MATLAB 在蚌埠市極端風(fēng)速中的應(yīng)用

魏正民

（中國(guó)人民解放軍蚌埠汽車士官學(xué)校，安徽 蚌埠233000）

MATLAB[1]是一種建立在C 語(yǔ)言基礎(chǔ)上的程序語(yǔ)言系統(tǒng)，采用矩陣作為基本的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，因而MATLAB 也被稱為“矩陣實(shí)驗(yàn)室”。20 世紀(jì)80 年代初MATLAB 被推向市場(chǎng)以來(lái)， 其功能不斷地被改進(jìn)和完善，目前已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外教學(xué)、科研和工程方面最重要的應(yīng)用工具。

MATLAB 自身的優(yōu)勢(shì)非常明顯，利用其矩陣的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，我們可以并行處理多個(gè)對(duì)象而互不干擾。 其他的主要特點(diǎn)包括：全面的數(shù)值計(jì)算能力， 強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)可視化功能，友好的程序編譯環(huán)境以及豐富的應(yīng)用工具箱。 這些功能非常適合氣象學(xué)上數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)處理和分析工作。

極端風(fēng)速是氣象學(xué)上的典型地極端事件，其引起的暴雨、洪水、颶風(fēng)的破壞力巨大，防洪設(shè)施、城市排水系統(tǒng)、核電站等工程在設(shè)計(jì)時(shí)都要考慮到這些因素，因此極端事件的預(yù)測(cè)就顯得攸關(guān)重要。 下面就以蚌埠市為例，借助MATLAB 對(duì)其極端風(fēng)速做出預(yù)測(cè)。

1 數(shù)據(jù)處理

本文所用數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)， 原始數(shù)據(jù)包為：《中國(guó)地面國(guó)際交換站氣候資料日值數(shù)據(jù)集》和《中國(guó)地面國(guó)際交換站氣候資料月值數(shù)據(jù)集》。 交換站：蚌埠，58221。 從數(shù)據(jù)集中提取了1951-2012 年每年20-20 時(shí)日最大風(fēng)速的資料。 在分析數(shù)據(jù)時(shí)，為了縮小預(yù)測(cè)結(jié)果的誤差， 基本上每個(gè)數(shù)據(jù)都取自一個(gè)完整的 “氣象年”（極個(gè)別月份數(shù)據(jù)丟失除外），且時(shí)間跨度都超過(guò)了30 年。

借助MATLAB 分析可知， 近年來(lái)蚌埠的最大風(fēng)速整體呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)，每年大多出現(xiàn)在3-7 月，其中4 月出現(xiàn)的次數(shù)最多。最大降水量從1987 年開(kāi)始波動(dòng)較大，且基本上集中于6-9 月。

2 極端風(fēng)速的統(tǒng)計(jì)分析

極值風(fēng)速問(wèn)題是氣象學(xué)上一個(gè)重要問(wèn)題， 在定量上看是不穩(wěn)定的，但是可以從概率的角度來(lái)分析。根據(jù)國(guó)內(nèi)外的多年實(shí)踐，耿貝爾分布函數(shù)用于極端氣象參數(shù)事件的分析[2]，取得了非常好的效果，已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。

下面就從兩個(gè)角度對(duì)蚌埠市的最大風(fēng)速進(jìn)行預(yù)測(cè)。

2.1 耿貝爾分組的方法

核電廠相對(duì)于其他設(shè)施，其對(duì)安全性的要求比較高，在對(duì)周圍環(huán)境的分析比較全面。 所要我們采用核電廠安全導(dǎo)則——《核電廠廠址選擇的極端氣象事件》(HAD101/10) 附錄推薦的極值統(tǒng)計(jì)理論分析蚌埠氣象站的最大風(fēng)速年序列，實(shí)際的可操作性比較強(qiáng)。

借助于MATLAB 強(qiáng)大的編程功能， 我們對(duì)蚌埠氣象站20-20 時(shí)最大風(fēng)速數(shù)據(jù)進(jìn)行了模擬。

與已知數(shù)據(jù)點(diǎn)比較發(fā)現(xiàn)，這種方法具有一定的局限性，得出的結(jié)果與預(yù)期的目標(biāo)有很大的誤差，進(jìn)而需要采取其他的方法解決問(wèn)題。

圖1 蚌埠站20-20 時(shí)最大風(fēng)速年序列耿貝爾分布圖

2.2 耿貝爾法

分析耿貝爾分布函數(shù)式，對(duì)其連續(xù)兩次取對(duì)數(shù)，該式就轉(zhuǎn)換成為關(guān)于變量xi的線性形式。 該方法的理論研究已經(jīng)比較成熟[2]， 通過(guò)MATLAB 中plot 命令做出蚌埠站20-20 時(shí)最大風(fēng)速耿貝爾分布圖。

通過(guò)仿真預(yù)測(cè)， 蚌埠地區(qū)若干年一遇的最大風(fēng)速及其對(duì)應(yīng)的置信上限一目了然，比如10 年一遇的最大風(fēng)速約為16.43 m/s ，置信上限為18.75 m/s 。 這給蚌埠地區(qū)各種工程建設(shè)的安全性和投資造價(jià)提供了參考依據(jù)。

3 結(jié)束語(yǔ)

依據(jù)科技工作者的以往經(jīng)驗(yàn)，中國(guó)大部分地區(qū)的極端風(fēng)速和極端降水都可以用耿貝爾和皮爾遜-III 分布來(lái)擬合，只要給程序一個(gè)該地區(qū)的歷史數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)會(huì)自動(dòng)計(jì)算出需要的結(jié)果，程序的持續(xù)應(yīng)用性比較強(qiáng)。

［1］求是.MATLAB 7.0 從入門(mén)到精通[M].北京：人民郵電出版社，2006.

［2］黃浩輝,宋麗莉,植石群,劉愛(ài)君.廣東省風(fēng)速極值I 型分布參數(shù)估計(jì)方法的比較[J].氣象.2007,33(3)：101-106.

［3］國(guó)家核安全局.核電廠廠址選擇的極端氣象事件(HAD101/10)[Z].北京，1989：750-752.