基于氣候系統(tǒng)指數(shù)的中長期降水預(yù)測方法在遼寧省的應(yīng)用

葉天舒

(遼寧省河庫管理服務(wù)中心(遼寧省水文局)，遼寧 沈陽 110003)

遼寧省開展中長期預(yù)測歷史較長，但方法主要局限于傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)相關(guān)和周期性分析，相關(guān)因子考慮的比較單一。直到20世紀(jì)90年代，隨著中長期預(yù)測理論和計算機(jī)技術(shù)發(fā)展相融合，遼寧省的中長期預(yù)測才有了較大的發(fā)展，研究方法也不斷增多。遼寧水文人在中長期預(yù)測方面進(jìn)行了諸多的探索[1- 10]，預(yù)測效果良好，但當(dāng)前國際上的研究特別強(qiáng)調(diào)在水文學(xué)未來發(fā)展中，應(yīng)用更多的交叉學(xué)科方法，積極倡導(dǎo)對水文水資源不確定性研究方法論進(jìn)行新的探討，因此基于氣候系統(tǒng)指數(shù)的中長期水文預(yù)測方法應(yīng)運(yùn)而生，以期從更大程度上提高遼寧省中長期預(yù)測精度。

1 資料和方法

本文涉及到的資料主要包括：遼寧省河庫管理服務(wù)中心提供的降水資料，時間段為1966—2019年。國家氣候中心提供的逐月130項(xiàng)氣候系統(tǒng)指數(shù)，時間段為1965—2019年。

在水文氣象預(yù)報中，對預(yù)報量的預(yù)報常常需要從可能影響預(yù)報y的許多因素中挑選一批關(guān)系較好的作為預(yù)報因子，應(yīng)用多元線性回歸的方法建立回歸方程來做預(yù)報。但是，如何才能保證在已選定的一批因子中得到“最優(yōu)”的回歸方程，逐步回歸分析方法是一種常用的方法。所謂“最優(yōu)”回歸方程有兩個含意：一是預(yù)報準(zhǔn)確。希望在最終預(yù)測方程中包含盡可能多的自變量，尤其不能遺漏對因變量有顯著作用的自變量。二是為了應(yīng)用方便，又希望預(yù)測方程中含盡量少的變量。因此，最優(yōu)回歸方程應(yīng)包含對因變量有顯著作用的自變量，而不包含不顯著的變量。綜上，本文主要應(yīng)用多元線性逐步回歸方法，從130項(xiàng)氣候系統(tǒng)指數(shù)中選取一定的因子，建立降水預(yù)測方程。

2 預(yù)測方程的建立

2.1 預(yù)測時段劃分

近期越來越多的學(xué)者發(fā)現(xiàn)初夏和盛夏以及整個夏季的影響因子是不同的，初夏降水異常主要是以東北冷渦影響為主，盛夏降水異常則是受東亞夏季風(fēng)和西太平洋副熱帶高壓的影響為主。從圖1中可以看出遼寧省汛期季節(jié)內(nèi)降水特征差異較大，盛夏與整個夏季變化特征類似，但初夏和盛夏降水的演變規(guī)律不同。因此以下研究將夏季劃分為初夏和盛夏兩個時段分別進(jìn)行預(yù)報。

2.2 氣候系統(tǒng)指數(shù)預(yù)測方程

利用多元線性逐步回歸方法，建立遼寧省夏季分區(qū)域分時段的降水量預(yù)測模型。預(yù)報因子為前一年1月至當(dāng)年1月的130項(xiàng)環(huán)流指數(shù)。因此預(yù)測因子年限為1965—2019年，擬合年限為1966—2019年。依據(jù)遼寧省常規(guī)預(yù)報規(guī)則，將遼寧省劃分為三個區(qū)：東南部(丹東、大連、本溪、營口、盤錦)、中北部(沈陽、大連、鞍山、撫順、鐵嶺)及西部(葫蘆島、阜新、朝陽、錦州)。下面以2019年為例，展示預(yù)測模型建立情況。

圖1 1966—2019年遼寧省初夏(6月)、盛夏(7、8月)及夏季降水量時間序列

初夏降水模型建立情況見表1。其中Y初代表初夏降水量，Xi代表預(yù)測因子。

盛夏降水模型建立情況見表2。其中Y盛代表盛夏降水量，Xi代表預(yù)測因子。

表1 初夏降水預(yù)測模型建立情況

表2 盛夏降水預(yù)測模型建立情況

2.3 預(yù)測結(jié)果

圖2—4分別為遼寧省初夏、盛夏及夏季降水預(yù)測結(jié)果，其中夏季降水預(yù)測：Y夏=Y初+Y盛。從結(jié)果可以看出，基于氣候系統(tǒng)指數(shù)的多元線性逐步回歸方法的預(yù)測結(jié)果良好，不僅對降水趨勢能夠做出準(zhǔn)確把握，對于豐谷值的預(yù)測也較貼近實(shí)際。

對于初夏降水預(yù)測，全省預(yù)測效果最好，擬合值與實(shí)際值的相關(guān)系數(shù)cor高達(dá)0.83，西部相關(guān)系數(shù)最低，為0.72，但均通過了99.9%置信度檢驗(yàn)。對于盛夏降水的預(yù)測，相關(guān)系數(shù)最高為西部0.89，最低為東南部0.78，均通過了99.9%置信度檢驗(yàn)。對整個夏季的預(yù)測，相關(guān)系數(shù)最高為西部0.88，最低為東南部0.77，均通過了99.9%置信度檢驗(yàn)。此外，本文還計算了若不將夏季分時段考慮，直接進(jìn)行夏季降水預(yù)測，則全省、東南部、中北部及西部的相關(guān)系數(shù)分別為0.52、0.68、0.49、0.79。可以看出將夏季分為初夏和盛夏分別預(yù)測，可以顯著提高預(yù)測準(zhǔn)確性。

3 結(jié)論

本文利用國家氣候中心提供的130項(xiàng)氣候系統(tǒng)指數(shù)對遼寧省夏季降水進(jìn)行了多元線性逐步回歸預(yù)測，得到了以下主要結(jié)論：

(1)對于遼寧省來說，初夏(6月份)和盛夏(7、8月份)所呈現(xiàn)的降水特征有顯著區(qū)別，其中盛夏降水和整個夏季降水特征類似。因此，在預(yù)測中將夏季分為初夏和盛夏兩個時段考慮較為合理。

(2)對初夏和盛夏分別進(jìn)行預(yù)測模型建立，從而預(yù)測整個夏季降水，比傳統(tǒng)的直接預(yù)測夏季降水更為貼近實(shí)際，預(yù)測效果更好。預(yù)測結(jié)果不僅較好的把握降水趨勢，對于豐谷值的預(yù)測也很準(zhǔn)確。

由此看出，基于氣候系統(tǒng)指數(shù)的多元線性逐步回歸預(yù)測法，對于提高中長期預(yù)測精度方面發(fā)揮了重大作用。值得注意的是，遼寧省夏季降水主要是季風(fēng)降水，但隨著臺風(fēng)等天氣系統(tǒng)的頻繁影響，使我省降水變得難以預(yù)測。一場臺風(fēng)降水，往往直接改變整個夏季的降水格局。因此，在今后的中長期預(yù)測工作中還應(yīng)盡量考慮到臺風(fēng)北上個數(shù)及強(qiáng)度等影響因素。

圖2 遼寧省初夏分區(qū)域降水預(yù)測結(jié)果

圖3 遼寧省盛夏分區(qū)域降水預(yù)測結(jié)果

圖4 遼寧省夏季分區(qū)域降水預(yù)測結(jié)果