青藏高原冬季积雪时空变化特征EOF分析_高文良

收稿日期:2003-10-20作者简介:高文良(1971-),男,工程师。主要从事短期气候预测研究。

青藏高原冬季积雪时空变化特征EOF 分析

高文良1,陈忠明2,闵文彬1

(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)03-0007-041　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著差异。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 /N CA R 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N CEP /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 /NCA R 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 2。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,应该进行显著性检验,特别是当时空场的空间点数大于样本量时,显著性检验十分重要,用Nor th [2]等提出方法来对特征向量进行显著性检验。

根据N orth 等的推导,特征向量λα的误差δλα≈λα

2N

1

2(1)记Δλα=λα-λα-1,那么当δλα/Δλα<1时,λα与λα-1是可以分离的,二特征值间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[1]。

另外,在文中还用到了滑动t 检验和M ann -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EO F 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[3～5],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EO F 分析是否成功的标志。依据文献[6]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 OF 分析。

·

7·

表1　冬季高原积雪距平场EOF 分析结果

特征向量1

2

3方差贡献率32.10%10.27%7.90累积方差贡献率32.10%42.37%50.27%

Norty 准则判别值δλ/Δλ

0.294

0.864

0.557

表1为冬季青藏高原冬季高原积雪距平场EO F 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32.10%,远大于其他

特征向量所占的比重。第二特征向量的方差贡献为

10.27%,第三特征向量的方差贡献为7.90%。EOF 分析的前八个特征向量的累积方差贡献率达到70.00%,基本能够将冬季高原积雪场的变化特征体现出来。依据No rth 准则,第一特征向量所对应的δλ/Δλ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]

。

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°～100°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

。

图1.c 为冬季青藏高原积雪EO F 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-111.59。第一时间系数以1967～1968年冬季为

·

8·