基于EOF的我国冬季海平面气压变化特征分析

陈震　王冠　王丹

摘要 利用经验正交函数分解法和1956—2015年NCEP/NCAR再分析资料对我国海平面气压场进行了分析。结果表明，我国海平面气压场分为3种典型空间分布，即“南北型”“全国一致型”“西南—东北型”分布；方差贡献率分别为45.7%、16.6%、10.3%。时间系数表明，海平面气压场第1模态南方低、北方高，之后转为南方偏高、北方偏低；第2模态全国气压升高再降低，之后缓慢回升；第3模态全国大部分地区海平面气压先降后升，波动较明显。

关键词 海平面气压；变化特征；经验正交函数；冬季；中国

中图分类号 P732 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2017）15-0197-02

全球变暖、温室效应加强以及海平面上升使全球更加关注气候变化。叶丽群等[1]分析了西北太平洋海平面气压场的变换时间，气压场1年内存在2次转变，即夏季到冬季的转变和冬季到夏季的转变。转换时间存在明显的经向差异和纬向差异。周鑫[2]分析了东亚地区海平面气压场，以扩展经验正交函数EEOF对海平面气压场进行分解，结果表明，东亚海平面气压场存在2～3年周期的振荡。曾红玲等[3]分析了近20年全球冬、夏季海平面气压场特征，分析指出20世纪70年代全球冬季海平面气压场发生突变，冬季阿留申低压向东移动并加强。王劲松等[4]研究了中东亚干旱区气候异常与海平面气压异常的关系，分析表明，干旱区降水偏多，气温偏高与冬季海平面气压场的持续加强存在一定关系。降水与气温异常的时期，恰好是低纬度气压场距平为正的时期。薄文波等[5]分析了我国临近海域海平面气压场特征，指出气压及气压梯度存在明显的季节变化，冬季纬向变化明显，夏季经向变化明显，春秋季是转型关键季。任菊章等[6]分析了亚洲冬季低温及海平面气压的关系，分析认为AO（北极涛动）对冬季气温有显著影响，海陆气压的反相分布也会对气温产生影响。

1 资料与方法

本文所用资料为NCEP/NCAR再分析资料，起止时间为1956—2015年。将m个空间点的n次观测资料写成矩阵X。EOF的基本思想是将矩阵X分解成空间场V和时间场T的乘积，即X=VT。在计算时首先对X矩阵进行标准化处理，再求其协方差矩阵S，S=X·XT。协方差阵X的特征值λ=（λ1，λ2，…，λm）所对应的特征向量称为第1模态、第2模态……第m模态。时间系数可由T=VTX求得，VT是空间向量的转置。矩阵X的表达式如下：

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

2 结果与分析

图1（a）是海平面气压场第1模态分布图，其方差贡献率为45.7%，是海平面气压最主要的分布形式。第1模态表现出明显的“南北型”分布特征，即“南高北低”或者“南低北高”，海平面气压南北反相位变化，分界线十分明显。数值大值区位于我国西南部及沿海，中心则位于青藏高原上，中心值在0.04以上。数值低值区则位于我国北部地区，空间系数在-0.04～-0.02之间。这种分布表明，我国南部（尤其是青藏高原地区）的海平面气压变化明显大于中部和北部。第2模态表现为“全国一致型”分布，其方差贡献率为16.6%，是次典型分布。由图1（b）可知，第2模态中空间系数均为负值，空间系数-0.12～0，负值中心位于青海省。表现为海平面气压全国偏高或者全国偏低，全国一致性变化。第3模态表现为“西南—东北型”分布，其方差贡献率为10.3%，也是一种典型分布。由图1（c）可知，在第3模态中东三省及内蒙古东北部的空间系数为正，四川与青海交界处系数为正，其他地区空间系数为负，负值中心在新疆。当海平面气压变化时，东三省气压偏高，川渝交界处偏高，其他地区偏低；或者东三省气压偏低，川渝交界处偏低，其他地区偏高。空间系数在中部地区呈经向分布，在东三省呈准纬向分布。这种分布是第3模态所特有的。

以上每一种模态都有2种变化，要具体确定一种变化必须结合时间系数进行分析。具体方法：时间系数正（负），空间系数正（负），则该变化会得到加强；时间系数正（负），空间系数负（正），则该变化会被削弱。由图2（a）可知，第1模态对应的时间系数变化在1956—1970年间，除1958年为弱正值外，时间系数均为负值。说明海平面气压南低北高。1970年后时间系数突变为正值，1971—2004年时间系数为正的年数为26年，时间系数为负的年数有8年，表明在这34年内海平面气压以南高北低为主要变化特征。1972—2015年海平面气压以南低北高为主。由图2（b）可知，第2模态的时间系数明显不同于第1模态，1956—1977年间时间系数发生了明显的突变，大致在1966年。1966年以前全国海平面气压偏高，1966—1977年全国海平面气压偏低。1977年后波动明显减小，负值偏多，表明全国海平面气压偏高。因时间系数绝对值不大，故这种偏高的趋势也不明显。由图2（c）可知，第3模态时间系數以1976年为分界点，之前东三省气压偏高，全国其他地区偏低；之后东三省气压偏低，全国其他地区偏高。

3 结论

本文基于EOF方法，对1956—2015年我国海平面气压场进行分析，结论如下。

（1）第1模态表现为“南北型”分布。空间系数正负分界线明显，高值中心位于青藏高原地区。第一模态的时间系数表明我国海平面气压由南低北高转为南高北低，再转为南低北高。

（2）第2模态表现为“全国一致型”分布。全国范围内空间系数均为负值。第二模态的时间系数表明，我国海平面气压先急剧升高再急剧下降，1977年后缓慢回升。

（3）第3模态表现为“西南—东北型”分布。其空间系数在中部地区与经线平行，在东三省与纬线平行。

4 参考文献

[1] 叶丽群，千怀遂，张灵.1979—2013年西北太平洋地区海平面气压场季节转换时间的变化分析[J].气候与环境研究，2016，21（2）：236-246.

[2] 周鑫.东亚地区海平面气压准两年振荡研究[J].科技风，2016（194）：195.

[3] 曾红玲，高新全，戴新刚.近20年全球冬、夏季海平面气压场和500 hPa高度场年代际变化特征分析[J].高原气象，2002，21（1）：66-73.

[4] 王劲松，陈发虎，靳立亚.近100年来中东亚干旱区气候异常与海平面气压异常的关系[J].高原气象，2008，21（1）：84-95.

[5] 薄文波，吴宝勤.我国近邻海域海平面气压变化特征分析[J].气象水文海洋仪器，2012（3）：9-13.

[6] 任菊章，琚建华，赵刚.亚洲冬季地表气温与北半球海平面气压场的关系[J].气候与环境研究，2003，8（4）：436-442.endprint