基于EOF的我國(guó)冬季海平面氣壓變化特征分析

陳震　王冠　王丹

摘要 利用經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解法和1956—2015年NCEP/NCAR再分析資料對(duì)我國(guó)海平面氣壓場(chǎng)進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，我國(guó)海平面氣壓場(chǎng)分為3種典型空間分布，即“南北型”“全國(guó)一致型”“西南—東北型”分布；方差貢獻(xiàn)率分別為45.7%、16.6%、10.3%。時(shí)間系數(shù)表明，海平面氣壓場(chǎng)第1模態(tài)南方低、北方高，之后轉(zhuǎn)為南方偏高、北方偏低；第2模態(tài)全國(guó)氣壓升高再降低，之后緩慢回升；第3模態(tài)全國(guó)大部分地區(qū)海平面氣壓先降后升，波動(dòng)較明顯。

關(guān)鍵詞 海平面氣壓；變化特征；經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)；冬季；中國(guó)

中圖分類號(hào) P732 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-5739（2017）15-0197-02

全球變暖、溫室效應(yīng)加強(qiáng)以及海平面上升使全球更加關(guān)注氣候變化。葉麗群等[1]分析了西北太平洋海平面氣壓場(chǎng)的變換時(shí)間，氣壓場(chǎng)1年內(nèi)存在2次轉(zhuǎn)變，即夏季到冬季的轉(zhuǎn)變和冬季到夏季的轉(zhuǎn)變。轉(zhuǎn)換時(shí)間存在明顯的經(jīng)向差異和緯向差異。周鑫[2]分析了東亞地區(qū)海平面氣壓場(chǎng)，以擴(kuò)展經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)EEOF對(duì)海平面氣壓場(chǎng)進(jìn)行分解，結(jié)果表明，東亞海平面氣壓場(chǎng)存在2～3年周期的振蕩。曾紅玲等[3]分析了近20年全球冬、夏季海平面氣壓場(chǎng)特征，分析指出20世紀(jì)70年代全球冬季海平面氣壓場(chǎng)發(fā)生突變，冬季阿留申低壓向東移動(dòng)并加強(qiáng)。王勁松等[4]研究了中東亞干旱區(qū)氣候異常與海平面氣壓異常的關(guān)系，分析表明，干旱區(qū)降水偏多，氣溫偏高與冬季海平面氣壓場(chǎng)的持續(xù)加強(qiáng)存在一定關(guān)系。降水與氣溫異常的時(shí)期，恰好是低緯度氣壓場(chǎng)距平為正的時(shí)期。薄文波等[5]分析了我國(guó)臨近海域海平面氣壓場(chǎng)特征，指出氣壓及氣壓梯度存在明顯的季節(jié)變化，冬季緯向變化明顯，夏季經(jīng)向變化明顯，春秋季是轉(zhuǎn)型關(guān)鍵季。任菊章等[6]分析了亞洲冬季低溫及海平面氣壓的關(guān)系，分析認(rèn)為AO（北極濤動(dòng)）對(duì)冬季氣溫有顯著影響，海陸氣壓的反相分布也會(huì)對(duì)氣溫產(chǎn)生影響。

1 資料與方法

本文所用資料為NCEP/NCAR再分析資料，起止時(shí)間為1956—2015年。將m個(gè)空間點(diǎn)的n次觀測(cè)資料寫成矩陣X。EOF的基本思想是將矩陣X分解成空間場(chǎng)V和時(shí)間場(chǎng)T的乘積，即X=VT。在計(jì)算時(shí)首先對(duì)X矩陣進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，再求其協(xié)方差矩陣S，S=X·XT。協(xié)方差陣X的特征值λ=（λ1，λ2，…，λm）所對(duì)應(yīng)的特征向量稱為第1模態(tài)、第2模態(tài)……第m模態(tài)。時(shí)間系數(shù)可由T=VTX求得，VT是空間向量的轉(zhuǎn)置。矩陣X的表達(dá)式如下：

X=x11 x12 … x1nxi1 xi2 … xin… … …xm1 xm2 … xmn

2 結(jié)果與分析

圖1（a）是海平面氣壓場(chǎng)第1模態(tài)分布圖，其方差貢獻(xiàn)率為45.7%，是海平面氣壓最主要的分布形式。第1模態(tài)表現(xiàn)出明顯的“南北型”分布特征，即“南高北低”或者“南低北高”，海平面氣壓南北反相位變化，分界線十分明顯。數(shù)值大值區(qū)位于我國(guó)西南部及沿海，中心則位于青藏高原上，中心值在0.04以上。數(shù)值低值區(qū)則位于我國(guó)北部地區(qū)，空間系數(shù)在-0.04～-0.02之間。這種分布表明，我國(guó)南部（尤其是青藏高原地區(qū)）的海平面氣壓變化明顯大于中部和北部。第2模態(tài)表現(xiàn)為“全國(guó)一致型”分布，其方差貢獻(xiàn)率為16.6%，是次典型分布。由圖1（b）可知，第2模態(tài)中空間系數(shù)均為負(fù)值，空間系數(shù)-0.12～0，負(fù)值中心位于青海省。表現(xiàn)為海平面氣壓全國(guó)偏高或者全國(guó)偏低，全國(guó)一致性變化。第3模態(tài)表現(xiàn)為“西南—東北型”分布，其方差貢獻(xiàn)率為10.3%，也是一種典型分布。由圖1（c）可知，在第3模態(tài)中東三省及內(nèi)蒙古東北部的空間系數(shù)為正，四川與青海交界處系數(shù)為正，其他地區(qū)空間系數(shù)為負(fù)，負(fù)值中心在新疆。當(dāng)海平面氣壓變化時(shí)，東三省氣壓偏高，川渝交界處偏高，其他地區(qū)偏低；或者東三省氣壓偏低，川渝交界處偏低，其他地區(qū)偏高?？臻g系數(shù)在中部地區(qū)呈經(jīng)向分布，在東三省呈準(zhǔn)緯向分布。這種分布是第3模態(tài)所特有的。

以上每一種模態(tài)都有2種變化，要具體確定一種變化必須結(jié)合時(shí)間系數(shù)進(jìn)行分析。具體方法：時(shí)間系數(shù)正（負(fù)），空間系數(shù)正（負(fù)），則該變化會(huì)得到加強(qiáng)；時(shí)間系數(shù)正（負(fù)），空間系數(shù)負(fù)（正），則該變化會(huì)被削弱。由圖2（a）可知，第1模態(tài)對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)變化在1956—1970年間，除1958年為弱正值外，時(shí)間系數(shù)均為負(fù)值。說明海平面氣壓南低北高。1970年后時(shí)間系數(shù)突變?yōu)檎担?971—2004年時(shí)間系數(shù)為正的年數(shù)為26年，時(shí)間系數(shù)為負(fù)的年數(shù)有8年，表明在這34年內(nèi)海平面氣壓以南高北低為主要變化特征。1972—2015年海平面氣壓以南低北高為主。由圖2（b）可知，第2模態(tài)的時(shí)間系數(shù)明顯不同于第1模態(tài)，1956—1977年間時(shí)間系數(shù)發(fā)生了明顯的突變，大致在1966年。1966年以前全國(guó)海平面氣壓偏高，1966—1977年全國(guó)海平面氣壓偏低。1977年后波動(dòng)明顯減小，負(fù)值偏多，表明全國(guó)海平面氣壓偏高。因時(shí)間系數(shù)絕對(duì)值不大，故這種偏高的趨勢(shì)也不明顯。由圖2（c）可知，第3模態(tài)時(shí)間系數(shù)以1976年為分界點(diǎn)，之前東三省氣壓偏高，全國(guó)其他地區(qū)偏低；之后東三省氣壓偏低，全國(guó)其他地區(qū)偏高。

3 結(jié)論

本文基于EOF方法，對(duì)1956—2015年我國(guó)海平面氣壓場(chǎng)進(jìn)行分析，結(jié)論如下。

（1）第1模態(tài)表現(xiàn)為“南北型”分布?？臻g系數(shù)正負(fù)分界線明顯，高值中心位于青藏高原地區(qū)。第一模態(tài)的時(shí)間系數(shù)表明我國(guó)海平面氣壓由南低北高轉(zhuǎn)為南高北低，再轉(zhuǎn)為南低北高。

（2）第2模態(tài)表現(xiàn)為“全國(guó)一致型”分布。全國(guó)范圍內(nèi)空間系數(shù)均為負(fù)值。第二模態(tài)的時(shí)間系數(shù)表明，我國(guó)海平面氣壓先急劇升高再急劇下降，1977年后緩慢回升。

（3）第3模態(tài)表現(xiàn)為“西南—東北型”分布。其空間系數(shù)在中部地區(qū)與經(jīng)線平行，在東三省與緯線平行。

4 參考文獻(xiàn)

[1] 葉麗群，千懷遂，張靈.1979—2013年西北太平洋地區(qū)海平面氣壓場(chǎng)季節(jié)轉(zhuǎn)換時(shí)間的變化分析[J].氣候與環(huán)境研究，2016，21（2）：236-246.

[2] 周鑫.東亞地區(qū)海平面氣壓準(zhǔn)兩年振蕩研究[J].科技風(fēng)，2016（194）：195.

[3] 曾紅玲，高新全，戴新剛.近20年全球冬、夏季海平面氣壓場(chǎng)和500 hPa高度場(chǎng)年代際變化特征分析[J].高原氣象，2002，21（1）：66-73.

[4] 王勁松，陳發(fā)虎，靳立亞.近100年來中東亞干旱區(qū)氣候異常與海平面氣壓異常的關(guān)系[J].高原氣象，2008，21（1）：84-95.

[5] 薄文波，吳寶勤.我國(guó)近鄰海域海平面氣壓變化特征分析[J].氣象水文海洋儀器，2012（3）：9-13.

[6] 任菊章，琚建華，趙剛.亞洲冬季地表氣溫與北半球海平面氣壓場(chǎng)的關(guān)系[J].氣候與環(huán)境研究，2003，8（4）：436-442.endprint