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    中國(guó)夏季降水異常EOF模態(tài)的時(shí)間穩(wěn)定性分析

    2014-12-14 09:13:48龐軼舒祝從文劉凱
    大氣科學(xué) 2014年6期
    關(guān)鍵詞:距平百分率降水

    龐軼舒 祝從文 劉凱

    中國(guó)氣象科學(xué)研究院,北京100081

    1 引言

    經(jīng)驗(yàn)正交分解(Empirical orthogonal function,EOF)又被稱為主成分分析(Principal component analysis,PCA),最早由Pearson提出(Pearson,1902),20世紀(jì)50年代Lorenz將該方法引入大氣科學(xué)領(lǐng)域(Lorenz,1956),隨后被廣泛應(yīng)用至今。EOF方法的優(yōu)點(diǎn)在于它能對(duì)分布不規(guī)則的氣象要素場(chǎng)進(jìn)行時(shí)空分解,得到的各特征向量(空間模態(tài)和時(shí)間系數(shù))相互正交,其中空間模態(tài)(EOF)在一定程度上可反映要素場(chǎng)的空間分布特點(diǎn),而時(shí)間系數(shù)(PC)則反映相應(yīng)空間模態(tài)隨時(shí)間的權(quán)重變化。除此之外,EOF方法還具有展開收斂速度快,容易將原始要素場(chǎng)的變化信息濃縮在前幾個(gè)模態(tài)上的特點(diǎn)。因此,該方法常用于氣象要素場(chǎng)時(shí)空變化特征規(guī)律研究。

    EOF方法是氣候研究中的主要方法之一,在過去幾十年,中國(guó)學(xué)者利用該方法對(duì)中國(guó)降水時(shí)空變化特征做了大量研究(例如,王紹武和趙宗慈,1979;鄧愛軍等,1989;李棟梁等,1997;宋正山和楊輝,2001;魏鳳英,2003;孫林海等,2005;Wang et al.,2013;封國(guó)林等,2013 ;Zhang et al., 2013)。其中,王紹武和趙宗慈(1979)利用此方法分析了我國(guó)旱澇分布特點(diǎn),并在此基礎(chǔ)上提出了中國(guó)6種主要雨型的觀點(diǎn)。宋正山和楊輝(2001)利用此方法分析了500 hPa環(huán)流場(chǎng)與我國(guó)夏季降水(雨型)相關(guān)分布,指出該環(huán)流場(chǎng)前兩個(gè)模態(tài)與中國(guó)夏季降水主要分布型有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。除此之外,學(xué)者們還將EOF方法應(yīng)用于短期氣候和區(qū)域統(tǒng)計(jì)降尺度預(yù)測(cè)中,通過EOF各模態(tài)的PC系數(shù)預(yù)測(cè)和重建來預(yù)測(cè)未來要素場(chǎng)的變化(章基嘉等,1979;Harnack and Lanzante, 1985;袁景鳳和吳曉曦,2000;何慧等,2004)。例如,何慧等(2004)通過對(duì)廣西前汛期降水距平百分率作 EOF 分解,選取累積方差貢獻(xiàn)接近70%的前五個(gè)模態(tài)為預(yù)報(bào)量,利用統(tǒng)計(jì)方法建立降水預(yù)報(bào)模型。眾所周知,在EOF重建過程中,參與模態(tài)越多,重建場(chǎng)與原始場(chǎng)越接近。然而,在利用EOF方法預(yù)測(cè)時(shí),參與模態(tài)的選取則有嚴(yán)格的條件限制。章基嘉等(1981)指出,只有EOF模態(tài)在預(yù)測(cè)時(shí)效內(nèi)穩(wěn)定,該模態(tài)的信息才可用于未來的氣候預(yù)測(cè)。Charles et al.(1999)、Wilby and Wigley(2000)指出預(yù)報(bào)因子和預(yù)測(cè)函數(shù)隨時(shí)間穩(wěn)定是建立統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)模型的基本條件。因此,在利用 EOF方法建立氣候預(yù)測(cè)模型時(shí),需首先討論各EOF模態(tài)是否隨時(shí)間發(fā)生變化。為方便討論,本文將 EOF模態(tài)不隨時(shí)間發(fā)生變化稱作時(shí)間穩(wěn)定。

    夏季降水一直是我國(guó)短期氣候預(yù)測(cè)的重點(diǎn)內(nèi)容,近年來許多氣象工作者在前人研究的基礎(chǔ)上提出了新的預(yù)測(cè)方法及思路并取得了不錯(cuò)的預(yù)測(cè)效果(郭玲,2011;郭彥和李建平,2012;Liu and Fan,2012),但就現(xiàn)階段而言,全國(guó)范圍的降水預(yù)測(cè)水平還有待進(jìn)一步提高。而研究中國(guó)夏季降水 EOF模態(tài)的時(shí)間穩(wěn)定性對(duì)于認(rèn)識(shí)中國(guó)夏季降水主要變化特征,并從降水全局變化角度探索可能的預(yù)測(cè)方法具有重要的意義。因此,本文分析和討論了1980~2012年中國(guó)夏季降水距平和距平百分率前四個(gè)EOF模態(tài)的特征和時(shí)間穩(wěn)定性,在此基礎(chǔ)上探討 EOF方法在整個(gè)中國(guó)地區(qū)夏季降水預(yù)測(cè)中的潛在能力和應(yīng)用條件。

    2 資料和分析方法

    本文采用的資料為中國(guó)氣象局信息中心提供的1951~2012年全國(guó)160臺(tái)站夏季(6~8月)逐月降水資料,該套資料常用于國(guó)家氣候中心的短期氣候預(yù)測(cè)工作。研究過程中,本文首先對(duì) 1980~2012年降水距平和距平百分率進(jìn)行EOF分解,取前四個(gè)模態(tài)進(jìn)行分析。在此基礎(chǔ)上,利用滑動(dòng)交叉檢驗(yàn)、獨(dú)立樣本檢驗(yàn)、距平相關(guān)系數(shù)(Anomaly correlation coefficient,ACC)、時(shí)間相關(guān)系數(shù)(Temporal correlation coefficient,TCC)等方法討論EOF各模態(tài)的時(shí)間穩(wěn)定性。為定量評(píng)估EOF各模態(tài)的時(shí)間穩(wěn)定性,本文定義了時(shí)間穩(wěn)定性指數(shù)(Stability Index, SI),即資料時(shí)間長(zhǎng)度處理前后對(duì)應(yīng)空間模態(tài)ACC和時(shí)間系數(shù)TCC的乘積,并將穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)設(shè)為 0.5。其中,資料時(shí)間長(zhǎng)度處理分別通過滑動(dòng)交叉檢驗(yàn)[見公式(1)]和獨(dú)立樣本檢驗(yàn)[見公式(2)]兩種方法實(shí)現(xiàn)。

    其中,Ri,t為時(shí)間長(zhǎng)度處理后的資料(i=1980,1981,…,2012;t為剔除時(shí)間長(zhǎng)度:1,2,3,4,5);R0為原始資料(1980~2012年夏季降水場(chǎng));r為樣本元素。

    其中,Ri為時(shí)間長(zhǎng)度處理后的資料(i=2003,2004,…,2012);R0為原始資料(1980~2002年夏季降水場(chǎng));r為樣本元素。

    3 中國(guó)夏季降水異常主要模態(tài)的特征分析

    過去很多研究認(rèn)為中國(guó)東西部降水氣候特點(diǎn)不同(徐國(guó)昌,1997;孫國(guó)武,1997;朱乾根等,2007),基于這種觀點(diǎn),對(duì)整個(gè)中國(guó)地區(qū)夏季降水進(jìn)行EOF分析很可能無法區(qū)分東西部降水的特征。為此,我們對(duì)比了 1980~2012年中國(guó)和中國(guó)東部地區(qū)(100°E以東)夏季降水距平、距平百分率的前四個(gè)EOF模態(tài)。對(duì)比結(jié)果表明,兩者夏季降水距平各模態(tài)的解釋方差差異較小,對(duì)應(yīng)空間分布形態(tài)相似,PC系數(shù)變化一致,相關(guān)系數(shù)接近1.0(圖略)。而兩者降水距平百分率各模態(tài)的差異則主要表現(xiàn)在前兩個(gè)模態(tài)的順序發(fā)生了對(duì)調(diào),其對(duì)應(yīng)PC系數(shù)的時(shí)間相關(guān)關(guān)系仍然通過顯著性水平為 0.01的檢驗(yàn)。由此可見,盡管中國(guó)東西部地區(qū)降水特性有所差異,但由于EOF分析結(jié)果突出的是降水方差貢獻(xiàn)較大的區(qū)域,所以從整體角度進(jìn)行EOF分析不僅能很好地反映方差貢獻(xiàn)較大的東部降水特征,同時(shí)也能反映西部地區(qū)降水的一些特性,適用于全國(guó)夏季降水預(yù)測(cè)。

    基于上述討論,本文重點(diǎn)分析中國(guó)夏季降水距平和距平百分率的前四個(gè)EOF模態(tài)。圖1表示降水距平前四個(gè)EOF模態(tài)的空間分布特征,其中,各模態(tài)的解釋方差分別為 18.45%、10.93%、8.14%和7.44%,累計(jì)方差貢獻(xiàn)約 45%。如圖所示,第一模態(tài)在100°E以東地區(qū)表現(xiàn)出南北向“+、-、+”的三極型分布,是東亞夏季風(fēng)降水的主要空間分布型;第二模態(tài)表現(xiàn)出以長(zhǎng)江為界,南北方降水反相變化的特征;第三模態(tài)表現(xiàn)為江南地區(qū)、東北部分地區(qū)和西北地區(qū)降水偏少,其余地區(qū)降水偏多的特征;第四模態(tài)則呈現(xiàn)華南、黃淮區(qū)域降水偏少,其他區(qū)域降水偏多的特征。而從降水距平百分率前四個(gè)EOF模態(tài)分析結(jié)果(圖2)可以看出,其各模態(tài)的解釋方差依次是 14.46%、10.64%、7.95%和6.39%,累計(jì)方差貢獻(xiàn)為39.44%。其中第一模態(tài)的空間分布表現(xiàn)為黃河以北地區(qū)與其余地區(qū)降水反向變化的特征;第二模態(tài)則呈現(xiàn)出南北向“-、+、-”三極型分布特征;第三模態(tài)表現(xiàn)為河套地區(qū)、華南沿海地區(qū)和其余地區(qū)降水反向變化特征;第四模態(tài)則表現(xiàn)為全國(guó)大部分地區(qū)降水偏多,零星地區(qū)降水偏少的特征。

    從上述分析可以發(fā)現(xiàn),作為指示降水異常的兩種物理量,降水距平和距平百分率前四個(gè)模態(tài)的空間分布表現(xiàn)出多樣性和復(fù)雜性,且各模態(tài)所占的方差貢獻(xiàn)率最大不超過20%,這說明中國(guó)夏季降水的年際變化特征多樣而復(fù)雜,單個(gè)EOF模態(tài)反映的信息十分有限,因此在利用EOF方法預(yù)測(cè)中國(guó)夏季降水時(shí),必須盡可能考慮多個(gè)模態(tài)的信息。另外,由于降水距平和距平百分率側(cè)重不同,前者反映降水偏離氣候值的大小,后者反映降水偏離氣候值的程度,所以兩者各模態(tài)的空間分布差異明顯。這說明在利用 EOF方法預(yù)測(cè)中國(guó)夏季降水時(shí),這兩種物理量不能相互替代。

    4 中國(guó)夏季降水異常主要模態(tài)的時(shí)間穩(wěn)定性分析

    如前所述,時(shí)間穩(wěn)定是各EOF模態(tài)應(yīng)用到氣候預(yù)測(cè)中的重要前提條件。為此,本文首先通過滑動(dòng)交叉檢驗(yàn)方法討論中國(guó)夏季降水距平和距平百分率前四個(gè)模態(tài)的時(shí)間穩(wěn)定性,以探究各EOF模態(tài)是否可參與中國(guó)夏季降水預(yù)測(cè)。

    圖3表示通過滑動(dòng)交叉檢驗(yàn)得到的中國(guó)夏季降水距平各EOF模態(tài)SI隨時(shí)間和剔除時(shí)間長(zhǎng)度(t)的變化情況,如圖所示,當(dāng)t≤5時(shí),第一個(gè)模態(tài)的SI恒大于 0.9,高度穩(wěn)定。第二模態(tài)在t=1時(shí),SI恒大于0.8,高度穩(wěn)定;在t=2時(shí),SI在個(gè)別年份(如1998年)略低于穩(wěn)定度標(biāo)準(zhǔn)0.5,其余年份高于0.8,基本穩(wěn)定;在t>2時(shí),SI的時(shí)間波動(dòng)幅度增大,低于穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)的年份增多,時(shí)間穩(wěn)定性下降。第三、四模態(tài)在t=1時(shí),除個(gè)別年份(2008年)外,SI總體高于穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn),基本穩(wěn)定;在t>1時(shí),SI波動(dòng)幅度隨t增加而增大,數(shù)值明顯下降。由此可見,在利用EOF方法預(yù)測(cè)中國(guó)夏季降水距平時(shí),隨著預(yù)測(cè)時(shí)效增加,可參與預(yù)測(cè)的模態(tài)減少。當(dāng)預(yù)測(cè)時(shí)效為一年時(shí),前四個(gè)模態(tài)穩(wěn)定,可參與未來氣候預(yù)測(cè);當(dāng)預(yù)測(cè)時(shí)效為兩年時(shí),前兩個(gè)模態(tài)基本穩(wěn)定,可參與預(yù)測(cè);當(dāng)預(yù)測(cè)時(shí)效大于兩年,僅第一模態(tài)的穩(wěn)定性滿足參與預(yù)測(cè)條件。

    與降水距平相比,2012年在降水距平百分率各模態(tài) SI隨時(shí)間和剔除時(shí)間長(zhǎng)度(t)的變化中表現(xiàn)出顯著異常(見圖4)。當(dāng)被剔除資料包含2012年時(shí),各模態(tài) SI急劇下降。如果忽略 2012年的影響,則前兩個(gè)EOF模態(tài)的SI始終高于0.5;第三模態(tài)的SI在t≤3時(shí)高于0.5,在t=4、5時(shí)除1994年

    略低于0.5,其余高于0.5。而第四模態(tài)的SI波動(dòng)較大,低于0.5的年份較多,穩(wěn)定性較差。由此可見,在利用 EOF方法預(yù)測(cè)中國(guó)夏季降水距平百分率時(shí),第四模態(tài)的穩(wěn)定性較低,無法參與預(yù)測(cè)。另外,基于2012年之前的EOF模態(tài)特征無法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)該年的降水距平百分率。

    圖1 1980~2012年中國(guó)夏季降水距平場(chǎng)前四個(gè)EOF模態(tài)空間分布:(a)EOF-1;(b)EOF-2;(c)EOF-3;(d)EOF-4Fig. 1 The first four EOF modes of China summer precipitation anomalies during 1980–2012: (a) EOF-1; (b) EOF-2; (c) EOF-3; (d) EOF-4

    圖2 同圖1,但表示的是距平百分率場(chǎng)Fig. 2 Same as Fig. 1, but for the field of precipitation anomaly percentage

    圖3 1980~2012年中國(guó)夏季降水距平場(chǎng)前四個(gè)EOF模態(tài)穩(wěn)定度(SI)隨時(shí)間和剔除時(shí)間長(zhǎng)度的變化:(a)EOF-1;(b)EOF-2;(c)EOF-3;(d)EOF-4Fig. 3 Stability indices of the first four EOF modes of China summer precipitation anomaly during 1980–2012, and their change with time and length of excluded time: (a) EOF-1; (b) EOF-2; (c) EOF-3; (d) EOF-4

    圖4 同圖3,但表示的是距平百分率場(chǎng)Fig. 4 Same as Fig. 3, but for the field of precipitation anomaly percentage

    雖然滑動(dòng)交叉檢驗(yàn)結(jié)果在一定程度上反映了各模態(tài)的時(shí)間穩(wěn)定性,但在實(shí)際預(yù)測(cè)時(shí)不知道未來的情況,預(yù)測(cè)結(jié)果仍然存在較大的不確定性。為此,我們通過獨(dú)立樣本檢驗(yàn)方法進(jìn)一步檢驗(yàn)了降水距平和距平百分率前四個(gè)EOF模態(tài)在近10年的時(shí)間穩(wěn)定性。結(jié)果表明,近 10年內(nèi)中國(guó)夏季降水距平前三個(gè)模態(tài)的SI均大于0.9,表現(xiàn)出高度的穩(wěn)定性;第四模態(tài)的SI在近10年內(nèi)波動(dòng)相對(duì)較大,盡管如此,其SI僅有一年(2007年)低于穩(wěn)定度標(biāo)準(zhǔn)(圖略)。而中國(guó)夏季降水距平百分率第一、四模態(tài)的SI在近10年中均大于或等于0.9,第二、三模態(tài)的SI除在2012年低于0.5,其余均大于0.8??傮w而言,中國(guó)夏季降水距平和距平百分率前四個(gè)模態(tài)在近 10年中基本穩(wěn)定。然而與滑動(dòng)交叉檢驗(yàn)結(jié)果類似,降水距平百分率前四個(gè)模態(tài)的時(shí)間穩(wěn)定性在2012年相對(duì)較低。

    5 極端降水事件對(duì) EOF模態(tài)時(shí)間穩(wěn)定性的影響

    由于 EOF特征向量取決于樣本資料的協(xié)方差矩陣,因此某一年的極端降水氣候事件可能會(huì)對(duì)多年降水(距平和距平百分率)的EOF模態(tài)時(shí)間穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。2012年中國(guó)北方一些地區(qū)出現(xiàn)極端降水事件,以北京“7.21”大暴雨為例,全市日平均降水量達(dá) 170 mm,其中房山區(qū)高達(dá) 460 mm(http://www.cma.gov.cn/2011xwzx/2011xmtjj/201207/t20120724_179464.html)。因此,降水距平百分率各模態(tài)時(shí)間穩(wěn)定性在 2012年的特殊性很可能由極端降水引起。

    為驗(yàn)證極端降水氣候事件對(duì)中國(guó)夏季降水EOF模態(tài)穩(wěn)定性的影響,本文將1951~2012年中國(guó)160臺(tái)站夏季降水(R)進(jìn)行閾值修訂(見公式3)以削弱極端降水的強(qiáng)度。經(jīng)檢驗(yàn),該修訂方法不會(huì)破壞原始降水的變化趨勢(shì)和其降水距平(距平百分率)各 EOF模態(tài)的基本特征(圖略)。在此基礎(chǔ)上,對(duì)比閾值修訂前后降水距平和距平百分率前四個(gè)模態(tài)SI的滑動(dòng)交叉檢驗(yàn)結(jié)果。

    其中,Rm為修訂后的降水資料,RMin和RMax則被定義為1951~2012年各站點(diǎn)降水序列(由低到高)5%和95%分位數(shù)的值。

    通過對(duì)比修訂前后降水距平各模態(tài)的 SI(圖5)可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)t≤5時(shí),前四個(gè)模態(tài)的 SI在大多數(shù)年份中減小,在少數(shù)年份中增加,差異值小于 0.3,改變幅度不大。但比較特殊的是,當(dāng)t=2時(shí),第三、四模態(tài)的SI在一些年份中下降程度大于0.5。

    與降水距平不同,降水距平百分率第一、二、四模態(tài)的SI在閾值修訂前后總體提高(圖6),尤其當(dāng)剔除資料中含2012年時(shí)第一模態(tài)(t≤5)和第二模態(tài)(t≤2)SI的增加值超過0.5。而其第三模態(tài)SI的下降年份數(shù)偏多,但改變幅度不大。閾值修訂后,距平百分率各模態(tài) SI隨時(shí)間和剔除時(shí)間長(zhǎng)度(t)的變化如圖7所示,當(dāng)t≤5時(shí),其第一模態(tài)的SI恒大于0.8,高度穩(wěn)定。而第二、三模態(tài)的SI在t=1時(shí)大于0.6,基本穩(wěn)定;在t>1時(shí),低于0.5的年份數(shù)增多,穩(wěn)定性較差。而第四模態(tài)SI在t≤5時(shí)波動(dòng)明顯,低于0.5的年份較多,穩(wěn)定性較差。

    從以上分析可以看出,閾值修訂方法對(duì)降水距平百分率各模態(tài) SI有明顯改善作用,消除了其在2012年的特殊性,而對(duì)降水距平各模態(tài)SI的改善作用則不明顯。這說明,與降水距平相比,降水距平百分率各模態(tài)的時(shí)間穩(wěn)定性更易受到極端降水的影響。然而極端降水的產(chǎn)生不僅受到氣候變化的影響,天氣尺度和中小尺度氣象條件變化的影響也十分重要,但在短期氣候預(yù)測(cè)中,天氣尺度和中小尺度的氣象要素變化無法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。因此在利用EOF方法預(yù)測(cè)中國(guó)夏季降水距平百分率時(shí),可首先對(duì)降水資料進(jìn)行閾值修訂。修訂后,當(dāng)預(yù)測(cè)時(shí)效為1年時(shí),前三個(gè)模態(tài)可參加預(yù)測(cè);當(dāng)預(yù)測(cè)時(shí)效為 1年以上時(shí),僅第一模態(tài)可參加預(yù)測(cè)。

    綜合第4、5節(jié)研究結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)利用EOF方法預(yù)測(cè)未來一年中國(guó)夏季降水時(shí),可參與預(yù)測(cè)的模態(tài)最多,即降水距平前四個(gè)模態(tài)或修訂后降水距平百分率前三個(gè)模態(tài)。假設(shè)各模態(tài)PC系數(shù)預(yù)測(cè)完全準(zhǔn)確,則可以通過它們的EOF重建場(chǎng)與原始場(chǎng)的TCC和ACC來討論EOF方法的潛在預(yù)測(cè)能力。研究結(jié)果表明(圖略),降水距平前四個(gè)模態(tài)能解釋原始降水 45%的變化方差,其重建場(chǎng)與原始場(chǎng)的TCC顯著相關(guān)(α=0.05)站點(diǎn)集中分布在黃河以南大部分地區(qū),平均ACC約為0.6。而修訂后降水距平百分率前三個(gè)模態(tài)能解釋原始降水 30.74%的變化方差,其重建場(chǎng)與原始場(chǎng)的 TCC顯著相關(guān)(α=0.05)站點(diǎn)分布在中國(guó)大部分地區(qū),平均 ACC為0.48。由此可見,EOF方法在中國(guó)夏季降水年際變化預(yù)測(cè)中有一定潛力,當(dāng)以降水距平百分率為預(yù)測(cè)對(duì)象時(shí),可預(yù)測(cè)范圍相對(duì)較大,當(dāng)以降水距平為預(yù)測(cè)對(duì)象時(shí),預(yù)測(cè)結(jié)果相對(duì)準(zhǔn)確。

    圖5 1980~2012年閾值修訂前后中國(guó)夏季降水距平場(chǎng)EOF模態(tài)的穩(wěn)定度(SI)差異(后者減前者):(a)EOF-1;(b)EOF-2;(c)EOF-3;(d)EOF-4Fig. 5 Differences of stability indices between the original and modified Chinasummer precipitation anomalies for the first four EOF modes during 1980–2012: (a) EOF-1; (b) EOF-2; (c) EOF-3; (d) EOF-4

    圖6 同圖5,表示的是距平百分率場(chǎng)Fig. 6 Same as Fig. 5, but for the precipitation anomaly percentage

    圖7 閾值修訂后1980~2012年中國(guó)夏季降水距平百分率場(chǎng)前四個(gè)EOF模態(tài)穩(wěn)定度(SI)隨時(shí)間和剔除時(shí)間長(zhǎng)度的變化:(a)EOF-1;(b)EOF-2;(c)EOF-3;(d)EOF-4Fig. 7 Stability indices of the first four EOF modes of the modified China summer precipitation anomaly percentage during 1980–2012, and their change with time and length of excluded time: (a) EOF-1; (b) EOF-2; (c) EOF-3; (d) EOF-4

    6 結(jié)論和討論

    本文基于1980~2012年中國(guó)160個(gè)臺(tái)站夏季降水資料,分析和研究了降水距平與距平百分率前四個(gè)EOF模態(tài)的特征和時(shí)間穩(wěn)定性,討論了極端降水事件對(duì)各模態(tài)時(shí)間穩(wěn)定性的影響,并提出了一種通過削弱極端降水強(qiáng)度來提高降水距平百分率各模態(tài)時(shí)間穩(wěn)定性的方法。在此基礎(chǔ)上,探討了EOF方法在中國(guó)夏季降水短期氣候預(yù)測(cè)中的潛在能力。

    研究發(fā)現(xiàn),中國(guó)夏季降水距平第一模態(tài)在預(yù)測(cè)時(shí)效為5年內(nèi)時(shí)間穩(wěn)定,第二模態(tài)在2年內(nèi)時(shí)間穩(wěn)定,第三、四模態(tài)在1年內(nèi)時(shí)間穩(wěn)定。而受極端降水事件影響,中國(guó)夏季降水距平百分率各模態(tài)時(shí)間穩(wěn)定性較低,無法參與預(yù)測(cè)。當(dāng)對(duì)資料進(jìn)行閾值修訂,人為削弱極端降水影響后,距平百分率前三個(gè)模態(tài)的時(shí)間穩(wěn)定性顯著提高,其中第一模態(tài)在預(yù)測(cè)時(shí)效為5年內(nèi)時(shí)間穩(wěn)定,第二、三模態(tài)在1年內(nèi)時(shí)間穩(wěn)定。因此,可以利用降水距平前四個(gè)EOF模態(tài)或修訂后降水距平百分率前三個(gè) EOF模態(tài)的信息預(yù)測(cè)未來一年中國(guó)夏季降水的變化。假設(shè)PC系數(shù)預(yù)測(cè)完全準(zhǔn)確,降水距平前四個(gè)模態(tài)可以解釋原始降水 45%的變化方差,其重建場(chǎng)與原始場(chǎng)的 TCC顯著相關(guān)站點(diǎn)集中分布在黃河以南地區(qū),平均ACC約為 0.6。而修訂后降水距平百分率前三個(gè)模態(tài)能解釋原始降水 30.74%的變化方差,其重建場(chǎng)與原始場(chǎng)的 TCC顯著相關(guān)站點(diǎn)在全國(guó)均勻分布,平均ACC為0.48。相較而言,在利用EOF方法預(yù)測(cè)中國(guó)夏季降水時(shí),距平比距平百分率更適合作預(yù)測(cè)對(duì)象。

    本文主要討論了 EOF方法在中國(guó)夏季降水短期氣候預(yù)測(cè)中的潛在應(yīng)用價(jià)值。但在實(shí)際預(yù)測(cè)之前,我們還需要進(jìn)一步探索各模態(tài)PC系數(shù)的影響因子以及多因子配置與各模態(tài)PC之間的關(guān)系,以建立中國(guó)夏季降水預(yù)測(cè)模型。此外,新研究表明在降水預(yù)測(cè)中以年際增量作為預(yù)測(cè)對(duì)象能取得不錯(cuò)的預(yù)測(cè)結(jié)果(范可等,2007),因而通過年際增量討論 EOF方法的潛在預(yù)測(cè)能力亦十分重要。這兩個(gè)問題將是作者今后研究的重要內(nèi)容。

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