短期气候预测基础实习二

实习二：大气环流分型

一、实习目的及要求

本实习的目的是掌握大气环流分型的基本方法－－EOF（经验正交函数分解）；要求熟悉EOF方法和程序的应用：用相关GRADS气象绘图系统，编写数据描述文件以及GRADS执行程序，用图形输出空间向量场；并能正确分析结果数据，完成实习报告。

二、实习内容

对1948-2008年1月欧亚（20-700N；40o-140oE）500hPa位势高度场的标准化序列进行自然正交展开，绘图主要的异常环流型环流型，输出讨论EOF分析主要参数标。

三、实习步骤

1、实习资料

NCEP/NCAR 1948－2008年1月的500百帕月平均高度场资料，资料范围为（900S-900N,00-3600E)

网格距为2.50×2.50,纬向格点数为144，经向格点数为41

资料为GRD格式，资料从南到北、自西向东排列，每月为一个记录，按年逐月排放。

2、实习方法

EOF功能：从一个气象场多次观测资料中识别出典型空间场型及其时间演变规律。EOF展开就是将气象变量场分解为空间函数(V)和时间函数(T)两部分的乘积之和：X=VT。

应用步骤：

①数据输入（主程序）

②资料预处理（距平或标准化处理） call TRANSF(N,M,F,AVF,DF,KS)

③计算协方差矩阵call FORMA(N,M,MNH,F,A)

④用Jacobi方法计算协方差矩阵的特征值与特征向量 JCB(mnh,A,S,EPS）

⑤将特征值从大到小排列call ARRANG(KV,MNH,A,ER,S)

⑥计算特征向量的时间系数call TCOEFF(KVT,KV,N,M,MNH,S,F,V,ER)

⑦计算每个特征向量的方差贡献call OUTER(KV,ER)

⑧结果输出（主程序）

3、编写程序

（1)绘制1948-2008年1月欧亚地区500hPa位势平均高度场图

实习配置的GRADS数据描述文件：

dset d:\nyclimate\sh2\hgt500.grd

undef -9.99E+33

title monthly mean hgt from the NCEP Reanalysis

xdef 144 linear 0.000 2.500

ydef 73 linear -90.000 2.500

zdef 1 levels 500

tdef 732 linear jan1948 1mo

vars 1

hgt 1 -999 monthly mean hgt

endvars

;

gs文件：

'reinit'

'open d:\nyclimate\sh2\hgt500.ctl'

'enable print d:\nyclimate\sh2\have1.gmf'

'set lev 500'

'set lat -90 90'

'set lon 0 360'

'set t 1'

'define have=ave(hgt,t+0,t=732,12)'

'd have'

'print'

'disable print'

;

（2）编写关于EOF数据处理的FORTRAN程序：

do it=1,61

do i=1,41

do j=1,21

h(i,j,it)=hh(i+16,j+44,1,it)

enddo;enddo;enddo

do it=1,61

do j=1,21

do i=1,41

f((j-1)*41+i,it)=h(i,j,it)

enddo;enddo

enddo

（3）编写GRADS数据描述文件：

dset d:\nyclimate\sh2\egvt.grd

undef -9.99E+33

title monthly mean hgt from the NCEP Reanalysis xdef 41 linear 40.000 2.500

ydef 21 linear 20.000 2.500

zdef 1 levels 500

tdef 8 linear jan1948 1mo

vars 1

egvt 1 99 egvt

endvars

;

（4）编写GRADS的执行（gs）文件：

'reinit'

'open d:\nyclimate\sh2\egvt.ctl'

'enable print d:\nyclimate\sh2\egvt.gmf'

i=1

while(i<=3)

'set t 'i''

'd egvt'

'draw title NO.-'i' of EOF'

'print'

'c'

i=i+1

endwhile

'disable print'

;

4、结果输出

1948-2008年1月500hPa高度平均图（单位：gpm）

分析：上图表示的是1948-2008年1月份500hPa的高度场，从图中可以看出北半球冬季极地地区为极地低压，而中高纬地区呈三槽三脊的形势，三槽分别位于：亚

洲东部、北美东部和欧洲东部，其中欧洲东部的槽很弱；三脊分别位于：美国阿拉斯加地区、西欧沿岸和青藏高原东部，可以看出脊的强度比槽弱得多。在低纬地区，可以看到除了北美和东亚大槽向南伸到较低纬度外，在地中海、东太平洋都有比较明显的槽。而副热带高压强度小，且中心都位于海上。

第一特征向量场图

第一特征向量场图

分析：上图表示的是EOF的第一特征向量场。第一特征向量场表征亚洲中西部高空脊减弱，东亚沿海高空槽加深，或者亚洲中西部高空脊发展，东亚沿海高空槽加深；第一特征向量场的方差贡献为22.5％。

第二特征向量场图

第二特征向量场图

分析:上图表示的是EOF的第二特征向量场。第二特征向量场表征亚洲西部高空脊发展，亚洲东部高空槽加深,或者亚洲西部高空脊及亚洲东部高空槽减弱；第二特

征向量场的方差贡献为21.1％。

第三特征向量场图

第三特征向量场图

分析:上图表示的是EOF的第三特征向量场。第三特征向量场表征欧洲西部高空脊发展，东亚大槽北部的槽加深，南部的槽减弱,或者欧洲西部高空脊以及东亚大槽

北部的槽减弱，南部的槽加深；第三特征向量场的方差贡献为17.7％。

各特征向量方差贡献及累计方差贡献：

EIGENVALUE AND ANALYSIS ERROR

H LAMDA SLAMDA PH SPH

1 11844.36000 11844.36000 .2255

2 .22552

2 11124.52000 22968.88000 .21181 .43733

3 9327.07200 32295.96000 .17759 .61492

分析：从此表可以看出，各个特征向量的方差贡献是呈递减趋势，即第一特征向量的方差贡献最大，此后依次递减。并且，通过前3个特征向量方差累计贡献率来看，三者之和已经达到了61.492%，说明前三个特征向量对大气环流场的作用是非常大的。

附：前三模态的时间系数图的描述文件、执行文件和图形

dset d:\nyclimate\sh2\t.grd

undef -9.99E+33

title time sequence

xdef 1 linear 40 2.5

ydef 8 linear 20 2.5

zdef 1 levels 500

tdef 61 linear jan1948 1yr

vars 1

h 1 99 h

endvars

;

'reinit'

'open d:\nyclimate\sh2\t.ctl'

'enable print d:\nyclimate\sh2\t1.gmf'

'set t 1 61'

i=1

while(i<=8)

'set y 'i''

'd h'

'draw title time-'i' coefficient'

'print'

'c'

i=i+1

endwhile

'disable print'

;

第一特征向量的时间系数图

第二特征向量的时间系数图

第三特征向量的时间系数图

分析：由于第一特征向量的方差贡献最大，因此其对应的时间系数图也更准确。从第一张图中可以看出，1956、1968、1969、1974和1977年这些年份属于典型场，说明当年的高空形势场的槽脊强度有很大的变化，造成大气环流场的异常

四、结果讨论

从上述图表和相关分析中可以得出，1948-2008年500hPa高度场北半球1月份的环流场呈现的是三槽三脊的大形势。另外，通过EOF分析方法可以看出，第一特征向量是与500hPa多年平均场最相似的，因为二者所反映的亚洲中西部的高空脊和东亚沿海地区的高空槽的强度变化是一致的，即第一特征向量很好的解释了1948-2008年，这61年间500hPa高度的平均场，因此有很高的可信度。另外，配合时间系数图来看，用时间系数的值乘以特征向量图上的每一个点，就可以得到那一年的距平场，从而更好的来判断该年的槽脊强度变化情况，进而分析出当年的

天气形势。