李文輝，張藝騰，翁佳烽

（1.肇慶市氣象局，廣東肇慶 526060；2.蘭州大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，甘肅蘭州 730000）

肇慶市年高溫日數(shù)的特征及預(yù)測方法

李文輝1，張藝騰2，翁佳烽1

（1.肇慶市氣象局，廣東肇慶 526060；2.蘭州大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，甘肅蘭州 730000）

利用1985—2014年地面常規(guī)氣象觀測資料，分析肇慶地區(qū)高溫日數(shù)的時空變化特征，并對肇慶市未來出現(xiàn)的高溫強年進行預(yù)測。結(jié)果表明：（1）肇慶市高溫日數(shù)在2005年后主要呈現(xiàn)準(zhǔn)5年的周期振蕩，且在2010年后高溫日數(shù)有顯著增加趨勢；（2）高溫強年時，同期（7—8月）的副高強度偏強、位置偏南、南海夏季風(fēng)異常偏弱；（3）基于10年高溫強年建立的GM（1，1）模型預(yù)測肇慶將可能在2018—2019、2021—2022、2024—2025年期間出現(xiàn)高溫強年。

氣候?qū)W；高溫日數(shù)；小波分析；Mann-Kendall方法；GM（1，1）模型；肇慶市

隨著社會的發(fā)展和人民群眾對生活質(zhì)量的要求的提高，夏季的高溫天氣越來越多地影響到城市用電等問題，進而影響到人民生活、生產(chǎn)的正常運行。高溫作為一種高影響天氣，日益受到公眾的關(guān)注［1］。李劍兵［2］、蔡賽緘等［3］、陳潔雯等［4］、莫賢清等［5］研究指出，廣東省的高溫天氣與熱帶氣旋、副高脊線位置、中高緯西風(fēng)系統(tǒng)以及地形焚風(fēng)效應(yīng)等具有一定的關(guān)系。肇慶市處于廣東省中西部，受南亞熱帶季風(fēng)影響，夏半年盛行西南和東南季風(fēng)，高溫炎熱。針對肇慶地區(qū)的高溫天氣，郭媚媚等［6］研究指出，副熱帶高壓的穩(wěn)定控制和熱帶氣旋外圍下沉氣流是造成肇慶高溫天氣的主要原因。本研究基于肇慶市地面常規(guī)氣象觀測資料，分析肇慶地區(qū)高溫日數(shù)的時空變化特征，運用灰色理論探索高溫年份的預(yù)測方法，對提高氣候預(yù)測水平有參考意義。

1 資料與方法

本研究選用的資料為1985—2014年肇慶市6個國家氣象觀測站（簡稱“氣象站”）（高要、四會、德慶、封開、廣寧、懷集）地面常規(guī)氣象觀測資料中的年高溫日數(shù)資料。

利用線性傾向估計［7］、EOF時間系數(shù)序列［7］、小波分析［7］、Mann-Kendall方法［7］分析肇慶市1985—2014年高溫日數(shù)的變化、周期性及顯著性；采用合成分析對高溫強年7—8月同期高度場、風(fēng)場進行分析，討論與高溫天氣有聯(lián)系的氣候信號，并利用灰色理論GM（1，1）模型對肇慶市未來出現(xiàn)的高溫強年進行預(yù)測。關(guān)于GM（1，1）模型原理以及在氣象中的應(yīng)用詳見文獻［8-11］。

2 肇慶市高溫變化特征

2.1 高溫異常年份的劃分

對1985—2014年6個氣象站的高溫日數(shù)進行求和，作為該年的高溫頻數(shù)。依據(jù)炎利軍等［12］提出的高溫強年的選取方法，本研究用以下3種方法對高溫強年進行選?。海?）對1985—2014年肇慶市6個氣象站的年平均高溫日數(shù)排序，設(shè)定高溫強年不超過總年數(shù)的1/3，選取排序后較大的10年為高溫強年；（2）對1985—2014年肇慶市6個氣象站逐年的高溫日數(shù)進行距平運算，選取6個氣象站均為正距平的年份為高溫強年；（3）對1985—2014年肇慶市6個氣象站的高溫日數(shù)作EOF分析，對其第一時間系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化并排序，取標(biāo)準(zhǔn)化值＞2.0的年份定義為高溫強年。對比上述3種方法，結(jié)果非常一致，綜合得到高溫強年分別為：1990、1998、2000、2003、2007、2009、2010、2011、2012、2014年（共10年）。

同樣地，可得高溫弱年分別為：1985、1987、1988、1994、1997、2002年（共6年）。對高溫強、弱年的高溫頻數(shù)做差值的t檢驗［7］，得到高溫強、弱年差異的t統(tǒng)計量為10.47，已超過0.01的顯著性水平。可見本研究劃分的高溫強（弱）年的差異是非常顯著的。

2.2 高溫日數(shù)的氣候特征

圖1給出了肇慶市1985—2014年高溫日數(shù)第一時間系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化序列（解釋方差達97.29%，能夠很好地反映高溫日數(shù)變化的信息）。由圖1可見，近30年來，肇慶市高溫日數(shù)有明顯的年際和年代際變化特征。高溫極強年出現(xiàn)在1998和2014年，系數(shù)均超過了9.0；而高溫極弱年出現(xiàn)在1997年，系數(shù)為-10.0。強、弱年系數(shù)最大差異達19.16，年際變化幅度大。同時可見，1997年前高溫日數(shù)偏少，僅1990年為例外；1998年為突變年，除21世紀(jì)初期出現(xiàn)短暫高溫日數(shù)偏少年外，1998年至今仍處于高溫日數(shù)增加階段。從整個時段來看，肇慶市高溫日數(shù)呈現(xiàn)顯著增加的趨勢，趨勢系數(shù)為0.30，達0.01顯著性水平。

圖1 肇慶市1985—2014年高溫日數(shù)第一時間系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化序列

2.3 高溫日數(shù)的周期性

由2.2節(jié)分析可知，肇慶市高溫存在著時間尺度上的演變特征。為了進一步分析，本研究利用小波分析方法，分析了肇慶市高溫日數(shù)的小波變換系數(shù)實部時頻分布（圖2）?？梢娬貞c市在20世紀(jì)80—90年代初高溫日數(shù)主要存在準(zhǔn)5年周期振蕩，90年代中期到2004年為準(zhǔn)6年周期振蕩，2005年以后主要為準(zhǔn)5年的周期振蕩。從整個時段來看，經(jīng)歷了1997—1998、2002—2007、2012—2013年的高溫日數(shù)明顯增多的時期。最近一次小波系數(shù)中心值對應(yīng)的時期為2012—2013年，且震蕩周期等值線已經(jīng)閉合。由此可推斷，在準(zhǔn)5年的周期震蕩的基礎(chǔ)上，可推測下一個高溫日數(shù)明顯增多的時期大概出現(xiàn)在2018年間。

圖2 肇慶市1985—2014年高溫日數(shù)小波變換系數(shù)

2.4 高溫日數(shù)的突變檢驗

本研究利用M-K（Mann-Kendall）法對1985—2014年來肇慶高溫日數(shù)進行突變分析（圖3），以驗證高溫日數(shù)的突變一致相關(guān)性。從圖 3中可看出，1986—1988、1994—1998年UF曲線數(shù)值＜0，其余年份均＞0，且從1999年后，呈現(xiàn)持續(xù)上升趨勢。從UF曲線與UB曲線交點來看，表明2004—2005年高溫日數(shù)發(fā)生了增加突變，但交點位于臨界線內(nèi)，未能達到統(tǒng)計意義上的顯著標(biāo)準(zhǔn)。2010年后，UF曲線超過上邊界線，表明變化趨勢顯著，近年內(nèi)高溫日數(shù)有明顯增加的趨勢。

圖3 肇慶市1985—2014年高溫日數(shù)Mann-Kendall統(tǒng)計量曲線

3 高溫強年同期高度場與風(fēng)場異常特征分析

合成分析［13］是分析高值年對應(yīng)的平均氣象要素場與一般年對應(yīng)的平均氣象要素場的差值場，合成分析的優(yōu)點在于放大了高值年對應(yīng)的氣象要素場的差異。合成分析的顯著性檢驗與平均值的顯著性檢驗相同［14］。

對 （15°—35°N，100°—130°E）范圍做1985—2014年間高溫強年7—8月［15］同期500hPa高度距平場、水平風(fēng)場以及850 hPa水平風(fēng)場差異的t檢驗，以探討是否存在與高溫天氣有聯(lián)系的氣候信號。從1985—2014年500 hPa風(fēng)場氣候平均分布（圖略）可知，華南地區(qū)受副熱帶高壓控制，副高脊線位于25°N附近。從500 hPa高溫強年合成高度距平場及風(fēng)場（圖4a）看，華南地區(qū)高度場為正距平，表現(xiàn)為副高偏強、位置偏南且加強副高控制低緯地區(qū)。從850 hPa風(fēng)場氣候平均分布（圖略）來看，廣東主要受南海夏季風(fēng)控制，夏季風(fēng)自孟加拉灣經(jīng)過中南半島輸送至廣東，肇慶地區(qū)處于風(fēng)速輻合區(qū)，華南地區(qū)為比較一致的偏南風(fēng)控制。高溫強年合成風(fēng)場（圖4b）差異顯著區(qū)主要位于我國西南地區(qū)東南部、中南半島至南海中北部以及菲律賓以東洋面，對應(yīng)風(fēng)場的差值分布，華南地區(qū)至南海中北部地區(qū)存在一個反氣旋式環(huán)流異常區(qū)，西南地區(qū)至長江中下游地區(qū)為西南到偏西風(fēng)，粵東沿海至中南半島一帶風(fēng)場為東北到偏東風(fēng)。綜合以上分析表明，與氣候平均值相比，高溫強年時，副高強度強、位置偏南、南海夏季風(fēng)異常偏弱。

圖4 1985—2014年7—8月高溫強年合成500 hPa高度距平場（等值線，單位：gpm）及風(fēng)場（箭頭，單位：m·s-1）（a）和850 hPa風(fēng)場（單位：m·s-1）（b）

4 基于灰色理論的高溫預(yù)測

氣候變化過程是一個灰色系統(tǒng)，因而灰色理論可以引進氣候變化過程的研究。為了研究肇慶地區(qū)未來可能出現(xiàn)高溫強年的年代進行預(yù)測，本研究應(yīng)用灰色系統(tǒng)GM（1，1）模型，以1985—2014年共30年的高溫日數(shù)資料為研究及建模基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，建立GM（1，1）模型，進行模型的精度檢驗，并應(yīng)用模型進行預(yù)測。

4.1 高溫年序列的建立

把年序列編號，即將年代1985—2014年依次編號為1～30，成為一個自然數(shù)序列。對年序列進行篩選，按照本研究中2.1節(jié)的定義，將高溫強年的年代挑選出來，以它們的編號組成一個新的序列X（0）（t）（見表1），將 X（0）（t）作為灰色序列進行高溫災(zāi)變預(yù)測，并對模型預(yù)測效果進行檢驗。

表1 GM（1，1）模型一次累加生成序列

4.2 肇慶高溫GM（1，1）預(yù)測模型的建立

1）建立離散型解。

給定序列X（0）（i）（i=1，2，3，…，n），對其進行一次累加，生成新的時間序列：X（1）（k）=，此數(shù)列記為GM（1，1）模型，其相應(yīng)的微分方程為：

式（1）的離散型解為：

其中k=1，2，3，…n，參數(shù)ɑ、b由最小二乘法求解。模型規(guī)定。

2）采用最小二乘法求解參數(shù)ɑ、b。

求解得：ɑ=-0.081 806，b=15.248 631。

3）求取預(yù)報模型。

將參數(shù)ɑ、b代入式（2），可得GM（1，1）數(shù)列預(yù)報模型：

4.3 模型檢驗

1）殘差檢驗。為了驗證模型精度是否符合要求，進行誤差檢驗（表 2）。經(jīng)檢驗，模型擬合最大誤差為17．151%，平均誤差為6．973%，平均精度為93．027%。

表2 模型擬合及殘差檢驗

2）后驗差檢驗。檢驗2個指標(biāo)C和P，對模型精度的等級標(biāo)準(zhǔn)做出評價。

（1）后驗差比C。C=SE／SD，式中SE為殘差Δ（k）序列的均方差；SD為原始數(shù)列x（0）（t）的均方差。即：

計算結(jié)果為C=0.223 142。

（3）計算小誤差概率P。

其中：

4.4 預(yù)測精度等級和評定

灰色系統(tǒng)理論模型預(yù)測精度等級評定標(biāo)準(zhǔn)如表3。

表3 檢驗指標(biāo)等級標(biāo)準(zhǔn)

將計算的C、P值與表3進行比較，模型預(yù)測精度等級為“1級（好）”，因此，可用此模型對肇慶未來可能出現(xiàn)高溫強年的年份進行預(yù)測。

4.5 應(yīng)用GM（1，1）模型進行預(yù)測

根據(jù)所求得的式（3），對肇慶地區(qū)未來高溫強年進行預(yù)測，結(jié)果如表4。

表4 肇慶地區(qū)高溫強年預(yù)測結(jié)果

預(yù)測結(jié)果顯示，肇慶地區(qū)將可能在2018—2019、2021—2022、2024—2025年期間出現(xiàn)高溫強年。

5 結(jié)論

1）通過3種方法進行選取1985—2014年的高溫強年，得到1990、1998、2000、2003、2007、2009、2010、2011、2012、2014年（共計10年）為高溫強年。

2）肇慶市高溫日數(shù)有明顯的年際和年代際變化特征，在2005年后主要呈現(xiàn)準(zhǔn)5年的周期振蕩，且在2010年后高溫日數(shù)有顯著增加趨勢。

3）高溫強年時，同期500 hPa副高加強、位置偏南、南海夏季風(fēng)異常偏弱。

4）用選取的10年高溫強年的高溫日數(shù)資料，建立GM（1，1）模型，經(jīng)過后驗差方法檢驗，模型預(yù)測精度等級為“1級（好）”。利用該預(yù)測模型預(yù)測肇慶地區(qū)將在2018—2019、2021—2022、2024—2025年期間出現(xiàn)高溫強年。

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Characteristics of Annual Number of High-Temperature Days for Zhaoqing City and Forecasting Methods

LI Wen-hui1，ZHANG Yi-teng2，WENG Jiɑ-feng1
（1.Meteorological Bureau of Zhaoqing City，Zhaoqing 526060；2.School of Atmospheric Sciences，Lanzhou University，Lanzhou，Gansu 730000）

Using conventional surface meteorological observations for 1985 to 2014，we studied the temporal and spatial variations of the number of high-temperature days（NHTD）in the area of Zhaoqing and forecast the years with anomalously more number of high-temperature days in the future.The result is shown as follows.（1）The NHTD of Zhaoqing mainly showed a periodic oscillation of quasi-five-year after 2005 and increased significantly after 2010.（2）During the years of anomalously more NHTD，the subtropical high was stronger and more to the south，and the summer monsoon of the South China Sea was anomalously weaker，in the simultaneously time（July and August）.（3）As is predicted by a GM（1，1）model set up based on 10 years of data，Zhaoqing is expected to have years of anomalously more NHTD in 2018—2019，2021—2022，and 2024—2025.

climatology；number of high-temperature days；wavelet analysis；Mann-Kendall test；GM（1，1）model；Zhaoqing City

P46

A

10.3969/j.issn.1007-6190.2016.05.001

2015-11-11

李文輝（1991年生），男，助理工程師，學(xué)士，現(xiàn)主要從事天氣預(yù)報工作。E-mail：409762147@qq.com

李文輝，張藝騰，翁佳烽.肇慶市年高溫日數(shù)的特征及預(yù)測方法［J］.廣東氣象，2016，38（5）：1-5.