基于reof和cas的中國(guó)東北地區(qū)年降水量和氣溫變化分析

基于reof和cas的中國(guó)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(duì)人類的生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有顯著影響。近年來(lái),在全球變暖的影響下,氣候異常事件頻繁發(fā)生,因此對(duì)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(guó)各地區(qū)增溫趨勢(shì)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(lái)則開(kāi)始減少。而王遵婭等研究表明,1951—2000年?yáng)|北地區(qū)是中國(guó)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(shì)。中國(guó)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(guó)重要的農(nóng)牧林業(yè)生產(chǎn)基地,東北平原是中國(guó)的重要產(chǎn)糧區(qū),其西部是中國(guó)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(duì)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(duì)未來(lái)的氣候預(yù)測(cè),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(duì)中國(guó)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(lái)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(shì),但近30a來(lái)東北北部有增加的趨勢(shì),而南部干旱有增加趨勢(shì)。張耀存和張錄軍研究表明,近50a來(lái)東北氣候和生態(tài)過(guò)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(duì)中國(guó)東北地區(qū)氣溫和降水的時(shí)空變化分析已做過(guò)較多工作,但針對(duì)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(duì)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(guó)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(cè)站點(diǎn)和站點(diǎn)的分布選用中國(guó)東北地區(qū)1961—2010年共81個(gè)觀測(cè)站點(diǎn)的日平均氣溫和日降水量觀測(cè)資料為研究對(duì)象,觀測(cè)數(shù)據(jù)全部來(lái)自中國(guó)氣象局國(guó)家氣象信息中心,所有數(shù)據(jù)均經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的質(zhì)量控制和檢查,質(zhì)量良好,觀測(cè)站點(diǎn)的分布見(jiàn)圖1。對(duì)個(gè)別站點(diǎn)的缺測(cè)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(duì)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(duì)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(wèn)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(guó)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(chǎng)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(cè)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(duì)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(duì)應(yīng)的站點(diǎn)作為聚類中心,對(duì)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(duì)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(duì)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(lái),目前在國(guó)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(duì)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(guó)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(duì)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(duì)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(shì)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(guó)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(zhǎng)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(zhǎng)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(duì)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(jiàn),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(jiàn),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(shì)。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(duì)于平均氣溫來(lái)說(shuō),經(jīng)過(guò)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(duì)較小。對(duì)于降水來(lái)說(shuō),降水量的各區(qū)第一主分量之間的相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)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(duì)獨(dú)立的,即驗(yàn)證了此分區(qū)結(jié)果的合理性。2.3中國(guó)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(duì)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(kāi),圖3為其第一特征向量的典型場(chǎng),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(duì)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(guó)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(shuō)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(shuō)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(zhǎng)白山形成喇叭口地形,在長(zhǎng)白山迎風(fēng)坡一側(cè)降水量較多。2.3.3以單次升溫趨勢(shì)的同時(shí)升速性、季節(jié)性變化的趨勢(shì)線為條件,其強(qiáng)度波動(dòng)的幅度較小對(duì)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(shuō)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(duì)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(shì)呈上升的狀態(tài),且均通過(guò)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(shì)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(duì)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(lái)有上升的趨勢(shì),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(zhǎng)期變化趨勢(shì)圖6依次為中國(guó)東北地區(qū)5個(gè)區(qū)域年降水量第一主分量所對(duì)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(shì)均通過(guò)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(shì),2000年前后年降水量減少至近50a的最小值。從年降水量的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)來(lái)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(shì),但是第四區(qū)的年降水量下降的趨勢(shì)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(guó)東北地區(qū)的年降水量從整體上來(lái)說(shuō)有下降的趨勢(shì),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(shì)或基本維持不變,而西部地區(qū)的降水則明顯減少,對(duì)生態(tài)環(huán)境以及農(nóng)業(yè)方面均造成較大影響。3中國(guó)東北最明顯的氣象區(qū)—結(jié)論(1)中國(guó)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(zhǎng)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(zhǎng)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(guó)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