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        太陽黑子相對(duì)數(shù)與遼寧省旱澇特征的分析研究

        2021-04-23 08:57:40
        水利技術(shù)監(jiān)督 2021年4期
        關(guān)鍵詞:年均值太陽黑子旱澇

        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(duì)數(shù)可以得到反映,太陽活動(dòng)的強(qiáng)弱可以通過整個(gè)日面輻射能力的變化進(jìn)行反映[1]。太陽黑子數(shù)有連續(xù)可靠且記錄較長(zhǎng)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(zhǎng)期預(yù)報(bào)提供有利條件[2]。多項(xiàng)研究成果表明[2- 12],太陽黑子活動(dòng)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(dòng)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(cè)預(yù)報(bào)是其中非常重要的非工程措施之一[15]。為此本文對(duì)太陽黑子11年活動(dòng)周期極值年與遼寧旱澇特征關(guān)系進(jìn)行分析,并通過回歸方程建立月太陽黑子相對(duì)數(shù)與遼寧省盛夏、夏季降水量預(yù)測(cè)模型。

        2 太陽黑子相對(duì)數(shù)計(jì)算方法

        太陽黑子指數(shù)可用太陽黑子相對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算,方程為:

        R=K(10g+f)

        (1)

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

        在構(gòu)建太子黑子相對(duì)數(shù)預(yù)報(bào)模型時(shí),本文定義一個(gè)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(duì)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(jì)算1966—2015年前期月最大、月最小比例系數(shù)。

        3 太陽黑子相對(duì)數(shù)與遼寧省旱澇的對(duì)應(yīng)關(guān)系

        對(duì)太陽黑子11年活動(dòng)周期極值年與遼寧旱澇特征關(guān)系進(jìn)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(dòng)周期具有非常好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。首先看統(tǒng)計(jì)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(jì)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(dá)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(dòng)周期與遼寧省旱澇災(zāi)害有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系,因此可利用太陽黑子的活動(dòng)周期的趨勢(shì)變化預(yù)測(cè)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(jì)表

        圖1 太陽黑子相對(duì)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(duì)數(shù)預(yù)報(bào)模型的建立

        4.1 太陽黑子相對(duì)數(shù)月比例系數(shù)分析

        眾多分析認(rèn)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(duì)數(shù)年均值及其位相來刻畫太陽黑子的活動(dòng)情況會(huì)抹平年內(nèi)的變化特征,而應(yīng)當(dāng)細(xì)致的研究其變化,注意月際變化特征,同時(shí)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(dòng)位相與旱澇形式有著明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系,但是太陽黑子相對(duì)數(shù)的月際變化對(duì)大氣環(huán)流的影響比年均值更明顯,并且大氣環(huán)流對(duì)太陽黑子活動(dòng)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(jìn)行相關(guān)計(jì)算。本文分定義一個(gè)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(duì)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(jì)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(duì)應(yīng)關(guān)系,即當(dāng)年均值處于低值(m)時(shí),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(shí),前期月最大比例系數(shù)處于波谷,但波谷較平滑,對(duì)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(duì)應(yīng)關(guān)系,即當(dāng)年均值處于低值(m)時(shí),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(shí),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(duì)太陽黑子的低值年具有很好的指示作用。

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

        對(duì)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(duì)數(shù)的相關(guān)系數(shù)進(jìn)行分析,分析結(jié)果如圖2所示。

        圖2 不同時(shí)段降水與前期(前一年1月至當(dāng)年5月)太陽黑子相對(duì)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(yàn)。盛夏和夏季降水與太陽黑子呈現(xiàn)負(fù)相關(guān),且相關(guān)系數(shù)變化趨勢(shì)十分相似,其中最大負(fù)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(duì)值大于0.354)的檢驗(yàn)。由此可知,前一年太陽黑子的月變化對(duì)遼寧省夏季降水的影響的滯后時(shí)間在7—8個(gè)月。

        4.3 太陽黑子相對(duì)數(shù)預(yù)報(bào)回歸方程的建立

        為具體利用太陽黑子數(shù)預(yù)測(cè)降水量,下面降水前一年12月的太陽黑子相對(duì)數(shù)分別于盛夏、夏季降水進(jìn)行預(yù)報(bào)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(duì)數(shù)與降水量之間為負(fù)相關(guān)。以前一年12月太陽黑子相對(duì)數(shù)為自變量,盛夏、夏季降水量為因變量,建立預(yù)報(bào)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(duì)數(shù)與降水量之間的預(yù)報(bào)模型,據(jù)計(jì)算,根據(jù)此預(yù)測(cè)模型,預(yù)報(bào)值與觀測(cè)值的距平符號(hào)一直率高達(dá)72%和70%。

        4.4 太陽黑子相對(duì)數(shù)預(yù)報(bào)模型的驗(yàn)證

        由前面不同時(shí)段降水與前期太陽黑子相對(duì)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(duì)盛夏及夏季的降水量預(yù)測(cè)具有很好的指示作用,并建立了預(yù)測(cè)模型,由預(yù)測(cè)模型對(duì)2016—2018年的盛夏及夏季降水進(jìn)行預(yù)測(cè),驗(yàn)證結(jié)果見表2。

        表2 太陽黑子預(yù)測(cè)法的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

        5 主要結(jié)論

        (1)前期月最大比例系數(shù)對(duì)太陽黑子年均值具有很好的指示和預(yù)報(bào)作用。當(dāng)前期月最大比例系數(shù)超過3時(shí),第二年太陽黑子年均值會(huì)達(dá)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(duì)應(yīng)關(guān)系,即當(dāng)年均值處于低值(m)時(shí),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(shí),前期月最大比例系數(shù)處于波谷,但波谷較平滑,對(duì)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(duì)數(shù)分別于盛夏、夏季降水的預(yù)報(bào)模型。預(yù)報(bào)模型未能進(jìn)行置信度檢驗(yàn),在以后的研究中還需要對(duì)其進(jìn)行置信度檢驗(yàn)。

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