?？谑欣妆夂蛱卣骷捌浠疑A(yù)測(cè)模型研究

王銀,楊一凡

摘要：本文利用?？谑?951年～2014年地面氣象觀測(cè)雷暴日資料，采用了一元線性方程、5年滑動(dòng)平均、M-K突變檢驗(yàn)、灰色理論等方法，研究了?？谑欣妆夂蚪y(tǒng)計(jì)特征、災(zāi)變年預(yù)測(cè)，得到以下結(jié)論：一是通過(guò)對(duì)代表月雷暴日變化特征分析得出，5月份雷暴日每10年減少1.7天左右，7月份雷暴日每10年減少1.6天左右，9月份雷暴日每10年減少1天左右；二是通過(guò)對(duì)雷暴日年際、代表月突變年檢驗(yàn)得出，1982年為?？谑心昀妆┤胀蛔兡辏?980年為5月份、9月份雷暴日突變年，1975年為7月份雷暴日突變年；三是運(yùn)用灰色理論建立了雷暴日災(zāi)變年預(yù)測(cè)模型，研究得出未來(lái)出現(xiàn)年雷暴日高于100天的年份為2025年。

關(guān)鍵詞：雷暴日；時(shí)間尺度；M-K檢驗(yàn)；灰色理論

中圖分類號(hào)： P446 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A DOI編號(hào)： 10.14025/j.cnki.jlny.2018.08.063

海南省位于我國(guó)最南端，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，根據(jù)雷暴資料統(tǒng)計(jì)得出，海南省年平均雷暴日達(dá)100多天，屬于多雷活動(dòng)地區(qū)。海南省四周環(huán)繞海洋，水資源條件充足，有利于雷暴氣候的產(chǎn)生和發(fā)展[1]，因此海南地區(qū)雷暴活動(dòng)較為活躍?；钴S的雷暴天氣不僅會(huì)對(duì)人畜造成一定的傷亡，同時(shí)對(duì)電力以及通信系統(tǒng)都會(huì)造成一定的損壞，還會(huì)對(duì)電子設(shè)備信號(hào)的正常傳輸造成一定的干擾，因此有必要研究海南地區(qū)雷電活動(dòng)特征，并能夠?qū)妆┤斩唐诎l(fā)展進(jìn)行預(yù)報(bào)，為海南地區(qū)雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作的開展提供指導(dǎo)。

根據(jù)建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50057-2010）[2]中指出，雷暴日數(shù)是計(jì)算建筑物預(yù)計(jì)年雷擊次數(shù)，并對(duì)建筑物進(jìn)行等級(jí)劃分的一個(gè)重要參數(shù)。同時(shí)，（IEC62305-2）風(fēng)險(xiǎn)管理[3]中也指出，雷暴日是雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中一個(gè)非常重要的因子。國(guó)內(nèi)很多學(xué)者對(duì)全球以及不同區(qū)域雷電活動(dòng)進(jìn)行了一系列研究，姜蘇等[4]利用全球三個(gè)測(cè)站極低頻閃電活動(dòng)背景信號(hào)南北、東西兩個(gè)方向上的磁場(chǎng)能量，使用多重分析方法，研究了南北、東西兩個(gè)磁場(chǎng)分量信號(hào)的多重分布特征，研究發(fā)現(xiàn)南北、東西方向上的磁場(chǎng)信號(hào)均具有長(zhǎng)程相關(guān)性，并得出可以使用多重分形譜參數(shù)對(duì)Q-burst進(jìn)行識(shí)別。郭冬艷等[5-6]利用海南地區(qū)逐日雷暴資料，采用EOF正交函數(shù)分解法對(duì)海南地區(qū)雷暴氣候特征進(jìn)行研究。研究表明，海南年雷暴日呈顯著的遞減趨勢(shì)，具有北部?jī)?nèi)陸雷暴多、南部沿海較少空間分布的特征。

本文使用1951年～2014年?？谑兄鹪吕妆┤战y(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，采用氣候傾向率來(lái)研究?？谑欣妆┤沾碓伦兓卣?，采用M-K突變檢驗(yàn)的方法來(lái)研究海口市雷暴日發(fā)展趨勢(shì)以及突變年情況，最后采用灰色理論建立雷暴日災(zāi)變年預(yù)測(cè)模型，用于對(duì)?？谑欣妆┤粘霈F(xiàn)災(zāi)變的年份進(jìn)行預(yù)測(cè)。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源及使用說(shuō)明

根據(jù)1951年～2014年海口市逐月雷暴日數(shù)據(jù)，對(duì)?？谑欣妆夂蜻M(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并對(duì)未來(lái)雷暴日進(jìn)行短期預(yù)測(cè)，使用數(shù)據(jù)來(lái)源于海南省氣象局地面氣象觀測(cè)資料。文中在對(duì)海口市代表月雷暴日季節(jié)性變化規(guī)律的研究中，代表月選取原則為：5月份代表春季、7月份代表夏季、9月份代表秋季。

2 雷暴日時(shí)間活動(dòng)規(guī)律

2.1雷暴日代表月變化規(guī)律

本文選取1951年～2014年?？谑?月、7月、9月逐年雷暴日數(shù)據(jù)，研究?？谑欣妆┤赵伦兓?guī)律。年雷暴日代表月變化趨勢(shì)以及5年滑動(dòng)平均結(jié)果見(jiàn)圖1。對(duì)于5月份，從圖中統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，?？谑?月份逐年雷暴日波動(dòng)幅度較大，從距平值可以看出，在1951年～1975年期間5月份雷暴日距平值以正值為主，僅4個(gè)年份的雷暴日距平值為負(fù)數(shù)，表明了海口市5月份在此年份期間雷暴活動(dòng)較多，要高于平均值水平，在1976年～1993年期間年雷暴日距平值呈正負(fù)交替發(fā)展變化趨勢(shì)，說(shuō)明了在此年份期間?？谑欣妆┤詹▌?dòng)幅度較大，在1994年～2014年雷暴日距平值以負(fù)值為主，其中僅1個(gè)年份的雷暴日距平值為正數(shù)，表明了?？谑?月份在此年份期間雷暴活動(dòng)較少，要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于平均值水平。根據(jù)一元線性回歸方程得出，5月份雷暴日呈逐年遞減的發(fā)展趨勢(shì)，其中求出的年雷暴日氣候傾向率為-1.7天/10年，表明了5月份雷暴日每10年減少1.7天左右，遞減幅度較高。從5年滑動(dòng)平均曲線可以看出，1983年為?？谑?月份雷暴日的一個(gè)轉(zhuǎn)折年，即在1983年之前，5年滑動(dòng)平均曲線值均大于0，說(shuō)明了在1983年之前?？谑?月份雷暴較多；在1983年之后，5年滑動(dòng)平均曲線值均小于0，說(shuō)明1983年以后?？谑?月份雷暴日較少。

從7月份雷暴日變化趨勢(shì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果圖中可以看出，在1951年～1980年期間年雷暴日距平值以正值為主，僅5個(gè)年份的雷暴日距平值為負(fù)數(shù)，因此可以說(shuō)明在此年份期間，?？谑欣妆┗顒?dòng)較為頻繁，雷暴日要高于平均值水平，這一雷暴日較多的時(shí)期基本與5月份的相一致。從1980年開始年雷暴日距平值以負(fù)值為主，表明1980年～2014年間7月份雷暴日較少。根據(jù)一元線性回歸方程得出，7月份雷暴日呈逐年遞減的發(fā)展趨勢(shì)，其中求出的年雷暴日氣候傾向率為-1.6天/10年，表明了7月份雷暴日每10年減少1.6天左右，遞減幅度僅次于5月份雷暴日遞減的速度。同時(shí)可以得出，1980年為7月份雷暴日活動(dòng)變化的一個(gè)轉(zhuǎn)折年。

從9月份雷暴日變化趨勢(shì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果圖中可以看出，在1951年～1966年期間年雷暴日距平值以正值為主，僅有4個(gè)年份的雷暴日距平值為負(fù)數(shù)，因此可以說(shuō)明在此年份期間，年雷暴日高于平均值水平，在1967年～1985年期間年雷暴日距平值呈正負(fù)交替發(fā)展變化趨勢(shì)，說(shuō)明了在此年份期間年雷暴日波動(dòng)幅度較大，在1986年～2014年期間年雷暴日距平值以負(fù)值為主，表明了在此年份期間9月份雷暴日較少。根據(jù)一元線性回歸方程得出，9月份雷暴日也呈逐年遞減的發(fā)展趨勢(shì)，其中求出的年雷暴日氣候傾向率為-1天/10年，表明了9月份雷暴日每10年減少1天左右，遞減幅度要小于5月份和7月份雷暴日遞減的速度。同時(shí)可以得出，1985年為9月份雷暴日活動(dòng)變化的一個(gè)轉(zhuǎn)折年。

2.2雷暴日突變年檢驗(yàn)

圖2為?？谑欣妆┤漳觌H、代表月M-K突變檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，從雷暴日年際突變檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，1951年～1975年期間?？谑蠻F曲線在0附近上下波動(dòng)，說(shuō)明了年雷暴日在此年份期間變化幅度較大，從1976年開始UF曲線均小于0，說(shuō)明了?？谑心昀妆┤諒?976年開始呈逐年遞減的發(fā)展趨勢(shì)，從1985年開始UF曲線超出了置信檢驗(yàn)曲線，說(shuō)明了從1985年開始海口市年雷暴日呈顯著性的遞減變化趨勢(shì)，UF、UB曲線交點(diǎn)位于1982年，且該交點(diǎn)位于置信檢驗(yàn)曲線內(nèi)，根據(jù)M-K突變檢驗(yàn)理論，說(shuō)明1982年為?？谑心昀妆┤胀蛔兡?。

從5月份突變檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，從1953年開始UF曲線開始小于0，說(shuō)明了從1953年開始雷暴日呈減少的發(fā)展趨勢(shì)，但是在1953年～1975年期間UF曲線位于0附近波動(dòng)，說(shuō)明此年份期間雷暴日遞減幅度較小，從1995年左右開始雷暴日遞減幅度較為顯著，因?yàn)閺?995年開始UF曲線超出了置信檢驗(yàn)曲線，兩條曲線交點(diǎn)位于1980年，根據(jù)M-K突變檢驗(yàn)理論，可以說(shuō)明1980年為?？谑?月份年雷暴日突變年，這一突變年稍晚于年際雷暴日突變年。

從7月份突變檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，從1953年開始UF曲線也開始小于0，這與5月份雷暴日突變結(jié)果相一致，從1980年左右開始雷暴日遞減幅度較為顯著，因?yàn)閺?980年開始UF曲線超出了置信檢驗(yàn)曲線，兩條曲線交點(diǎn)位于1975年，根據(jù)M-K突變檢驗(yàn)理論，說(shuō)明1975年為?？谑?月份年雷暴日突變年，這一突變年稍早于年際雷暴日突變年。

從9月份突變檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，1951年～1975年期間海口市年雷暴日呈逐年上升的發(fā)展趨勢(shì)，因?yàn)樵诖四攴萜陂gUF曲線大于0，從1975年之后，UF曲線開始小于0，表明?？谑?月份雷暴日從1975年開始呈減少的變化趨勢(shì)，從1995年左右開始雷暴日遞減幅度較為顯著，因?yàn)閺?995年開始UF曲線超出了置信檢驗(yàn)曲線，兩條曲線交點(diǎn)位于1980年，根據(jù)M-K突變檢驗(yàn)理論，可以說(shuō)明1980年為?？谑?月份年雷暴日突變年，這一突變年與5月份突變年相一致。

3雷暴日災(zāi)變年預(yù)測(cè)模型

3.1 模型原理說(shuō)明

如果給定的原始雷暴日時(shí)間序列數(shù)據(jù)■。若指定某個(gè)定值■，并認(rèn)定為■中大于■的點(diǎn)為具有異常值的點(diǎn)，將這些數(shù)據(jù)挑選出來(lái)另組一個(gè)時(shí)間序列，新組成的時(shí)間序列數(shù)據(jù)即為災(zāi)變數(shù)列。

本文按照上述方法，計(jì)算出?？诘貐^(qū)年雷暴日數(shù)大于100天的年份為?？谑欣妆┤諡?zāi)變年，因此本文根據(jù)灰色理論建立災(zāi)變年預(yù)測(cè)模型，用于預(yù)測(cè)未來(lái)出現(xiàn)年雷暴日高于100天的年份。

設(shè)已知出現(xiàn)災(zāi)變年份的序列為：■，對(duì)災(zāi)變年份做1次累加生成數(shù)列為：■，并求出等值數(shù)列：

于是，建立灰微分方程為：

則相應(yīng)的白化微分方程為：

對(duì)上述所建立的方程進(jìn)行求解，就能求出災(zāi)變灰色預(yù)測(cè)方程為：

3.2 模型建立及誤差分析

本文統(tǒng)計(jì)出?？谑?951年～2014年期間出現(xiàn)年雷暴日數(shù)大于100天的年份，并使用出現(xiàn)雷暴日災(zāi)變的年份數(shù)據(jù)，建立雷暴日災(zāi)變預(yù)測(cè)模型，同時(shí)對(duì)模型結(jié)果進(jìn)行殘差分析。當(dāng)所建立的雷暴日災(zāi)變預(yù)測(cè)模型優(yōu)度達(dá)到一定值時(shí)，使用該災(zāi)變預(yù)測(cè)模型對(duì)未來(lái)?？谑心昀妆?shù)出現(xiàn)高于100天的年份進(jìn)行預(yù)測(cè)。

根據(jù)灰色理論，本文建立雷暴日災(zāi)變年預(yù)測(cè)計(jì)算模型如下：

首先將1951年～2014年逐年雷暴日數(shù)據(jù)按照1、2、3等序號(hào)排列，然后運(yùn)用matlab編寫出雷暴日災(zāi)變年預(yù)測(cè)模型程序，并對(duì)模型系數(shù)進(jìn)行求解。計(jì)算出的災(zāi)變預(yù)測(cè)模型為：

上述表達(dá)式中，t為序號(hào)排列數(shù)，比如t=3時(shí)，對(duì)應(yīng)的年份為1953年。

本文選取使幾年出現(xiàn)雷暴日災(zāi)變的年份與所建立的雷暴日災(zāi)變預(yù)測(cè)模型結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)行殘差分析，見(jiàn)表1。

從上述實(shí)測(cè)雷暴日災(zāi)變年份與雷暴日災(zāi)變預(yù)測(cè)模型結(jié)果可以看出，相對(duì)誤差均較小，因此可以利用建立的年雷暴日災(zāi)變預(yù)測(cè)模型，對(duì)?？谑心昀妆┤諡?zāi)變年進(jìn)行預(yù)測(cè)。本文利用建立好的雷暴日災(zāi)變預(yù)測(cè)模型，對(duì)?？谑形磥?lái)出現(xiàn)年雷暴日高于100天的年份進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果為2025年。

4結(jié)論

本文利用?？诘貐^(qū)1951年～2014年的雷暴日數(shù)，研究了該地區(qū)近64年雷暴活動(dòng)變化規(guī)律，并對(duì)其災(zāi)變年進(jìn)行了預(yù)測(cè)。主要得出1982年為海口市年雷暴日突變年，5月份、9月份雷暴日突變年為1980年，7月份雷暴日突變年為1975年，并通過(guò)建立的雷暴日災(zāi)變年預(yù)測(cè)模型，將實(shí)測(cè)值與模型結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得出所建立的雷暴日災(zāi)變年精度較高，最后使用該模型對(duì)未來(lái)出現(xiàn)年雷暴日高于100天的年份進(jìn)行預(yù)測(cè)。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：王銀，本科學(xué)歷，助理工程師，研究方向：雷電防護(hù)。