近50 a顺德气象灾害特征分析

2015-04-05招伟文黄文生杨云茜

中低纬山地气象 2015年5期

关键词：阴雨顺德雷暴

招伟文，黄文生，杨云茜

(广东省佛山市顺德区气象局，广东佛山 528300)

近50 a顺德气象灾害特征分析

招伟文，黄文生，杨云茜

(广东省佛山市顺德区气象局，广东佛山 528300)

采用统计分析方法、最大熵谱分析和方差分析等方法对顺德区1959—2013年包括冷冬、高温、降雨、雷暴、低温阴雨等气象灾害进行了统计，结果表明：近56 a顺德暖冬气候趋势明显；60年代中期—70年代是严重冷冬事件的集中期，而90年代和21世纪初没有出现过严重冷冬事件；冷指数的气候变化最显著的周期震荡是6.2 a；严重多雨气候灾害年共8 a，最大显著的周期震荡是5～6 a；顺德雷暴变化与气候变暖的关系不明显；雷暴日最大周期是14 a；1960—2013年顺德年高温日数显著增多；1975年开始这种增多趋势十分显著，可能突变时间区域是80年代；用方差周期迭加外推法预报2015年低温阴雨爆发日期为2月23日。

气象灾害；顺德；最大熵谱分析；方差分析

1 引言

气象灾害是影响社会经济发展的主要因素之一，顺德是个气象灾害多发城市，作为全国百强县，经济发展迅速的同时，防灾减灾工作也日益重要，有研究指出[1]在同等的灾害强度下面，经济越发达，灾害造成的经济损失就越大，因此对顺德地区气象灾害做全面的分析总结，对气象灾害的预测和防灾减灾均有重要意义。

近年来，省内外各地均有对区域气候做特征分析，但对气象灾害研究相对较少。冯佩芝等人分析了1951—1980年中国主要气象灾害，对30 a来全国11种气象灾害进行了全面的总结；张宇发[3]分析了贵州气候灾害近50 a变化趋势，但这些研究多针对全国或区域范围，对顺德本地出现气象灾害难有全面分析研究。

本文试图分析顺德建站以来(1958年12月)出现的各类严重气候灾害，包括冷冬、高温、降雨、雷暴、低温阴雨等，探讨其发生的规律和各序列的周期性，并简要分析历年严重的天气灾害。

2 资料来源与处理方法

顺德区国家气象站有完整的气象观测资料序列，代表着顺德地区的气候状况和变化趋势。对顺德气象站1959—2013年气温、降水、高温、雷暴、低温阴雨等资料用数理统计线性倾向估计、5 a滑动平均分析气候变化趋势特征，用相关系数检验和F检验等检验其置信度。用最大熵谱分析方法研究各序列周期震荡；对年高温日采用Mann-Kendall和滑动MTT突变检验；利用方差分析周期迭加作外推预报2015年低温阴天初日日期。

3 结果与分析

3.1 冷冬

在广东受寒潮和强冷空气影响，或受持续补充的冷空气影响，都可能出现低温和霜冻。低温常使越冬的热带、副热带作物、水产养殖、禽畜等受冻害，以致减产或死亡[4]。低温也属于灾害性天气。

杨万春[5]等利用冷指数Zi来确定冷、暖冬气候事件，即用12月—次年2月日最低气温≤5℃天数的标准化值和最长持续冰冻天数的标准化值相加。虽然顺德几乎不出现持续冰冻，但也符合广东气象确定日最低气温≤5℃为低温冷害天气，同时日平均气温≤10℃也是衡量寒冷的指标，寒冷预警信号的发布也与此有重要联系。

本文利用符合本地冷指数Zi来确定冷冬气候灾害：即用12月—次年2月日最低气温≤5℃天数的标准化值和日平均气温≤10℃的标准化值相加：

(1)

从冷指数的线性倾向图看(图中曲线为冷指数曲线，直线为线性倾向直线，倾向值为-0.052 2，顺德冬季冷指数呈较明显的下降趋势，相关系数R=0.45，取自由度n-2，查表得R(α=0.01)=0.341 5，通过显著性检验，说明近56 a中顺德暖冬气候趋势明显，这与全球变暖大气候背景相符合。

图1 顺德冬季冷指数曲线趋势

根据WMO规定将距平值达2 σ(σ为标准差)的事件为异常气候，王绍武等人将约10 a一遇，即距平值≥1.3 σ的事件定为严重气候事件。因本文资料序列不很长，因此8～10 a一遇出现气候灾害定为严重气候灾害。表1为用冷指数确定的约10 a一遇的严重冷冬事件，可见60年代中期—70年代是严重冷冬事件的集中期，其中1976年12月—1977年2月最为严重，而90年代和21世纪初没有出现过严重冷冬事件，连2008年雨雪冰冻年也没有出现。用冷指数确定的约10 a一遇的严重暖冬事件只有2 a(1956年12月—1957年2月和2006年12月—2007年2月)。

表1 严重冷冬事件

最大熵谱分析是对连续功率谱的分析的突破，是以确定时间序列的参数模式，它具有分辨率高、适用于短序列等优点。最大熵谱最流行的算法是Burg算法，建立适当阶数的自回归模型，并递推出各阶自回归系数再利用下式计算出熵谱值。

(2)

将计算出的最大熵谱谱密度绘成图，如果谱密度有尖锐的峰点，其对应的周期就是序列存在的显著周期，一般峰区越强，周期越显著[6-7]。

现利用最大熵谱分析冷指数的周期特征，图2显示，冷指数最显著周期超出样本周期序列，在样本周期内，冷指数的气候变化有2个明显的波峰，最显著的周期震荡是6.2 a，其次为3.1 a。

图2 顺德冷指数最大熵谱分析

3.2 多雨

广东4—9月是汛期，顺德汛期平均雨量达1 361.9 mm，占全年雨量的82%，因降雨造成的城市内涝主要发生在汛期内，汛期雨量与年雨量的相关系数达0.91，因此可用汛期雨量来分析多雨气候灾害。满足距平值≥1.3 σ的顺德严重多雨气候灾害年共8 a，分别为1959、1961、1965、1981、1993、2001、2006、2008年，年雨量均超2 100 mm，其中1965年雨量最大，也是顺德洪涝最严重的一年。2000年后共出现3次有严重多雨气候灾害趋于明显的趋势，这与近10 a顺德经济高速发展是否有关系仍有待我们做进一步研究。

分析汛期降水的时间序列图(图3)，从多项式拟合曲线看，顺德汛期降雨存在3个明显的阶段性变化，20世纪50年代末—60年代中期为多雨期，60年代中—90年代末为少雨期，90年代末至今为多雨阶段。最大熵谱分析显示(图4)，该序列最显著的周期震荡是5～6 a，其次为2～3 a。这与张小丽[2]研究的深圳汛期降水的周期震荡有相同之处。

图3 顺德汛期降水距平百分率的年时间序列

图4 顺德汛期雨量最大熵谱

3.3 多雷暴

顺德年平均雷暴日高达78 d，每年仅雷电造成的经济损失近1千万，以下对顺德雷暴观测资料分析雷暴日的气候特征，以期为顺德防雷减灾提供依据。

从年雷暴日数序列可知，最多年份可高达114 d，最少年份也有54 d。按照其距平大于1.3倍标准差计算，严重的雷暴气候灾害年有6 a，分别为1959年(114 d)，1960年(106 d)，1961年(106 d)，1962年(100 d)，1972年(98 d)，1975年(108 d)。

可见60—70年代是严重的雷暴气候灾害集中期，这时期也是顺德气温偏低时期，利用顺德气候资料对两者进行相关分析，其相关系数R未能通过显著性水平(α=0.05)检验。由表2可见，顺德年平均雷暴日的年代际气候倾向率呈上升趋势，而年平均气温年代际气候倾向率没有呈现下降趋势，这与广东有不同之处，表明顺德雷暴变化与气候变暖的关系不明显。

表2 顺德1959—2013年平均气温和雷暴日

另外，对雷暴日序列进行最大熵谱分析显示，最大周期是14 a。

3.4 高温

日最高气温≥35℃的天气称为高温天气，热浪。高温天气作为高影响天气中一种，持续高温天气给工农业生产、交通安全和人们的日常生活带来严重影响。顺德区1960—2013年平均高温日数14.7 d，从多年变化趋势和5 a滑动平均(过滤掉气象要素的小波不稳定性，得到一个大致的趋势)看出20世纪60年代至今顺德年高温日处于波动上升的趋势。其相关系数r =0.84，相关系数通过α=0.01显著性检验，认为相关系数是显著的，1960—2013年顺德年高温日数显著增多(图5)。

图5 顺德高温日数距平图

对年高温日数进行Mann-Kendall突变检验(图6)，UF数基本大于0，表明序列明显上升趋势，1975年开始这种增多趋势均大大超出显著性水平0.05临界值，甚至超过0.001显著性水平，表明顺德年高温日增多趋势是十分显著的。根据UF与UB曲线交点位置，确定顺德年高温日数在80年代增多是一个突变现象，具体可能从1987年开始，但由于交点未在置信区间内，因而用滑动t检验(MTT法)作进一步检验(图7)。取步长为5 a，自由度v=8，t0.01=±3.36。图可见1975年出现突变，结合MK检验结果表明突变点为1975年。虽然两种突变检验具体突变时间点不存在一致性，但趋势变化上仍大致同步。

图6 顺德高温日的MK检验图

图7 顺德高温日数滑动t检验图

年高温日数最高出现在2011年(45 d)，最少出现在1964年(1 d)。特别是2000年以来，年高温日基本在20 d以上。对2000年后年高温日数(2000—2013年)是否与其它年份(1960—1999年)显著不同，进行方差显著性F检验[6]：

(3)

F=0.78，自由度v1=13，v2=39查F分布表得Fv1,v2,a/2=0.42，F>Fa/2表明两个气候状态差异是显著的。

3.5 低温阴雨

气象上表征低温阴雨有两条标准：日平均气温≤12℃，连续3 d或以上；日平均气温≤15℃，每天日照时数≤2 h，连续7 d或以上，凡在2月1日—4月30日出现天气过程符合上述标准之一记为一次低温阴雨，得到顺德1959—2013年年低温阴天初日日期序列(以2月1日定为1，2月2日定为2，如此类推)。现利用方差分析周期迭加及外推预报2015年低温阴天初日日期。

利用方差分析作周期分析，其原理是把时间序列进行一定的时间间隔分组，利用分组后的不同组数据方差大小(组间差异大小)进行分析比较确定可能存在的周期[8]。

构造统计量：

(4)

F符合自由度F(b-1，n-b)。给定信度，查F分布表，若F≥Fa，拒绝原判假设，判断各组之间的数学期望有明显差异，即组间差异大于组内差异，序列呈b长度周期显著。

将年低温阴雨初日日期分别按2，3，…n/2各种长度排列分组，求出各种排列情况下的F值。经F检验，从能通过检验的选最大F值所对应的周期为显著周期。

表3 顺德低温阴雨初日2～22周年方差分析计算值及检验值

(注：L1为组间离差平方和，L2组内离差平方和，f1、f2自由度)

通过计算各种可能周期，从表3得出5周期为顺德低温阴雨初日第1周期，其组平均值就是第1周期的位相值，分别为4、11、13、4、5。先将原序列减去第1主周期位相值，得一剩余序列，该剩余序列就是原序列中第1主周期未能拟合的部分，也是寻找第2主周期的新序列[9-10]，对该新序列重复第1步过程，得出只有周期15时，F15=2.55>F0.05=1.94通过检验，所以求得第2主周期为15周期，其组平均值为第2主周期的位相值：2、-9、3、1、6、0、-1、7 、0、-3 、-3、12、-11、-2、-2。重复以上步骤，可以得出第3主周期，发现未有能通过检验的排列。因此认为序列中再也没有显著的周期了，周期分析结束，将5 a、15 a位相值进行历史迭加得出方差分析的周期如图8。

图8 方差分析周期拟合

从图8可知，两周期迭加拟合程度良好，可以利用方差分析周期迭加作外推预报2015年低温阴天初日日期11+12=23，表示2015年低温阴天爆发日期为2月23日。该方法的均方误差：

(5)

用方差周期迭加外推法预报2015年低温阴雨爆发日期与实际日期平均相差5 d多一点。用2014年低温阴雨初日进行检验，预测2014年低温阴雨初日日期1+5.6≈6.6(即为2月6—7日)，而实际2014年低温阴雨初日为2月8日。

4 总结

①从冷指数的线性倾向图看近56 a中顺德暖冬气候趋势明显；冷指数确定的约10 a一遇的严重冷冬事件，可见20世纪60年代中期—70年代是严重冷冬事件的集中期，而90年代和21世纪初没有出现过严重冷冬事件；冷指数的气候变化有2个明显的波峰，最显著的周期震荡是6.2 a，其次为3.1 a。

②顺德严重多雨气候灾害年共8 a；2000年后共出现3次有严重多雨气候灾害趋于明显的趋势；分析汛期降水的时间序列图，从多项式拟合曲线看，顺德汛期降雨存在3个明显的阶段性变化，20世纪50年代末—60年代中期为多雨期，60年代中—90年代末为少雨期，90年代末至今为多雨阶段。最大熵谱分析显示最显著的周期震荡是5～6 a，其次为2～3 a。

③严重的雷暴气候灾害年有6 a。分析顺德年平均雷暴日的年代际气候倾向率和年平均气温年代际气候倾向率，表明顺德雷暴变化与气候变暖的关系不明显；雷暴日序列进行最大熵谱分析显示，最大周期是14 a。

④1960—2013年顺德年高温日数显著增多；1975年开始这种增多趋势十分显著，可能突变时间区域是80年代；方差显著性F检验表明2000—2013年与1960—1999年两个气候状态差异是显著的。

⑤方差分析表明年低温阴雨爆发日期第1主周期为5 a，第2主周期为15 a；用方差周期迭加外推法预报2015年低温阴雨爆发日期为2月23日，与实际日期平均相差5 a多一点。

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