東北地區(qū)夏季氣溫的空間分布及時(shí)間變化特征

陳欣彤 宋堯東

（民航黑龍江空管分局氣象臺(tái)，黑龍江 哈爾濱150079）

1 概述

眾所周知，氣溫對(duì)航空運(yùn)營(yíng)的影響是多方面的。飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)推力的設(shè)定、機(jī)場(chǎng)跑道的設(shè)計(jì)與建設(shè)、飛機(jī)載量與油量的配置等都受到氣溫的影響。為了提高運(yùn)營(yíng)效率和效益，航空公司和機(jī)場(chǎng)使用者對(duì)氣溫資料非常關(guān)注，特別在夏季，氣象部門(mén)向用戶(hù)提供逐時(shí)、逐日、逐月的氣溫實(shí)測(cè)值和預(yù)報(bào)值。氣溫對(duì)飛行的影響越來(lái)越受到國(guó)際航空界的重視，國(guó)際民航組織和我國(guó)民航氣象服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)航空氣象服務(wù)者提供氣溫的過(guò)程和精度都有明確的條款約束。

中國(guó)東北包括黑龍江、吉林、遼寧及內(nèi)蒙古東北部地區(qū)，地處歐亞大陸東岸中高緯度,氣候比較寒冷,溫度變率較大,氣溫異常經(jīng)常發(fā)生。因此從區(qū)域尺度上對(duì)東北地區(qū)氣溫變化進(jìn)行研究,探討其時(shí)空分布、變化特征及規(guī)律,對(duì)提高航空運(yùn)營(yíng)效率和效益具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文利用經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解的方法對(duì)東北地區(qū)2011-2015 年的夏季氣溫距平資料進(jìn)行處理，得到相關(guān)空間場(chǎng)和時(shí)間序列，分析其時(shí)空分布特征，找出其中的規(guī)律。

2 資料與方法

本文選取了中國(guó)東北地區(qū)（38-52°N，120-132°E）23 個(gè)氣象觀測(cè)站（呼瑪、黑河、齊齊哈爾、海倫、伊春、富錦、綏化、佳木斯、哈爾濱、雞西、通榆、牡丹江、四平、長(zhǎng)春、敦化、延吉、朝陽(yáng)、沈陽(yáng)、通化、營(yíng)口、丹東、瓦房店、大連），時(shí)間尺度為五年(2011.1.1-2015.12.31）的夏季（每年的6、7、8 月）氣溫逐日平均值資料。利用EOF 分解的方法，得到了23 個(gè)模態(tài)的方差貢獻(xiàn)以及空間向量與時(shí)間系數(shù)數(shù)據(jù)，并利用其作圖得到了東北地區(qū)2011-2015 年夏季氣溫前五個(gè)模態(tài)的方差貢獻(xiàn)曲線(xiàn)及其前兩個(gè)模態(tài)的空間向量場(chǎng)與時(shí)間系數(shù)序列。

3 經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解

E0F 分析方法是一種分析矩陣數(shù)據(jù)中的結(jié)構(gòu)特征，提取主要數(shù)據(jù)特征量的一種方法，它能夠把隨時(shí)間變化的變量場(chǎng)分解為不隨時(shí)間變化的空間函數(shù)部分以及只依賴(lài)時(shí)間變化的時(shí)間函數(shù)部分。Lorenz在1950 年代首次將其引入氣象和氣候研究，現(xiàn)在該方法已在海洋和其他學(xué)科中得到了廣泛的應(yīng)用。EOF 的基本原理如下：

假設(shè)氣象要素在m 個(gè)站點(diǎn)的n 次觀測(cè)資料用矩陣Fij表示(i=1，2，…，m；j=1，2，…，n)，利用EOF 方法將Fij分解如式(1)。

式(1)中，Tjk為分解后的時(shí)間函數(shù)，Xki為分解后的空間函數(shù)。當(dāng)取k=m個(gè)特征向量場(chǎng)時(shí)，該氣象要素場(chǎng)可得到完全的描述。其優(yōu)點(diǎn)在于典型場(chǎng)由變量場(chǎng)序列本身的特征來(lái)確定，而不是事先人為規(guī)定，因而能較好地反映出場(chǎng)的基本結(jié)構(gòu)。這種方法展開(kāi)收斂速度快，很容易將大量資料信息濃縮集中。它能對(duì)有限區(qū)域內(nèi)不規(guī)則分布的站點(diǎn)進(jìn)行分解，且分解的空間結(jié)構(gòu)具有明確的物理意義。本文對(duì)中國(guó)東北地區(qū)（38-52°N，120-132°E）23 個(gè)氣象觀測(cè)站五年（2011.1.1-2015.12.31）的夏季氣溫日均值資料進(jìn)行處理，得到其每個(gè)模態(tài)的空間向量場(chǎng)、時(shí)間系數(shù)序列和方差貢獻(xiàn)。

4 夏季EOF 分解

對(duì)東北地區(qū)2011-2015 年夏季（每年的6 月、7 月、8 月）共十五個(gè)月的氣溫距平資料進(jìn)行EOF 分解，第一模態(tài)的方差貢獻(xiàn)最大，高達(dá)68.7%，第二模態(tài)的方差貢獻(xiàn)迅速降低至14.9%，前兩個(gè)模態(tài)的累積方差貢獻(xiàn)超過(guò)80%，其余各個(gè)模態(tài)的方差貢獻(xiàn)均在5%以下。這表明，第一模態(tài)的空間向量場(chǎng)很好地解釋了東北地區(qū)2011-2015年夏季氣溫距平空間分布特征，而第二模態(tài)的空間向量場(chǎng)則對(duì)第一模態(tài)空間向量場(chǎng)做了很好的補(bǔ)充。

4.1 空間分布特征

圖1 是東北地區(qū)2011-2015 年夏季氣溫距平場(chǎng)的第一模態(tài)空間向量場(chǎng)。由圖1 可以看出，東北地區(qū)2011-2015 年夏季氣溫距平特征向量值全區(qū)一致為正，說(shuō)明東北地區(qū)2011-2015 年夏季的氣溫變化全區(qū)總體一致，具體是指東北地區(qū)2011-2015 年夏季的氣溫全區(qū)普遍偏高或者普遍偏低。總的來(lái)看，東北地區(qū)2011-2015 年夏季氣溫距平場(chǎng)的第一模態(tài)空間向量場(chǎng)分布型基本為帶狀分布，越往中心地區(qū)距平特征向量值越大，最大值出現(xiàn)在黑龍江省與吉林省交界處附近，越往南北兩側(cè)地區(qū)距平特征向量值越小，最小值出現(xiàn)在遼寧省最南部地區(qū)。這說(shuō)明東北地區(qū)2011-2015 年在夏季的氣溫變化全區(qū)總體一致的情況下，黑龍江省與吉林省交界處附近地區(qū)是夏季的氣溫變率最大的地區(qū)，遼寧省最南部地區(qū)是夏季氣溫變率最小的地區(qū)。

圖1 東北地區(qū)2011-2015 年夏季氣溫距平場(chǎng)的第一模態(tài)空間向量場(chǎng)

圖2 東北地區(qū)2011-2015 年夏季氣溫距平場(chǎng)的第二模態(tài)空間向量場(chǎng)

4.2 時(shí)間變化特征

圖3 是東北地區(qū)2011-2015 年夏季氣溫距平場(chǎng)的第一模態(tài)時(shí)間系數(shù)序列。由圖3 可以看出，東北地區(qū)2011-2015 年夏季氣溫距平場(chǎng)的第一模態(tài)時(shí)間系數(shù)隨時(shí)間呈現(xiàn)出一定的波動(dòng)變化，波動(dòng)振幅較大，波動(dòng)周期大致為一個(gè)月。具體而言，東北地區(qū)2011-2015年夏季氣溫距平場(chǎng)的第一模態(tài)時(shí)間系數(shù)有正有負(fù)，正值越大氣溫變化越接近于其距平場(chǎng)第一模態(tài)空間向量場(chǎng)的分布，即東北地區(qū)2011-2015 年夏季的氣溫全區(qū)普遍偏高，負(fù)值越大氣溫變化越接近于其距平場(chǎng)第一模態(tài)空間向量場(chǎng)的反向分布，即東北地區(qū)2011-2015 年夏季的氣溫全區(qū)普遍偏低。這說(shuō)明東北地區(qū)2011-2015 年夏季的氣溫變化隨時(shí)間呈現(xiàn)出一定的波動(dòng)變化，變化周期大致為一個(gè)月。

圖3 東北地區(qū)2011-2015 年夏季氣溫距平場(chǎng)的第一模態(tài)時(shí)間系數(shù)序列

圖4 是東北地區(qū)2011-2015 年夏季氣溫距平場(chǎng)的第二模態(tài)時(shí)間系數(shù)序列。由圖4 可以看出，東北地區(qū)2011-2015 年夏季氣溫距平場(chǎng)的第二模態(tài)時(shí)間系數(shù)隨時(shí)間呈現(xiàn)出一定的波動(dòng)變化，波動(dòng)振幅明顯小于距平場(chǎng)第一模態(tài)時(shí)間系數(shù)的波動(dòng)振幅，波動(dòng)周期大致為一個(gè)月。具體而言，東北地區(qū)2011-2015 年夏季氣溫距平場(chǎng)的第二模態(tài)時(shí)間系數(shù)有正有負(fù)，正值越大氣溫變化越接近于其距平場(chǎng)第二模態(tài)空間向量場(chǎng)的分布，即東北地區(qū)2011-2015 年夏季的氣溫變化南正北負(fù)，負(fù)值越大氣溫變化越接近其于距平場(chǎng)第二模態(tài)空間向量場(chǎng)的反向分布，即東北地區(qū)2011-2015 年夏季的氣溫變化北正南負(fù)。這說(shuō)明東北地區(qū)2011-2015 年夏季的氣溫變化隨時(shí)間呈現(xiàn)出一定的波動(dòng)變化，變化周期大致為一個(gè)月。

圖4 東北地區(qū)2011-2015 年夏季氣溫距平場(chǎng)的第二模態(tài)時(shí)間系數(shù)序列

5 結(jié)論

5.1 東北地區(qū)2011-2015 年氣溫夏季距平EOF 分解的前兩個(gè)模態(tài)的累積方差貢獻(xiàn)超過(guò)80%。

5.2 第一模態(tài)空間向量場(chǎng)分布型基本為帶狀分布，大致呈西南- 東北走向，特征向量值全區(qū)一致為正；第二模態(tài)空間向量場(chǎng)分布型基本為帶狀分布，大致呈南北走向，特征向量值南北反向。

5.3 東北地區(qū)2011-2015 年夏季氣溫變化全區(qū)總體一致，黑龍江省與吉林省交界處附近地區(qū)是夏季氣溫變率最大的地區(qū)，遼寧省最南部地區(qū)是夏季氣溫變率最小的地區(qū)，夏季氣溫變化以黑龍江省與吉林省的交界線(xiàn)為界，表現(xiàn)為南北蹺蹺板式的第二類(lèi)空間分布特征。