北太平洋SST19801992的EOF分解及初步分析.docx
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北太平洋SST19801992的EOF分解及初步分析
北太平洋SST(1980-1992)的EOF分解及初步分析
数据来源:
本文利用来自英国气象局Hadley气候预测和研究中心的HadISST海温资料,对北太平洋(20N-80N130E-90W)1980至1992年156个月的SST进行研究,。
本文选取下载了1870年1月至2011年3月的全球SST数据,数据格式为*cdf,分辨率为1°。
以下给出了数据下载的途径和链接:
①点击页面中心处蓝色“maindatapage”:
图1
②选择SST数据下载:
图2
数据处理:
本文选取下载了1870年1月至2011年3月的全球SST数据,数据格式为*cdf,数据名为,截取北太平洋(20N-80N130E-90W)1980年1月至1992年12月156个月份的SST数据进行经验正交函数(EmpiricalOthorgnalFunction)分解,简记为EOF分解,得到该区域该时段的海温时空特征。
在编写Matlab程序过程中,应特别注意:
⑴剔除与其它站点相关系数小的站点的数据~简单的认为剔除陆地和冬季结冰点的数据;
⑵求距平值的协方差矩阵时,要进行逐月平均求距平,而不能是156个月的平均值,否则会导致第1模态的方差贡献率很大;
⑶当变量数m远大于观测样本数n时,导致协方差矩阵mRm=(nXm’)*(nXm)的阶数较大,可先求(nXm)*(nXm’)矩阵的特征值和特征向量,再求(nXm’)*(nXm)的特征值和特征向量,这叫做时空转换;
⑷M文件编写时要尽量减少循环量,提高运算速度;
⑸EOF分析能够有效地体现物理场主要信息,保留次要信息,并排除外来的随机干扰。
数据分析:
用主成分分析(PrincipalComponentAnalysis)的方法,即PCA对结果进行分析:
主成分分析是多元统计分析中一个非常重要的内容,它是一种从多个变量化为少数变量的统计方法。
由于多个变量之间是相互影响的,它们之间的关系是非常复杂的,为简化分析又不损失信息,并提取它们之间相互关系的主要特征,主成分分析利用多个变量之间的相互关系构造一些新变量,这些新变量不仅能综合反映原来多个变量的信息,而且彼此之间是相互独立的,同时是按方差贡献大小排列的。
方差贡献率小的变量通常规律性很差,其实际物理意义也不清晰,因此在实际分析过程中常常视为误差量或噪声而忽略,只取方差贡献率大的变量来研究,从而达到降维分析的目的。
通过对相应数据处理分析,前13个主成分的累积方差贡献率占总方差的,对前13个主模态的方差贡献率和累积方差贡献率列表格:
方差贡献率
累积方差贡献率
第1模态
第2模态
第3模态
第4模态
0.
第5模态
第6模态
0.
第7模态
第8模态
第9模态
第10模态
第11模态
第12模态
第13模态
图3
现仅列出北太平洋前5个主模态的空间分布填色图及时间序列,并对第1和第3模态进行分析:
北太平洋第1模态填色图及时间序列图4
北太平洋第2模态填色图及时间序列图5
北太平洋第3模态填色图及时间序列图6
北太平洋第4模态填色图及时间序列图7
北太平洋第5模态填色图及时间序列图8
对第1主模态进行分析:
北太平洋洋流图9
图10(a)
图10(b)
图10(a)是第1模态空间分布型,它解释海温场总方差的%,此型在北太平洋西、中部被一片强负值控制,负中心约在170°E,40°N和150°W,40°N附近,而北太平洋东部和北美沿岸为较弱的正值区,说明北太平洋西、中部海温与东部海温是反相关关系,负区与北太平洋西风漂流区(如图9)吻合。
由美国海洋学家斯蒂文•黑尔于1996年发现的太平洋年代际振荡(PDO)被科学研究的初步结果表明其与厄尔尼诺(ElNiño)和拉尼娜(LaNina)现象有着极其密切的关系。
该型可以反映和PDO有关的大尺度分布特征,因此这种分布型是全球海洋与大气相互作用的一个重要组成部分,它是北太平洋海温非季节变化的最重要的型式。
MonthlyvaluesforthePDOindex:
1900—January2008图11
图10(c)
观察发现图11(MonthlyvaluesforthePDOindex:
1900—January2008)1980年至1992年时间段的指数和第1模态的时间序列图10(c)有很好的对应关系,可以验证北太平洋海表面温度第1模态空间分布型确实与PDO有很强的相关性。
资料显示,近100多年来,PDO已出现了两个完整的周期:
第一周期的“冷位相”发生于1890年至1924年,而1925年至1946年为“暖位相”;第二周期的“冷位相”出现于1947年至1976年,1977年至90年代后期为“暖位相”。
当PDO现象以“暖位相”形式出现时,北美大陆附近海面的水温就会异常升高,而北太平洋洋面温度却异常下降。
并且,在20-30年的冷、暖位相中,会存在短期的反向指数。
由时间序列可知:
1980年至1988年底,时间序列指数基本为正值,说明图10(a)中蓝色区域海表面温度低于红色区域海表面温度,即北太平洋西、中部海温低于东部海温;1989年初至1992年初,时间序列指数为负值,说明10(a)中蓝色区域海表面温度高于红色区域海表面温度,即北太平洋西、中部海温高于东部海温。
此分析和历史资料相吻合。
对第3主模态进行分析:
图12(a)
图11(a)是第3模态空间分布型,它解释海温场总方差的%,此型在北太平洋阿留申群岛南部被一片强正值控制,正值中心约在150°W,40°N附近,而其西南部和日本海海域为一片较强的负区与之相互补偿,其东南部北美洲沿岸为较弱的负值区,说明北太平洋中部海表面温度与东、西两侧海表面温度呈反相关。
正、负中心基本上与北太平洋大气活动中心(阿留申低压与西太平洋高压)对应。
表明正、负区域是海气相互作用最活跃的区域。
查阅资料可知,这种模态的变化,对我国的天气与气候有明显的影响。
图12(b)
结合第3模态的时间序列可知:
1980年至1983年6月、1987年6月至1988年底及1990年,时间序列指数基本为负值,说明图10(a)中蓝色区域海表面温度高于红色区域海表面温度,即北太平洋西、中部海温高于东部海温;1983年7月至1987年初、1989年及1991年初至1992年底,时间序列指数为正值,说明10(a)中蓝色区域海表面温度低于红色区域海表面温度,即北太平洋西、中部海温高于东部海温。
总结:
本文通过对北太平洋1980年至1992年SST数据处理、EOF分解和初步分析,掌握了主成分分析、时空转换的原理和方法,提高了Matlab的编程和绘图技巧并对主模态和时间序列的分析进行了联系。
在此过程中克服了很多困难,受益匪浅。
但和很多同学相比,仍然有很大差距,将会更加虚心请教,刻苦钻研,以取得不断进步。
参考文献:
[1]左军成.海洋水文环境要素的分析方法和预报
[2]胡基福.气象统计原理与方法
[3]黄嘉佑.气象统计分析与预报方法
[4]杜凌.海洋要素计算(2011)PPT
[5]姜霞.气象统计原理与方法(2011)PPT
M文件:
clear;clc;closeall
address='E:
\oceanelement\';
fid=(address,'NC_NOWRITE');
sstid=(fid,'sst');
sst=(fid,sstid);%读取nc格式数据
%**************************************************************************
sst1=sst(1:
90,11:
70,1320:
1475);%选取所需要区域的数据
sst2=sst(311:
360,11:
70,1320:
1475);
sst3=zeros(140,60,156);
sst3(90:
-1:
1,1:
60,1:
156)=sst1;
sst3(140:
-1:
91,1:
60,1:
156)=sst2;
sst=sst3;
%**************************************************************************
sst_area1=zeros(156,8400);%zeros全零数组
fori=1:
156;
squ=squeeze(sst(:
:
i));%执行该指令后sst数据转换为二维数组
sst_area1(i,:
)=reshape(squ,1,8400);%将数据转变为二维
end
%**************************************************************************
%剔除与其它站点相关系数小的站点的数据~简单的认为剔除陆地和冬季结冰点的数据
sst_area1(sst_area1<-10000)=NaN;%陆地和冰点的填充值为+30~将此值定义为NaN
%i=1;
%forj=1:
8400
%ifsst_area1(i,j)==
%sst_area1(i,j)=NaN;%冰点的填充值为
%i=i+1;
%end
%end
sst_nan=isnan(sst_area1);
i=0;
forj=1:
8400
ifsum(sst_nan(:
j))==0;
i=i+1;
sst_region(:
i)=sst_area1(:
j);
end
end
%**************************************************************************
%求距平~注意季节的变换
X=zeros(size(sst_region));%学者给的程序
fori=1:
12
X(i:
12:
144+i,:
)=sst_region(i:
12:
end,:
)-repmat(mean(sst_region(i:
12:
end,:
),1),size(sst_region(i:
12:
end,:
),1),1);
end
%s=0;%自己的~很多循环计算慢
%fork=1:
12;
%forj=1:
4344;
%fori=k:
12:
144+k
%s=s+sst_region(i,j);
%end
%s_ave=s/13;
%fori=k:
12:
144+k
%ave_region(i,j)=s_ave;
%end
%s=0;
%end
%end
%X=sst_region-ave_region;%X1是156*8400的矩阵
%**************************************************************************
%由于变量数(8400)>观测样本数~协方差矩阵的阶数较大~因此可用时空转换的方法提高计算速度
R=X*X';%协方差矩阵R=X*X'是8400*8400的方阵~现定义矩阵R=X'*X是156*156的矩阵
[v,d]=eig(R);%进行EOF分解~因为X'*X与X*X'的秩相同所以特征值相同~d为x的特征值组成的对角阵~v为X*X'的特征向量~
v=fliplr(v);%矩阵作左右翻转
d=rot90(d,2);%矩阵上下翻转后再左右翻转(查看生成的对角阵是由小到大排列的~此指令可使其由大到小排列~fliplr(flipud(d))=rot90(d,2))
diagonal=diag(d);
spacef=X'*v;
fori=1:
156;
spacef(:
i)=spacef(:
i)/sqrt(diagonal(i));%空间本征函数
end
timef=X*spacef;%时间本征函数
sum_d=sum(diagonal);
count=0;
fori=1:
156;
count=count+diagonal(i);
G1(i)=count/sum_d;%G1(i)是累积方差贡献率
end
fori=1:
156;
G2(i)=diagonal(i)/sum_d;%G2(i)是方差贡献率
end
%**************************************************************************
%将删去的陆地与冰点的填充值补回
sst_area2=zeros(156,8400);
sst_area2(:
:
)=NaN;
i=1;
spacef2=spacef';
forj=1:
8400
ifsum(sst_nan(:
j))==0;
sst_area2(:
j)=spacef2(:
i);
i=i+1;
end
end
sst_area3=sst_area2';
%**************************************************************************
%画图
%subplot(2,1,2)%将绘图窗口划分为2*1个子窗口,并在第2个子窗口中绘图
x=1:
156;
plot(x,timef(:
6),'g');
ylim([-8080]);
%xlabel('1980-1992年156个月','fontsize',15,'fontname','隶书')
ylabel('INDEX','fontsize',12,'fontname','黑体')
set(gca,'xtick',(1:
6:
162))
set(gca,'xticklabel',{'1980','','1981','','1982','','1983','','1984','','1985','','1986','','1987','','1988','','1989','','1990','','1991','','1992','','1993'})
title('北太平洋第6模态1980至1992年SST时间序列','color','k','fontsize',15,'fontname','幼圆')
gridon
holdoff
%%subplot(2,1,1)
%lon=[:
];
%lat=[:
];
%m_proj('EquidistantCylindrical','lat',[],'lon',[]);
%m_contourf(lon,lat,rot90(reshape(sst_area3(:
6),140,60)',2),30,'linestyle','none');
%colorbar
%m_coast('patch',[.95.95.95]);
%m_coast('color','k');
%m_grid('linestyle','none','tickdir','out','linewidth',;
%%xlabel('longitude','fontsize',15,'fontname','comicsansms');
%%ylabel('latitude','fontsize',15,'fontname','comicsansms');
%title(['北太平洋第6模态填色图'],'fontsize',15,'fontname','幼圆');
lon=[:
];
lat=[:
];
m_proj('lambert','long',[],'lat',[]);
m_contourf(lon,lat,rot90(reshape(sst_area3(:
1),140,60)',2));
%colorbar;
m_coast('patch',[1.85.7]);
m_elev('contourf',[500:
500:
6000]);
m_grid('box','fancy','tickdir','in');
colormap(flipud(copper));
%xlabel('longitude','fontsize',15,'fontname','幼圆');
%ylabel('latitude','fontsize',15,'fontname','幼圆');
title(['北太平洋第1模态填色图'],'fontsize',15,'fontname','幼圆');
- 配套讲稿:
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- 太平洋 SST19801992 EOF 分解 初步 分析