東北地區夏季氣溫的空間分布及時間變化特征

陳欣彤 宋堯東

（民航黑龍江空管分局氣象臺，黑龍江 哈爾濱150079）

1 概述

眾所周知，氣溫對航空運營的影響是多方面的。飛機發動機推力的設定、機場跑道的設計與建設、飛機載量與油量的配置等都受到氣溫的影響。為了提高運營效率和效益，航空公司和機場使用者對氣溫資料非常關注，特別在夏季，氣象部門向用戶提供逐時、逐日、逐月的氣溫實測值和預報值。氣溫對飛行的影響越來越受到國際航空界的重視，國際民航組織和我國民航氣象服務標準中，對航空氣象服務者提供氣溫的過程和精度都有明確的條款約束。

中國東北包括黑龍江、吉林、遼寧及內蒙古東北部地區，地處歐亞大陸東岸中高緯度,氣候比較寒冷,溫度變率較大,氣溫異常經常發生。因此從區域尺度上對東北地區氣溫變化進行研究,探討其時空分布、變化特征及規律,對提高航空運營效率和效益具有重要的現實意義。本文利用經驗正交函數分解的方法對東北地區2011-2015 年的夏季氣溫距平資料進行處理，得到相關空間場和時間序列，分析其時空分布特征，找出其中的規律。

2 資料與方法

本文選取了中國東北地區（38-52°N，120-132°E）23 個氣象觀測站（呼瑪、黑河、齊齊哈爾、海倫、伊春、富錦、綏化、佳木斯、哈爾濱、雞西、通榆、牡丹江、四平、長春、敦化、延吉、朝陽、沈陽、通化、營口、丹東、瓦房店、大連），時間尺度為五年(2011.1.1-2015.12.31）的夏季（每年的6、7、8 月）氣溫逐日平均值資料。利用EOF 分解的方法，得到了23 個模態的方差貢獻以及空間向量與時間系數數據，并利用其作圖得到了東北地區2011-2015 年夏季氣溫前五個模態的方差貢獻曲線及其前兩個模態的空間向量場與時間系數序列。

3 經驗正交函數分解

E0F 分析方法是一種分析矩陣數據中的結構特征，提取主要數據特征量的一種方法，它能夠把隨時間變化的變量場分解為不隨時間變化的空間函數部分以及只依賴時間變化的時間函數部分。Lorenz在1950 年代首次將其引入氣象和氣候研究，現在該方法已在海洋和其他學科中得到了廣泛的應用。EOF 的基本原理如下：

假設氣象要素在m 個站點的n 次觀測資料用矩陣Fij表示(i=1，2，…，m；j=1，2，…，n)，利用EOF 方法將Fij分解如式(1)。

式(1)中，Tjk為分解后的時間函數，Xki為分解后的空間函數。當取k=m個特征向量場時，該氣象要素場可得到完全的描述。其優點在于典型場由變量場序列本身的特征來確定，而不是事先人為規定，因而能較好地反映出場的基本結構。這種方法展開收斂速度快，很容易將大量資料信息濃縮集中。它能對有限區域內不規則分布的站點進行分解，且分解的空間結構具有明確的物理意義。本文對中國東北地區（38-52°N，120-132°E）23 個氣象觀測站五年（2011.1.1-2015.12.31）的夏季氣溫日均值資料進行處理，得到其每個模態的空間向量場、時間系數序列和方差貢獻。

4 夏季EOF 分解

對東北地區2011-2015 年夏季（每年的6 月、7 月、8 月）共十五個月的氣溫距平資料進行EOF 分解，第一模態的方差貢獻最大，高達68.7%，第二模態的方差貢獻迅速降低至14.9%，前兩個模態的累積方差貢獻超過80%，其余各個模態的方差貢獻均在5%以下。這表明，第一模態的空間向量場很好地解釋了東北地區2011-2015年夏季氣溫距平空間分布特征，而第二模態的空間向量場則對第一模態空間向量場做了很好的補充。

4.1 空間分布特征

圖1 是東北地區2011-2015 年夏季氣溫距平場的第一模態空間向量場。由圖1 可以看出，東北地區2011-2015 年夏季氣溫距平特征向量值全區一致為正，說明東北地區2011-2015 年夏季的氣溫變化全區總體一致，具體是指東北地區2011-2015 年夏季的氣溫全區普遍偏高或者普遍偏低。總的來看，東北地區2011-2015 年夏季氣溫距平場的第一模態空間向量場分布型基本為帶狀分布，越往中心地區距平特征向量值越大，最大值出現在黑龍江省與吉林省交界處附近，越往南北兩側地區距平特征向量值越小，最小值出現在遼寧省最南部地區。這說明東北地區2011-2015 年在夏季的氣溫變化全區總體一致的情況下，黑龍江省與吉林省交界處附近地區是夏季的氣溫變率最大的地區，遼寧省最南部地區是夏季氣溫變率最小的地區。

圖1 東北地區2011-2015 年夏季氣溫距平場的第一模態空間向量場

圖2 東北地區2011-2015 年夏季氣溫距平場的第二模態空間向量場

4.2 時間變化特征

圖3 是東北地區2011-2015 年夏季氣溫距平場的第一模態時間系數序列。由圖3 可以看出，東北地區2011-2015 年夏季氣溫距平場的第一模態時間系數隨時間呈現出一定的波動變化，波動振幅較大，波動周期大致為一個月。具體而言，東北地區2011-2015年夏季氣溫距平場的第一模態時間系數有正有負，正值越大氣溫變化越接近于其距平場第一模態空間向量場的分布，即東北地區2011-2015 年夏季的氣溫全區普遍偏高，負值越大氣溫變化越接近于其距平場第一模態空間向量場的反向分布，即東北地區2011-2015 年夏季的氣溫全區普遍偏低。這說明東北地區2011-2015 年夏季的氣溫變化隨時間呈現出一定的波動變化，變化周期大致為一個月。

圖3 東北地區2011-2015 年夏季氣溫距平場的第一模態時間系數序列

圖4 是東北地區2011-2015 年夏季氣溫距平場的第二模態時間系數序列。由圖4 可以看出，東北地區2011-2015 年夏季氣溫距平場的第二模態時間系數隨時間呈現出一定的波動變化，波動振幅明顯小于距平場第一模態時間系數的波動振幅，波動周期大致為一個月。具體而言，東北地區2011-2015 年夏季氣溫距平場的第二模態時間系數有正有負，正值越大氣溫變化越接近于其距平場第二模態空間向量場的分布，即東北地區2011-2015 年夏季的氣溫變化南正北負，負值越大氣溫變化越接近其于距平場第二模態空間向量場的反向分布，即東北地區2011-2015 年夏季的氣溫變化北正南負。這說明東北地區2011-2015 年夏季的氣溫變化隨時間呈現出一定的波動變化，變化周期大致為一個月。

圖4 東北地區2011-2015 年夏季氣溫距平場的第二模態時間系數序列

5 結論

5.1 東北地區2011-2015 年氣溫夏季距平EOF 分解的前兩個模態的累積方差貢獻超過80%。

5.2 第一模態空間向量場分布型基本為帶狀分布，大致呈西南- 東北走向，特征向量值全區一致為正；第二模態空間向量場分布型基本為帶狀分布，大致呈南北走向，特征向量值南北反向。

5.3 東北地區2011-2015 年夏季氣溫變化全區總體一致，黑龍江省與吉林省交界處附近地區是夏季氣溫變率最大的地區，遼寧省最南部地區是夏季氣溫變率最小的地區，夏季氣溫變化以黑龍江省與吉林省的交界線為界，表現為南北蹺蹺板式的第二類空間分布特征。