基于EOF和REOF的1951—2010年长江流域夏季气温空间分布

安海全++滕林++易志学

摘要 利用中国长江流域68个测站的1951—2010年夏季气温资料，采用EOF、REOF、Mann-kendall方法，分析了近60年中国长江流域夏季气温的空间分布特征。结果表明：长江流域夏季气温主要为全区一致性，在整体一致的情况下，还存在南北和东西向差异型及6个气温变化敏感区域。进一步将其中前5个区域（分别是长江下游型、赣江流域型、长江上游型、湘江流域和川东北型）进行突变检测，其中4个区域发生了突变。

关键词 EOF；REOF；夏季气温；空间分布；突变检验；长江流域

中图分类号 P423.3 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2017）07-0207-03

随着全球气候趋暖，极端气候事件频发，给农业生产造成的损失巨大[1]。中国是粮食生产大国，尤其长江中下游地区是我国重要的水稻生产区，因为水稻对气温敏感，气候异常对水稻生产的影响极大。因此，了解长江流域气温的空间分布对水稻的种植很有必要。中国学者对长江流域气温的研究较少，大多集中在降水或者气温与降雨结合的研究[2-5]，关于夏季气温及影响因素的研究则更少。在为数不多的文献中发现，近50年来中国长江流域年平均气温在20世纪50年代偏高，50—60年代下降，60—80年代围绕平均值有所波动，80—90年代以后上升，90年代较80年代增温0.3～0.6 ℃，整体呈现升温的态势[6]。长江流域年平均气温主要有2种空间振荡型，即全流域气温变化趋向一致型和流域内气温变化存在东西向差异型。笔者从长江流域近60年夏季气温资料进行分析总结，希望得到中国长江流域夏季气温的时空分布特征，为进一步揭示长江流域的气候现状、特征进行一些探索，为长江流域的气候预报、农业种植等提供参考。

1 资料与方法

1.1 资料来源

本文所用资料取自国家气象中心提供的中国长江流域68个站点1951—2010年的月平均气温资料，站点依据长江流域的地理坐标范围（即24°～35°N，90°～122°E）挑选而得。主要对夏季气温进行分析，夏季定义为6—8月的平均值。

1.2 检验方法

利用中国长江流域68个站夏季平均气温序列进行经验正交函数（EOF）分析和旋转经验正交函数（REOF）分析；对平均夏季气温时间序列进行M-K突变检验，以此寻找中国长江流域夏季气温异常的分布特点。

2 结果与分析

2.1 长江流域夏季气温空间分布特征

在对1951—2001年逐年夏季平均气温的数据进行标准化处理的基础上，采用EOF分解得出各个分量。通过EOF分析的前6个主分量的方差贡献及累积方差贡献（表1），对长江流域夏季气温的空间分布特征进行研究。可以看出，长江流域最主要的空间振荡形态可以通过前3个主分量所对应的各个温度空间振荡型反映出来，累积方差贡献为69.9%，其中第1主分量的方差贡献远大于其他主分量，达到46.2%，其包含了最为主要的信息。

2.1.1 总体一致型。由EOF分解后的第1特征向量场具体见图1（a）。可以看出，中国长江流域夏季平均气温第1特征向量场（EOF1）在整个区域内为一致的正值分布，此型反映出中国长江流域夏季气温大范围一致偏冷或偏暖的特性。第1特征向量分布具体表现为四川中部、川渝黔交界处、湘鄂交界带以及安徽南部地区值比较高，且这些高值区都是沿长江沿岸分布，其中有3处最高值达到0.16，表明这些区域为长江流域夏季平均气温变化的敏感区。

2.1.2 南北差异型。图1（b）为第2特征向量对应的空间分布型，说明南部地区夏季气温与北部地区夏季气温反向变化的结构特点，其方差贡献率为16.8%，0等值线从南通—无锡—铜陵—长沙—铜仁—成都穿过。最大负值中心位于河南南部，最大正值中心位于江西和福建南部及广东北部。等值线分布特点为北部为负、南部为正，这种分布类型反映了中国长江流域夏季气温异常存在南北反位相关系，即当北部地区夏季气温异常偏高时，南部地区夏季气温异常偏低；反之，当北部地区夏季气温异常偏低时，南部地区夏季气温异常偏高。

2.1.3 东西差异型。图1（c）为第3特征向量对应的空间分布型，呈东正西负的结构，其方差贡献率为4.7%，0等值线大致从广西—贵州—重庆—陕西穿过。最大负值中心位于缅甸北部，最大正值中心位于湖南南部和江西中部。等值線分布特点为西部为负、东部为正，这种分布类型反映了中国长江流域夏季气温异常存在东西反位相关系，即当东部地区夏季气温异常偏高时，西部地区夏季气温异常偏低；反之，当东部地区夏季气温异常偏低时，西部地区夏季气温异常偏高。

2.2 长江流域夏季气温异常的区域划分

通过EOF展开方法的结果可以看出，中国长江流域夏季气温空间格局既有一致性的异常高温或低温，也存在区域内的南北差异和东西差异。以上特征只是大致反映了中国长江流域夏季气温异常的空间分布特征，不能更为精细地描述不同区域的特征。为了进一步了解长江流域夏季气温变化的空间分布特征，采用REOF分解得出几个主要空间主分量的方差贡献和累计方差贡献（表2）。本文对前5个主成分及对应的荷载向量进行了旋转，并且得到了5个主要的空间分区模态（图2），阴影区是旋转载荷向量绝对值大于0.6的区域。REOF分解得到的空间模态是旋转因子载荷向量，因此每个向量代表的是空间相关性分布结构[7]。

由表2可以看出，旋转后载荷向量的方差贡献分布更加均匀，这是因为旋转后各主成分的意义着重表现空间的相关性分布特征，高载荷只集中在某一较小的区，而其他大部分区域的载荷尽可能地接近0[7]。

通过REOF 分析，突出长江流域具有5个典型的气温变化敏感区域，分别为长江下游区、赣江流域、长江上游区、湘江流域和川东北区，说明长江流域夏季气温具有明显的区域性，虽没有涵盖全流域，但能反映出长江流域夏季气温总变化特征。在5个气温变化敏感区域中，有3个位于长江中下游地区、2个位于长江上游地区。

2.2.1 长江下游型。图2（a）为长江流域夏季气温第1旋转主分量的空间分布，高荷载区位于长江下游以北，包括江苏、安徽、河南、湖北等省份，是夏季气温变化最敏感的区域之一，中心荷载值达到0.9，范围比较广。等值线>0.6的区域构成一个长江流域下游的局地变化区域，称为长江下游型。

2.2.2 赣江流域型。图2（b）给出长江流域夏季气温第2 旋转荷载向量场，高载荷主要分布在赣江中游以及闽浙交界地地区，中心最大荷载值为0.6，称为赣江流域型。

2.2.3 长江上游型。图2（c）给出长江流域夏季气温第3 旋转荷载向量场，高载荷区主要在四川西南部、云南北部地区，其中云南北部地区荷载绝对值更是达到0.9，得出长江上游云南北部地区为气温变化敏感区。等值线绝对值>0.6的区域构成一个长江流域上游局部变化区域，称为长江上游型。

2.2.4 湘江流域型。图2（d）给出长江流域夏季气温第4旋转荷载向量场，高载荷区主要分布在黔湘交界地区，旋转荷载中心位于湘江上游地区，最大荷载值为0.7，得出湘江流域为气温变化敏感区。等值线>0.6的区域构成一个湘江上游的局地变化区域，称为湘江流域型。

2.2.5 川东北型。图2（e）给出长江流域夏季气温第5旋转荷载向量场，高载荷区主要分布在四川境内，其东北部有一个较大的负值区域，中心数值绝对值达到0.8，得出四川东北地区为气温变化敏感区。等值线绝对值>0.6的区域构成一个四川东北局部变化区域，称为川东北型。

2.3 长江流域夏季气温异常的突变检测

利用Mann-Kendall突变检测方法，选取置信度α=0.05，置信区间为±1.96。因为旋转前第1主分量的方差贡献占总方差的46.2%，大于其他各个主分量的方差贡献，故使用第1主分量的时间序数得出长江流域近60年夏季气温的全区突变检测情况（图3），图4分别为5个分区的突变检测结果。从中发现，长江流域5个分区中有4个区域的夏季气温存在突变，而全区不存在突变。表3显示了发生气温突变的4个区域及其发生突变的年份。

由图3可以看出，20世纪50年代至2000年全区整体以上升趋势为主，其中80—90年代上升趋势显著，2004年以后长江流域气温呈下降趋势。综合全区的突变检测图来看，长江流域夏季平均气温全区不存在突变。

2.3.1 长江下游地区。由图4（a）可知，长江下游地区20世纪50—60年代呈下降趋势，60年代中期以后其序列呈上升趋势，具有突变性质，突变点在1969年。在1980年前后这种增暖趋勢大大超过了α=0.05显著性水平临界值，表明长江下游夏季气温上升趋势非常显著。故认为在此法中，检测出长江下游区的夏季平均气温突变年是1969年。

2.3.2 赣江流域。由图4（b）可知，赣江流域2000年以前该流域夏季气温整体呈现上升趋势，2000年以后气温呈现下降趋势，但UF线没有超出信度检验线的范围，故认为在此法中，检测出该区的夏季平均气温没有发生突变。

2.3.3 长江上游地区。由图4（c）可知，长江上游地区在20世纪60年代前期气温呈下降趋势，60年代中期至80年代前期该区域夏季气温整体呈现上升趋势。其中，1968—1979年该区域夏季气温上升趋势十分显著，1981年以后其序列有着十分显著的下降趋势，具有突变性质，突变点在1989年。在1989年前后这种降温趋势大大超过了α=0.05显著性水平临界值，表明长江上游夏季气温下降趋势非常显著。故认为在此检测法中，检测出长江上游区的夏季平均气温突变年是1989年。

2.3.4 湘江流域。由图4（d）可知，湘江流域夏季气温全区呈现总体下降的趋势，只有极少数年份呈上升趋势，其中20世纪60年代中前期及60年代末至80年代初期夏季平均气温下降趋势十分显著。1958—1960年有十分显著的下降趋势，具有突变性质，突变点在1959年。在1961年后这种降温趋势大大超过了α=0.05显著性水平临界值，表明湘江流域夏季气温下降趋势非常显著。故认为在此检测法中，检测出湘江流域的夏季平均气温突变年是1959年。

2.3.5 川东北地区。图4（e）中UF线完全在0线以上，说明该区域在近60年来夏季气温整体呈现上升趋势，其中20世纪50年代中期后其序列有着十分显著的上升趋势，具有突变性质，突变点在1959。在20世纪60年代中后期和80年代2个时期内这种增温趋势大大超过了α=0.05显著性水平临界值，表明四川东北区域夏季气温上升趋势非常显著。故认为在此检测法中，检测出川东北地区夏季平均气温突变年是1959年。

由以上对长江流域各分区夏季平均气温异常的检测可知，长江流域5个分区中有4个区域发生了突变，但长江流域整体夏季气温不存在突变（表3）。可以看出，长江下游在20世纪60年代后期发生气温由低到高的突变，长江上游在80年代后期发生气温由高到低的突变，湘江流域气温在50年代后期发生了由高到低的突变，而川东北地区在50年（下转第213页）

代后期发生了气温由低到高的突变。从结论中可以看出，长江流域地区近60年来夏季气温的平均分布与上文分析结果相符，即近50年来中国长江流域年平均气温在50年代偏高，50—60年代下降，60—80年代在平均值上下波动，80年代以后上升。

3 结论

（1）1951—2010年近60年来中国长江流域夏季气温整体呈现上升趋势，在20世纪60年代以前呈下降趋势，在80年代以后呈上升趋势。

（2）长江流域夏季气温具有明显的空间差异性，整个长江流域夏季气温异常在全区一致性分布的基础上，还存在着南北反向和东西反向的差异。

（3）长江流域各分区气温异常偏低年多在前期，而气温异常偏高年份多发生在近期。说明长江流域夏季气温近年来逐年升高的情况与全球性的温室效应相呼应。

4 参考文献

[1] 商兆堂，项瑛，张旭辉，等.暴雪天气过程对江苏农业生产的影响[J].中国农业气象，2008，29（2）：247-249.

[2] 苏布达，姜彤.1990s长江流域降水趋势分析[J].湖泊科学，2003（15）：38-48.

[3] 姜彤，苏布达，王艳君，等.四十年来长江流域气温、降水与径流变化趋势[J].气候变化研究进展，2005（2）：65-68.

[4] 吴宜进，熊安元，姜彤，等.近50年长江流域降水日数的演变趋势[J].长江流域资源与环境，2008（2）：217-222.

[5] 丁斌，顾显跃，缪启龙.长江流域近50年来的气温变化特征[J].长江流域资源与环境，2006（4）：531-536.

[6] 王龙学，寿绍文，杨金虎.长江中下游地区汛期暴雨频次的时空分布特征[J].长江流域资源与环境，2006（4）：541-545.

[7] 魏凤英.现代气候统计诊断与预测技术[M].北京：气象出版社，2007：117-118.