基于EOF和REOF的1951—2010年長江流域夏季氣溫空間分布

安海全++滕林++易志學(xué)

摘要 利用中國長江流域68個測站的1951—2010年夏季氣溫資料，采用EOF、REOF、Mann-kendall方法，分析了近60年中國長江流域夏季氣溫的空間分布特征。結(jié)果表明：長江流域夏季氣溫主要為全區(qū)一致性，在整體一致的情況下，還存在南北和東西向差異型及6個氣溫變化敏感區(qū)域。進(jìn)一步將其中前5個區(qū)域（分別是長江下游型、贛江流域型、長江上游型、湘江流域和川東北型）進(jìn)行突變檢測，其中4個區(qū)域發(fā)生了突變。

關(guān)鍵詞 EOF；REOF；夏季氣溫；空間分布；突變檢驗；長江流域

中圖分類號 P423.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1007-5739（2017）07-0207-03

隨著全球氣候趨暖，極端氣候事件頻發(fā)，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成的損失巨大[1]。中國是糧食生產(chǎn)大國，尤其長江中下游地區(qū)是我國重要的水稻生產(chǎn)區(qū)，因為水稻對氣溫敏感，氣候異常對水稻生產(chǎn)的影響極大。因此，了解長江流域氣溫的空間分布對水稻的種植很有必要。中國學(xué)者對長江流域氣溫的研究較少，大多集中在降水或者氣溫與降雨結(jié)合的研究[2-5]，關(guān)于夏季氣溫及影響因素的研究則更少。在為數(shù)不多的文獻(xiàn)中發(fā)現(xiàn)，近50年來中國長江流域年平均氣溫在20世紀(jì)50年代偏高，50—60年代下降，60—80年代圍繞平均值有所波動，80—90年代以后上升，90年代較80年代增溫0.3～0.6 ℃，整體呈現(xiàn)升溫的態(tài)勢[6]。長江流域年平均氣溫主要有2種空間振蕩型，即全流域氣溫變化趨向一致型和流域內(nèi)氣溫變化存在東西向差異型。筆者從長江流域近60年夏季氣溫資料進(jìn)行分析總結(jié)，希望得到中國長江流域夏季氣溫的時空分布特征，為進(jìn)一步揭示長江流域的氣候現(xiàn)狀、特征進(jìn)行一些探索，為長江流域的氣候預(yù)報、農(nóng)業(yè)種植等提供參考。

1 資料與方法

1.1 資料來源

本文所用資料取自國家氣象中心提供的中國長江流域68個站點1951—2010年的月平均氣溫資料，站點依據(jù)長江流域的地理坐標(biāo)范圍（即24°～35°N，90°～122°E）挑選而得。主要對夏季氣溫進(jìn)行分析，夏季定義為6—8月的平均值。

1.2 檢驗方法

利用中國長江流域68個站夏季平均氣溫序列進(jìn)行經(jīng)驗正交函數(shù)（EOF）分析和旋轉(zhuǎn)經(jīng)驗正交函數(shù)（REOF）分析；對平均夏季氣溫時間序列進(jìn)行M-K突變檢驗，以此尋找中國長江流域夏季氣溫異常的分布特點。

2 結(jié)果與分析

2.1 長江流域夏季氣溫空間分布特征

在對1951—2001年逐年夏季平均氣溫的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理的基礎(chǔ)上，采用EOF分解得出各個分量。通過EOF分析的前6個主分量的方差貢獻(xiàn)及累積方差貢獻(xiàn)（表1），對長江流域夏季氣溫的空間分布特征進(jìn)行研究。可以看出，長江流域最主要的空間振蕩形態(tài)可以通過前3個主分量所對應(yīng)的各個溫度空間振蕩型反映出來，累積方差貢獻(xiàn)為69.9%，其中第1主分量的方差貢獻(xiàn)遠(yuǎn)大于其他主分量，達(dá)到46.2%，其包含了最為主要的信息。

2.1.1 總體一致型。由EOF分解后的第1特征向量場具體見圖1（a）。可以看出，中國長江流域夏季平均氣溫第1特征向量場（EOF1）在整個區(qū)域內(nèi)為一致的正值分布，此型反映出中國長江流域夏季氣溫大范圍一致偏冷或偏暖的特性。第1特征向量分布具體表現(xiàn)為四川中部、川渝黔交界處、湘鄂交界帶以及安徽南部地區(qū)值比較高，且這些高值區(qū)都是沿長江沿岸分布，其中有3處最高值達(dá)到0.16，表明這些區(qū)域為長江流域夏季平均氣溫變化的敏感區(qū)。

2.1.2 南北差異型。圖1（b）為第2特征向量對應(yīng)的空間分布型，說明南部地區(qū)夏季氣溫與北部地區(qū)夏季氣溫反向變化的結(jié)構(gòu)特點，其方差貢獻(xiàn)率為16.8%，0等值線從南通—無錫—銅陵—長沙—銅仁—成都穿過。最大負(fù)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廣東北部。等值線分布特點為北部為負(fù)、南部為正，這種分布類型反映了中國長江流域夏季氣溫異常存在南北反位相關(guān)系，即當(dāng)北部地區(qū)夏季氣溫異常偏高時，南部地區(qū)夏季氣溫異常偏低；反之，當(dāng)北部地區(qū)夏季氣溫異常偏低時，南部地區(qū)夏季氣溫異常偏高。

2.1.3 東西差異型。圖1（c）為第3特征向量對應(yīng)的空間分布型，呈東正西負(fù)的結(jié)構(gòu)，其方差貢獻(xiàn)率為4.7%，0等值線大致從廣西—貴州—重慶—陜西穿過。最大負(fù)值中心位于緬甸北部，最大正值中心位于湖南南部和江西中部。等值線分布特點為西部為負(fù)、東部為正，這種分布類型反映了中國長江流域夏季氣溫異常存在東西反位相關(guān)系，即當(dāng)東部地區(qū)夏季氣溫異常偏高時，西部地區(qū)夏季氣溫異常偏低；反之，當(dāng)東部地區(qū)夏季氣溫異常偏低時，西部地區(qū)夏季氣溫異常偏高。

2.2 長江流域夏季氣溫異常的區(qū)域劃分

通過EOF展開方法的結(jié)果可以看出，中國長江流域夏季氣溫空間格局既有一致性的異常高溫或低溫，也存在區(qū)域內(nèi)的南北差異和東西差異。以上特征只是大致反映了中國長江流域夏季氣溫異常的空間分布特征，不能更為精細(xì)地描述不同區(qū)域的特征。為了進(jìn)一步了解長江流域夏季氣溫變化的空間分布特征，采用REOF分解得出幾個主要空間主分量的方差貢獻(xiàn)和累計方差貢獻(xiàn)（表2）。本文對前5個主成分及對應(yīng)的荷載向量進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)，并且得到了5個主要的空間分區(qū)模態(tài)（圖2），陰影區(qū)是旋轉(zhuǎn)載荷向量絕對值大于0.6的區(qū)域。REOF分解得到的空間模態(tài)是旋轉(zhuǎn)因子載荷向量，因此每個向量代表的是空間相關(guān)性分布結(jié)構(gòu)[7]。

由表2可以看出，旋轉(zhuǎn)后載荷向量的方差貢獻(xiàn)分布更加均勻，這是因為旋轉(zhuǎn)后各主成分的意義著重表現(xiàn)空間的相關(guān)性分布特征，高載荷只集中在某一較小的區(qū)，而其他大部分區(qū)域的載荷盡可能地接近0[7]。

通過REOF 分析，突出長江流域具有5個典型的氣溫變化敏感區(qū)域，分別為長江下游區(qū)、贛江流域、長江上游區(qū)、湘江流域和川東北區(qū)，說明長江流域夏季氣溫具有明顯的區(qū)域性，雖沒有涵蓋全流域，但能反映出長江流域夏季氣溫總變化特征。在5個氣溫變化敏感區(qū)域中，有3個位于長江中下游地區(qū)、2個位于長江上游地區(qū)。

2.2.1 長江下游型。圖2（a）為長江流域夏季氣溫第1旋轉(zhuǎn)主分量的空間分布，高荷載區(qū)位于長江下游以北，包括江蘇、安徽、河南、湖北等省份，是夏季氣溫變化最敏感的區(qū)域之一，中心荷載值達(dá)到0.9，范圍比較廣。等值線>0.6的區(qū)域構(gòu)成一個長江流域下游的局地變化區(qū)域，稱為長江下游型。

2.2.2 贛江流域型。圖2（b）給出長江流域夏季氣溫第2 旋轉(zhuǎn)荷載向量場，高載荷主要分布在贛江中游以及閩浙交界地地區(qū)，中心最大荷載值為0.6，稱為贛江流域型。

2.2.3 長江上游型。圖2（c）給出長江流域夏季氣溫第3 旋轉(zhuǎn)荷載向量場，高載荷區(qū)主要在四川西南部、云南北部地區(qū)，其中云南北部地區(qū)荷載絕對值更是達(dá)到0.9，得出長江上游云南北部地區(qū)為氣溫變化敏感區(qū)。等值線絕對值>0.6的區(qū)域構(gòu)成一個長江流域上游局部變化區(qū)域，稱為長江上游型。

2.2.4 湘江流域型。圖2（d）給出長江流域夏季氣溫第4旋轉(zhuǎn)荷載向量場，高載荷區(qū)主要分布在黔湘交界地區(qū)，旋轉(zhuǎn)荷載中心位于湘江上游地區(qū)，最大荷載值為0.7，得出湘江流域為氣溫變化敏感區(qū)。等值線>0.6的區(qū)域構(gòu)成一個湘江上游的局地變化區(qū)域，稱為湘江流域型。

2.2.5 川東北型。圖2（e）給出長江流域夏季氣溫第5旋轉(zhuǎn)荷載向量場，高載荷區(qū)主要分布在四川境內(nèi)，其東北部有一個較大的負(fù)值區(qū)域，中心數(shù)值絕對值達(dá)到0.8，得出四川東北地區(qū)為氣溫變化敏感區(qū)。等值線絕對值>0.6的區(qū)域構(gòu)成一個四川東北局部變化區(qū)域，稱為川東北型。

2.3 長江流域夏季氣溫異常的突變檢測

利用Mann-Kendall突變檢測方法，選取置信度α=0.05，置信區(qū)間為±1.96。因為旋轉(zhuǎn)前第1主分量的方差貢獻(xiàn)占總方差的46.2%，大于其他各個主分量的方差貢獻(xiàn)，故使用第1主分量的時間序數(shù)得出長江流域近60年夏季氣溫的全區(qū)突變檢測情況（圖3），圖4分別為5個分區(qū)的突變檢測結(jié)果。從中發(fā)現(xiàn)，長江流域5個分區(qū)中有4個區(qū)域的夏季氣溫存在突變，而全區(qū)不存在突變。表3顯示了發(fā)生氣溫突變的4個區(qū)域及其發(fā)生突變的年份。

由圖3可以看出，20世紀(jì)50年代至2000年全區(qū)整體以上升趨勢為主，其中80—90年代上升趨勢顯著，2004年以后長江流域氣溫呈下降趨勢。綜合全區(qū)的突變檢測圖來看，長江流域夏季平均氣溫全區(qū)不存在突變。

2.3.1 長江下游地區(qū)。由圖4（a）可知，長江下游地區(qū)20世紀(jì)50—60年代呈下降趨勢，60年代中期以后其序列呈上升趨勢，具有突變性質(zhì)，突變點在1969年。在1980年前后這種增暖趨勢大大超過了α=0.05顯著性水平臨界值，表明長江下游夏季氣溫上升趨勢非常顯著。故認(rèn)為在此法中，檢測出長江下游區(qū)的夏季平均氣溫突變年是1969年。

2.3.2 贛江流域。由圖4（b）可知，贛江流域2000年以前該流域夏季氣溫整體呈現(xiàn)上升趨勢，2000年以后氣溫呈現(xiàn)下降趨勢，但UF線沒有超出信度檢驗線的范圍，故認(rèn)為在此法中，檢測出該區(qū)的夏季平均氣溫沒有發(fā)生突變。

2.3.3 長江上游地區(qū)。由圖4（c）可知，長江上游地區(qū)在20世紀(jì)60年代前期氣溫呈下降趨勢，60年代中期至80年代前期該區(qū)域夏季氣溫整體呈現(xiàn)上升趨勢。其中，1968—1979年該區(qū)域夏季氣溫上升趨勢十分顯著，1981年以后其序列有著十分顯著的下降趨勢，具有突變性質(zhì)，突變點在1989年。在1989年前后這種降溫趨勢大大超過了α=0.05顯著性水平臨界值，表明長江上游夏季氣溫下降趨勢非常顯著。故認(rèn)為在此檢測法中，檢測出長江上游區(qū)的夏季平均氣溫突變年是1989年。

2.3.4 湘江流域。由圖4（d）可知，湘江流域夏季氣溫全區(qū)呈現(xiàn)總體下降的趨勢，只有極少數(shù)年份呈上升趨勢，其中20世紀(jì)60年代中前期及60年代末至80年代初期夏季平均氣溫下降趨勢十分顯著。1958—1960年有十分顯著的下降趨勢，具有突變性質(zhì)，突變點在1959年。在1961年后這種降溫趨勢大大超過了α=0.05顯著性水平臨界值，表明湘江流域夏季氣溫下降趨勢非常顯著。故認(rèn)為在此檢測法中，檢測出湘江流域的夏季平均氣溫突變年是1959年。

2.3.5 川東北地區(qū)。圖4（e）中UF線完全在0線以上，說明該區(qū)域在近60年來夏季氣溫整體呈現(xiàn)上升趨勢，其中20世紀(jì)50年代中期后其序列有著十分顯著的上升趨勢，具有突變性質(zhì)，突變點在1959。在20世紀(jì)60年代中后期和80年代2個時期內(nèi)這種增溫趨勢大大超過了α=0.05顯著性水平臨界值，表明四川東北區(qū)域夏季氣溫上升趨勢非常顯著。故認(rèn)為在此檢測法中，檢測出川東北地區(qū)夏季平均氣溫突變年是1959年。

由以上對長江流域各分區(qū)夏季平均氣溫異常的檢測可知，長江流域5個分區(qū)中有4個區(qū)域發(fā)生了突變，但長江流域整體夏季氣溫不存在突變（表3）。可以看出，長江下游在20世紀(jì)60年代后期發(fā)生氣溫由低到高的突變，長江上游在80年代后期發(fā)生氣溫由高到低的突變，湘江流域氣溫在50年代后期發(fā)生了由高到低的突變，而川東北地區(qū)在50年（下轉(zhuǎn)第213頁）

代后期發(fā)生了氣溫由低到高的突變。從結(jié)論中可以看出，長江流域地區(qū)近60年來夏季氣溫的平均分布與上文分析結(jié)果相符，即近50年來中國長江流域年平均氣溫在50年代偏高，50—60年代下降，60—80年代在平均值上下波動，80年代以后上升。

3 結(jié)論

（1）1951—2010年近60年來中國長江流域夏季氣溫整體呈現(xiàn)上升趨勢，在20世紀(jì)60年代以前呈下降趨勢，在80年代以后呈上升趨勢。

（2）長江流域夏季氣溫具有明顯的空間差異性，整個長江流域夏季氣溫異常在全區(qū)一致性分布的基礎(chǔ)上，還存在著南北反向和東西反向的差異。

（3）長江流域各分區(qū)氣溫異常偏低年多在前期，而氣溫異常偏高年份多發(fā)生在近期。說明長江流域夏季氣溫近年來逐年升高的情況與全球性的溫室效應(yīng)相呼應(yīng)。

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