基于分形理論的氣候變化預(yù)測中國近50年降水變化趨勢及突變的Hurs指數(shù)試驗

基于分形理論的氣候變化預(yù)測中國近50年降水變化趨勢及突變的Hurs指數(shù)試驗

降水氣候變化包括降水和雨日氣候變化，但多年來的研究將兩者分為不同的部分。大量研究相對集中在降水[1、2、3、4、5、6、7、8、9、10]，而降雨日的研究很少。在研究方向上，降水的時空分布和變化趨勢主要是頻繁的，而降水和降雨日的未來發(fā)展趨勢的結(jié)論和預(yù)測相對較少。為了解決降水變化中的突變以及對未來降水變化趨勢做出科學(xué)推斷和預(yù)測,本研究對中國降水變化中的突變以及未來降水變化趨勢進行了綜合研究。推斷和預(yù)測未來氣候變化是氣候研究中的前沿課題。而氣候突變又將是氣候變化中的熱點和難點。這主要是由于氣候突變是非線性的,是突然發(fā)生的,它的出現(xiàn)往往會超出當前人類的預(yù)測能力,因此應(yīng)用各種方法和手段研究突變的特征,探索其產(chǎn)生的機制,并預(yù)測其未來變化,防患于未然,就成為科學(xué)家的一項重任。目前,對于未來氣候變化的預(yù)測主要有兩類方法,一是從氣候動力學(xué)模型出發(fā),二是從氣候資料及氣候代用資料的統(tǒng)計擬合規(guī)律入手,計算出表征氣候變化的氣候要素特征值,再依據(jù)氣候要素特征值的變化曲線來推斷未來氣候。這種預(yù)測結(jié)果往往是歷史擬合很好,而未來的變化,特別是氣候的突變則往往與實際情況有較大出入。分形理論(FractalTheory)是20世紀70年代中期以來發(fā)展起來的一種橫跨自然科學(xué)、社會科學(xué)和思維科學(xué)的新理論,它主要研究和揭示復(fù)雜的自然現(xiàn)象和社會現(xiàn)象中所隱藏的規(guī)律性、層次性和標度不變性,為人們通過部分認識總體、從有限中認識無限提供了一種新的工具。分形理論是在“分形”概念的基礎(chǔ)上升華和發(fā)展起來的,它是一種全新的思維方式。在復(fù)雜多變的氣候變化研究中,分形理論和方法最大的價值就在于利用連續(xù)氣候資料對未來氣候變化趨勢做出科學(xué)預(yù)測。這就是新近發(fā)展起來的研究時間序列的分形理論——R/S分析法。R/S分析法能對未來氣候變化的總體趨勢做出預(yù)測和推斷。這種未來總體變化趨勢一般有兩種表現(xiàn)形態(tài),一是長期相關(guān)性特征表現(xiàn)為持續(xù)性,即未來變化與過去相似,是正趨勢。二是長期相關(guān)性特征表現(xiàn)為反持續(xù)性,即未來變化與過去變化相反,是反趨勢。對未來的氣候變化不但要預(yù)測推斷其變化趨勢,以及趨勢中的每一種狀態(tài)所持續(xù)的時間,而且還要找出有無氣候變化的轉(zhuǎn)折點,并進一步判斷這種轉(zhuǎn)折是否就是氣候突變。所有這些R/S分析法是無法解決和完成的,為了解決上述一系列問題,我們試圖通過試驗來突破R/S分析法的這種局限,由此設(shè)計了兩種Hurst指數(shù)試驗,通過對比試驗研究,確立了年降水20年試驗對于降水變化中突變點的確定,以及對未來變化趨勢的預(yù)測有一定的意義和價值。最后通過年降水20年試驗,研究了中國五大區(qū)降水突變情況,并對未來降水變化趨勢進行了預(yù)測。1數(shù)據(jù)和方法1.1月日降水量特征根據(jù)國家氣象信息中心氣象資料室(中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng),http://cdc./)提供的722個臺站的降水資料,分別統(tǒng)計整理出我國東部北方區(qū)、南方區(qū),西北區(qū),西南區(qū)和青藏高原五大降水區(qū)的平均年雨日及平均年降水量。其中東部南方區(qū)包括華南區(qū)、江南區(qū)、長江中下游區(qū)及淮河區(qū)4個小區(qū)域;東部北方區(qū)包括華北區(qū)、內(nèi)蒙古區(qū)、松遼平原區(qū)及興安嶺區(qū)4個小區(qū)域;西南區(qū)包括四川、貴州、云南3個小區(qū)域;西北區(qū)包括了南疆和北疆兩區(qū),以及河西區(qū),河套區(qū);青藏高原包括以西藏、青海為主的高原區(qū)(圖1)。雨日定義為日降水量大于等于0.0mm(有雨無量)的日數(shù),先由日降水量資料統(tǒng)計整理出月雨日數(shù),再由月雨日數(shù)累加而成年雨日。最后分別得出我國五大區(qū)域的平均年雨日及平均年降水量。1.2時間序列分形R/S分析法(RescaledRangeAnalysis,簡稱R/S分析)最早由英國科學(xué)家赫斯特(H.E.Hurst)提出,后經(jīng)Mandelbrot和Wallis補充完善,發(fā)展成為研究時間序列的分形理論。根據(jù)R/S分析法的原理和方法,應(yīng)用DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對中國五大區(qū)的年雨日、年降水量選取各自不同的τ值進行R/S分析,由五大區(qū)年雨日、年降水量的R/S分析結(jié)果圖(圖略)及所得到的Hurst指數(shù)可知五大區(qū)的年雨日及年降水量存在著明顯的Hurst現(xiàn)象(表1)。2試驗設(shè)計中的hurst指數(shù)2.1用r/s分析方法預(yù)測氣候變化的局限性R/S分析法用氣候要素時間序列計算出Hurst指數(shù),Hurst指數(shù)能很好地揭示出氣候要素時間序列的趨勢性。當0.5<H<1.0時,表明時間序列的長期相關(guān)性特征為持續(xù)性,Hurst指數(shù)值越接近1.0,持續(xù)性就越強。當0.0<H<0.5時,表明時間序列的長期相關(guān)性特征為反持續(xù)性,H值越接近0.0,反持續(xù)就越強,R/S分析法的重要應(yīng)用價值就在于用Hurst指數(shù)的趨勢性成分對未來氣候變化趨勢進行預(yù)測。對R/S分析法作預(yù)測進行了大量研究后發(fā)現(xiàn):用Hurst指數(shù)對未來氣候變化所做的預(yù)測僅僅是一個趨勢性的總體輪廓預(yù)測。這種趨勢性有兩種表現(xiàn)形態(tài),正趨勢表示未來變化與過去有一定的自相似性;反趨勢則表示未來與過去具有完全相反的變化。而氣候變化是復(fù)雜的,復(fù)雜性表現(xiàn)為氣候變化在多種尺度上具有突變特征[17,18,19,20,21,22]。氣候突變實則就是氣候從一種穩(wěn)定態(tài)跳躍式的轉(zhuǎn)變到另一種穩(wěn)定態(tài)的現(xiàn)象。它表現(xiàn)為氣候在時空上從一個統(tǒng)計特性到另一個統(tǒng)計特性的急劇變化。從溫度變化來看,氣候變化在多種尺度上都有冷暖突變;從降水時間變化和空間分布來看具有干濕旱澇突變;從系統(tǒng)的性態(tài)來看,又存在著不同性態(tài)之間的突跳。由此看來,用R/S分析法對未來氣候變化所做的預(yù)測確實存在著局限性。其局限性就在于它不能解決(1)氣候變化中氣候的一種穩(wěn)定態(tài)將會持續(xù)多長時間,在百年尺度內(nèi),是5年,10年,20年,還是更長?(2)什么時候氣候?qū)囊环N穩(wěn)定態(tài)跳躍式地轉(zhuǎn)變到另一種穩(wěn)定態(tài)?(3)另一種穩(wěn)定態(tài)又將會持續(xù)多長時間?為了研究中國降水的變化趨勢及突變點,我們設(shè)計了Hurst指數(shù)試驗方案。期望突破R/S分析法,在趨勢分析及對未來的預(yù)測中所存在的局限,從而對降水量減少(增加)所持續(xù)的時間以及降水氣候變化突變點的確定進行深入探索。2.2基于hurst指數(shù)的試驗Hurst指數(shù)的試驗由兩部分構(gòu)成。第一部分為中國五大區(qū)降水的年際變化趨勢。通過(圖2)展示中國五大區(qū)雨日降水量的年際變化。同時做直線擬合表現(xiàn)變化趨勢。第二部分為Hurst指數(shù)的兩個試驗。試驗1是系列長度為20年的年雨日和年降水量的Hurst指數(shù)試驗。以下簡稱年雨日(年降水量)20年試驗。其方法是從年雨日(年降水量)資料開始年起,計算第一個20年序列的Hurst指數(shù),第二年計算第2個20年序列的Hurst指數(shù),以此類推,連續(xù)計算構(gòu)成一個Hurst指數(shù)序列,并由此繪制年雨日(年降水量)20年試驗結(jié)果圖(圖3)。試驗1是以20年為序列長度,資料年代為序,依次計算所形成的一個大樣本(n>30)的Hurst指數(shù)序列。試驗2為是時間依序逐年累加的Hurst指數(shù)試驗。以下簡稱年雨日(年降水量)累加試驗。方法是年雨日(年降水量)資料起始年為20年,計算第一個Hurst指數(shù),然后增加一年,即21年計算第二個Hurst指數(shù),以此類推,連續(xù)計算,組成一個Hurst指數(shù)序列。一并繪制年雨日及年降水量的累加試驗結(jié)果圖(圖3)。試驗2是20年開始按資料的年代為序,依次累加1年所形成的一個大樣本(n>30)的Hurst指數(shù)序列。通過Hurst指數(shù)試驗方案中兩部分的配合,探索解決中國五大區(qū)降水氣候變化的趨勢及降水氣候變化的突變。3結(jié)果分析3.1中國五大區(qū)hrst指數(shù)的持續(xù)性中國五大區(qū)年雨日的變化趨勢雖有著各自不同的氣候傾向率,但都有著完全一致的減少趨勢(圖2)。通過年雨日20年試驗(圖3)與之對應(yīng),可看到以下特點:(1)中國五大區(qū)年雨日Hurst指數(shù)雖有高低起伏變化,但Hurst指數(shù)卻始終大于0.5,這一突出特點表明年雨日減少趨勢具有持續(xù)性。它將始終保持長期相關(guān)性特點。(2)Hurst指數(shù)始終大于0.5還表示年雨日20年試驗的大樣本序列中不存在小于等于0.5的轉(zhuǎn)折點。中國五大區(qū)年雨日今后仍將繼續(xù)減少,期間不存在年雨日減少轉(zhuǎn)折為年雨日增加的氣候突變點。(3)中國五大區(qū)Hurst指數(shù)的持續(xù)性強度若以大于等于3級進行統(tǒng)計,其樣本數(shù)為114,占總樣本數(shù)159的71%,表明Hurst指數(shù)的主體在3～5級范圍內(nèi)變化。未來五大區(qū)域年雨日依照各自的氣候傾向率減少,其減少的趨勢性相當強。年雨日累加試驗的設(shè)計表明,它是依年序逐年依次累加而得到的一個Hurst指數(shù)序列。當所有的Hurst指數(shù)都大于0.5時,這種累加的結(jié)果會使Hurst指數(shù)產(chǎn)生“疊加效應(yīng)”。于是產(chǎn)生了“直線上升”、“波狀上升”及“平穩(wěn)上升”等趨勢。由此看到的累加試驗表現(xiàn)出了總體上升趨勢的結(jié)果。(圖3)3.2藏族區(qū)降水特征中國年雨日有著完全一致的減少趨勢。而中國年降水量則有著多樣化的變化特點。其中,東部北方區(qū)和西北的年降水量基本同屬減少趨勢,東部南方區(qū)和西南區(qū)則為增加趨勢。而青藏高原區(qū)自1955-1990年是減少趨勢,1991年以后為增加趨勢(圖3)。分述如下:3.2.1u型谷生長特點年降水量有著十分明顯的減少趨勢(圖2①)。氣候傾向率為-15.3mm/10a,其減少速率居五大區(qū)之首。通過年降水量20年試驗(圖3①,附表1)與之對應(yīng),便可看到如下3個突出特點:(1)年降水量20年試驗曲線為波狀,其中“U”字型谷特別明顯。自1961年開始直到1968年,有連續(xù)8個20年試驗序列中的Hurst指數(shù)小于0.5,構(gòu)成了U型谷的左側(cè)。U型谷底的H=0.3129。(2)1961-1980年的20年試驗中,Hurst指數(shù)開始出現(xiàn)了小于0.5的0.4880。此后連續(xù)7個20年試驗的Hurst指數(shù)都小于0.5。1981年的年降水量開始增加,降水量增加而出現(xiàn)的上升趨勢十分明顯(圖2①)這種上升趨勢一直持續(xù)了8年之久。1969-1988年的20年試驗,Hurst指數(shù)又轉(zhuǎn)為大于0.5的0.5942,這里先后出現(xiàn)了兩個氣候突變點。第一個出現(xiàn)在1961-1980年的20年試驗中,將它定為H1198011980突變點。H1198011980是Hurst指數(shù)由持續(xù)性轉(zhuǎn)折為反持續(xù)性的突變點。年降水量則自1981年起由減少開始轉(zhuǎn)變?yōu)樵黾?。第二個出現(xiàn)在1969-1988年的20年試驗中,將其定為H2198821988。H2198821988是Hurst指數(shù)由反持續(xù)性轉(zhuǎn)為持續(xù)性的突變點。年降水量自1989年起由增加變?yōu)闇p少。(3)自1989年以后的14個20年試驗中,Hurst指數(shù)一直大于0.5。因此從降水年際變化曲線上也就出現(xiàn)了降水減少的長期相關(guān)性特征。由此可以推測未來10年東部北方區(qū)仍將按其氣候傾向率,平均每10年降水量減少15.3mm。3.2.2降水變化的變化年降水量為減少趨勢(圖2②),氣候傾向率為-6.2mm/10a。由年降水量20年試驗(圖3②)與之對應(yīng)可看到本區(qū)與東部北方區(qū)相似的特點。年降水量20年試驗曲線仍是波狀起伏,也有U型谷。1962-1981年的20年試驗中Hurst指數(shù)開始出現(xiàn)了小于0.5的0.4869。降水變化也就趨勢出現(xiàn)了由持續(xù)性向反持續(xù)性的轉(zhuǎn)折。1982年降水量增加到313.0mm,超過了多年平均值。H1198111981為第一個降水氣候變化突變點,其后Hurst指數(shù)為不連續(xù)的波狀變化。直到1966年開始后的連續(xù)18個20年試驗的Hurst指數(shù)值一直大于0.5,降水變化趨勢出現(xiàn)了由反持續(xù)性向持續(xù)性的轉(zhuǎn)折。第二個降水量氣候變化的突變點為H2198521985。Hurst指數(shù)值為0.6387。圖2②中降水量變化趨勢有著很好的對應(yīng)關(guān)系。由此可推測未來10年西北區(qū)將依氣候傾向率平均每10年降水量減少6.2mm。無論是東部北方區(qū)還是西北區(qū),降水量累加試驗所表現(xiàn)出的是一條相對平滑平穩(wěn)的旱澇變化的曲線(圖3①②)。通過試驗,可以看出,它們不能表現(xiàn)兩區(qū)域降水量變化的轉(zhuǎn)折。究其原因,主要是Hurst指數(shù)在逐年依次累加過程中,將Hurst指數(shù)值中小于0.5的部分因累加而不能顯現(xiàn)所致。3.2.3年試驗時降水的長期相關(guān)性特征年降水量雖表現(xiàn)出起伏很大的波狀變化趨勢,但總趨勢卻是在增加的(圖2③),氣候傾向率為15.4mm/10a,其增加的速率在全國五大區(qū)中位居第一。通過其20年試驗(圖3③)與之對應(yīng),可看出以下顯著特點:年降水量20年試驗曲線雖有波狀起伏,但其年降水量Hurst指數(shù)值都大于0.5;表明年降水量增加的趨勢始終保持著長期相關(guān)性特征。未來降水量仍將增加。另一方面也表示20年試驗的大樣本序列中Hurst指數(shù)沒有出現(xiàn)小于等于0.5的轉(zhuǎn)折點。經(jīng)統(tǒng)計,在20年試驗中,Hurst指數(shù)的持續(xù)性強度大于等于3級的樣本數(shù)為24,占總樣本數(shù)的80%。這表明,東部南方區(qū)的Hurst指數(shù)總體在3～5級范圍內(nèi)變化;未來10年降水量將依氣候傾向率繼續(xù)增加的態(tài)勢是明顯的。20年累加試驗中由于疊加效應(yīng),其曲線始終在大于0.5的范圍內(nèi)波狀變化(圖3③)。3.2.4h-80年測定方法本區(qū)年降水量有著十分微弱的增加趨勢(圖2④),氣候傾向率為0.5mm/10a。是五大區(qū)中降水量增加速率最小的一個區(qū)。通過年降水量20年試驗(圖3④)與之對應(yīng),可看出以下特點:1961-1980年的年降水量20年試驗中,Hurst指數(shù)值也出現(xiàn)了一次小于0.5的0.4719。Hurst指數(shù)的這一轉(zhuǎn)折從圖2④的降水量年際變化曲線上可以看出:降水量減少,曲線下滑。但我們認為尚不構(gòu)成突變點,因為這次Hurst指數(shù)躍變?yōu)樾∮?.5并沒有保持穩(wěn)定,隨即躍遷回原態(tài)。所以,將H1980稱之為異常事件,而非氣候突變點。從1964年之后的20個20年試驗中,Hurst指數(shù)不但一直大于0.5,而且一路攀升,由此可以推斷,西南區(qū)未來降水量依氣候傾向率仍將有微弱增加趨勢。3.2.5保持降水氣候變化的突變點降水量年際變化曲線的波狀變化頻率相對較高(圖2⑤)。自1955-1991年降水量為減少趨勢。氣候傾向率為-2.6mm/10a。自1992年以后轉(zhuǎn)折為增加趨勢。氣候傾向率為31.4mm/10a。通過年降水量20年試驗(圖3⑤)與之對應(yīng)可看出如下特點:(1)1963-1982年的試驗中,Hurst指數(shù)值出現(xiàn)了小于0.5的0.488。降水變化趨勢發(fā)生轉(zhuǎn)折。由此出現(xiàn)了自1983-1986年降水量增加而曲線上升趨勢。由此,H1198211982為第一個降水量氣候變化突變點。此后1968-1987年的20個試驗中Hurst指數(shù)值轉(zhuǎn)為大于0.5的0.6093。降水回歸原減少趨勢。H2198721987為降水氣候變化的第二個突變點。1972-1991年的20年試驗中,Hurst指數(shù)值又一次出現(xiàn)了小于0.5的0.4655。降水變化發(fā)生轉(zhuǎn)折。由原來的減少趨勢轉(zhuǎn)變?yōu)樵黾于厔?。此?從1973年開始的12個20年試驗中,Hurst指數(shù)連續(xù)小于0.5,于是出現(xiàn)了自1992年起的降水增加趨勢(圖3⑤)因此,H3199131991就是本區(qū)降水氣候變化的第三個突變點。由此可推斷,青藏高原區(qū)未來10年降水量依氣候傾向率有繼續(xù)增加的趨勢。西南區(qū)和青藏高原區(qū)的降水量累加試驗所得出的仍然是一條平穩(wěn)上升的曲線(圖3④⑤)。它們不能表現(xiàn)區(qū)域降水量變化的轉(zhuǎn)折。4結(jié)論和討論(1)氣候變化的突變點在我國中小企業(yè)體現(xiàn)了一個人20年試驗?zāi)芎芎梅从辰邓疇顟B(tài)的轉(zhuǎn)折。當Hurst指數(shù)的系列值由大于(小于)0.5轉(zhuǎn)變?yōu)樾∮?大于)0.5時,一般次年的降水狀態(tài)就會發(fā)生逆轉(zhuǎn)。從降水年際變化曲線上可以明顯看出原來的減少(增加)趨勢轉(zhuǎn)變?yōu)樵黾?減少)趨勢。我們把開始發(fā)生轉(zhuǎn)折的Hurst指數(shù)系列值所對應(yīng)的時間定為氣候變化的突變點,我國東部北方區(qū)的H1198011980和H2198821988,西北區(qū)的H1198111981和H2198521985,以及青藏高原區(qū)H1198211982、H2198721987和H3199131991,都是降水氣候變化的突變點。突變點次年降水狀態(tài)發(fā)生了跳躍式的突變。年降水量20年試驗中所確定的突變點具有一定的科學(xué)預(yù)測意義和價值。降水量累加試驗所得到的曲線,是一條平滑的曲線。試驗結(jié)果證明,它不能表現(xiàn)區(qū)域降水變化趨勢的轉(zhuǎn)折。其原因在于累加的結(jié)果使之產(chǎn)生了“疊加效應(yīng)”。(2)中國五個地區(qū)的年降水量是完全一致的今后仍將繼續(xù)減少。期間不存在年雨日減少轉(zhuǎn)為增加的氣候變化的突變點。未來10年各區(qū)依氣候傾向率減少,且趨勢性相當強。(3)氣候變化分析①東部北方區(qū)和西北區(qū)。從年降水量年際變化圖及20年試驗結(jié)果圖可看出兩區(qū)有著十分相似的減少變化趨勢,都有兩個氣候突變點。H1198011980和H1198111981預(yù)示著由減少趨勢轉(zhuǎn)折并突變?yōu)樵黾于厔?H2198821988和H21985預(yù)示著由增加趨勢突變?yōu)闇p少趨勢;未來10年兩區(qū)的年降水量都將依各自的氣候傾向率繼續(xù)減少。②東部南方區(qū)。年降水量雖有著起伏很大的波狀變化趨勢,但總趨勢是在增加。20年試驗表明,Hurst指數(shù)序列未出現(xiàn)小于0.5的轉(zhuǎn)折點。今后,年降水量仍將增加,期間