基于reof和cas的中國東北地區(qū)年降水量和氣溫變化分析

基于reof和cas的中國東北地區(qū)年降水量和氣溫變化分析

東北氣候分區(qū)研究的意義溫度和濕度是氣候的重要指標(biāo)之一，對人類的生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有顯著影響。近年來,在全球變暖的影響下,氣候異常事件頻繁發(fā)生,因此對氣溫和降水變化特征的研究顯得尤為重要。虞海燕等研究表明,中國各地區(qū)增溫趨勢極為顯著,尤其近20a增溫速度更快,降水量自20世紀(jì)60年代以來則開始減少。而王遵婭等研究表明,1951—2000年東北地區(qū)是中國增溫最快、范圍最大的地區(qū)之一,但年降水量卻有減少的趨勢。中國東北地區(qū)包括遼寧省、吉林省、黑龍江省和內(nèi)蒙古東四盟市(赤峰市、通遼市、興安盟和呼倫貝爾市),土地總面積約1.24×106km2。它地處高緯地帶,是中國重要的農(nóng)牧林業(yè)生產(chǎn)基地,東北平原是中國的重要產(chǎn)糧區(qū),其西部是中國主要的草原牧業(yè)區(qū),該地區(qū)自然條件差異較大,氣溫與降水具有明顯的區(qū)域特征。因此,對東北地區(qū)的氣溫和降水進(jìn)行區(qū)劃,研究不同區(qū)域的年際變化特征,掌握其年際變化規(guī)律,對未來的氣候預(yù)測,以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)均有重要意義。吉奇等從時(shí)間尺度上對中國東北地區(qū)1951—2000年的氣溫和降水變化進(jìn)行了分析,結(jié)果表明東北地區(qū)年平均氣溫以0.6℃/10a的速率上升,而降水量則以0.27mm/a的速率遞減。侯依玲等研究表明,東北地區(qū)50a來降水主要呈3種分布形式:全區(qū)一致型、南北反向型、南北部一致與中部相反分布型;降水量總體呈下降趨勢,但近30a來東北北部有增加的趨勢,而南部干旱有增加趨勢。張耀存和張錄軍研究表明,近50a來東北氣候和生態(tài)過渡區(qū)冬季發(fā)生暖冬和少雨(雪)的機(jī)會(huì)增大,夏季出現(xiàn)嚴(yán)重干旱和高溫的可能性增大。雖然對中國東北地區(qū)氣溫和降水的時(shí)空變化分析已做過較多工作,但針對東北地區(qū)的分區(qū)研究仍較少,而且傳統(tǒng)的氣候區(qū)劃方法只代表一種靜態(tài)的氣候特征地理分類,且在邊界界定方面多帶有人為因素。同時(shí),單純的旋轉(zhuǎn)主分量分析(REOF)方法又缺少一種統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)機(jī)制,而聚類分析(CAST)方法恰好彌補(bǔ)了這種不足,使氣候分區(qū)更加客觀。鑒于此,本文采用REOF與CAST相結(jié)合氣候區(qū)劃方法,對東北地區(qū)的氣溫及降水量進(jìn)行分區(qū)研究,并分析它們的變化特征。研究結(jié)果將有利于了解中國東北地區(qū)不同氣候區(qū)氣象要素的變化特征,并為經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展提供有利參考。1數(shù)據(jù)和方法1.1觀測站點(diǎn)和站點(diǎn)的分布選用中國東北地區(qū)1961—2010年共81個(gè)觀測站點(diǎn)的日平均氣溫和日降水量觀測資料為研究對象,觀測數(shù)據(jù)全部來自中國氣象局國家氣象信息中心,所有數(shù)據(jù)均經(jīng)過嚴(yán)格的質(zhì)量控制和檢查,質(zhì)量良好,觀測站點(diǎn)的分布見圖1。對個(gè)別站點(diǎn)的缺測數(shù)據(jù),采用鄰近日值的均值代替。為消除由地理原因引起的平均值和變率差異的影響,本文對每個(gè)站的降水和平均氣溫分別作標(biāo)準(zhǔn)化處理,得到距平資料矩陣,以此作為分析所需的數(shù)據(jù)。1.2cast的基本原理采用有顯著性檢驗(yàn)的聚類分析方法(CAST)對東北地區(qū)氣溫和降水進(jìn)行區(qū)劃研究。CAST方法不但可用于氣候分類區(qū)劃,還可用于氣候問題的其它研究。這種聚類方法可分為均勻聚類和中心聚類兩種,后者更適合實(shí)際的氣候分類或區(qū)劃研究。丁裕國等和劉吉峰等論證了CAST與REOF/RP-CA用于氣候分型區(qū)劃的理論聯(lián)系,并印證了CAST與REOF/RPCA用于氣候分型區(qū)劃具有等價(jià)性和互補(bǔ)性。CAST的基本原理為:設(shè)任意兩個(gè)站點(diǎn)的某一變量場的變量值為Xi和Xj(i,j=1,2,…,p),設(shè)rij為兩者的相關(guān)系數(shù),根據(jù)文獻(xiàn)構(gòu)造服從自由度為η-1的χ2分布統(tǒng)計(jì)量。式(1)中,以作為聚類判據(jù)所劃分出的聚類就為中心聚類,將符合條件的站點(diǎn)劃為一類,由此可確定區(qū)域的具體范圍。具體步驟為:首先,利用日平均氣溫和降水量的觀測資料獲取其年平均氣溫及降水量矩陣,取其相關(guān)矩陣進(jìn)行分區(qū)研究。然后對氣溫和降水的相關(guān)矩陣進(jìn)行REOF分析,選取累計(jì)方差>80%的主分量參與旋轉(zhuǎn),將荷載中心所對應(yīng)的站點(diǎn)作為聚類中心,對相應(yīng)的站點(diǎn)進(jìn)行聚類分析,區(qū)劃出不同的區(qū)域,最后將結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)。2cast聚類分析利用REOF與CAST相結(jié)合的方法對東北地區(qū)的年平均氣溫和年降水量進(jìn)行分區(qū)研究,CAST方法是一種帶有顯著性檢驗(yàn)機(jī)制的聚類方法,它可以對分區(qū)的結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn),使其更加精確。同時(shí)使用這種分區(qū)方法能夠?qū)⒏鱾€(gè)區(qū)域內(nèi)不同的變化特征表現(xiàn)出來,目前在國內(nèi)的研究中較少使用此方法。2.1聚類分析結(jié)果建立平均氣溫、降水的年際紀(jì)錄的相關(guān)矩陣,對其進(jìn)行旋轉(zhuǎn)主分量分析,得到氣溫的前4個(gè)主分量的累計(jì)方差貢獻(xiàn)為93.4%,降水的前5個(gè)主分量的累計(jì)方差貢獻(xiàn)為74.6%,可以代表中國東北地區(qū)平均氣溫及降水的變化特征。將各主分量的荷載中心對應(yīng)的站點(diǎn)作為聚類中心,進(jìn)行聚類分析,得到平均氣溫和降水的變化區(qū)域所對應(yīng)的聚類中心如表1所示。分別以表1所列的站點(diǎn)作為聚類中心,并以α=0.05的信度作為分區(qū)的檢驗(yàn)判據(jù),將氣溫劃為4個(gè)具有不同年際變化特征和趨勢的區(qū)域,降水劃為5個(gè)區(qū)域,如圖2所示。由圖2a可以看出,中國東北地區(qū)的年平均氣溫可劃分為4個(gè)不同的變化區(qū)域:第一區(qū)位于東北地區(qū)的北部,從呼倫貝爾的北部至黑龍江北部一帶;第二區(qū)位于東北地區(qū)的中部,從呼倫貝爾南部至松花江流域一帶;第三區(qū)位于東北地區(qū)的西南部;第四區(qū)位于東北地區(qū)的東南部,長白山一帶地區(qū)。由圖2b可知,東北地區(qū)的年降水量可劃分為5個(gè)不同的區(qū)域:第一區(qū)位于東北地區(qū)的北部,從呼倫貝爾的北部至小興安嶺一帶的區(qū)域;第二區(qū)位于東北地區(qū)的東北部,三江平原至長白山北部一帶;第三區(qū)位于東北地區(qū)的中部,嫩江和松花江流域附近;第四區(qū)位于東北地區(qū)的西部;第五區(qū)位于東北地區(qū)的東南部。2.2水的區(qū)內(nèi)第一主分量的比較對各區(qū)的平均氣溫和降水量(標(biāo)準(zhǔn)化資料)分別進(jìn)行主分量分析,表2列出了各區(qū)第一主分量的方差貢獻(xiàn)率。由表2可見,平均氣溫的各區(qū)第一主分量方差貢獻(xiàn)率均達(dá)到90%以上。降水的各區(qū)第一主分量的方差貢獻(xiàn)率也均在50%以上。由此可見,各區(qū)的第一主分量基本上能夠代表各區(qū)域主要的變化趨勢。表3和表4為氣溫和降水各區(qū)第一主分量之間的相關(guān)系數(shù)。對于平均氣溫來說,經(jīng)過計(jì)算,各站點(diǎn)之間的相關(guān)系數(shù)基本均在80%以上。由表3可知,平均氣溫的各區(qū)第一主分量之間的相關(guān)系數(shù)相對較小。對于降水來說,降水量的各區(qū)第一主分量之間的相關(guān)系數(shù)的絕對值均較小,除去第三區(qū)與第四區(qū)的相關(guān)系數(shù)為0.34之外,其余均在0.15以下。因此,各區(qū)域之間的變化形態(tài)都是相對獨(dú)立的,即驗(yàn)證了此分區(qū)結(jié)果的合理性。2.3中國東北氣溫和降水的變化特征2.3.1東北最優(yōu)區(qū)域的年平均氣溫特征對東北地區(qū)81個(gè)氣象站點(diǎn)的年平均氣溫距平資料做EOF展開,圖3為其第一特征向量的典型場,方差貢獻(xiàn)率達(dá)到了85.9%,因此基本能夠代表東北地區(qū)年平均氣溫的空間變化。由圖3可知,東北地區(qū)的年平均氣溫呈現(xiàn)全區(qū)的一致變化,這顯然是受到大尺度天氣系統(tǒng)的影響。大值區(qū)位于東北地區(qū)的中西部,小值區(qū)位于東北地區(qū)的北部和東南部一帶,這一地區(qū)的氣溫變化相對較小。這是受地理緯度等影響所造成的,北部緯度較高,東南部地區(qū)距離海洋則較近,因此氣溫的變化要比其他地區(qū)小。由此可知,東北地區(qū)年平均氣溫的變化呈現(xiàn)一致偏高或一致偏低的狀態(tài),但當(dāng)溫度升高(或降低)時(shí),中部和西部地區(qū)升高(或降低)幅度較大,而北部及東南部地區(qū)升高(或降低)的幅度較小。2.3.2降水量的垂直分布圖4為中國東北地區(qū)年降水量按照方差貢獻(xiàn)依次排列的前4個(gè)特征向量分布,它們特征向量的累計(jì)方差貢獻(xiàn)率為64.8%,因此基本能夠代表東北區(qū)域降水的分布。圖4a為第一主分量分布,其方差貢獻(xiàn)率為35.5%,年降水量存在全區(qū)的一致變化,這與大尺度的天氣系統(tǒng)有關(guān),說明降水量的變化是受到某些因子的共同影響。高值區(qū)位于中部和南部地區(qū),即從興安盟東部至遼寧西南部一帶,低值區(qū)位于東北地區(qū)的北部。這說明,東北地區(qū)的降水量發(fā)生變化時(shí),北部的變化幅度較小,而中部和南部的變化幅度較大。圖4b為年降水量的第二主分量分布,其方差貢獻(xiàn)率為14.3%,降水量存在南北方向的反向變化,正值區(qū)位于東南部,負(fù)值區(qū)的中心位于呼倫貝爾南部至黑龍江西南部一帶。引起這種分布的原因可能是43°—48°N、120°—127°E范圍內(nèi)的東北冷渦的活動(dòng)頻繁。圖4c為年降水量的第三主分量分布,其方差貢獻(xiàn)率為9%,降水量呈現(xiàn)東西方向的反向變化。正值區(qū)位于中東部地區(qū),中心在黑龍江東部至吉林東部一帶,正值區(qū)與東北氣旋的密集帶及移動(dòng)路徑基本一致,而負(fù)值區(qū)則位于西部地區(qū),即呼倫貝爾西部至赤峰一帶。圖4d為東北地區(qū)降水量第四主分量分布,其方差貢獻(xiàn)率為6%,東西方向呈現(xiàn)(-+-)的變化,正值區(qū)的中心位于黑龍江中部以及遼寧的東部,負(fù)值區(qū)則位于西部和東部地區(qū)。這與東北地區(qū)的地形有關(guān),大興安嶺和長白山形成喇叭口地形,在長白山迎風(fēng)坡一側(cè)降水量較多。2.3.3以單次升溫趨勢的同時(shí)升速性、季節(jié)性變化的趨勢線為條件,其強(qiáng)度波動(dòng)的幅度較小對各區(qū)域的年平均氣溫、年降水量的標(biāo)準(zhǔn)化資料進(jìn)行主成分分析后,得到的各區(qū)域平均氣溫第一主分量的方差貢獻(xiàn)率均在90%以上,降水量的第一方差貢獻(xiàn)率均在50%以上,且相應(yīng)的載荷量均為正值,說明第一主成分的演變能反應(yīng)該區(qū)域的年平均氣溫和降水量的變化特征。圖5所示的4張圖依次為四個(gè)區(qū)域年平均氣溫的第一主分量所對應(yīng)的時(shí)間系數(shù)的年際變化。東北地區(qū)各個(gè)區(qū)域年平均氣溫的線性傾向趨勢呈上升的狀態(tài),且均通過α=0.05的顯著性檢驗(yàn),在20世紀(jì)60年代后期有一個(gè)氣溫的急劇下降,在1969年附近年平均氣溫達(dá)到50a內(nèi)最低值。然后氣溫回升,到20世紀(jì)80年代中后期,又有一次氣溫的大幅下降,在此之后,氣溫持續(xù)攀升并逐漸趨于穩(wěn)定,在2007年左右達(dá)到最高。四個(gè)區(qū)的升溫幅度有所不同,由它們的趨勢線可看出,第一區(qū)和第四區(qū),即從呼倫貝爾盟北部至黑龍江北部,以及東三省東部一帶,升溫幅度相對較小。而第二區(qū)和第三區(qū)的氣溫升幅則較大。此外,四個(gè)區(qū)氣溫波動(dòng)的幅度也不同。第一、第四區(qū)不僅升溫幅度小,氣溫波動(dòng)的幅度也較之其他兩個(gè)區(qū)域要小,且氣溫的最大變幅也小于其他兩個(gè)區(qū)域。綜上可知,整個(gè)東北地區(qū)的氣溫在近50a來有上升的趨勢,受全球氣候變暖的影響較大。但北部及東部地區(qū)的升溫幅度以及氣溫最大變幅較小,而西部和南部升溫幅度較大,且溫度的變化幅度也最大。2.3.4年降水量的長期變化趨勢圖6依次為中國東北地區(qū)5個(gè)區(qū)域年降水量第一主分量所對應(yīng)的時(shí)間系數(shù)年際變化,各區(qū)年降水量的氣候線性傾向趨勢均通過α=0.05的顯著性檢驗(yàn)。東北地區(qū)的年降水量呈現(xiàn)明顯的波動(dòng)狀態(tài),20世紀(jì)60年代前期降水豐沛,60年代中后期至80年代降水減少,而進(jìn)入20世紀(jì)80年代之后波動(dòng)更加明顯,降水逐漸增多,自20世紀(jì)90年代后期至今又有減少的趨勢,2000年前后年降水量減少至近50a的最小值。從年降水量的長期變化趨勢來看,第一區(qū)、第二區(qū)的年降水量在近50a內(nèi)基本維持不變;第三、四、五區(qū)的年降水量則有下降的趨勢,但是第四區(qū)的年降水量下降的趨勢最為明顯,下降幅度最大。除此之外,各個(gè)區(qū)域年降水量的振動(dòng)幅度均有明顯的不同,第一、第二區(qū)的振動(dòng)幅度最小,第三、第四區(qū)的振動(dòng)幅度則較大。綜上可知,中國東北地區(qū)的年降水量從整體上來說有下降的趨勢,但每個(gè)區(qū)域下降的幅度不同,即北部和東部的降水量變化不大,有略微下降趨勢或基本維持不變,而西部地區(qū)的降水則明顯減少,對生態(tài)環(huán)境以及農(nóng)業(yè)方面均造成較大影響。3中國東北最明顯的氣象區(qū)—結(jié)論(1)中國東北地區(qū)的年平均氣溫可劃分為4個(gè)區(qū)域,第一區(qū)位于東北地區(qū)的北部,從呼倫貝爾的北部至黑龍江北部一帶;第二區(qū)位于東北地區(qū)的中部,從呼倫貝爾南部至松花江流域一帶;第三區(qū)位于東北地區(qū)的西南部;第四區(qū)位于東北地區(qū)的東南部,長白山一帶地區(qū)。年降水量可劃分為5個(gè)不同的區(qū)域:第一區(qū)位于東北地區(qū)的北部,從呼倫貝爾的北部至小興安嶺一帶的區(qū)域;第二區(qū)位于東北地區(qū)的東北部,三江平原至長白山北部一帶;第三區(qū)位于東北地區(qū)的中部,嫩江和松花江流域附近;第四區(qū)位于東北地區(qū)的西部;第五區(qū)位于東北地區(qū)的東南部。(2)中國東北地區(qū)平均氣溫呈南北向的一致變化,但當(dāng)溫度升高(或降低)時(shí),中部和西部地區(qū)升高(或降低)幅度較大,而北部及東南部地區(qū)升高(或降低)的幅度較小。年降水量也基本呈現(xiàn)全區(qū)一致的變化特點(diǎn),但北部的變化幅度較小,而中部和南部的變化幅度較大。同時(shí)受東北氣旋、東北冷渦及地形等方面的影響,東北地區(qū)的年降水量又表現(xiàn)出東