基于EOF的我國冬季海平面氣壓變化特征分析

陳震　王冠　王丹

摘要 利用經驗正交函數分解法和1956—2015年NCEP/NCAR再分析資料對我國海平面氣壓場進行了分析。結果表明，我國海平面氣壓場分為3種典型空間分布，即“南北型”“全國一致型”“西南—東北型”分布；方差貢獻率分別為45.7%、16.6%、10.3%。時間系數表明，海平面氣壓場第1模態南方低、北方高，之后轉為南方偏高、北方偏低；第2模態全國氣壓升高再降低，之后緩慢回升；第3模態全國大部分地區海平面氣壓先降后升，波動較明顯。

關鍵詞 海平面氣壓；變化特征；經驗正交函數；冬季；中國

中圖分類號 P732 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2017）15-0197-02

全球變暖、溫室效應加強以及海平面上升使全球更加關注氣候變化。葉麗群等[1]分析了西北太平洋海平面氣壓場的變換時間，氣壓場1年內存在2次轉變，即夏季到冬季的轉變和冬季到夏季的轉變。轉換時間存在明顯的經向差異和緯向差異。周鑫[2]分析了東亞地區海平面氣壓場，以擴展經驗正交函數EEOF對海平面氣壓場進行分解，結果表明，東亞海平面氣壓場存在2～3年周期的振蕩。曾紅玲等[3]分析了近20年全球冬、夏季海平面氣壓場特征，分析指出20世紀70年代全球冬季海平面氣壓場發生突變，冬季阿留申低壓向東移動并加強。王勁松等[4]研究了中東亞干旱區氣候異常與海平面氣壓異常的關系，分析表明，干旱區降水偏多，氣溫偏高與冬季海平面氣壓場的持續加強存在一定關系。降水與氣溫異常的時期，恰好是低緯度氣壓場距平為正的時期。薄文波等[5]分析了我國臨近海域海平面氣壓場特征，指出氣壓及氣壓梯度存在明顯的季節變化，冬季緯向變化明顯，夏季經向變化明顯，春秋季是轉型關鍵季。任菊章等[6]分析了亞洲冬季低溫及海平面氣壓的關系，分析認為AO（北極濤動）對冬季氣溫有顯著影響，海陸氣壓的反相分布也會對氣溫產生影響。

1 資料與方法

本文所用資料為NCEP/NCAR再分析資料，起止時間為1956—2015年。將m個空間點的n次觀測資料寫成矩陣X。EOF的基本思想是將矩陣X分解成空間場V和時間場T的乘積，即X=VT。在計算時首先對X矩陣進行標準化處理，再求其協方差矩陣S，S=X·XT。協方差陣X的特征值λ=（λ1，λ2，…，λm）所對應的特征向量稱為第1模態、第2模態……第m模態。時間系數可由T=VTX求得，VT是空間向量的轉置。矩陣X的表達式如下：

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

2 結果與分析

圖1（a）是海平面氣壓場第1模態分布圖，其方差貢獻率為45.7%，是海平面氣壓最主要的分布形式。第1模態表現出明顯的“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。數值大值區位于我國西南部及沿海，中心則位于青藏高原上，中心值在0.04以上。數值低值區則位于我國北部地區，空間系數在-0.04～-0.02之間。這種分布表明，我國南部（尤其是青藏高原地區）的海平面氣壓變化明顯大于中部和北部。第2模態表現為“全國一致型”分布，其方差貢獻率為16.6%，是次典型分布。由圖1（b）可知，第2模態中空間系數均為負值，空間系數-0.12～0，負值中心位于青海省。表現為海平面氣壓全國偏高或者全國偏低，全國一致性變化。第3模態表現為“西南—東北型”分布，其方差貢獻率為10.3%，也是一種典型分布。由圖1（c）可知，在第3模態中東三省及內蒙古東北部的空間系數為正，四川與青海交界處系數為正，其他地區空間系數為負，負值中心在新疆。當海平面氣壓變化時，東三省氣壓偏高，川渝交界處偏高，其他地區偏低；或者東三省氣壓偏低，川渝交界處偏低，其他地區偏高。空間系數在中部地區呈經向分布，在東三省呈準緯向分布。這種分布是第3模態所特有的。

以上每一種模態都有2種變化，要具體確定一種變化必須結合時間系數進行分析。具體方法：時間系數正（負），空間系數正（負），則該變化會得到加強；時間系數正（負），空間系數負（正），則該變化會被削弱。由圖2（a）可知，第1模態對應的時間系數變化在1956—1970年間，除1958年為弱正值外，時間系數均為負值。說明海平面氣壓南低北高。1970年后時間系數突變為正值，1971—2004年時間系數為正的年數為26年，時間系數為負的年數有8年，表明在這34年內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模態的時間系數明顯不同于第1模態，1956—1977年間時間系數發生了明顯的突變，大致在1966年。1966年以前全國海平面氣壓偏高，1966—1977年全國海平面氣壓偏低。1977年后波動明顯減小，負值偏多，表明全國海平面氣壓偏高。因時間系數絕對值不大，故這種偏高的趨勢也不明顯。由圖2（c）可知，第3模態時間系數以1976年為分界點，之前東三省氣壓偏高，全國其他地區偏低；之后東三省氣壓偏低，全國其他地區偏高。

3 結論

本文基于EOF方法，對1956—2015年我國海平面氣壓場進行分析，結論如下。

（1）第1模態表現為“南北型”分布。空間系數正負分界線明顯，高值中心位于青藏高原地區。第一模態的時間系數表明我國海平面氣壓由南低北高轉為南高北低，再轉為南低北高。

（2）第2模態表現為“全國一致型”分布。全國范圍內空間系數均為負值。第二模態的時間系數表明，我國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模態表現為“西南—東北型”分布。其空間系數在中部地區與經線平行，在東三省與緯線平行。

4 參考文獻

[1] 葉麗群，千懷遂，張靈.1979—2013年西北太平洋地區海平面氣壓場季節轉換時間的變化分析[J].氣候與環境研究，2016，21（2）：236-246.

[2] 周鑫.東亞地區海平面氣壓準兩年振蕩研究[J].科技風，2016（194）：195.

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

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

[5] 薄文波，吳寶勤.我國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的關系[J].氣候與環境研究，2003，8（4）：436-442.endprint