劉 滿(mǎn)，尚立強(qiáng)

(大連民族學(xué)院理學(xué)院，遼寧大連116605)

沙塵暴天氣是指由強(qiáng)風(fēng)從地面卷起的大量沙土使空氣混濁，水平能見(jiàn)度明顯下降的一種惡劣天氣。每年春季，內(nèi)蒙古地區(qū)頻頻爆發(fā)沙塵暴災(zāi)害天氣，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，但從綜合數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)沙塵暴嚴(yán)重程度的結(jié)論還未見(jiàn)于文獻(xiàn)［1］，為此本文對(duì)沙塵暴的發(fā)生條件加以綜合研究，以便對(duì)沙塵暴進(jìn)行有效的預(yù)測(cè)和防治。

影響沙塵暴的諸因素皆具有模糊性，本文采用模糊綜合評(píng)判方法，篩選出影響內(nèi)蒙古地區(qū)沙塵暴發(fā)生的三類(lèi)9種具體因素:巖石風(fēng)化度、土壤沙粒直徑、土壤沙粒含量、表層土壤濕度;地面植被覆蓋率、年平均降水量;年平均風(fēng)速、年平均氣壓梯度、年極端氣溫差。對(duì)各個(gè)單因素建立隸屬函數(shù)，利用二級(jí)模糊綜合評(píng)判方法設(shè)計(jì)內(nèi)蒙古地區(qū)沙塵暴問(wèn)題的評(píng)判模型。研究了2006—2010年內(nèi)蒙古地區(qū)沙塵暴的嚴(yán)重程度。

1 方法概述［2-4］

第一步 確定因素集并引入隸屬函數(shù)。針對(duì)評(píng)判對(duì)象選取比較重要的因素，根據(jù)各因素的特點(diǎn)，引入相應(yīng)的隸屬函數(shù)，從而確定模糊關(guān)系矩陣:

第二步 用層次分析法對(duì)每個(gè)因素分配權(quán)重，從而得到權(quán)矩陣 W=(W1，W2，…，Wn)。

第三步 利用模糊關(guān)系矩陣和權(quán)矩陣得到綜合評(píng)判結(jié)果B=W?R。

第四步 按照模糊置信區(qū)間方法［2-3］，分成5個(gè)量級(jí)區(qū)間:［0，0.2)，［0.2，0.4)，［0.4，0.6)，［0.6，0.8)，［0.8，1］，量級(jí)名稱(chēng)為輕微、輕度、比較嚴(yán)重、嚴(yán)重、很?chē)?yán)重，分別對(duì)應(yīng)出現(xiàn)以下的天氣情況:浮塵、揚(yáng)沙、沙塵暴、強(qiáng)沙塵暴、特強(qiáng)沙塵暴。將評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)應(yīng)實(shí)際天氣情況。

2 數(shù)學(xué)化過(guò)程

2.1 確立評(píng)價(jià)因素［5-6］

影響沙塵暴發(fā)生的因素有很多，以歷年來(lái)內(nèi)蒙古地區(qū)氣候、環(huán)境的真實(shí)數(shù)據(jù)為依據(jù)，針對(duì)影響沙塵暴發(fā)生的各個(gè)因素的作用大小，本文篩選出了三類(lèi)主要因素:土壤巖石因素、植被降水因素、大氣因素，其中這三類(lèi)因素包含9種具體因素，分別為:巖石風(fēng)化度、土壤沙粒直徑、土壤沙粒含量、表層土壤濕度、地面植被覆蓋率、年平均降水量、年平均風(fēng)速、年平均氣壓梯度、年極端氣溫差，建立因素集為:

U={土壤巖石因素，植被降水因素，大氣因素};

U1={巖石風(fēng)化度、土壤沙粒直徑、土壤沙粒含量、表層土壤濕度};

U2={地面植被覆蓋率、年平均降水量};

U3={年平均風(fēng)速、年平均氣壓梯度、年極端氣溫差}。

2.2 確定各因素的隸屬函數(shù)

(1)根據(jù)內(nèi)蒙古地區(qū)巖石風(fēng)化度的實(shí)際數(shù)據(jù)，確定巖石風(fēng)化度的約束條件為1.25≤x≤1.60，采用線性隸屬函數(shù)即:

(2)根據(jù)內(nèi)蒙古地區(qū)土壤沙粒直徑大小，確定土壤沙粒直徑大小的約束條件(mm)為0.24≤x≤0.95，采用線性隸屬函數(shù)即:

(3)根據(jù)內(nèi)蒙古地區(qū)實(shí)際土壤沙粒含量情況，確定土壤沙粒含量的約束條件(%)為75≤x≤100，采用線性隸屬函數(shù)即:

(4)根據(jù)內(nèi)蒙古地區(qū)的表層土壤濕度的大小，確定表層土壤濕度的約束條件(%)為2.45≤x≤7.69，采用線性隸屬函數(shù)即:

(5)根據(jù)內(nèi)蒙古地區(qū)地面植被覆蓋率情況，確定地面植被覆蓋率的約束條件(%)為3.43≤x≤15.45，采用線性隸屬函數(shù)即:

(6)根據(jù)內(nèi)蒙古地區(qū)年降水情況，確立年平均降水量的約束條件(mm)為220≤x≤500，采用線性隸屬函數(shù)即:

(7)根據(jù)內(nèi)蒙古地區(qū)年起風(fēng)情況，確定年平均風(fēng)速的約束條件(m·s-1)為5.4≤x≤17.2，采用1/2次拋物型隸屬函數(shù)即:

(8)根據(jù)內(nèi)蒙古地區(qū)年氣壓梯度情況，確定年平均氣壓梯度的約束條件(HPa·100 km-1)為2≤x≤9，采用1/2次拋物型隸屬函數(shù)即:

(9)根據(jù)內(nèi)蒙古地區(qū)氣溫情況，確定年極端氣溫差的約束條件(℃)為6.1≤x≤29.6，采用線性屬函數(shù)即:

2.3 確定評(píng)價(jià)因素的權(quán)重

利用層次分析法，并根據(jù)內(nèi)蒙古地區(qū)影響沙塵暴發(fā)生各因素的作用大小的比較，以及綜合專(zhuān)家的意見(jiàn)，得各評(píng)價(jià)因素的權(quán)重分配見(jiàn)表1、表2、表 3。

表1 土壤巖石因素權(quán)重分配

表2 植被降水因素權(quán)重分配

表3 大氣因素權(quán)重分配

3 綜合評(píng)判

3.1 模糊關(guān)系陣R的建立

查閱內(nèi)蒙古氣象局(http://www.imwb.gov.cn/)公布的有關(guān)數(shù)據(jù)，得到本文中評(píng)判的各因素的實(shí)際值，見(jiàn)表4。

表4 2006—2010年9種因素?cái)?shù)據(jù)

以2010年為例，由每一個(gè)因素的實(shí)際數(shù)據(jù)值代入對(duì)應(yīng)的隸屬函數(shù)計(jì)算各自的隸屬度，從而建立模糊關(guān)系陣R。

3.2 綜合一級(jí)評(píng)判

對(duì)巖石風(fēng)化度、土壤沙粒直徑、土壤沙粒含量、表層土壤濕度、地面植被覆蓋率、年平均降水量、年平均風(fēng)速、年平均氣壓梯度、年極端氣溫差9種因素按模糊加權(quán)變換方法分別計(jì)算第一級(jí)綜合評(píng)判結(jié)果:

3.3 綜合二級(jí)評(píng)判

利用綜合一級(jí)評(píng)判的結(jié)果，按照層次分析法，并根據(jù)土壤巖石因素、植被降水因素、大氣因素對(duì)內(nèi)蒙古地區(qū)影響沙塵暴發(fā)生作用大小的比較，以及綜合專(zhuān)家的意見(jiàn)，得各評(píng)價(jià)因素的權(quán)重分配，見(jiàn)表5。

表5 三類(lèi)因素的權(quán)重分配

對(duì)土壤巖石因素、植被降水因素、大氣因素進(jìn)行綜合二級(jí)評(píng)判，得到最終評(píng)判結(jié)果:

按照相同的方法，依次代入2006—2009年的各因素?cái)?shù)值進(jìn)行綜合模糊評(píng)判，得出評(píng)判結(jié)果依次為 0.725 6，0.700 6，0.682 9，0.715 8。

4 結(jié)果分析

(1)本文選取了對(duì)沙塵暴發(fā)生影響較大的三類(lèi)因素，在每類(lèi)因素中又選取了若干個(gè)子因素并采取了二級(jí)模糊綜合評(píng)判的方法來(lái)評(píng)價(jià)內(nèi)蒙古地區(qū)沙塵暴的嚴(yán)重程度，結(jié)果表明，2006—2010年內(nèi)蒙古地區(qū)都有強(qiáng)沙塵暴，反映了客觀情況，具有普遍的應(yīng)用價(jià)值。

(2)從2006—2010年的5個(gè)模糊綜合評(píng)判的結(jié)果看，內(nèi)蒙古地區(qū)沙塵暴問(wèn)題嚴(yán)重，2006、2007、2008三年，沙塵暴災(zāi)害稍有減輕，但2009、2010年又再加重，與大眾的感覺(jué)相符。

(3)在本文的計(jì)算過(guò)程中，所有結(jié)果都保留了四位有效數(shù)字，這在通常的誤差要求下是允許的，誤差所產(chǎn)生的影響是微乎其微的。

5 研究展望

(1)下一步的研究重點(diǎn)是選取不同天氣情況常發(fā)地區(qū)的數(shù)據(jù)對(duì)該數(shù)學(xué)模型進(jìn)行驗(yàn)證或校正。

(2)本文采用的權(quán)重分配方案是綜合專(zhuān)家的意見(jiàn)，還有待于建立更加實(shí)用的數(shù)學(xué)模型。

［1］李萬(wàn)源，呂世華，余曄，等.各氣象要素影響沙塵暴的方式和強(qiáng)度研究［J］.高原氣象，2010(4):1058-1066.

［2］汪培莊，韓立巖.模糊數(shù)學(xué)及其應(yīng)用［M］.北京:首都經(jīng)濟(jì)貿(mào)易大學(xué)出版社，1989.

［3］劉普寅，吳孟達(dá).模糊理論及其應(yīng)用［M］.北京:國(guó)防科技大學(xué)出版社，2001.

［4］劉滿(mǎn)，楊光.燃煤鍋爐排放二氧化硫最佳治理技術(shù)的模糊綜合評(píng)判［J］.山西大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，22(4):334-339

［5］邱玉珺，牛生杰，鄒學(xué)勇，等.沙塵天氣頻率與相關(guān)氣象因子的關(guān)系［J］.高原氣象，2008，27(3):155-160.

［6］高濤.內(nèi)蒙古沙塵暴的調(diào)查事實(shí)、氣候預(yù)測(cè)因子分析和春季沙塵暴預(yù)測(cè)研究［J］.內(nèi)蒙古氣象，2008(2):3-9.