EOF分析及其應(yīng)用課件

1、 EOF分析及其應(yīng)用 組員： 呂愛(ài)民 楊柳妮 丁莉 中國(guó)氣象科學(xué)研究院 EOF分析及其應(yīng)用一、引 言 經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)（EOF）方法：最早由統(tǒng)計(jì)學(xué)家pearson（1902）提出，由Lorenz（1956）引入氣象問(wèn)題分析中。該方法以場(chǎng)的時(shí)間序列為分析對(duì)象，由于對(duì)計(jì)算條件要求甚高，直到20世紀(jì)60年代后期才在實(shí)際工作中得到廣泛應(yīng)用。近30年來(lái)，出現(xiàn)了適合于各種分析目的的EOF分析方法，如擴(kuò)展EOF（EEOF）方法，旋轉(zhuǎn)EOF（REOF）方法，風(fēng)場(chǎng)EOF（EOFW）方法，復(fù)變量EOF（CEOF）方法。一、引 言EOF分解的優(yōu)點(diǎn)1，沒(méi)有固定的函數(shù)；2，能在有限區(qū)域?qū)Σ灰?guī)則分布的站點(diǎn)進(jìn)行分解；3，展開(kāi)收

2、斂快，很容易將變量場(chǎng)的信息集中在幾個(gè)模態(tài)上；4，分離出的空間結(jié)構(gòu)具有一定的物理意義； EOF方法不但用于觀測(cè)資料的分析，還用于GCM資料的分析和數(shù)值模式的設(shè)計(jì)。現(xiàn)在，EOF方法已作為一種基本的分析手段頻繁地出現(xiàn)在大氣科學(xué)研究的文獻(xiàn)中。EOF分解的優(yōu)點(diǎn)1，沒(méi)有固定的函數(shù)；二、EOF分析方法原理 將某氣候變量場(chǎng)的觀測(cè)資料以矩陣形式給出m是空間點(diǎn)（觀測(cè)站或網(wǎng)格點(diǎn)），n是時(shí)間序列長(zhǎng)度（觀測(cè)次數(shù)）。二、EOF分析方法原理氣象場(chǎng)的自然正交展開(kāi)，是將X分解為時(shí)間函數(shù)Z和空間函數(shù)V兩部分,即或者含義：場(chǎng)中第i個(gè)格點(diǎn)上的第t次觀測(cè)值，可以看作是p個(gè)空間函數(shù) 和時(shí)間函數(shù) 的線性組合 。氣象場(chǎng)的自然正交展開(kāi)，是將X

3、分解為時(shí)間函數(shù)Z和空間函數(shù)V兩部其中， 是第j個(gè)典型場(chǎng)，只是空間的函數(shù)。其中，第t個(gè)空間場(chǎng)可表示為或者第t個(gè)空間場(chǎng)可表示為 上式表明，第t個(gè)場(chǎng)可以表示為m個(gè)空間典型場(chǎng)，按照不同的權(quán)重線性疊加而成。V的每一列表示一個(gè)空間典型場(chǎng)，由于這個(gè)場(chǎng)由實(shí)際資料確定，故又叫經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)。 上述分解要求滿足下列兩個(gè)條件： 上式表明，第t個(gè)場(chǎng)可以表示為m個(gè)空間性質(zhì)性質(zhì)三、分解方法A為實(shí)對(duì)稱矩陣，根據(jù)實(shí)對(duì)稱矩陣分解原理，一定有 或者三、分解方法 V的列就是A的特征向量， 是A的特征值組成的對(duì)角矩陣。Z就是時(shí)間系數(shù)矩陣， 第i個(gè)格點(diǎn)上的第t 個(gè)時(shí)間系數(shù)。 V的列就是A的特征向量， 是A的特征四、誤差估計(jì)和計(jì)算 是擬合

4、場(chǎng).可以證明誤差四、誤差估計(jì)和計(jì)算第i個(gè)特征向量對(duì)X場(chǎng)的貢獻(xiàn)率前p個(gè)特征向量對(duì)X場(chǎng)的貢獻(xiàn)率五、重要參數(shù)第i個(gè)特征向量對(duì)X場(chǎng)的貢獻(xiàn)率五、重要參數(shù)六、計(jì)算步驟1）根據(jù)分析目的，對(duì)原始資料矩陣X作距平或者標(biāo)準(zhǔn)化處理；2）由X求協(xié)方差矩陣 ；3）求實(shí)對(duì)稱矩陣A的全部特征值 、特征向量 ，h=1H（通常使用Jacobi法）；六、計(jì)算步驟 4）將特征值作非升序排列（通常使用沉浮法），并對(duì)特征向量序數(shù)作相應(yīng)變動(dòng)； 5）根據(jù) ,h=1H和X總方差，求出全部 、 , h=1H； 6）由X及主要 求其時(shí)間系數(shù) 、h=1H，主要的數(shù)量由分析目的及分析對(duì)象定； 7）輸出主要計(jì)算結(jié)果。 4）將特征值作非升序排列（通常使

5、用沉浮法七 經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)的物理意義 特征向量以及時(shí)間系數(shù)的分析。 vv第一特征向量（第一空間典型場(chǎng)）是與n張X圖平均最相似的，或者說(shuō)具有與所要展開(kāi)的資料矩陣的n個(gè)樣本最相似的特征。比如：若原始資料矩陣是7月份50年實(shí)測(cè)將水場(chǎng)（非距平場(chǎng)），則第一特征向量就可以解釋為這50年的平均場(chǎng)，其相應(yīng)的時(shí)間系數(shù)基本對(duì)應(yīng)我國(guó)大尺度旱澇年。但當(dāng)降水場(chǎng)由距平組成，第一特征向量就解釋為與50年夏季距平場(chǎng)最相似的特征場(chǎng)，它指出了我國(guó)夏季經(jīng)常出現(xiàn)的大尺度澇區(qū)和旱區(qū)。七 經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)的物理意義八、時(shí)空轉(zhuǎn)換問(wèn)題 當(dāng) 時(shí)，先求出 的特征值，然后求 的特征向量，這種方法叫時(shí)空轉(zhuǎn)換。 令 的特征值為 ，其特征向量為 ， 的特征值

6、也為 ，其特征向量為 八、時(shí)空轉(zhuǎn)換問(wèn)題EOF分析及其應(yīng)用最新南亞夏季風(fēng)爆發(fā)前后降水量時(shí)空變化特征分析表明，南亞夏季風(fēng)的爆發(fā)主要體現(xiàn)在降水的突然增加和季風(fēng)雨帶的快速推進(jìn)上，雨帶的時(shí)空分布有突變的特點(diǎn)。第1 模態(tài)降水量的突然增加。第2 模態(tài)從南向北的快速推進(jìn)過(guò)程。第3模態(tài)東西分布型態(tài)，及在季風(fēng)爆發(fā)后印度半島降水快速增加的過(guò)程。第4模態(tài)印度次大陸東海岸降水的準(zhǔn)雙周振蕩型態(tài)。南亞夏季風(fēng)爆發(fā)前后降水量時(shí)空變化特征分析表明，南亞夏季風(fēng)的爆第1 模態(tài)降水量的突然增加第1 模態(tài)降水量的突然增加降水量的第2 模態(tài)-從南向北的快速推進(jìn)過(guò)程降水量的第2 模態(tài)-從南向北的快速推進(jìn)過(guò)程降水量的第3 模態(tài)東西分布型態(tài)，及

7、在季風(fēng)爆發(fā)后印度半島降水快速增加的過(guò)程降水量的第3 模態(tài)東西分布型態(tài)，及在季風(fēng)爆發(fā)后印度半島降水降水量的第4 模態(tài)印度次大陸東海岸降水的準(zhǔn)雙周振蕩型態(tài)降水量的第4 模態(tài)印度次大陸東海岸降水的準(zhǔn)雙周振蕩型態(tài)我國(guó)盛夏500 hPa 風(fēng)場(chǎng)的EOF 分析及其與大尺度氣候異常的關(guān)系將東亞500 hPa 風(fēng)場(chǎng),溫度場(chǎng),降水量場(chǎng)進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)正交分解,得到它們的主要模態(tài)的時(shí)空變化特征。結(jié)果表明東亞風(fēng)場(chǎng)EOF 的主要模態(tài)與我國(guó)溫度,降水量的EOF 的主要模態(tài)對(duì)應(yīng),其第一EOF 模態(tài)與盛夏溫度,降水量的關(guān)系密切。我國(guó)盛夏500 hPa 風(fēng)場(chǎng)的EOF 分析及其與大尺度氣候異1951 - 2004 年500 hPa 7

8、- 8 月平均風(fēng)場(chǎng)EOF 分解的第一特征向量圖(a)和標(biāo)準(zhǔn)化的時(shí)間權(quán)重系數(shù)(b) (圖中斜直線是回歸線)1951 - 2004 年500 hPa 7 - 8 月平均盛夏500 hPa 第一時(shí)間權(quán)重系數(shù)與我國(guó)同期平均溫度(a) 和月總降水量(b) 的相關(guān)系數(shù)圖圖中,淡灰(灰,黑色) 是0. 05 (0. 01 ,0. 001) 信度的相對(duì)區(qū)盛夏500 hPa 第一時(shí)間權(quán)重系數(shù)與我國(guó)同期平均溫度(a1951 - 2004 年我國(guó)7 - 8 月月平均溫度(a) 和月總降水量(b) 的第一特征向量圖圖a 圖b 1951 - 2004 年我國(guó)7 - 8 月月平均溫度(a參考文獻(xiàn)魏鳳英，現(xiàn)代氣候統(tǒng)計(jì)診斷與

9、預(yù)測(cè)技術(shù)，氣象出版社，北京，2007;EOF在大氣科學(xué)研究中的新進(jìn)展；丁裕國(guó)；氣象科技199303期 ；近年來(lái)中國(guó)統(tǒng)計(jì)氣象學(xué)的新進(jìn)展；周家斌 黃嘉佑 ；氣象學(xué)報(bào) 1997年03期 ；我國(guó)盛夏500 hPa 風(fēng)場(chǎng)的EOF 分析及其與大尺度氣候異常的關(guān)系。顧澤，封國(guó)林，顧駿強(qiáng)，施能；南亞夏季風(fēng)爆發(fā)前后降水量時(shí)空變化特征。朱 敏，張 銘；參考文獻(xiàn)魏鳳英，現(xiàn)代氣候統(tǒng)計(jì)診斷與預(yù)測(cè)技術(shù)，氣象出版社，TheEndThank you!TheEndThank you!Karl PearsonKarl Pearson（18571936） 統(tǒng)計(jì)學(xué)之父。 K. Pearson 1879年畢業(yè)于劍橋大學(xué)數(shù)學(xué)系；1884

10、年進(jìn)入倫敦大學(xué)學(xué)院 。 K. Pearson 最重要的學(xué)術(shù)成就，是為現(xiàn)代統(tǒng)計(jì)學(xué)打下基礎(chǔ)。K. Pearson 在1893-1912年間寫(xiě)出18篇在演化論上的數(shù)學(xué)貢獻(xiàn)的文章，而這門算術(shù)，也就是今日的統(tǒng)計(jì)。許多熟悉的統(tǒng)計(jì)名詞如標(biāo)準(zhǔn)差，成分分析，卡方檢定都是他提出的。Karl PearsonKarl Pearson（1857Lorenz，Edward Norton混沌理論之父、MIT教授One of the great modern science stories is the so-called Butterfly Effect. It suggests that the weather is so sensitive to tiny changes, that some