基于Morlet小波变换的全球变暖和飓风强度的建模与分析

李红双 李晓斌 臧鹏飞

摘 要：全球变暖和飓风频发已成为当前国际热点话题，引起人们的广泛关注，而目前对这两类问题还缺乏有效性的科学评估。本文以全球平均温度作为全球变暖的主要特征，以飓风强度（毫巴）作为飓风活动的主要特征，通过对数据的分析，基于Morlet小波变换建立数学模型，得出两者的变化规律；再结合建立的回归模型分析得出二者内在的联系：在不考虑极端天气等非正常因素的前提下，全球温度的变化与飓风强度的变化大致呈正相关，飓风强度的变化滞后于全球变暖，且二者之间相互影响。

关键词：全球变暖；飓风强度；Morlet小波变换；线性回归

引言

自二十世纪以来，全球气候变暖受到了各国政府和人民广泛的关注，已成为不争的全球性环境问题。许多气象学家都认为，这种趋势可能会持续下去。而飓风经常伴随着暴雨、巨浪和风暴潮，造成成百上千人的死亡。因此，准确测量全球变暖的程度和飓风活动的强度并估计两者之间的相关性，将为预防和减少相关灾害提供理论依据。

一、全球变暖程度和飓风活动强度的测量模型

（一）全球变暖程度的测量模型

温室气体浓度的上升以及海平面的上升、冰川消融等现象都与温度升高有关，可见，温度变化是全球变暖较为典型的特征。[1]因此，本文选择以全球平均温度为指标建立模型，测量全球变暖程度。经分析1880年—2015年历年全球平均温度的数据可知，近136年全球平均温度的变化是先下降，再上升，再下降又上升的过程，具有一定的规律性。

根据这一规律建立基于Morlet小波变换的全球变暖模型。通过模型分析可得：温度变化过程中存在多时间尺度特征。总的来说，存在着6年、14年、23年和31年四类时间尺度的周期变化规律，并且，在每一类尺度上，全球温度都是先由一个偏暖期进入到一个偏冷期，再从偏冷期过渡到偏暖期的变化过程，例如：1880—1895年为偏冷期，1890年为冷中心；1895—1915年为偏暖期，1900年为暖中心；1915年之后有相同的规律。可见温度在冷暖时期不断交替中逐渐上升。其中，最大峰值对应着31年的时间尺度，说明31年左右的周期震荡最强，为全球温度变化的第一主周期；14年的时间尺度对应着第二峰值，为第二主周期，23年和6年的时间尺度，依次为第三和第四主周期。表明，近136年里，全球平均温度主要在大尺度上变化。根据建立的模型和以上分析可计算得出在31年特征时间尺度上，全球平均温度变化的平均周期为22年左右，大约经历了6个冷暖转换期。

（二）飓风活动强度的测量模型

国际上不同的气象机构采用不同的风速来划分飓风的等级。目前，在提及飓风或其他风暴时通常使用毫巴为单位。经分析1880年—2015年历年全球飓风强度的数据可知，全球飓风强度在近136年里的变化是先下降，再上升，再下降又上升的过程，是具有一定规律性的时间序列。

根据这一规律性建立基于Morlet小波变换的飓风强度模型。通过模型分析可得：飓风强度的变化过程中同样存在多时间尺度特征。总的来说，存在着5年、7年、17年和27年四类尺度的周期变化规律。并且，在每一类尺度上，全球飓风强度都是先由一个偏强期进入到一个偏弱期，再从偏弱期过渡到偏强期的变化过程，例如：1880—1900年为偏强期，1890年为强中心；1900—1920年為偏弱期，1910年为弱中心；1920年之后有相同的规律。其中，27年和17年的时间尺度为全球飓风强度变化的第一主周期和第二主周期，5年和7年的时间尺度依次为第三和第四主周期。根据数据，还可发现在27年以及4—7年时间尺度上的周期变化表现非常稳定，而在17年时间序列上，1920年之前飓风活动强度的变化并不稳定，其后逐渐趋于稳定。根据建立的模型和以上分析可计算得出在27年特征时间尺度上，飓风强度变化的平均周期为17年左右，大约经历了8个强弱转换期。

二、全球变暖与飓风活动的相互影响

根据既得结论，可得全球温度以及飓风强度在时间序列上的变化都具有周期性，且周期变化规律具有一定的关联，由此我们假设全球变暖与飓风强度之间具有相关性。本文基于对近136年来全球平均气温与飓风强度的相关分析建立了两者之间的回归模型，并联系上文推测两者之间的相关性。

（一）全球变暖对飓风活动的影响

由建立的线性回归模型可知，随着温度的升高，全球飓风强度呈增大趋势。当全球地面平均气温升高0.25℃时，飓风发生频率增大27%；当气温升高0.75℃时，飓风发生频率将增大近1倍；当气温升高1.5℃时，飓风发生频率将增大2倍左右。由此可见，全球飓风发生频率与全球平均气温变化值之间存在明显的线性相关关系，这说明飓风的强度在一定程度上的确受全球变暖的影响。再结合上文，根据全球变暖程度及飓风活动强度在时间尺度上的变化周期，进一步分析得出飓风强度的变化滞后于全球变暖。

（二）飓风活动对全球变暖的影响

相关资料指出全球变暖与飓风的发生是相互作用的。[3]当热带地区变暖，蒸发就会加剧，从而使大气的水蒸气含量增加。而水蒸气作为一种重要的温室气体，其浓度增加时，便会使全球平均温度有所增加，即飓风也会对全球变暖产生一定的影响。

三、总结

全球变暖与飓风活动是相互作用的，全球变暖导致飓风活动频发，而飓风活动又加剧了全球变暖，是一个典型的恶性循环。因此采取措施抑制全球变暖十分必要。如减少温室气体的排放，使用清洁能源等。如果任由其发展，大自然的惩罚定会比飓风恐怖的多。保护环境，抑制全球变暖，功在当代，利在千秋。

参考文献

[1] 张祖群.全球气候变化：判定，应对与文化生产力释放[J].中国人口· 资源与环境，2012，22（专刊）.

[2]董雷娟.基于小波分析的海表温度变化特征研究[D].中国海洋大学，2013.

[3]支蓉，龚志强，王启光，赵俊虎.全球增暖和极端事件对全球温度场关联性的影响[J].气象学报，2012，70（4）.