陳榮泉，章文鑫，蔡孫平，唐潔

（1.肇慶市氣象局，廣東肇慶 526060；2.廉江市氣象局，廣東廉江 524400）

區(qū)域的氣候變化跟全球大氣環(huán)流有著復(fù)雜的關(guān)系。通常用來(lái)表征大氣環(huán)流的指數(shù)較多，但對(duì)肇慶市氣候有顯著影響指數(shù)的研究卻很少，因此研究環(huán)流指數(shù)與肇慶市氣候變化的關(guān)系，將有助于對(duì)本地氣候變化進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。本研究旨在研究大氣環(huán)流指數(shù)對(duì)肇慶市年降雨量的響應(yīng)變化特征，使用資料包括1962—2017年肇慶市6個(gè)國(guó)家自動(dòng)站月降雨量、1962—2017年88項(xiàng)大氣環(huán)流指數(shù)、NCEP月平均高度場(chǎng)再分析資料。研究方法有小波分析、正交分解（EOF）、Back Propagation（即BP）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬等方法。

1 極端澇、旱年的確定

本研究參考炎利軍等［1］對(duì)極端氣候特征年份的提取方法，確定極端澇、旱年：（1）對(duì)1962—2017年肇慶市6個(gè)國(guó)家氣象站的年降雨量做距平計(jì)算，選6個(gè)站均為正（負(fù)）距平的年份為澇年（旱年）；（2）對(duì)1962—2017年肇慶市6個(gè)國(guó)家氣象站的年降雨量做經(jīng)驗(yàn)正交分解，對(duì)其第一時(shí)間系數(shù)排序，取系數(shù)絕對(duì)值大于0.9的年份定義為極端澇、旱年；（3）根據(jù)上述兩種方法，取兩類條件都符合的年份，最后確定1973、1975、1983、1994、1997、2001、2006、2012、2016年為極端澇年；1963、1977、1984、1991、1999、2000、2003、2004、2007、2009、2011年為極端旱年。

2 大氣環(huán)流指數(shù)的篩選

2.1 降雨量與大氣環(huán)流指數(shù)的相關(guān)分析

首先，對(duì)1962年1月—2017年12月88項(xiàng)大氣環(huán)流指數(shù)逐月資料進(jìn)行分類和編號(hào)（1-88號(hào)）［2］；其次，將1—12月的 88個(gè)氣候指數(shù)逐月與肇慶市年降雨量求相關(guān)，并取通過(guò) Pearson（P＜0.05）檢驗(yàn)的值（若同一指數(shù)不同月份通過(guò)檢驗(yàn)，則取其相關(guān)系數(shù)最大月份的值），結(jié)果共有39個(gè)指數(shù)通過(guò)檢驗(yàn)，其中9南海副高面積指數(shù)、20南海副高強(qiáng)度指數(shù)、27西太平洋副高脊線位置指數(shù)、58北半球極渦中心強(qiáng)度指數(shù)、68北極濤動(dòng)指數(shù)、71太平洋-北美遙相關(guān)型指數(shù)、73西太平洋遙相關(guān)型指數(shù)、77極地-歐亞遙相關(guān)型指數(shù)、86北大西洋-歐洲環(huán)流W型指數(shù)通過(guò)了P＜0.01的Pearson檢驗(yàn)。

2.2 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)極端澇、旱年的反演

1）BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的構(gòu)建。

以肇慶市（1962—2017年共56年的樣本）年均降雨量為因變量；自變量為9個(gè)相關(guān)系數(shù)通過(guò)了P＜0.01的Pearson檢驗(yàn)大氣環(huán)流指數(shù)；輸入到BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中［3-6］。

初始擬合設(shè)置隱含層為1層，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式［7-9］設(shè)置隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)為3個(gè)，輸入層節(jié)點(diǎn)為9個(gè)，輸出層節(jié)點(diǎn)為3個(gè)（即極端澇、旱、正常3類）。通過(guò)調(diào)整最終確定隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)為4個(gè)，并進(jìn)行30次重復(fù)模擬。由于各節(jié)點(diǎn)權(quán)值是隨機(jī)給定的，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有不可重現(xiàn)性，但網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)確定后模型預(yù)報(bào)正確率是穩(wěn)定的［10-11］。本研究主要探討大氣環(huán)流指數(shù)和年降雨量的相關(guān)性，因此不再引入新樣本對(duì)模型進(jìn)行檢測(cè)。

從檢驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，模型對(duì)極端澇、旱、正常年份的30次反演正確率都在80%以上（圖表略），平均正確率為91.2%。綜上所述9個(gè)大氣環(huán)流指數(shù)對(duì)肇慶市的年降雨量有顯著的相關(guān)性，能很好地預(yù)測(cè)極端澇、旱、正常年。

2）引入模型的大氣環(huán)流指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化重要性分析。

統(tǒng)計(jì)在30次反演中的9個(gè)環(huán)流指數(shù)，權(quán)值排名前3出現(xiàn)的次數(shù)結(jié)果：南海副高面積指數(shù)13次、南海副高強(qiáng)度指數(shù)8次、西太平洋遙相關(guān)型指數(shù)（WP）16次、北半球極渦中心強(qiáng)度2次、極地歐亞遙相關(guān)型指數(shù)6次、北大西洋歐洲環(huán)流W型指數(shù)10次、北極濤動(dòng)（AO）13次、太平洋北美遙相關(guān)型指數(shù)（PNA）18次、西太平洋副高脊線位置指數(shù)4次。為進(jìn)一步了解這4個(gè)指數(shù)與年降雨量的關(guān)系，分別繪制年降雨與這4個(gè)指數(shù)的散點(diǎn)圖［12］（數(shù)據(jù)均進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化處理）（圖1），從圖1可以看出，PNA和年降雨量呈線性遞減關(guān)系，但當(dāng)PNA的值接近0時(shí)，這種趨勢(shì)發(fā)生折變呈短暫的遞增，當(dāng)繼續(xù)增大時(shí)又重新呈遞減趨勢(shì)。WP和年降雨量也呈線性遞減關(guān)系，但當(dāng)WP的值大于0后，這種遞減趨勢(shì)變得平緩。AO和年降雨量呈線性遞增關(guān)系，但在［-0.5，0］區(qū)間有短暫的平緩，而后再次遞增。南海副高面積指數(shù)小于0時(shí)與年降雨量的關(guān)系不明顯，從原始數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)，這是因?yàn)?月份的南海副高面積指數(shù)在這56年中有48年接近0，所以圖中表現(xiàn)為一條準(zhǔn)垂直于橫坐標(biāo)的直線。剩余8年當(dāng)其值顯著大于0時(shí)，則與年降雨量迅速呈線性遞增關(guān)系。

圖1 環(huán)流指數(shù)與年降雨量的散點(diǎn)圖

3 大氣環(huán)流指數(shù)的分布特征

由2.1節(jié)篩選得到的大氣環(huán)流指數(shù)可知，在BP模型中，8月 PNA、6月WP、2月南海副高面積指數(shù)和8月AO的標(biāo)準(zhǔn)化權(quán)值最高，根據(jù)這4個(gè)指數(shù)的定義分別繪制相應(yīng)的特征場(chǎng)分布圖（圖2）。

PNA（20°N—90°N，0°—360°區(qū)域內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)化500 hPa高度場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)正交分析所得的第2模態(tài)時(shí)間系數(shù)）。在歐亞、太平洋、北美均存在一個(gè)正直中心，北極圈為一個(gè)負(fù)值中心。在澇年3個(gè)正直中心強(qiáng)度異常高，并連成一個(gè)行星尺度的緯向帶；位置相對(duì)北移；北美中緯度地區(qū)為一個(gè)負(fù)值中心。在旱年，3個(gè)正直中心強(qiáng)度明顯減弱，位置相對(duì)南移。在亞洲和太平洋之間的中緯度地區(qū)出現(xiàn)負(fù)值中心，北極圈的負(fù)值中心向北美中高緯度地區(qū)延伸。

WP（20°N—90°N，0°—360°區(qū)域內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)化500 hPa高度場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)正交分析所得的第4模態(tài)時(shí)間系數(shù)）。在澇年，亞洲至東太平洋為緯向帶狀正值中心，西太平洋的負(fù)值中心受其擠壓。但在旱年亞洲這一個(gè)正值中心嚴(yán)重收縮呈南北向，西太平洋的負(fù)值中心強(qiáng)度增強(qiáng)。

AO（20°N—90°N，0°—360°區(qū)域內(nèi)，1 000 hPa高度場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)正交分析所得的第1模態(tài)時(shí)間系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化序列）。在旱年除北太平洋外45°N以北為大范圍的正值中區(qū)，且強(qiáng)度異常高；在澇年該正值區(qū)范圍向南擴(kuò)展，但強(qiáng)度顯著減弱。

南海副高面積指數(shù)在澇年副高整體偏強(qiáng)呈帶狀東西向，588 dagpm線范圍較廣；在旱年副高強(qiáng)度整體偏弱。

圖2 大氣環(huán)流指數(shù)分布場(chǎng)

4 結(jié)論

1）肇慶市年降雨量存在顯著的30年左右周期震蕩，在1962—2017年中，極端澇年為1973、1975、1983、1994、1997、2001、2006、2012、2016年；極端旱年為 1963、1977、1984、1991、1999、2000、2003、2004、2007、2009、2011年。

2）88項(xiàng)大氣環(huán)流指數(shù)與年降水量的相關(guān)分析中，有39項(xiàng)通過(guò)了P＜0.05的Pearson檢驗(yàn)，有9項(xiàng)通過(guò)了P＜0.01的Pearson檢驗(yàn)。

3）用9個(gè)相關(guān)系數(shù)較大的大氣環(huán)流指數(shù)建立的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)，對(duì)正常、澇、旱年的判別效果較理想，30次回報(bào)的平均準(zhǔn)確率預(yù)報(bào)達(dá)91.1%。

4）在 BP模型中，8月 PNA、6月 WP、2月南海副高面積指數(shù)和8月AO的標(biāo)準(zhǔn)化權(quán)值最高，并與年降雨量均有明顯的線性遞增（減）關(guān)系。

5）在極端旱澇年，PNA、WP、AO和南海副高面積指數(shù)相應(yīng)月份的特征場(chǎng)均有顯著的正、負(fù)值中心變化差異；對(duì)澇旱年的預(yù)測(cè)有指示意義。