基于EOF和REOF的1951—2010年長(zhǎng)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(guó)長(zhǎng)江流域68個(gè)測(cè)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(guó)長(zhǎng)江流域夏季氣溫的空間分布特征。結(jié)果表明：長(zhǎng)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(gè)氣溫變化敏感區(qū)域。進(jìn)一步將其中前5個(gè)區(qū)域（分別是長(zhǎng)江下游型、贛江流域型、長(zhǎng)江上游型、湘江流域和川東北型）進(jìn)行突變檢測(cè)，其中4個(gè)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(yàn)；長(zhǎng)江流域

中圖分類號(hào) P423.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 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(guó)是糧食生產(chǎn)大國(guó)，尤其長(zhǎng)江中下游地區(qū)是我國(guó)重要的水稻生產(chǎn)區(qū)，因?yàn)樗緦?duì)氣溫敏感，氣候異常對(duì)水稻生產(chǎn)的影響極大。因此，了解長(zhǎng)江流域氣溫的空間分布對(duì)水稻的種植很有必要。中國(guó)學(xué)者對(duì)長(zhǎng)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(guó)長(zhǎng)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(dòng)，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(shì)[6]。長(zhǎng)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(zhǎng)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(guó)長(zhǎng)江流域夏季氣溫的時(shí)空分布特征，為進(jìn)一步揭示長(zhǎng)江流域的氣候現(xiàn)狀、特征進(jìn)行一些探索，為長(zhǎng)江流域的氣候預(yù)報(bào)、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(guó)家氣象中心提供的中國(guó)長(zhǎng)江流域68個(gè)站點(diǎn)1951—2010年的月平均氣溫資料，站點(diǎn)依據(jù)長(zhǎng)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(duì)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(yàn)方法

利用中國(guó)長(zhǎng)江流域68個(gè)站夏季平均氣溫序列進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)（EOF）分析和旋轉(zhuǎn)經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)（REOF）分析；對(duì)平均夏季氣溫時(shí)間序列進(jìn)行M-K突變檢驗(yàn)，以此尋找中國(guó)長(zhǎng)江流域夏季氣溫異常的分布特點(diǎn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 長(zhǎng)江流域夏季氣溫空間分布特征

在對(duì)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(gè)分量。通過EOF分析的前6個(gè)主分量的方差貢獻(xiàn)及累積方差貢獻(xiàn)（表1），對(duì)長(zhǎng)江流域夏季氣溫的空間分布特征進(jìn)行研究?？梢钥闯觯L(zhǎng)江流域最主要的空間振蕩形態(tài)可以通過前3個(gè)主分量所對(duì)應(yīng)的各個(gè)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(chǎng)具體見圖1（a）?？梢钥闯觯袊?guó)長(zhǎng)江流域夏季平均氣溫第1特征向量場(chǎng)（EOF1）在整個(gè)區(qū)域內(nèi)為一致的正值分布，此型反映出中國(guó)長(zhǎng)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(zhǎng)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?yàn)殚L(zhǎng)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(duì)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(diǎn)，其方差貢獻(xiàn)率為16.8%，0等值線從南通—無錫—銅陵—長(zhǎng)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(diǎn)為北部為負(fù)、南部為正，這種分布類型反映了中國(guó)長(zhǎng)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(shí)，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(shí)，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(duì)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(diǎn)為西部為負(fù)、東部為正，這種分布類型反映了中國(guó)長(zhǎng)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(shí)，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(shí)，西部地區(qū)夏季氣溫異常偏高。

2.2 長(zhǎng)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(guó)長(zhǎng)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(guó)長(zhǎng)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(zhǎng)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(gè)主要空間主分量的方差貢獻(xiàn)和累計(jì)方差貢獻(xiàn)（表2）。本文對(duì)前5個(gè)主成分及對(duì)應(yīng)的荷載向量進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)，并且得到了5個(gè)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(duì)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(gè)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?yàn)樾D(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(zhǎng)江流域具有5個(gè)典型的氣溫變化敏感區(qū)域，分別為長(zhǎng)江下游區(qū)、贛江流域、長(zhǎng)江上游區(qū)、湘江流域和川東北區(qū)，說明長(zhǎng)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(zhǎng)江流域夏季氣溫總變化特征。在5個(gè)氣溫變化敏感區(qū)域中，有3個(gè)位于長(zhǎng)江中下游地區(qū)、2個(gè)位于長(zhǎng)江上游地區(qū)。

2.2.1 長(zhǎng)江下游型。圖2（a）為長(zhǎng)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(zhǎng)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(gè)長(zhǎng)江流域下游的局地變化區(qū)域，稱為長(zhǎng)江下游型。

2.2.2 贛江流域型。圖2（b）給出長(zhǎng)江流域夏季氣溫第2 旋轉(zhuǎn)荷載向量場(chǎng)，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(zhǎng)江上游型。圖2（c）給出長(zhǎng)江流域夏季氣溫第3 旋轉(zhuǎn)荷載向量場(chǎng)，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(duì)值更是達(dá)到0.9，得出長(zhǎng)江上游云南北部地區(qū)為氣溫變化敏感區(qū)。等值線絕對(duì)值>0.6的區(qū)域構(gòu)成一個(gè)長(zhǎng)江流域上游局部變化區(qū)域，稱為長(zhǎng)江上游型。

2.2.4 湘江流域型。圖2（d）給出長(zhǎng)江流域夏季氣溫第4旋轉(zhuǎn)荷載向量場(chǎng)，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?yàn)闅鉁刈兓舾袇^(qū)。等值線>0.6的區(qū)域構(gòu)成一個(gè)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(zhǎng)江流域夏季氣溫第5旋轉(zhuǎn)荷載向量場(chǎng)，高載荷區(qū)主要分布在四川境內(nèi)，其東北部有一個(gè)較大的負(fù)值區(qū)域，中心數(shù)值絕對(duì)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(duì)值>0.6的區(qū)域構(gòu)成一個(gè)四川東北局部變化區(qū)域，稱為川東北型。

2.3 長(zhǎng)江流域夏季氣溫異常的突變檢測(cè)

利用Mann-Kendall突變檢測(cè)方法，選取置信度α=0.05，置信區(qū)間為±1.96。因?yàn)樾D(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(gè)主分量的方差貢獻(xiàn)，故使用第1主分量的時(shí)間序數(shù)得出長(zhǎng)江流域近60年夏季氣溫的全區(qū)突變檢測(cè)情況（圖3），圖4分別為5個(gè)分區(qū)的突變檢測(cè)結(jié)果。從中發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)江流域5個(gè)分區(qū)中有4個(gè)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(gè)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(shì)為主，其中80—90年代上升趨勢(shì)顯著，2004年以后長(zhǎng)江流域氣溫呈下降趨勢(shì)。綜合全區(qū)的突變檢測(cè)圖來看，長(zhǎng)江流域夏季平均氣溫全區(qū)不存在突變。

2.3.1 長(zhǎng)江下游地區(qū)。由圖4（a）可知，長(zhǎng)江下游地區(qū)20世紀(jì)50—60年代呈下降趨勢(shì)，60年代中期以后其序列呈上升趨勢(shì)，具有突變性質(zhì)，突變點(diǎn)在1969年。在1980年前后這種增暖趨勢(shì)大大超過了α=0.05顯著性水平臨界值，表明長(zhǎng)江下游夏季氣溫上升趨勢(shì)非常顯著。故認(rèn)為在此法中，檢測(cè)出長(zhǎng)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(shì)，2000年以后氣溫呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，但UF線沒有超出信度檢驗(yàn)線的范圍，故認(rèn)為在此法中，檢測(cè)出該區(qū)的夏季平均氣溫沒有發(fā)生突變。

2.3.3 長(zhǎng)江上游地區(qū)。由圖4（c）可知，長(zhǎng)江上游地區(qū)在20世紀(jì)60年代前期氣溫呈下降趨勢(shì)，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(shì)。其中，1968—1979年該區(qū)域夏季氣溫上升趨勢(shì)十分顯著，1981年以后其序列有著十分顯著的下降趨勢(shì)，具有突變性質(zhì)，突變點(diǎn)在1989年。在1989年前后這種降溫趨勢(shì)大大超過了α=0.05顯著性水平臨界值，表明長(zhǎng)江上游夏季氣溫下降趨勢(shì)非常顯著。故認(rèn)為在此檢測(cè)法中，檢測(cè)出長(zhǎng)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(shì)，只有極少數(shù)年份呈上升趨勢(shì)，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(shì)十分顯著。1958—1960年有十分顯著的下降趨勢(shì)，具有突變性質(zhì)，突變點(diǎn)在1959年。在1961年后這種降溫趨勢(shì)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(shì)非常顯著。故認(rèn)為在此檢測(cè)法中，檢測(cè)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(shì)，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(shì)，具有突變性質(zhì)，突變點(diǎn)在1959。在20世紀(jì)60年代中后期和80年代2個(gè)時(shí)期內(nèi)這種增溫趨勢(shì)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(shì)非常顯著。故認(rèn)為在此檢測(cè)法中，檢測(cè)出川東北地區(qū)夏季平均氣溫突變年是1959年。

由以上對(duì)長(zhǎng)江流域各分區(qū)夏季平均氣溫異常的檢測(cè)可知，長(zhǎng)江流域5個(gè)分區(qū)中有4個(gè)區(qū)域發(fā)生了突變，但長(zhǎng)江流域整體夏季氣溫不存在突變（表3）?？梢钥闯?，長(zhǎng)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(zhǎng)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(yè)）

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(zhǎng)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(guó)長(zhǎng)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(dòng)，80年代以后上升。

3 結(jié)論

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

（2）長(zhǎng)江流域夏季氣溫具有明顯的空間差異性，整個(gè)長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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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