張 峰

(遼寧省本溪水文局，遼寧 本溪 117000)

1 研究背景

太陽黑子的多少通過太陽黑子相對數(shù)可以得到反映，太陽活動的強弱可以通過整個日面輻射能力的變化進行反映[1]。太陽黑子數(shù)有連續(xù)可靠且記錄較長的文字記錄，年和月數(shù)據(jù)可以追溯到1749年，這樣就為氣象水文中長期預(yù)報提供有利條件[2]。多項研究成果表明[2- 12]，太陽黑子活動準(zhǔn)周期分別為11年、22年和180年，氣候及水文與太陽黑子活動周期具有密切的聯(lián)系[13]。遼寧省水旱災(zāi)害損失占自然災(zāi)害損失的大部分，屬于水旱災(zāi)害頻發(fā)的省份[14]。目前，由于人類抵御自然災(zāi)害的能力有限，國際、國內(nèi)都在積極倡導(dǎo)減少自然災(zāi)害，水旱災(zāi)害的預(yù)測預(yù)報是其中非常重要的非工程措施之一[15]。為此本文對太陽黑子11年活動周期極值年與遼寧旱澇特征關(guān)系進行分析，并通過回歸方程建立月太陽黑子相對數(shù)與遼寧省盛夏、夏季降水量預(yù)測模型。

2 太陽黑子相對數(shù)計算方法

太陽黑子指數(shù)可用太陽黑子相對數(shù)據(jù)進行計算，方程為：

R=K(10g+f)

(1)

式中，g—觀測的日面上的太陽黑子群的個數(shù)；f—各群太陽黑子觀測的總數(shù)目；K—修正系數(shù)。為消除觀測不規(guī)則擾動及主動因素的影響，此方案用太陽黑子相對數(shù)12月滑動平均值。

在構(gòu)建太子黑子相對數(shù)預(yù)報模型時，本文定義一個新的系數(shù)，定義方法為：前一年1月至當(dāng)年5月太陽黑子月最大(小)值同年平均的比值稱為前期月最大(小)比例系數(shù)。比如1966年太陽黑子相對數(shù)年均值為66.6，1965年1月至1966年5月太陽黑子最大值為69，最小值為10.2，則1966年的前期月最大比例系數(shù)為1.04，前期月最小比例系數(shù)為0.15。按照西定義逐年計算1966—2015年前期月最大、月最小比例系數(shù)。

3 太陽黑子相對數(shù)與遼寧省旱澇的對應(yīng)關(guān)系

對太陽黑子11年活動周期極值年與遼寧旱澇特征關(guān)系進行分析，分析結(jié)果見表1。

從表中可以看出，遼寧省的旱澇災(zāi)害與太陽黑子11年活動周期具有非常好的對應(yīng)關(guān)系。首先看統(tǒng)計中洪澇年共有15年，發(fā)生在低值年附近(m-3至m+2)的有12年，占80%；其中發(fā)生在m-2至m年的有9年，占75%，可見遼寧洪澇災(zāi)害多集中發(fā)生在m-1至m年，即低值年，而高值年發(fā)生洪澇的概率極低。再看統(tǒng)計中干旱年共有11年，發(fā)生在高值年附近(M-2至M+3)的有10年，高達91%；其中發(fā)生在M-1年至M+1年的有8年，占80%，由此可見遼寧干旱災(zāi)害多集中發(fā)生在高值年附近(M-1至M+1)，而低值年發(fā)生干旱的概率極低。由此部分分析可知，太陽黑子的11年活動周期與遼寧省旱澇災(zāi)害有很好的對應(yīng)關(guān)系，因此可利用太陽黑子的活動周期的趨勢變化預(yù)測遼寧夏季降水。

表1 太陽黑子11年周期極值年與遼寧旱澇災(zāi)害年統(tǒng)計表

圖1 太陽黑子相對數(shù)年平均值、月最大和月最小比例系數(shù)曲線

4 太陽黑子相對數(shù)預(yù)報模型的建立

4.1 太陽黑子相對數(shù)月比例系數(shù)分析

眾多分析認為，太陽黑子在一年中各月的變化幅度也很大，高低值相差懸殊，因而單純采用黑子相對數(shù)年均值及其位相來刻畫太陽黑子的活動情況會抹平年內(nèi)的變化特征，而應(yīng)當(dāng)細致的研究其變化，注意月際變化特征，同時還有研究指出，在太陽黑子出現(xiàn)期間日地距離也是影響地面上各種自然現(xiàn)象變化的主要因素，尤其每年春季1—3月間出現(xiàn)的黑子，其影響要大于下半年7月以后的影響。

由以上分析可知太陽黑子的活動位相與旱澇形式有著明顯的對應(yīng)關(guān)系，但是太陽黑子相對數(shù)的月際變化對大氣環(huán)流的影響比年均值更明顯，并且大氣環(huán)流對太陽黑子活動的響應(yīng)具有一定的滯后性。下面為了分析此影響的滯后性，進行相關(guān)計算。本文分定義一個新的系數(shù)，定義方法為：前一年1月至當(dāng)年5月太陽黑子月最大(小)值同年平均的比值稱為前期月最大(小)比例系數(shù)。比如1966年太陽黑子相對數(shù)年均值為66.6，1965年1月至1966年5月太陽黑子最大值為69，最小值為10.2，則1966年的前期月最大比例系數(shù)為1.04，前期月最小比例系數(shù)為0.15。按照西定義逐年計算1966—2015年前期月最大、月最小比例系數(shù)，

從圖2中可以看出，前期月最大比例系數(shù)與太陽黑子年均值呈現(xiàn)反相位對應(yīng)關(guān)系，即當(dāng)年均值處于低值(m)時，前期月最大比例系數(shù)處于波峰，且峰形尤為尖銳；而當(dāng)年均值處于高值(M)時，前期月最大比例系數(shù)處于波谷，但波谷較平滑，對應(yīng)關(guān)系沒有前者好。前期月最小比例系數(shù)與太陽黑子年均值呈現(xiàn)正位相對應(yīng)關(guān)系，即當(dāng)年均值處于低值(m)時，前期月最小比例系數(shù)處于波谷，當(dāng)年均值處于高值(M)時，前期月最小比例系數(shù)處于波峰。因此前期月最大比例系數(shù)尖銳的波峰值對太陽黑子的低值年具有很好的指示作用。

4.2 不同時段降水與前期太陽黑子相對數(shù)相關(guān)性分析結(jié)果

對遼寧省初夏降水、盛夏降水及夏季降水分別與前一年1月至當(dāng)年5月太陽黑子相對數(shù)的相關(guān)系數(shù)進行分析，分析結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同時段降水與前期(前一年1月至當(dāng)年5月)太陽黑子相對數(shù)相關(guān)

從圖中可見，初夏降水與太陽黑子主要呈現(xiàn)正相關(guān)，最大相關(guān)性出現(xiàn)在當(dāng)年1月份，相關(guān)系數(shù)為0.14，沒有通過顯著性檢驗。盛夏和夏季降水與太陽黑子呈現(xiàn)負相關(guān)，且相關(guān)系數(shù)變化趨勢十分相似，其中最大負相關(guān)性均出現(xiàn)在前一年12月份，相關(guān)系數(shù)分別為-0.45和-0.43，均超過信度為0.01(相關(guān)系數(shù)絕對值大于0.354)的檢驗。由此可知，前一年太陽黑子的月變化對遼寧省夏季降水的影響的滯后時間在7—8個月。

4.3 太陽黑子相對數(shù)預(yù)報回歸方程的建立

為具體利用太陽黑子數(shù)預(yù)測降水量，下面降水前一年12月的太陽黑子相對數(shù)分別于盛夏、夏季降水進行預(yù)報模型的建立，如圖3所示。

圖3 前一年12月太陽黑子數(shù)與盛夏、夏季降水的關(guān)系

如圖可知太陽黑子相對數(shù)與降水量之間為負相關(guān)。以前一年12月太陽黑子相對數(shù)為自變量，盛夏、夏季降水量為因變量，建立預(yù)報模型分別為：y=-0.5971x+393.85、y=-0.5663x+489.35。

由此便得出太陽黑子相對數(shù)與降水量之間的預(yù)報模型，據(jù)計算，根據(jù)此預(yù)測模型，預(yù)報值與觀測值的距平符號一直率高達72%和70%。

4.4 太陽黑子相對數(shù)預(yù)報模型的驗證

由前面不同時段降水與前期太陽黑子相對數(shù)相關(guān)性分析研究結(jié)果可知，前一年12月的太陽黑子指數(shù)對盛夏及夏季的降水量預(yù)測具有很好的指示作用，并建立了預(yù)測模型，由預(yù)測模型對2016—2018年的盛夏及夏季降水進行預(yù)測，驗證結(jié)果見表2。

表2 太陽黑子預(yù)測法的預(yù)測值與實測值對比

5 主要結(jié)論

(1)前期月最大比例系數(shù)對太陽黑子年均值具有很好的指示和預(yù)報作用。當(dāng)前期月最大比例系數(shù)超過3時，第二年太陽黑子年均值會達到低值年。

(2)前期月最大比例系數(shù)與太陽黑子年均值呈現(xiàn)反相位對應(yīng)關(guān)系，即當(dāng)年均值處于低值(m)時，前期月最大比例系數(shù)處于波峰，且峰形尤為尖銳；而當(dāng)年均值處于高值(M)時，前期月最大比例系數(shù)處于波谷，但波谷較平滑，對應(yīng)關(guān)系沒有前者好。

(3)本文通過回歸分析方法建立太陽黑子相對數(shù)分別于盛夏、夏季降水的預(yù)報模型。預(yù)報模型未能進行置信度檢驗，在以后的研究中還需要對其進行置信度檢驗。