陳靜

摘要 應(yīng)用灰色災(zāi)變理論對(duì)米易縣1965—2020年干旱年份進(jìn)行建模，預(yù)測(cè)米易未來(lái)可能出現(xiàn)的干旱年，以期為米易縣抗旱減災(zāi)工作提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞 灰色災(zāi)變理論;精度檢測(cè);干旱預(yù)測(cè)

中圖分類號(hào)：S342文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：2095–3305（2021）05–0071–02

干旱是全球普遍存在的一種自然災(zāi)害，具有發(fā)展緩慢、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、影響范圍廣的特點(diǎn)。近百年來(lái)，氣候顯著變暖加上社會(huì)快速發(fā)展，加劇了干旱的影響程度，增強(qiáng)了干旱的災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，干旱可直接導(dǎo)致水資源短缺，致使農(nóng)業(yè)和居民用水困難[1]。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人口膨脹，水資源短缺現(xiàn)象日趨嚴(yán)重，直接導(dǎo)致干旱地區(qū)擴(kuò)大且干旱化程度加重，干旱化趨勢(shì)已成為全球共同關(guān)注的問(wèn)題。干旱分為氣象干旱、農(nóng)業(yè)干旱、水文干旱，此處主要涉及氣象干旱，采用攀枝花地區(qū)春旱、夏旱、伏旱、秋旱、冬干標(biāo)準(zhǔn)。

提高干旱監(jiān)測(cè)和早期預(yù)警技術(shù)是應(yīng)對(duì)干旱及減輕干旱危害的基礎(chǔ)。目前，干旱預(yù)測(cè)方法主要有馬爾科夫鏈[2]、支持向量機(jī)[3]、BF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[4]、灰色系統(tǒng)，其中灰色系統(tǒng)運(yùn)用較多，灰色災(zāi)變預(yù)測(cè)是灰色預(yù)測(cè)模型之一，研究對(duì)象是災(zāi)害，由鄧聚龍[5]在1982年創(chuàng)立，是一種研究少數(shù)據(jù)、貧信息不確定性問(wèn)題的方法，其灰色GM（1，1）模型主要被用于單一主導(dǎo)因子擬合與預(yù)測(cè)，揭示其變化規(guī)律和可能發(fā)展趨勢(shì)[6]。王龍昌等[7]運(yùn)用灰色災(zāi)變理論較好地預(yù)測(cè)了寧南山區(qū)干旱;譚德權(quán)等[8]初步探索灰色理論在邵陽(yáng)地區(qū)大旱預(yù)測(cè)中的結(jié)果，還有不少將改進(jìn)的灰色模型用于干旱預(yù)測(cè)中，如韓會(huì)明等[9]將平移轉(zhuǎn)換和平均緩沖算子與灰色模型結(jié)合，邱俊楠等[10]建立灰色殘差模型對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化。

攀枝花市米易縣位于金沙江干熱河谷地區(qū)，年均降雨量1 101.2 mm，年均蒸發(fā)量2 178.5 mm，一年中88%降水集中在6—10月，干濕季分明，春旱、夏旱、冬干幾乎連年發(fā)生，雨季降水集中但時(shí)空分布極不均勻，仍有伏旱發(fā)生。10月雨季結(jié)束后，西南氣流減弱，降雨迅速減少，很快進(jìn)入干季，秋旱和冬干隨之而來(lái)，干旱預(yù)測(cè)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活具有重要意義。用傳統(tǒng)GM（1，1）預(yù)測(cè)米易未來(lái)20年的干旱年份，為抗旱減災(zāi)提供科學(xué)借鑒。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源和數(shù)據(jù)處理

采用米易國(guó)家站1966—2020年日降雨量數(shù)據(jù)，按照攀枝花市干旱標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)，3月1日—5月5日，其中任意連續(xù)30 d總降水量<12 mm定義為一次春旱;4月26日—7月5日，其中任意連續(xù)20 d總降水量<35 mm定義為一次夏旱;6月26日—9月10日，其中任意連續(xù)20 d總降水量<30 mm定義為一次伏旱;9月6日—11月20日，其中任意連續(xù)30 d總降水量<15 mm定義為一次秋旱;11月21日—2月28日，其中任意連續(xù)30 d總降水量<3 mm定義為一次冬干;由該標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)出米易干旱年。因米易11月—來(lái)年4月為干季，降雨稀少，按照此標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)的春旱、夏旱、冬干樣本數(shù)較大，不能體現(xiàn)當(dāng)年干旱代表性和嚴(yán)重程度，因此將挑選出≥60 d的春旱年、≥40 d的夏旱年、≥90 d的冬干年作為最終樣本基數(shù)據(jù)，伏旱和秋旱不變，因冬干有跨年，按冬干出現(xiàn)年統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)表1。

2 灰色災(zāi)變理論的原理和方法

2.1 灰色災(zāi)變理論預(yù)測(cè)原理

基于GM（1，1）灰色模型預(yù)測(cè)米易氣候干旱災(zāi)變，預(yù)測(cè)目的是確定干旱出現(xiàn)時(shí)間，通過(guò)對(duì)米易1965—2020年氣候數(shù)據(jù)可確定相關(guān)干旱災(zāi)變?cè)紨?shù)據(jù)，根據(jù)時(shí)間順序，由小到大依次排列，構(gòu)成GM（1，1）模型的原始數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)原理如下：

設(shè)干旱災(zāi)變的原始數(shù)據(jù)序列為：，再對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行一次累加以便弱化原始序列波動(dòng)性和隨機(jī)性，得到新數(shù)列。

根據(jù)灰色理論對(duì)x（1）建立一階一元微分方程GM（1，1）：，其中，-a，u分別稱為發(fā)展系數(shù)和灰色作用量，記a，u構(gòu)成的矩陣灰參數(shù)，只要求出參數(shù)a，u，就能求出，求出x（0）預(yù)測(cè)值。對(duì)累加生成數(shù)據(jù)做均值生成B與常數(shù)向量YN：

用最小二乘法求解灰參數(shù)，并求解得：。將上述結(jié)果累減還原得到預(yù)測(cè)值：。

2.2 對(duì)灰色模型進(jìn)行精度檢驗(yàn)

對(duì)建立的灰色模型進(jìn)行精度檢驗(yàn)，殘差為;

均值為;

方差為;

殘差均值為;

殘差方差為;

后驗(yàn)差比值為;

小誤差概率為。C值越小，預(yù)測(cè)誤差離散度越小，P值越大越好，誤差較小的概率大。預(yù)測(cè)精度等級(jí)對(duì)照表2。

3 米易干旱預(yù)測(cè)模型的建立和預(yù)測(cè)結(jié)果

3.1 米易縣不同干旱類型原始數(shù)列模型

≥60 d春旱：=（69，71，73，75，76，78，79，80，81，86，87，89，92，95，99，101，103，110，112，114，118，119）

≥40 d夏旱：=（67，77，79，82，83，86，88，91，93，96，97，105，115）

伏旱：=（67，69，70，73，75，78，79，81，92，94，102，108，111，116）

秋旱：=（67，69，78，79，81，84，85，86，87，89，97，102，106，107，109，115，117，119）

≥90 d冬干：=（68，69，71，73，75，77，78，83，84，85，88，95，96，108，109，110，112）

根據(jù)不同干旱類型建立GM（1，1）預(yù)測(cè)模型和精度檢驗(yàn)（表3）。

對(duì)比模型最終計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，所有干旱預(yù)測(cè)精度均達(dá)到一級(jí)，預(yù)測(cè)精度高，預(yù)測(cè)效果較理想，可用于米易干旱年預(yù)測(cè)。

3.2 米易近20年干旱預(yù)測(cè)結(jié)果

用G（1，1）預(yù)測(cè)模型對(duì)米易近20年干旱年預(yù)測(cè)（表4），結(jié)果顯示60 d以上的春旱在2023年、2026年和2030年有可能發(fā)生，有3—4年的發(fā)生周期。

40 d以上的夏旱在2023年、2027年、2032年、2036年可能發(fā)生，發(fā)生周期4—5年。結(jié)合春旱預(yù)測(cè)，2023年春夏可能有較嚴(yán)重的春夏連旱。

伏旱預(yù)測(cè)可能發(fā)生在2021年、2027年、2033年和2040年，伏旱6—7年發(fā)生一次。結(jié)合夏旱預(yù)測(cè)，2027年夏旱和伏旱可能連發(fā)，干旱較為嚴(yán)重。

秋旱預(yù)測(cè)在2024年、2028年、2032年、2037年可能發(fā)生，秋旱有4—5年周期。

90 d以上的冬干預(yù)測(cè)發(fā)生在2021年、2026年、2030年、2035年和2040年，嚴(yán)重冬干具有4—5年周期。

4 結(jié)語(yǔ)

旱成因復(fù)雜有自然和人為因素等，同時(shí)受大氣環(huán)流、海陸作用、土壤墑情等綜合影響。采用灰色災(zāi)變理論為單一主導(dǎo)因子的擬合和預(yù)測(cè)，對(duì)預(yù)測(cè)米易干旱趨勢(shì)有一定參考意義，結(jié)論可為干旱預(yù)測(cè)提供參考。

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責(zé)任編輯：黃艷飛

Application of Grey Catastrophe Theory in Meteorological Drought Prediction of Miyi

CHEN Jing （Miyi Meteorological Bureau， Miyi， Sichuan 617200）

Abstract The grey catastrophe theory is applied to model the drought years from 1965 to 2020 in Miyi County， and the possible drought years in the future are predicted. The conclusion can provide scientific basis for the work of drought resistance and disaster reduction in Miyi County.

Key words Grey catastrophe theory; Accuracy detection; Drought prediction