基于轉(zhuǎn)動(dòng)主分量分析法的華東區(qū)年平均氣溫變化趨勢(shì)分析

基于轉(zhuǎn)動(dòng)主分量分析法的華東區(qū)年平均氣溫變化趨勢(shì)分析

20世紀(jì)世界氣候變化動(dòng)聽(tīng)，公眾越來(lái)越關(guān)注氣候變化。氣候變化已成為氣候科學(xué)研究的熱點(diǎn)。中國(guó)東部經(jīng)濟(jì)相對(duì)發(fā)達(dá)，人口相對(duì)集中。工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)氣候有很大的依賴性。對(duì)該地區(qū)溫度變化的研究具有重要的理論和實(shí)用價(jià)值。氣候變化的原因非常復(fù)雜，不同地區(qū)的氣候變化各不相同。不同地區(qū)的氣候變化有不同的特點(diǎn)。不同季節(jié)的氣候變化是不同的。在全球氣候持續(xù)變化的過(guò)程中，中國(guó)東部的氣候如何變化？由于地域南北走廊的巨大差異（22.5n38n），不同地區(qū)、不同季節(jié)的氣候變化差異很大。本文根據(jù)區(qū)域溫度變化的區(qū)域差異，將整個(gè)中國(guó)東部劃分為幾個(gè)區(qū)域，并討論各區(qū)域溫度變化的特點(diǎn)。1平均氣溫特征資料序列所用資料為華東地區(qū)60個(gè)站的38年(1961～1998)逐日平均、最高和最低氣溫實(shí)測(cè)資料.以此為基礎(chǔ)建立冬季(12～1月),夏季(6～8月)和年平均氣溫序列.為了消除因地理原因引起的平均值和變率差異的影響,對(duì)這些資料序列分別進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化處理.2轉(zhuǎn)動(dòng)主分量法轉(zhuǎn)動(dòng)主分量分析方法在很多文獻(xiàn)中都可查到.它能將空間相關(guān)的地區(qū)減少到少數(shù)幾個(gè)用來(lái)客觀地識(shí)別空間型.空間場(chǎng)每一個(gè)空間點(diǎn)對(duì)應(yīng)的變量只與一個(gè)主成分存在高相關(guān),因此,用轉(zhuǎn)動(dòng)主分量法可以較客觀地進(jìn)行分區(qū).顯著主分量個(gè)數(shù)的確定可采用堆砌圖的檢驗(yàn)原則,即特征值l的抽樣標(biāo)準(zhǔn)差約為l(2/n)1/2(l為特征值,n為測(cè)站數(shù)),當(dāng)相鄰兩個(gè)特征值之差至少是這個(gè)值的一到兩倍時(shí),表明對(duì)應(yīng)的主分量是顯著的,從而確定需要轉(zhuǎn)動(dòng)的主分量個(gè)數(shù).據(jù)此原則,本工作中共選取顯著主分量3個(gè).旋轉(zhuǎn)過(guò)程中,令ε=10E-6,當(dāng)相鄰兩次方差貢獻(xiàn)之差小于ε時(shí)停止旋轉(zhuǎn).繪制各旋轉(zhuǎn)主成分荷載向量場(chǎng),標(biāo)明荷載≥0.6的站點(diǎn).本工作用轉(zhuǎn)動(dòng)主分量法對(duì)華東地區(qū)年平均氣溫場(chǎng)進(jìn)行區(qū)域劃分,分區(qū)原則是:1)同一荷載向量場(chǎng),荷載≥0.6且地理上連成一片的測(cè)站多于4個(gè)的區(qū)域劃分為同一個(gè)氣溫變化區(qū).若有地理上不連續(xù)的兩塊或以上符合該原則,則為不同氣溫變化區(qū).2)若某荷載向量場(chǎng)中荷載≥0.6的站點(diǎn)少于4個(gè)或雖多于4個(gè),但地理上連成一片的站點(diǎn)數(shù)少于4,則認(rèn)為無(wú)與該荷載向量場(chǎng)相對(duì)應(yīng)的氣候變化區(qū).這些荷載較大的測(cè)站的歸屬,按其與其他荷載場(chǎng)的關(guān)系密切程度進(jìn)行劃分.3)個(gè)別測(cè)站按上述原則可能同時(shí)歸于兩個(gè)或以上相鄰氣溫變化區(qū),對(duì)這些測(cè)站也按其與相鄰氣候變化區(qū)對(duì)應(yīng)的荷載向量場(chǎng)荷載的大小,將其歸于荷載最大區(qū)域.3個(gè)站的測(cè)定按上述原則將整個(gè)華東區(qū)分為3個(gè)區(qū)(圖1),Ⅰ區(qū)為山東、江蘇、安徽和上海,包括35個(gè)站;Ⅱ區(qū)為江西省西北大部,浙江和福建北部,包括15個(gè)站;Ⅲ區(qū)為福建,包括10個(gè)站.顯然,分區(qū)結(jié)果與下墊面特征等地理環(huán)境有很大關(guān)系.為討論方便,取各區(qū)中因子荷載最大的站為各區(qū)域代表站.計(jì)算各區(qū)域內(nèi)各站點(diǎn)的溫度序列與代表站序列的相關(guān)系數(shù).表1分別列出各區(qū)域內(nèi)各站與代表站的相關(guān)系數(shù)最大和最小值,所有這些值均通過(guò)置信水平為95%的顯著性檢驗(yàn),這說(shuō)明所選代表站對(duì)所在區(qū)域有較好的代表性,即各代表站的溫度變化趨勢(shì)可以反映所在區(qū)域的溫度變化趨勢(shì).4各地區(qū)年平均氣溫變化的特征分析4.1區(qū)年平均氣溫特征圖2分別為各區(qū)年平均、年平均最高和最低氣溫變化趨勢(shì)及其9年滑動(dòng)平均曲線.這組曲線反映了華東地區(qū)近38年來(lái)年平均氣溫變化趨勢(shì)的3種基本形態(tài).對(duì)年平均溫度而言,Ⅰ區(qū)氣溫20世紀(jì)60年代呈降溫趨勢(shì),60年代末降到最低,70年代初開(kāi)始呈持續(xù)上升趨勢(shì),90年代末達(dá)到最高.Ⅱ區(qū)60年代末和70年代末出現(xiàn)過(guò)兩次高值.70年代后期到90年代末呈“V”型變化,即前期降后期升.最低值出現(xiàn)在80年代初.Ⅲ區(qū)氣溫總線性趨勢(shì)略有上升.60到70年代氣溫低于平均值,之后有所上升,但幅度并不很大.可見(jiàn),近38年來(lái)整個(gè)華東區(qū)年平均氣溫總體呈上升趨勢(shì),Ⅰ區(qū)最顯著,增幅達(dá)1.1℃.從年平均最高氣溫曲線看,Ⅰ區(qū)年平均最高70年代前較低,1969年達(dá)到38年來(lái)最低值14.8℃,之后持續(xù)增溫,70年代后期變化平緩,1985年開(kāi)始快速增溫,1997年達(dá)到38年最高值17.3℃,變幅達(dá)到了2.5℃.Ⅱ區(qū)年平均最高氣溫與其最低氣溫變化趨勢(shì)和變化幅度都很相似,總趨勢(shì)略有下降.基本圍繞平均值上下波動(dòng),1969年出現(xiàn)過(guò)一次38年最高值26.2℃,1991年出現(xiàn)38年最低值20.6℃.Ⅲ區(qū)年平均最高氣溫線性趨勢(shì)持續(xù)下降,變率約0.3℃/10年.從年平均最低氣溫曲線看,Ⅰ區(qū)20世紀(jì)70年代前呈下降趨勢(shì),之后持續(xù)上升,到1997年達(dá)到最高,上升了2.6℃.Ⅱ區(qū)基本呈波狀型,即只在平均值附近振動(dòng),且振幅不大,線性趨勢(shì)略下降.70年代中期之前在平均值以上,之后低于平均值.Ⅲ區(qū)60到80年代初,都低于平均值,且變化緩慢,之后也呈線性上升趨勢(shì),但近10年波動(dòng)較大,1997年達(dá)到最高值17.2℃.可見(jiàn),Ⅰ區(qū)年平均最高和最低氣溫都呈上升趨勢(shì),相應(yīng)的年平均氣溫也呈上升趨勢(shì),所以增溫并不都是最低氣溫升高引起的,最高氣溫的顯著升高也有很大的貢獻(xiàn).Ⅱ區(qū)年平均最高、最低氣溫和其年平均氣溫的變化都很相似,基本上是20世紀(jì)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區(qū)年平均最高氣溫下降,年平均最低氣溫上升.而年平均最低氣溫的上升幅度大于年平均最高氣溫的下降幅度,所以總的年平均氣溫是升高的.由于溫室效應(yīng)加強(qiáng),華東區(qū)過(guò)去38年日較差變小與最低氣溫明顯升高有關(guān),所以將進(jìn)一步分析冬夏季平均氣溫場(chǎng)年際變化趨勢(shì).這對(duì)解釋平均溫度變化趨勢(shì)很有意義.圖3可見(jiàn),Ⅰ區(qū)冬季平均氣溫上升為主,盡管60年代略下降,但自60年代末持續(xù)上升,增幅1.9℃.夏季平均氣溫線性上升趨勢(shì)明顯,尤其90年代上升較快,38年上升0.8℃.Ⅱ區(qū)冬季平均氣溫也呈上升,38年上升1.1℃.60年代上升明顯,60年代末到80年代初變化平緩,80年代初到90年代末一直上升.夏季平均氣溫基本無(wú)明顯變化.Ⅲ區(qū)冬季平均氣溫變化平緩,80年代初開(kāi)始基本是呈上升趨勢(shì)的,從80年代最低8.1℃到90年代末最高11.6℃.夏季平均氣溫略呈上升趨勢(shì),但不明顯,1997年出現(xiàn)了一次38年來(lái)的極小值21℃.可見(jiàn)冬季各區(qū)的平均氣溫都呈上升趨勢(shì),且Ⅰ區(qū)增幅最大;夏季Ⅰ區(qū)上升趨勢(shì)較明顯,其余兩區(qū)并不明顯.4.2區(qū)的來(lái)升勢(shì)分析從年代際平均氣溫變化(表2)看,Ⅰ區(qū)上升趨勢(shì)明顯,且變暖速度加快.20世紀(jì)90年代比60年代上升0.9℃.Ⅱ區(qū)先降后升,80年代轉(zhuǎn)折,80到90年代升幅較大,但未超過(guò)60年代.Ⅲ區(qū)也先降后升,轉(zhuǎn)折點(diǎn)在70年代,之后基本持續(xù)上升.從年平均最高氣溫年代際變化(表3)看,顯然Ⅰ區(qū)持續(xù)增溫,尤其是90年代上升幅度很大.Ⅱ區(qū)先降后升,轉(zhuǎn)折點(diǎn)在80年代,上升幅度未超過(guò)60年代.Ⅲ區(qū)顯然是持續(xù)下降的.從年平均最低氣溫年代際變化(表4)看,Ⅰ區(qū)先降后升,轉(zhuǎn)折點(diǎn)在70年代,之后持續(xù)上升,且幅度較大.Ⅱ區(qū)也是先降后升,轉(zhuǎn)折點(diǎn)在80年代,但90年代上升幅度不大.Ⅲ區(qū)上升趨勢(shì)較顯著,尤其80年代上升最快.5區(qū)的周期特征用功率譜分析法對(duì)華東區(qū)60個(gè)站年平均氣溫序列進(jìn)行了周期分析.取最大落后步長(zhǎng)m=10,顯著性檢驗(yàn)采用了RaoK.N.等人給出的判據(jù).結(jié)果表明,Ⅰ、Ⅱ區(qū)存在4年左右準(zhǔn)周期,Ⅲ區(qū)的主要周期為20年左右,以上周期均通過(guò)或接近置信水平0.90顯著性檢驗(yàn).有必要指出,在進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)江以北站點(diǎn)平均氣溫變化基本上以紅噪音過(guò)程為主,而以南則基本為白噪音過(guò)程.分別滿足紅、白噪音過(guò)程的站點(diǎn)的分界線與年平均氣溫場(chǎng)Ⅱ區(qū)與Ⅲ區(qū)分界線吻合(圖4).說(shuō)明北方年平均氣溫變化連續(xù)性較明顯,而南方年平均氣溫的年代際變化較明顯.6總溫和年平均氣溫變化規(guī)律對(duì)華東區(qū)60個(gè)站年平均氣溫場(chǎng)做轉(zhuǎn)動(dòng)主分量分析,結(jié)果將其劃分為三個(gè)變化較為一致的區(qū)域:長(zhǎng)江以北(Ⅰ區(qū)),長(zhǎng)江以南平原及沿海(Ⅱ區(qū))和福建東南大部及江西東南部(Ⅲ區(qū)).38年來(lái),整個(gè)華東區(qū)年平均氣溫總體呈上升趨勢(shì).Ⅰ區(qū)為增溫最顯著區(qū),升幅1.1℃;Ⅱ區(qū)的總體趨勢(shì)下降,盡管20世紀(jì)90年代以來(lái)溫度上升;Ⅲ區(qū)總體趨勢(shì)上升,但升幅遠(yuǎn)不如Ⅰ區(qū).各區(qū)年平均氣溫變化趨勢(shì)都與其相應(yīng)的年平均最低氣溫變化趨勢(shì)極相似,說(shuō)明年平均氣溫升高主要是由年平均最低氣溫升高引起.Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)年平均最高和最低氣溫變化趨勢(shì)與