研究了冬季时段(当 年12月至下一年2月)的积雪. EOF分析方法(经验正交函数展开)对时空场的 分解有很多优点.它没有固定的函数,而且展开的收 敛速度快.文献[1]中有详细介绍. EOF分析分解出的特征向量是有物理意义的信 号还是毫无意义的噪音.应该进行显着性检验,特别 是当时空场的空间点数大于样本量时.显着性检验十 分重要.用North[.]等提出方法来对特征向量进行显 着性检验. 根据North等的推导.特征向量a的误差 ,毒 8?f1.(1)\I, ‘ 记?——一..那么当8/?<1时.与 一 .是可以分离的.二特征值问的间距大于特征值的 误差.认为该特征值是有意义的.而不是毫无意义的 噪音?.. 另外.在文中还用到了滑动t检验和Mann— Kendall方法来检验气候突变. 3结果分析 3.1青藏高原冬季积雪距平场EOF分析 EOF分析能够比较清晰地揭示一个时空场的主 要时间演变规律和空间分布特征.以前有些工作以 积雪的原始场作EOF分析[3].并且以第一特征向 量的分布与多年平均场之间的差异作为判定EOF分 析是否成功的标志.依据文献c6]中所述.原始观测场 时间序列的第一特征向量与气候平均场的相似性依 赖于原始观测场序列在相空间中的结构.时间平均 场(气候场)与时间偏差(异常)场的相对强弱在二者 的相似与否中起到重要作用.当时间偏差(异常)场 的强度较大时.第一特征向量与时间平均场(气候场)完 全不相似.因此对冬季高原积雪的距平场作E【)F分析. 收稿日期:2003—10—20 作者简介:高文良(1971一),男,工程师.主要从事短期气候预测研究. ? 7? 总第89期 2004年第3期四川气象SEP.No.89Vo1.24No.3 表1冬季高原积雪距平场EOF分析结果 表1为冬季青藏高原冬季高原积雪距平场EOF 分析的结果.从表1中可以看到,EOF分析的第一 特征向量所占的方差贡献达到32.1O%,远大于其他 圈1a冬季高原积霄匝平场EOF分析第一特特征向?. 租实线为高原2000m地形等高线 对青藏高原冬季51年积雪的距平场作EOF分 析.图1.a是冬季高原积雪距平场EOF分析得出的 第一特征向量.由图可见,异常积雪的主要分布型呈 现如下特征:在75.E以东,高原的北部为正值区,中 部为一条形的负值区,南边又是正值区,再向南变成 绝对值很小的负值区.在这部分的2000m地形等高 线内区域.正值区的范围大,值也比负值区绝对值高 得多,占主导地位.而且北部的正值区和南部的正值 区在高原的东部已经连成一片,形成对负值区的半环 形包围.因此.在高原的75.E以东部分,第一特征向 \ 圈1c冬季青藏高原积?匝平场EOF分析第一 时闻系数.虚线为两时段平均值 图1.c为冬季青藏高原积雪EOF分析的第一时 间系数.可以看出.高原积雪的时间变化具有阶段性 特征.在1967,1968年冬季以前.时间系数全为正 ? 8’ 特征向量所占的比重.第二特征向量的方差贡献为 1O.27%,第三特征向量的方差贡献为7.9O%.EOF 分析的前八个特征向量的累积方差贡献率达到 7O.OO,基本能够将冬季高原积雪场的变化特征体 现出来.依据North准则.第一特征向量所对应的 ~X/AX值为0.294<1.前三个特征向量得到较好的 分离,气象意义明显.远离噪音[2]. 圈1b冬季高原积雷匝平场EOF分析第二征向量. 租实线为高原2000m地形等高线 量以成环形的正值区分布为主,中间有一微弱的反号 分布;75.E以西.特征向量的值基本为负值.其与75. E以东地区的变化基本反位相. 图1.b为距平场EOF分析得出的第二特征向 量.由图可见.除了在高原的西北有一块范围较小的 正值区外,整个高原地区基本为负值区.在高原的中 部(78.,14)0.E.32.,39.N)区域,是一块成片的绝对 值高值区.第二特征向量的分布反映出了冬季积雪 在高原的中部和东部的变化相同,是冬季高原积雪的 分布的主要特点. 圈1d冬季青藏高原积?匝平场EOF分析 第二时间系数 值.该段时期的平均值为182.07.而在1967,1968 年冬季以后,时间系数全为负值.该段时期的平均值 为一ll1.59.第一时间系数以1967,1968年冬季为 姗姗瑚瑚伽伽?0哪伽瑚暑一 高文良,陈忠明,闵文彬:青藏高原冬季积雪时空变化特征EOF分析 界.从正值转向负值.反映了冬季青藏高原积雪在 1967,1968年冬季前后有一个剧烈的变化.而且这 两个时段第一时间系数的平均值的差异也很大.它 显然反映了冬季高原积雪的一个长时间尺度的变化 特征. 图1.d为冬季青藏高原积雪EOF分析的第二时 间系数.可见,积雪的第二时间系数在1979,198o 年冬季以前的变化都比较明显.在198o,1981直到 1994~1995年冬季期间积雪时间系数的变化相对较小. 时间系数在1979~198o年冬季之前的变化振幅相对较 大. 3.2青藏高原冬季积雪气候突变分析 对比前两个特征向量的时间变化特征,存在明显 的长期趋势:既有积雪在1968年前后的明显的跳跃 性突变.又有1976年前后的年际变率的显着差别(振 幅减小).这里对由NcEP—NCAR积雪资料得到的 第一时间系数所揭示的突变的存在性进行统计检验. 图3给出滑动t检验结果.表明突变时间在6O年代. 圈3冬季高原积叠EOF分析第一时闻系数气候突变 的滑动t检验结果.虚线为99.99%信度临界线 圈4冬季蠢原积暑EOF分析第一时间系数气候突变的ldann- Kendall方法检验结果.虚线为99.99%信度临界线 由于气候突变检验的统计方法还不够成熟.确定 某气候系统或过程发生突变现象时,最好用多种方法 进行比较].为此又利用Mann—Kendall方法对冬 季青藏高原积雪的第一时间系数作气候突变分析. Mann—Kendall方法是一种非参数的统计检验方法, 它不需要样本遵从一定的分布,也不受少数异常值的 干扰.更适用于类型变量和顺序变量.计算也简便.而 且这种方法可以明确突变开始时间,并指出突变区 域].图4为第一时间系数的Mann—Kendall方法 检验.由图可见.UF曲线在1956,1957年冬季以前 呈增加趋势.然后逐年减少,中间有些小的波动.UF 曲线与UB曲线的交点在1965,1966年附近.表明 冬季高原积雪在这附近发生突变.可以看出突变的 开始时间是1962,1963年的冬季.在1967,1968 年冬季以后第一时间系数呈减少趋势.且达到了 99.9%的信度.从Mann—Kendall的分析结果来看. 第一时间系数确实在1967,68年冬季附近发生了气 候突变. 65E70E75E8OE85E90E95E100E105E 圈5青藏高原冬季积雪1967—1968年冬季前后合成差值图 租实线为高原200m地形等矗线.阴影区信度达99.9% 图5是1967,1968年冬季前后冬季积雪场的合 成差值图.可以看到.与EOF分析的第一特征向量 基本反映了合成差值图中得到的青藏高原积雪在 1967,1968年冬季前后差异分布. 通过以上的分析.NcEP/NcAR再分析资料中. 青藏高原冬季积雪在1967,1968年冬季附近经历了 一 次气候突变.高原积雪由多雪变为少雪. 3.3青藏高原冬季积雪年际变化部分的EOF分析 从以上的分析中我们可以看出.冬季青藏高原积 雪EOF分析所得到的第一特征向量主要揭示的是高 原积雪的长期趋势.为了进一步刻画年际变率的特 征.将积雪的年代际变化和长期趋势与年际变化分离 开来是必要的. 将冬季高原积雪各格点序列进行11年二项式滑 动平均.然后将各格点积雪原始资料序列减去这个滑 动平均序列.得到代表年际变化的积雪资料序列.二 项式滑动平均所得的序列与原序列长度相同.而且对 ?9. NNNNNNNNNNN ??勰?s{?勰拍. 总第89期 2004年第3期四川气象SEP.NO.89VO1.24NO.3 序列的开始段和结尾段的处理较好.这样做相当于 将积雪长于l1年的周期变化部分从原始资料中分离 出去.只剩下代表年际变化部分的序列[8].得到的冬 季高原积雪的年际变化作为EOF分析的对象.分析 结果见表2. 由表2看出.第一特征向量的方差贡献达到 14.76.其North准则值为0.522.小于1.故第一特 征向量具有比较显着的气象意义.但是第二特征向 量的North准则值大于1.它的误差比特征值问的步 长间距更大,它不具有气象意义.因此这里给出第一 圈68青藏高原冬季积冒年际变化部分EOF分析第 一 特征向?.粗实线为高原2000m地形等高线.虚框 内为变化剧烈区 需要指出:(1)第一特征向量在高原的大部分区 域为正值分布.只有在高原的西北角出现了一小块绝 对值很小的负值区.在8O.E以东的高原中部,第一 特征向量有成片的高值分布区.这种分布表明.冬季 青藏高原积雪在高原的西北和高原其余部分的空间 分布相反.而且空间分布的高值区域位于高原的中东 部.虽然冬季高原的西北部积雪常年很深.但是其年 际变化却很小.而且与高原的中东部变化反位相.在 高原的中东部位积雪偏浅.但其年际变化却最大. (2)时间系数显示出的年际变率振幅存在显着的年代 际差别.带有阶段性特点.看起来振幅受到了长期趋 势的调节.从以上青藏高原积雪年际变化部份EOF 分析来看.NCEP/NCAR积雪资料所揭示的青藏高 原积雪的年际变化与实际观测资料所得到的结论是 一 致的[.].它们都表明高原积雪的东西部的变化是 反位相的.而且高原东部的积雪变化在整个高原积雪 的变化中占主导地位.由此可见.NCEP/NCAR积 雪资料与观测资料相比较.在青藏高原它首先模拟出 了积雪的年代际变化.然后又模拟出积雪的年际变 化. 4结论 通过对青藏高原冬季积雪距平场的EOF分析, 可以得到: 4.1青藏高原冬季积雪在1967,1968年附近经历 了一次气候突变.由多雪阶段转为少雪时期; ? 】O? 特征向量和第一时间系数(图6.a,图6.b).其所揭 示出的空间分布特征和时间变化规律与前述第二特 征向量显示的特征基本相同(图1.b,1.d).只是用原 始距平资料得到第二特征向量时间系数中仍然含有 年代际长期趋势. 表2冬季高原积雪EOF分析结果(年际变化部分) 圈6b青藏高原冬季积冒年际变化部分EOF分析第 一 时间系数 4.2与上述气候突变相伴随.青藏高原冬季积雪的 年际变化振幅显着减小; 4.3青藏高原冬季积雪深的地区年际变化小而积雪 浅的地区年际变化大.青藏高原冬季积雪的年际变 化空间分布在高原的西部和高原中东部分反位相且 以高原的中东部分的变化为主. 参考文献 [1]施能.气象科研与预报中的多元分析方法.气象 出版社.1995:2O5—214. r2]NorthG.R.,T.L.Belleta1.,samplingerrorsin theestimationofempiricalorthogonalfunctions,M.W.R. ,1982,110(7):699—706. [3]郭其蕴,王继琴.青藏高原的积雪及其对东亚季风 的影响.高原气象.1986,14(1):l16--123. [4]柯长青,李培基,青藏高原积雪分布与变化特征. 地理学报.1998,53(3):209—215. [5]韦志刚,吕世华.青藏高原积雪的分布特征及其对 地面反照率的影响.高原气象.1995,14(1):67—73. 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