張 峰

(遼寧省本溪水文局，遼寧 本溪 117000)

1 研究背景

太陽(yáng)黑子的多少通過(guò)太陽(yáng)黑子相對(duì)數(shù)可以得到反映，太陽(yáng)活動(dòng)的強(qiáng)弱可以通過(guò)整個(gè)日面輻射能力的變化進(jìn)行反映[1]。太陽(yáng)黑子數(shù)有連續(xù)可靠且記錄較長(zhǎng)的文字記錄，年和月數(shù)據(jù)可以追溯到1749年，這樣就為氣象水文中長(zhǎng)期預(yù)報(bào)提供有利條件[2]。多項(xiàng)研究成果表明[2- 12]，太陽(yáng)黑子活動(dòng)準(zhǔn)周期分別為11年、22年和180年，氣候及水文與太陽(yáng)黑子活動(dòng)周期具有密切的聯(lián)系[13]。遼寧省水旱災(zāi)害損失占自然災(zāi)害損失的大部分，屬于水旱災(zāi)害頻發(fā)的省份[14]。目前，由于人類抵御自然災(zāi)害的能力有限，國(guó)際、國(guó)內(nèi)都在積極倡導(dǎo)減少自然災(zāi)害，水旱災(zāi)害的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)是其中非常重要的非工程措施之一[15]。為此本文對(duì)太陽(yáng)黑子11年活動(dòng)周期極值年與遼寧旱澇特征關(guān)系進(jìn)行分析，并通過(guò)回歸方程建立月太陽(yáng)黑子相對(duì)數(shù)與遼寧省盛夏、夏季降水量預(yù)測(cè)模型。

2 太陽(yáng)黑子相對(duì)數(shù)計(jì)算方法

太陽(yáng)黑子指數(shù)可用太陽(yáng)黑子相對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，方程為：

R=K(10g+f)

(1)

式中，g—觀測(cè)的日面上的太陽(yáng)黑子群的個(gè)數(shù)；f—各群太陽(yáng)黑子觀測(cè)的總數(shù)目；K—修正系數(shù)。為消除觀測(cè)不規(guī)則擾動(dòng)及主動(dòng)因素的影響，此方案用太陽(yáng)黑子相對(duì)數(shù)12月滑動(dòng)平均值。

在構(gòu)建太子黑子相對(duì)數(shù)預(yù)報(bào)模型時(shí)，本文定義一個(gè)新的系數(shù)，定義方法為：前一年1月至當(dāng)年5月太陽(yáng)黑子月最大(小)值同年平均的比值稱為前期月最大(小)比例系數(shù)。比如1966年太陽(yáng)黑子相對(duì)數(shù)年均值為66.6，1965年1月至1966年5月太陽(yáng)黑子最大值為69，最小值為10.2，則1966年的前期月最大比例系數(shù)為1.04，前期月最小比例系數(shù)為0.15。按照西定義逐年計(jì)算1966—2015年前期月最大、月最小比例系數(shù)。

3 太陽(yáng)黑子相對(duì)數(shù)與遼寧省旱澇的對(duì)應(yīng)關(guān)系

對(duì)太陽(yáng)黑子11年活動(dòng)周期極值年與遼寧旱澇特征關(guān)系進(jìn)行分析，分析結(jié)果見表1。

從表中可以看出，遼寧省的旱澇災(zāi)害與太陽(yáng)黑子11年活動(dòng)周期具有非常好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。首先看統(tǒng)計(jì)中洪澇年共有15年，發(fā)生在低值年附近(m-3至m+2)的有12年，占80%；其中發(fā)生在m-2至m年的有9年，占75%，可見遼寧洪澇災(zāi)害多集中發(fā)生在m-1至m年，即低值年，而高值年發(fā)生洪澇的概率極低。再看統(tǒng)計(jì)中干旱年共有11年，發(fā)生在高值年附近(M-2至M+3)的有10年，高達(dá)91%；其中發(fā)生在M-1年至M+1年的有8年，占80%，由此可見遼寧干旱災(zāi)害多集中發(fā)生在高值年附近(M-1至M+1)，而低值年發(fā)生干旱的概率極低。由此部分分析可知，太陽(yáng)黑子的11年活動(dòng)周期與遼寧省旱澇災(zāi)害有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此可利用太陽(yáng)黑子的活動(dòng)周期的趨勢(shì)變化預(yù)測(cè)遼寧夏季降水。

表1 太陽(yáng)黑子11年周期極值年與遼寧旱澇災(zāi)害年統(tǒng)計(jì)表

圖1 太陽(yáng)黑子相對(duì)數(shù)年平均值、月最大和月最小比例系數(shù)曲線

4 太陽(yáng)黑子相對(duì)數(shù)預(yù)報(bào)模型的建立

4.1 太陽(yáng)黑子相對(duì)數(shù)月比例系數(shù)分析

眾多分析認(rèn)為，太陽(yáng)黑子在一年中各月的變化幅度也很大，高低值相差懸殊，因而單純采用黑子相對(duì)數(shù)年均值及其位相來(lái)刻畫太陽(yáng)黑子的活動(dòng)情況會(huì)抹平年內(nèi)的變化特征，而應(yīng)當(dāng)細(xì)致的研究其變化，注意月際變化特征，同時(shí)還有研究指出，在太陽(yáng)黑子出現(xiàn)期間日地距離也是影響地面上各種自然現(xiàn)象變化的主要因素，尤其每年春季1—3月間出現(xiàn)的黑子，其影響要大于下半年7月以后的影響。

由以上分析可知太陽(yáng)黑子的活動(dòng)位相與旱澇形式有著明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系，但是太陽(yáng)黑子相對(duì)數(shù)的月際變化對(duì)大氣環(huán)流的影響比年均值更明顯，并且大氣環(huán)流對(duì)太陽(yáng)黑子活動(dòng)的響應(yīng)具有一定的滯后性。下面為了分析此影響的滯后性，進(jìn)行相關(guān)計(jì)算。本文分定義一個(gè)新的系數(shù)，定義方法為：前一年1月至當(dāng)年5月太陽(yáng)黑子月最大(小)值同年平均的比值稱為前期月最大(小)比例系數(shù)。比如1966年太陽(yáng)黑子相對(duì)數(shù)年均值為66.6，1965年1月至1966年5月太陽(yáng)黑子最大值為69，最小值為10.2，則1966年的前期月最大比例系數(shù)為1.04，前期月最小比例系數(shù)為0.15。按照西定義逐年計(jì)算1966—2015年前期月最大、月最小比例系數(shù)，

從圖2中可以看出，前期月最大比例系數(shù)與太陽(yáng)黑子年均值呈現(xiàn)反相位對(duì)應(yīng)關(guān)系，即當(dāng)年均值處于低值(m)時(shí)，前期月最大比例系數(shù)處于波峰，且峰形尤為尖銳；而當(dāng)年均值處于高值(M)時(shí)，前期月最大比例系數(shù)處于波谷，但波谷較平滑，對(duì)應(yīng)關(guān)系沒有前者好。前期月最小比例系數(shù)與太陽(yáng)黑子年均值呈現(xiàn)正位相對(duì)應(yīng)關(guān)系，即當(dāng)年均值處于低值(m)時(shí)，前期月最小比例系數(shù)處于波谷，當(dāng)年均值處于高值(M)時(shí)，前期月最小比例系數(shù)處于波峰。因此前期月最大比例系數(shù)尖銳的波峰值對(duì)太陽(yáng)黑子的低值年具有很好的指示作用。

4.2 不同時(shí)段降水與前期太陽(yáng)黑子相對(duì)數(shù)相關(guān)性分析結(jié)果

對(duì)遼寧省初夏降水、盛夏降水及夏季降水分別與前一年1月至當(dāng)年5月太陽(yáng)黑子相對(duì)數(shù)的相關(guān)系數(shù)進(jìn)行分析，分析結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同時(shí)段降水與前期(前一年1月至當(dāng)年5月)太陽(yáng)黑子相對(duì)數(shù)相關(guān)

從圖中可見，初夏降水與太陽(yáng)黑子主要呈現(xiàn)正相關(guān)，最大相關(guān)性出現(xiàn)在當(dāng)年1月份，相關(guān)系數(shù)為0.14，沒有通過(guò)顯著性檢驗(yàn)。盛夏和夏季降水與太陽(yáng)黑子呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，且相關(guān)系數(shù)變化趨勢(shì)十分相似，其中最大負(fù)相關(guān)性均出現(xiàn)在前一年12月份，相關(guān)系數(shù)分別為-0.45和-0.43，均超過(guò)信度為0.01(相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值大于0.354)的檢驗(yàn)。由此可知，前一年太陽(yáng)黑子的月變化對(duì)遼寧省夏季降水的影響的滯后時(shí)間在7—8個(gè)月。

4.3 太陽(yáng)黑子相對(duì)數(shù)預(yù)報(bào)回歸方程的建立

為具體利用太陽(yáng)黑子數(shù)預(yù)測(cè)降水量，下面降水前一年12月的太陽(yáng)黑子相對(duì)數(shù)分別于盛夏、夏季降水進(jìn)行預(yù)報(bào)模型的建立，如圖3所示。

圖3 前一年12月太陽(yáng)黑子數(shù)與盛夏、夏季降水的關(guān)系

如圖可知太陽(yáng)黑子相對(duì)數(shù)與降水量之間為負(fù)相關(guān)。以前一年12月太陽(yáng)黑子相對(duì)數(shù)為自變量，盛夏、夏季降水量為因變量，建立預(yù)報(bào)模型分別為：y=-0.5971x+393.85、y=-0.5663x+489.35。

由此便得出太陽(yáng)黑子相對(duì)數(shù)與降水量之間的預(yù)報(bào)模型，據(jù)計(jì)算，根據(jù)此預(yù)測(cè)模型，預(yù)報(bào)值與觀測(cè)值的距平符號(hào)一直率高達(dá)72%和70%。

4.4 太陽(yáng)黑子相對(duì)數(shù)預(yù)報(bào)模型的驗(yàn)證

由前面不同時(shí)段降水與前期太陽(yáng)黑子相對(duì)數(shù)相關(guān)性分析研究結(jié)果可知，前一年12月的太陽(yáng)黑子指數(shù)對(duì)盛夏及夏季的降水量預(yù)測(cè)具有很好的指示作用，并建立了預(yù)測(cè)模型，由預(yù)測(cè)模型對(duì)2016—2018年的盛夏及夏季降水進(jìn)行預(yù)測(cè)，驗(yàn)證結(jié)果見表2。

表2 太陽(yáng)黑子預(yù)測(cè)法的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

5 主要結(jié)論

(1)前期月最大比例系數(shù)對(duì)太陽(yáng)黑子年均值具有很好的指示和預(yù)報(bào)作用。當(dāng)前期月最大比例系數(shù)超過(guò)3時(shí)，第二年太陽(yáng)黑子年均值會(huì)達(dá)到低值年。

(2)前期月最大比例系數(shù)與太陽(yáng)黑子年均值呈現(xiàn)反相位對(duì)應(yīng)關(guān)系，即當(dāng)年均值處于低值(m)時(shí)，前期月最大比例系數(shù)處于波峰，且峰形尤為尖銳；而當(dāng)年均值處于高值(M)時(shí)，前期月最大比例系數(shù)處于波谷，但波谷較平滑，對(duì)應(yīng)關(guān)系沒有前者好。

(3)本文通過(guò)回歸分析方法建立太陽(yáng)黑子相對(duì)數(shù)分別于盛夏、夏季降水的預(yù)報(bào)模型。預(yù)報(bào)模型未能進(jìn)行置信度檢驗(yàn)，在以后的研究中還需要對(duì)其進(jìn)行置信度檢驗(yàn)。