太陽黑子相對數與遼寧省旱澇特征的分析研究

張 峰

(遼寧省本溪水文局，遼寧 本溪 117000)

1 研究背景

太陽黑子的多少通過太陽黑子相對數可以得到反映，太陽活動的強弱可以通過整個日面輻射能力的變化進行反映[1]。太陽黑子數有連續可靠且記錄較長的文字記錄，年和月數據可以追溯到1749年，這樣就為氣象水文中長期預報提供有利條件[2]。多項研究成果表明[2- 12]，太陽黑子活動準周期分別為11年、22年和180年，氣候及水文與太陽黑子活動周期具有密切的聯系[13]。遼寧省水旱災害損失占自然災害損失的大部分，屬于水旱災害頻發的省份[14]。目前，由于人類抵御自然災害的能力有限，國際、國內都在積極倡導減少自然災害，水旱災害的預測預報是其中非常重要的非工程措施之一[15]。為此本文對太陽黑子11年活動周期極值年與遼寧旱澇特征關系進行分析，并通過回歸方程建立月太陽黑子相對數與遼寧省盛夏、夏季降水量預測模型。

2 太陽黑子相對數計算方法

太陽黑子指數可用太陽黑子相對數據進行計算，方程為：

R=K(10g+f)

(1)

式中，g—觀測的日面上的太陽黑子群的個數；f—各群太陽黑子觀測的總數目；K—修正系數。為消除觀測不規則擾動及主動因素的影響，此方案用太陽黑子相對數12月滑動平均值。

在構建太子黑子相對數預報模型時，本文定義一個新的系數，定義方法為：前一年1月至當年5月太陽黑子月最大(小)值同年平均的比值稱為前期月最大(小)比例系數。比如1966年太陽黑子相對數年均值為66.6，1965年1月至1966年5月太陽黑子最大值為69，最小值為10.2，則1966年的前期月最大比例系數為1.04，前期月最小比例系數為0.15。按照西定義逐年計算1966—2015年前期月最大、月最小比例系數。

3 太陽黑子相對數與遼寧省旱澇的對應關系

對太陽黑子11年活動周期極值年與遼寧旱澇特征關系進行分析，分析結果見表1。

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

表1 太陽黑子11年周期極值年與遼寧旱澇災害年統計表

圖1 太陽黑子相對數年平均值、月最大和月最小比例系數曲線

4 太陽黑子相對數預報模型的建立

4.1 太陽黑子相對數月比例系數分析

眾多分析認為，太陽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數年均值及其位相來刻畫太陽黑子的活動情況會抹平年內的變化特征，而應當細致的研究其變化，注意月際變化特征，同時還有研究指出，在太陽黑子出現期間日地距離也是影響地面上各種自然現象變化的主要因素，尤其每年春季1—3月間出現的黑子，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黑子的活動位相與旱澇形式有著明顯的對應關系，但是太陽黑子相對數的月際變化對大氣環流的影響比年均值更明顯，并且大氣環流對太陽黑子活動的響應具有一定的滯后性。下面為了分析此影響的滯后性，進行相關計算。本文分定義一個新的系數，定義方法為：前一年1月至當年5月太陽黑子月最大(小)值同年平均的比值稱為前期月最大(小)比例系數。比如1966年太陽黑子相對數年均值為66.6，1965年1月至1966年5月太陽黑子最大值為69，最小值為10.2，則1966年的前期月最大比例系數為1.04，前期月最小比例系數為0.15。按照西定義逐年計算1966—2015年前期月最大、月最小比例系數，

從圖2中可以看出，前期月最大比例系數與太陽黑子年均值呈現反相位對應關系，即當年均值處于低值(m)時，前期月最大比例系數處于波峰，且峰形尤為尖銳；而當年均值處于高值(M)時，前期月最大比例系數處于波谷，但波谷較平滑，對應關系沒有前者好。前期月最小比例系數與太陽黑子年均值呈現正位相對應關系，即當年均值處于低值(m)時，前期月最小比例系數處于波谷，當年均值處于高值(M)時，前期月最小比例系數處于波峰。因此前期月最大比例系數尖銳的波峰值對太陽黑子的低值年具有很好的指示作用。

4.2 不同時段降水與前期太陽黑子相對數相關性分析結果

對遼寧省初夏降水、盛夏降水及夏季降水分別與前一年1月至當年5月太陽黑子相對數的相關系數進行分析，分析結果如圖2所示。

圖2 不同時段降水與前期(前一年1月至當年5月)太陽黑子相對數相關

從圖中可見，初夏降水與太陽黑子主要呈現正相關，最大相關性出現在當年1月份，相關系數為0.14，沒有通過顯著性檢驗。盛夏和夏季降水與太陽黑子呈現負相關，且相關系數變化趨勢十分相似，其中最大負相關性均出現在前一年12月份，相關系數分別為-0.45和-0.43，均超過信度為0.01(相關系數絕對值大于0.354)的檢驗。由此可知，前一年太陽黑子的月變化對遼寧省夏季降水的影響的滯后時間在7—8個月。

4.3 太陽黑子相對數預報回歸方程的建立

為具體利用太陽黑子數預測降水量，下面降水前一年12月的太陽黑子相對數分別于盛夏、夏季降水進行預報模型的建立，如圖3所示。

圖3 前一年12月太陽黑子數與盛夏、夏季降水的關系

如圖可知太陽黑子相對數與降水量之間為負相關。以前一年12月太陽黑子相對數為自變量，盛夏、夏季降水量為因變量，建立預報模型分別為：y=-0.5971x+393.85、y=-0.5663x+489.35。

由此便得出太陽黑子相對數與降水量之間的預報模型，據計算，根據此預測模型，預報值與觀測值的距平符號一直率高達72%和70%。

4.4 太陽黑子相對數預報模型的驗證

由前面不同時段降水與前期太陽黑子相對數相關性分析研究結果可知，前一年12月的太陽黑子指數對盛夏及夏季的降水量預測具有很好的指示作用，并建立了預測模型，由預測模型對2016—2018年的盛夏及夏季降水進行預測，驗證結果見表2。

表2 太陽黑子預測法的預測值與實測值對比

5 主要結論

(1)前期月最大比例系數對太陽黑子年均值具有很好的指示和預報作用。當前期月最大比例系數超過3時，第二年太陽黑子年均值會達到低值年。

(2)前期月最大比例系數與太陽黑子年均值呈現反相位對應關系，即當年均值處于低值(m)時，前期月最大比例系數處于波峰，且峰形尤為尖銳；而當年均值處于高值(M)時，前期月最大比例系數處于波谷，但波谷較平滑，對應關系沒有前者好。

(3)本文通過回歸分析方法建立太陽黑子相對數分別于盛夏、夏季降水的預報模型。預報模型未能進行置信度檢驗，在以后的研究中還需要對其進行置信度檢驗。