·環(huán)境科學(xué)·

寧夏干旱災(zāi)害的時間對稱性及趨勢判斷

楊蓉1,2,延軍平1

(1.陜西師范大學(xué) 旅游與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安710062；2.寧夏大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，銀川750021)

摘要：使用正負20%的降水距平作為指標(biāo)將寧夏50年來(1961—2011年) 18個氣象測站的降水資料進行統(tǒng)計分析,基于災(zāi)害信息預(yù)測理論中的對稱性原理及可公度方法,對寧夏干旱災(zāi)害進行分析和趨勢判斷,得出寧夏未來干旱災(zāi)害的可能發(fā)生年份。研究結(jié)果表明, 50年來寧夏旱災(zāi)的發(fā)生具有時間對稱性特征,2015年寧夏發(fā)生旱災(zāi)的信號最強。該研究旨在豐富對稱性方法的災(zāi)害趨勢判斷案例,以期為寧夏防災(zāi)減災(zāi)提供參考。

關(guān)鍵詞：寧夏;干旱災(zāi)害;對稱性;可公度;趨勢判斷

收稿日期：2013-11-19

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(41171090)；國家社會科學(xué)基金資助項目(14AZD094)

作者簡介：楊蓉,女,陜西漢中人，寧夏大學(xué)副教授,博士生,從事區(qū)域可持續(xù)發(fā)展研究。

通訊作者：延軍平，男，陜西綏德人，陜西師范大學(xué)教授,博士生導(dǎo)師，從事全球變化與災(zāi)害學(xué)研究。

中圖分類號：P426.616

The time symmetry and trend judgment of drought in Ningxia

YANG Rong1,2,YAN Jun-ping1

(1.College of Tourism & Environment Science, Shaanxi Normal University, Xi′an 710062, China;

2.College of Resources and Environment, Ningxia University, Yinchuan 750021, China)

Abstract:This paper adds up and analyzes the meteorological data coming from 18 weather stations in last 50 years (1961—2013) in Ningxia, useing plus-minus 20% precipitation anomaly as the index to educe the year drought and flood happened in last 50 years and analyze and make trend judgment of the drought based on the symmetry and commensurable method of information prediction theory. As a result, the drought is characterized by periodicity and symmetry, 2015 is in great possibility of being a drought year in Ningxia. The research focuses on enriching the calamity trend judgment cases of symmetry method so as to provide references for Ningxia′s prevention and reduction of calamities.

Key words: Ningxia; drought; symmetry; commensurability; trend judgment

寧夏多種自然災(zāi)害中發(fā)生頻繁、影響最大的就是干旱災(zāi)害?，F(xiàn)今地學(xué)領(lǐng)域還并不能合理解釋自然災(zāi)害的發(fā)生原因,本研究從物理學(xué)的“對稱性”原理入手,去探索寧夏的干旱災(zāi)害在時間上是否具有簡約化的對稱性結(jié)構(gòu),以此來揭示寧夏干旱災(zāi)害的時間分布特征,以提高寧夏對旱災(zāi)的防災(zāi)、減災(zāi)和應(yīng)災(zāi)水平和能力,并豐富自然災(zāi)害趨勢研究的方法。自然災(zāi)害表現(xiàn)出的可公度性其實是時間對稱性的一種表現(xiàn)形式?，F(xiàn)今,利用可公度方法進行自然災(zāi)害的預(yù)測及時間分布規(guī)律研究已有很多成果,如《基于可公度方法的川滇地區(qū)地震趨勢研究》[1](2006),《關(guān)于地震預(yù)測體系構(gòu)建的可能性及驗證》[2](2008), 《對稱性與西藏南部Ms≥6.6級地震趨勢判斷》[3](2010), 《基于對稱性的中國臺灣地震趨勢判斷及物理基礎(chǔ)》[4](2013)等文章都是運用可公度方法研究災(zāi)害分布的對稱性規(guī)律的。本研究將繼續(xù)從對稱性入手,基于災(zāi)害信息預(yù)測理論的可公度方法,通過對寧夏1961年以來50余年的氣象降水?dāng)?shù)據(jù)資料進行分析,確定其時間對稱性特征,以此對寧夏的干旱災(zāi)害進行未來趨勢判斷,旨在豐富運用對稱性方法的災(zāi)害趨勢研究案例。

1研究區(qū)及資料選取

寧夏位于我國西北地區(qū)東部,是從半濕潤、半干旱向干旱區(qū)過渡的典型的農(nóng)牧交錯區(qū)和生態(tài)脆弱帶,屬于中溫帶半干旱氣候區(qū),氣溫變率大,降水量少,降水季節(jié)、分布差異很大,且由南到北逐漸減少,各種氣象災(zāi)害頻發(fā),是我國氣象災(zāi)害受災(zāi)最嚴(yán)重的省區(qū)之一。在寧夏所發(fā)生的各種氣象災(zāi)害中,干旱災(zāi)害的發(fā)生最頻繁,危害最為嚴(yán)重。據(jù)1950—2000年寧夏自然災(zāi)害統(tǒng)計[5],干旱災(zāi)害次數(shù)占總災(zāi)害的50%以上,50年中共發(fā)生春旱43次,夏旱37次,秋旱28次,受旱嚴(yán)重地區(qū)干旱持續(xù)時間300天以上[6]。近幾十年來,全球氣候變化越演越烈,加之人類對自然生態(tài)環(huán)境的改造和干擾越來越多,使寧夏的降水變化呈現(xiàn)出很大的波動性,總體氣候有變干的趨勢。如何對寧夏干旱災(zāi)害的未來變化趨勢做出正確判斷與預(yù)測,及時采取防災(zāi)應(yīng)災(zāi)措施,減輕干旱災(zāi)害造成的損失,是寧夏可持續(xù)發(fā)展的一項重要研究任務(wù)。

1.1資料來源

本研究利用寧夏氣象局提供的寧夏全區(qū)內(nèi)分布的18個氣象測站自1961年至2011年共50多年的氣象觀測降水資料[7]，通過統(tǒng)計分析得出寧夏50多年來各年的年均降水量值,從寧夏降水量的年際變化可以看出,寧夏的降水變化有很大波動性。計算得出,寧夏全區(qū)多年平均降水量為286.2 mm。

圖1　50多年(1961—2013)寧夏降水量年際變化曲線圖 Fig.1　Annual rainfall change curve of Ningxia in recent 50 years(1961—2013)

1.2寧夏旱澇指標(biāo)的確定

本研究對寧夏旱澇指標(biāo)的確定采用降水距平百分率指標(biāo)。降水距平百分率是某時間段內(nèi)降水量相對于同時期的平均降水狀態(tài)的偏離程度值。應(yīng)用降水距平百分率可以確定出寧夏各年份的旱澇情況, 如圖2所示。

圖2　寧夏降水距平百分率變化圖 Fig.2　 The percentage change of precipitation anomaly in Ningxia

將近50多年來寧夏年降水量距平均百分率小于20%(即年降水量小于228.96 mm)的年份作為旱年, 年降水量距平均百分率大于20% (即年降水量大于343.44 mm) 的年份作為澇年。可以得出, 寧夏旱年為: 1965年、1971年、1972年、1974年、1980年、1982年、1986年、1987年、1991年、1997年、2000年、2005年、2009年; 澇年為1961年、1964年、1967年、1968年、1973年、1978年、1985年、1990年,2012年。從圖1可以看出, 寧夏近50多年來發(fā)生干旱的概率明顯高于澇與偏澇的概率。在50年中,旱年與偏旱年(少雨年) 共發(fā)生13次, 占總年數(shù)的25.5%, 平均每3.9年出現(xiàn)一次旱災(zāi);澇年與偏澇年(多雨年) 共發(fā)生9次, 占總年數(shù)的17.6%, 平均每5.7年出現(xiàn)一次澇災(zāi)。綜上分析, 寧夏總體以干旱氣候為主, 從20世紀(jì)60年代到世紀(jì)末是處在正常偏澇時期,20世紀(jì)90年代以來, 已無降水偏少的澇年出現(xiàn),干旱多發(fā)。在全球氣候變化的大背景下,寧夏氣候也出現(xiàn)暖干化特點。粗線條地估計,21世紀(jì)以來寧夏將處于偏旱期,正常偏旱為寧夏長期演變的主要氣候特征,因此對寧夏干旱災(zāi)害發(fā)生趨勢進行判斷的研究更具有實際意義。

2寧夏旱災(zāi)的對稱性分析及趨勢判斷

2.1計算方法

本文的研究分析步驟如下:

1)對寧夏旱災(zāi)發(fā)生的年份數(shù)列資料進行收集,作為旱災(zāi)預(yù)測的點集樣本,列出旱災(zāi)目標(biāo)發(fā)生的時間遞增序列。

2)用計算機CalcNextYear程序?qū)σ寻l(fā)生旱災(zāi)的時間序列做可公度運算,進行旱災(zāi)的下一次目標(biāo)年預(yù)測,按三元、四元、五元可公度作外推可得到預(yù)測目標(biāo)值Xn+1。

3)求所有可公度式的頻次數(shù)m,m越大時,說明該可公度式不再是偶然的等式,而成為一個必然的發(fā)生規(guī)律。

4)旱災(zāi)發(fā)生的可能性概率計算:T=m/n,式中T代表預(yù)測的旱災(zāi)目標(biāo)年份發(fā)生的可能概率,n是所有用于旱災(zāi)發(fā)生年份預(yù)測的總災(zāi)害次數(shù),m是參與到實際預(yù)測的已發(fā)生旱災(zāi)次數(shù)[8]。

5)繪制“蝴蝶結(jié)構(gòu)圖”及“可公度系結(jié)構(gòu)圖”,探索旱災(zāi)時間對稱性的多個周期,進一步確認預(yù)測的旱災(zāi)可能發(fā)生年份。

2.2寧夏旱災(zāi)的可公度性驗證

選取寧夏1961年以來旱災(zāi)發(fā)生的年份作為資料樣本,即X1=1965年、X2=1971年、X3=1972年、X4=1974年,X5=1980年、X6=1982年、X7=1986年、X8=1987年、X9=1991年、X10=1997年、X11=2000年、X12=2005年、X13=2009年。首先我們將寧夏已發(fā)生的這13次旱災(zāi)年份做了可公度性的驗證,通過對這13個年份的三元可公度計算,發(fā)現(xiàn)除了X3和X11只有2組匹配數(shù)據(jù)外,其他數(shù)據(jù)都出現(xiàn)了3組以上的很高的可公度的匹配性,驗證結(jié)果表明，寧夏旱災(zāi)發(fā)生年份具有很強的可公度性。

2.3可公度計算結(jié)果

根據(jù)可公度法預(yù)測下一次寧夏干旱災(zāi)害的發(fā)生年份,即設(shè)X14為下一次寧夏可能的旱災(zāi)發(fā)生年,通過 X1～X14的可公度規(guī)律性,利用計算機CalcNextYear程序?qū)禐?zāi)時間序列做分析運算,進行下一次旱災(zāi)年X14的可公度預(yù)測,按三元、四元、五元作外推可得到的預(yù)測值X14，計算結(jié)果如表1所示。

表1　寧夏旱災(zāi)發(fā)生年份可公度預(yù)測表

可以看出, 2015年在三元、四元、五元可公度中出現(xiàn)的頻數(shù)分別為7次、21次、51次、計算得出,寧夏2015年發(fā)生干旱的概率分別是84.6%,100%,100%,2016年和2019年出現(xiàn)的頻數(shù)也很多,但概率較2015年小。綜上分析,三元、四元、五元可公度法的計算結(jié)果具有很強的一致性,結(jié)果表明“2015”不是偶然獲得的,我們認為, 2015年寧夏發(fā)生干旱的信號最強。綜合判斷2015，2016，2019這3年寧夏都有可能發(fā)生干旱災(zāi)變事件。

2.4蝴蝶結(jié)構(gòu)圖分析

自然災(zāi)害時間對稱性結(jié)構(gòu)還可用“蝴蝶結(jié)構(gòu)圖”來體現(xiàn),即表現(xiàn)時間序列存在等時間間隔的特點,這是對可公度方法的推廣。蝴蝶結(jié)構(gòu)是不同長度周期疊加后表現(xiàn)出的混合規(guī)律,它反映出多變量間的多周期性變化,表現(xiàn)在圖面上就好像蝴蝶的翅膀。我們通過構(gòu)建寧夏干旱災(zāi)害年份間的結(jié)構(gòu)關(guān)系 繪制出具有時間對稱性周期的”蝴蝶結(jié)構(gòu)圖”。由蝴蝶結(jié)構(gòu)圖分析發(fā)現(xiàn),近50多年來大致是以4a，6a，8a，9a，15a，17a的準(zhǔn)時間周期出現(xiàn)(允許的正負誤差為1年),其中9a出現(xiàn)5次,6a和15a出現(xiàn)4次,4a，8a，17a出現(xiàn)3次,表現(xiàn)出很強的時間對稱性特點。通過蝴蝶結(jié)構(gòu)圖做出預(yù)測, 2015年寧夏發(fā)生干旱災(zāi)害的隨機性概率為92.8%, 不漏報的置信水平為69.2%。還要說明的是, 一些沒有參與到實際預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)周期, 也可表現(xiàn)旱災(zāi)事件具有的其他可公度時間周期規(guī)律性, 所以也是具有實際表現(xiàn)意義的。

依據(jù)寧夏旱災(zāi)發(fā)生具有時間上的對稱性周期的特點,進一步繪制寧夏近50年來旱災(zāi)年份的可公度結(jié)構(gòu)系圖,以此更直觀地描述寧夏干旱災(zāi)害發(fā)生的時間對稱規(guī)律性，運用可公度結(jié)構(gòu)系圖作預(yù)測,也得出2015年將是寧夏再次發(fā)生干旱災(zāi)害的預(yù)測結(jié)果。

圖3　寧夏旱災(zāi)時間蝴蝶結(jié)構(gòu)圖(圖中標(biāo)注數(shù)字為間隔年數(shù)) Fig.3　Butterfly structure of Ningxia′s drought time (the number labeled in the chart is the interval years)

圖4　寧夏旱災(zāi)的可公度線系結(jié)構(gòu)關(guān)系圖(虛線表示預(yù)測) Fig.4　The commensurability linear structure relation of the drought in Ningxia (The dotted line indicates the prediction)

3結(jié)論

1) 50多年來寧夏降水變化呈現(xiàn)很大的波動性。通過降水距平正負20%的指標(biāo)分析得出,寧夏發(fā)生干旱的概率明顯高于澇與偏澇的概率,以干旱氣候為主。在全球氣候變化的大背景下,寧夏氣候也出現(xiàn)暖干化特點,正常偏旱為寧夏長期演變的主要氣候特征。

2)運用對稱性原理及信息預(yù)測理論的可公度方法,做出三元、四元、五元的可公度計算,分析結(jié)果得出,近期寧夏干旱災(zāi)害發(fā)生的可能年份是2015，2016和2019年,其中2015年的信號最強。

3)繪制蝴蝶結(jié)構(gòu)圖和可公度結(jié)構(gòu)系圖分析得出,寧夏旱災(zāi)表現(xiàn)出明顯的時間對稱性結(jié)構(gòu)。寧夏旱災(zāi)發(fā)生的基本周期由4a，6a，8a，9a，15a，17a的準(zhǔn)時間周期組成,此組合周期中9a，17a有突出的預(yù)測作用,略去時間較為久遠的預(yù)測結(jié)果, 寧夏未來旱災(zāi)可能會發(fā)生在2015年。

4)旱澇災(zāi)害的發(fā)生是地球內(nèi)部環(huán)境因素和外部天文環(huán)境因素非線性作用的最終結(jié)果,特別是太陽黑子對寧夏旱災(zāi)的發(fā)生產(chǎn)生很大的影響。要指出的是,并非可公度網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上出現(xiàn)的每個預(yù)測節(jié)點都會有災(zāi)害發(fā)生,減小虛報率還需結(jié)合其他預(yù)測研究方法做出綜合判斷分析。

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(編輯徐象平)