基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的全球氣候變化預(yù)測模型

侯惠清

（南華大學(xué)數(shù)理學(xué)院，湖南 衡陽421001）

1 引言

自從工業(yè)時代以來，人們對自然的掠奪式開發(fā)以及無節(jié)制的能源利用帶來了日益嚴(yán)重的全球變暖問題[1]，嚴(yán)重影響了人類的生存[2-3]。這引起全人類都對全球暖化極度重視，不遺余力地采取一系列措施減緩全球暖化速度。為此，本文考慮了地球的吸熱、散熱以及海洋表面溫度變化，預(yù)測未來25年的氣候變化。同時將影響氣候變化的一些因素納入考慮范圍，得到了全球變暖的影響因素，并且把多個解釋變量對被解釋變量的關(guān)系預(yù)測可以采用多元回歸預(yù)測模型[4]，之后進行相關(guān)系數(shù)分析，來判定多元回歸方程中的解釋變量。本文利用1980—2008年間的數(shù)據(jù)對1980—2008年全球氣溫平均值進行擬合，通過判定系數(shù)R2判定模型的擬合效果。本文使用的基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的線性回歸組合預(yù)測模型如圖1 所示。

圖1 基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的線性回歸組合預(yù)測模型結(jié)構(gòu)圖

2 基于多元線性回歸的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型

多元線性回歸分析模型[4]是可以包含多個解釋變量的線性回歸模型，用于揭示被解釋變量與其它多個解釋變量之間的線性關(guān)系。這里我們將1980—2008年的二氧化碳排放量與海平面溫度值作為解釋變量，將此年間全球平均氣溫值作為被解釋變量，進行多元線性回歸擬合，并利用得到的模型預(yù)測2009—2018年的全球氣溫平均數(shù)據(jù)。將全球平均溫度數(shù)據(jù)值Y 作為被解釋變量，將1980—2018年全球人口總數(shù)，海洋表面溫度、五大國森林面積總和、北極海冰面積、大氣污染二氧化碳排放量視為解釋變量進行多元回歸分析。

BP 神經(jīng)網(wǎng)作為人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中最可靠、最經(jīng)典的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，操作便捷、學(xué)習(xí)能力強大。運用誤差逆向傳播算法，是通過該算法進行訓(xùn)練的多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有拓?fù)湫越Y(jié)構(gòu)，包含輸入層、隱含層、輸出層。其中隱含層可以是一層，也可以是多層，每層之間均通過權(quán)值相連接。BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有非常強的非線性擬合能力，可以實現(xiàn)時間序列數(shù)據(jù)的預(yù)測[5]。

BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法可以分為以下幾個部分[6]：①BP 網(wǎng)絡(luò)的初始化；②根據(jù)給出的連接權(quán)值與各層神經(jīng)元閾值計算出隱含層輸出；③根據(jù)計算得出的隱含層輸出，計算出輸出層輸出；④計算均方誤差；⑤反復(fù)更新權(quán)值與閾值；⑥最后是判斷過程，若算法滿足精度要求則結(jié)束迭代，若為滿足要求返回。

經(jīng)由MATLAB 實現(xiàn)基于多元線性回歸的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型，計算得出未來全球平均氣溫預(yù)測值以及變化趨勢，如表1、圖2 所示。

由表1、圖2 可知，未來25年全球平均氣溫呈現(xiàn)緩慢上升趨勢，上升率僅為0.02%，并最終趨于平緩。2015年《聯(lián)合國氣候變化框架公約》第21 次締約方會議（世界氣候大會）于巴黎舉行，促使196 個締約方形成統(tǒng)一意見，并于2020年開始實施，這一世界性質(zhì)的協(xié)議無疑對緩解全球變暖具有顯著影響，各個國家與地區(qū)必然制定相應(yīng)的舉措進行落實。加之人們深受全球變暖帶來的危害，氣候保護意識顯著增強，世界多方共同努力，定會出現(xiàn)期望已久的碧海藍(lán)天。

表1 未來全球平均氣溫預(yù)測值

圖2 未來25年全球平均氣溫預(yù)測值變化趨勢

圖3 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測誤差率

圖3 為BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測誤差率，由圖3 可知，該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測的全球平均氣溫值與實際氣溫值的動態(tài)絕對誤差最差為0.39，因此在預(yù)測精度、可靠性方面均十分良好，基于時間序列的動態(tài)BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型在全球平均氣溫預(yù)測中具有重要的參考意義。

3 結(jié)論

通過建立刻畫未來25年氣候變化的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型可知，未來25年全球平均氣溫變化并沒有停滯，而是呈現(xiàn)緩慢上升趨勢，上升率僅為0.02%，并最終趨于平緩。