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1、深層地溫變化規(guī)律及在汛期氣候預測中的應用 第1期(總第86期) 2009年3月 山西氣象 SHANXIMETEOROLOGICALQUARTERLY No.1(SumNo.86) Mar.2009 深層地溫變化規(guī)律及在汛期氣候預測中的應用 張紅英,張磊,楊建民,李鴻飛,吳素芬 (1.山西省長治市氣象局,山西長治046000;2.山西省長子縣氣象局,山西長子046000; 3.山西省長治縣氣象局,山西長治046000) 摘要:利用1980年以來不同深度地溫資料,研究分析歷年的月,季,年度變化特征.并統(tǒng)計分析了地溫與汛 期降水和氣溫的相關(guān)關(guān)系,選用顯著相關(guān)因子建立汛期總

2、降水量,汛期平均氣溫,各月降水量及各月平均氣 溫的最優(yōu)子集回歸方程.經(jīng)檢驗,不僅其歷史擬合率比較高,而且對2002年一2008年的試預報也取得了較 好的效果. 關(guān)鍵詞:深層地溫;汛期旱澇趨勢;最優(yōu)子集回歸 中圖分類號:P456.8文獻標識碼:A 0引言 地溫變化是由下墊面熱量收支平衡造成的,它 反過來影響大氣變化…,因此,如同海溫一樣,地溫 可作為影響長期天氣過程的一個重要物理因子來 看待,地一氣系統(tǒng)的相互作用在長期天氣和氣候形 成及變動中起重要作用I2】.近年來,有一些氣象工 作者利用較深層地溫來預測汛期降水的趨勢,取得 了較好的效果.湯懋蒼等對地溫進行了大量的研

3、究,20世紀80年代初即開始嘗試用深層地溫來預 報汛期降水趨勢[310本文的目的即是通過對長治市 深層地溫場與夏季降水場的時空分布特點的分析,找 到它們之間的對應關(guān)系,進而制作夏季降水預報. 長治市氣象局所屬長治縣氣象局是國家基本 氣象觀測站,20世紀80年代以來一直進行深層地 溫觀測.據(jù)一些氣象工作者的研究成果,我們也利 用深層地溫進行了與汛期旱澇以及冷暖趨勢關(guān)系 的研究.利用前一年各層地溫觀測資料與當年盛 夏雨量和氣溫資料,根據(jù)氣象統(tǒng)計學原理和方法, 試圖揭示深層地溫與盛夏雨量和氣溫的關(guān)系,并將 相應的研究成果試用于汛期降水和氣溫趨勢的短 期氣候預測,其效果較好.

4、 1資料選取和方法 本文所用的深層地溫資料為長治縣1981年一 2005年的40cm,80cm,l60cm和320cm地溫觀 測值. 將長治縣夏季氣溫和降水量作為研究對象,資 料年代為1961年一2005年6月一8月的月平均氣 收稿日期:2008—12—23 作者簡介:張紅英(1963一),女,山西省長治市人.2006年畢業(yè) 于南京信息工程大學大氣科學專業(yè),高級工程師 溫和月降水量. 利用最優(yōu)子集回歸方法,利用深層地溫作為預 報因子,預報對象為季,月降水量和氣溫. 2深層地溫特征分析 2.1深層地溫月際變化特征 各深度層地溫均存在有較大的月際變化,隨著 深度的增加

5、,各月之間的變幅逐漸減小,另外地溫 高值和低值出現(xiàn)的時間也隨深度的增加而后延.其 中,40cm和80cm深度層的地溫7月一8月最高,1 月一2月最低;160cm深度地溫的高,低值則后延一 個月,為8月一9月最高,2月一3月最低;320cm地 溫的高值和低值出現(xiàn)的時間則更具滯后性,分別為 9月一10月和3月一4月. 2.2深層地溫年,季變化特征 不同深度的地溫與氣溫一樣存在著季節(jié)變化和 年際變化,在l981年一2005年有深層地溫資料的25 年中,8O年代中前期和90年代中期,各深度層地溫 的年際變化不大,且為負距平,而80年代后期至9O 年代初期為正距平.特別是90年代

6、中期以后,各深 度層地溫的年際變化增大,地溫具有逐年上升的趨 勢,特別是1998年和1999年,是20多年來地溫最 高的兩年.隨著深度的增加,地溫的年際變化的變 幅逐漸減小,尤其320cm地溫在1997年以前全部 是負距平,1997年,1998年,1999年和2000年為正 距平,且距平幅度在1999年達到3.8c《二.2000年以 后距平又變?yōu)樨摼嗥?各深度層地溫的季節(jié)變化同 月變化具有相同特點,即隨著深度的增加,各季季 平均地溫的變幅逐漸減小,且出現(xiàn)季節(jié)后延現(xiàn)象, 深度越深,季節(jié)后延越明顯.80cm和160cm深度 層的地溫以夏季最高,冬季最低,與氣溫的季變化 特點

7、接近,而320cm地溫的高值和低值出現(xiàn)的時問 ? 26?山西氣象2009年第1期 則明顯滯后,為秋季值最高,春季值最低. 3夏季降水的年際旱澇特征分析 根據(jù)長治地區(qū)降水變化的基本特點以及可能 對農(nóng)業(yè)和防汛所產(chǎn)生的影響,把盛夏降水尺分為特 旱,偏旱,正常,偏澇,特澇5級,對應的降水距平百 分率分別為: R≤一5O%特少,特旱 一 50%<R≤一2O%偏少,偏旱 一 20%<R<20%正常 20%≤R<50%偏多,偏澇 尺≥50%特多,特澇 按上述劃分標準統(tǒng)計長治縣自1961年以來的 45年夏季旱澇狀態(tài),歷年汛期降水距平百分率如圖 1所示

8、.從圖中可以看出:出現(xiàn)特早年3個(分別為 1965年,1983年和1997年),偏旱年7個,偏澇年9 個,特澇年7個(分別為1966年,1971年,1973年, 1976年,1988年,1996年和2003年),正常年份19年 占總年份的42%.其中出現(xiàn)特旱和特澇的異常年 份約占10年,占總年份的22%,澇大于旱.20世紀 6O年代到70年代為多雨年,80年代到90年代中 期為正常少雨期,90年代中期至今又為多雨期. 4夏季氣溫的年際變化特征分析 資料為長治縣1961年一2005年6月一8月的 月平均氣溫.45年間夏季氣溫呈明顯下降趨勢,45 年間共出現(xiàn)暖夏10年,冷夏1

9、0年.8O年代以前屬 偏暖期,有7年出現(xiàn)暖夏,占7/10,出現(xiàn)1年冷夏, 占1/10.8O年代以后為偏冷期,9年冷夏,占9/10, 且只出現(xiàn)3年暖夏,占3/10. 夏季氣溫偏低0.5℃的年份有1976年,1980 年,1984年,1987年,1988年,1989年,1993年, 1996年,2003年和2004年. 夏季氣溫偏高0.5℃發(fā)生在1961年,1965年, 1966年,1967年,1972年,1974年,1978年,1981年, 1994年和1997年. 5利用最有子集回歸方程制作夏季降水量和氣溫 預報 5.1預報方法和原理 目前業(yè)務(wù)統(tǒng)計預報模型,往往采用最

10、優(yōu)子集回 歸方法建模.方法的特點是將全部自變量按所有不 同的排列組合與因變量建立全部可能的回歸方程, 從所有可能的回歸方程中確定一個效果最好的子 集回歸,效果最好的子集回歸稱為最優(yōu)子集.它與 逐步回歸的區(qū)別在于所建立的模型是全局最優(yōu)的, 逐步回歸中置信度很高的回歸方程不一定是最優(yōu) 的方程,而最優(yōu)方程經(jīng)常是顯著性方程.選擇自變 量就是要確定哪一個子集回歸效果最好.對于確定 最優(yōu)子集回歸的方法,可先根據(jù)要求設(shè)計一個統(tǒng)計 量.s,一般Js與子集回歸方程的效果關(guān)系為.s越小 對應的回歸方程效果越好,每一個子集回歸都能算 出它的Js值.因此,最優(yōu)子集回歸的計算,就是按照 一

11、定的順序求出一切可能子集回歸的Js值,然后, 從其中確定最小值,如果: Js(_l’_2’???Xik)=minS. 則S(Il,I2’???Xik)對應的子集回歸方程: Y:p+pi1Xil+pi2Xi2+pikXik 就是最優(yōu)回歸方程.對于回歸模型識別準則,可采 用平均殘差平方和準則(Sk),預報平方和準則 (press),AIC,BIC和Cp準則.本文采用雙評分準 則,其定義為: sl==凡(1), Q=擊末(y(t)一l,(t)), q=(y(t)一(t)), S2=2,=2主.j1n_j+nlnn—Il-l (主niinni+主njInnJ)】,l0j=l

12、 CSC=Sl+S2. 式中,S為數(shù)量評分,即為精評分,S2為趨勢評 分,稱為粗評分,為樣本長度,Q為模型的總離 差平方和.,為預報趨勢類別數(shù),凡ij為i類事件與 類估計事件的列聯(lián)表中的個數(shù),其中: nj∑niJ,nJ∑niJo 雙評分準則旨在使模型擬合的精度更好,趨勢 亦準.顯然,當CSC達最大時相應的回歸模型最優(yōu), 用CSC達到最大為準則選取最優(yōu)子集回歸I4]. 5.2預報方程的建立 首先,用長治縣的各月降水量與40em,80em, 160cm和320em地溫進行相關(guān)分析,研究了降水 量與不同因子之間的相關(guān)關(guān)系,找出了高相關(guān)因 子,然后用最優(yōu)子集回歸建立預測模型【

13、4J. 5.2.1降水量預報方程 6月份: Y=34.500+4.268X.一6.452X3—4.3024 — 144.1675—29.398X7+136.8759 +8.356Xl0+37.485X18—5.92919 7月份: Y=一1008.634+25.0022—68.71120 +45.88l22+54.247X25 8月份: Y=一529.377—100.169+62.146X8 +52.81421 6月一8月: Y=一71.975+276.101+159.3l1 2009年3月張紅英,等:深層地溫變化規(guī)律及在汛期氣候預測中的應用?27? 一 51

14、8.841Xl6+27.032X-一158.183l8 +95.056X23+121.248X24 5.2.2各月氣溫預報方程 6月份: Y=26.100+0.383Xl+6.660X2—0.342X3 +0.983X7—0.988X8+O.234Xl0—1.934XIl 一 1.424Xl2—3.389Xl4—0.808Xl6 7月份: Y=48.052—1.306X3—2.222X一1.679Xs — 1.780X9+O.869X13+1.287Xl5+3.698Xl6 8月份: Y=40.564—1.189. 6月一8月: Y=46.519—0.959X4+

15、2.1926+0.694X7 — 1.601X8+1.221l2—2.089Xl3 — 1.018l8+0.386X2I一0.439X22 4.2.3方程中各項因子的物理意義(表1) 表1方程中各項因子的物理意義 從降水預報方程中可以看出:6月份降水與上 一 年夏季160cm地溫有很大的反相關(guān),而與上一年 7月160em地溫有很強的正相關(guān).7月份降水與上 一 年11月320cm地溫呈正相關(guān),而與冬季320cm 地溫呈反相關(guān).8月份降水與上一年秋季80em地 溫呈反相關(guān),而與10月80cm和8月40cm地溫呈 正相關(guān).夏季降水與上一年夏季40em地溫呈正相 關(guān),而

16、與上一年夏季80cm地溫和秋季160cm地溫 呈反相關(guān).從氣溫預報方程中可以看出:6月份氣溫 與上一年春季160cm地溫關(guān)系密切,7月份氣溫與 上一年夏季80cm地溫關(guān)系密切,呈正相關(guān).8月份 氣溫與上一年7月份160em地溫呈反相關(guān)關(guān)系.汛 期氣溫與秋,冬季80cm地溫關(guān)系密切. 6預報方程回報檢驗 我們通過長治縣1981年一2001年的降水實況 資料方程的預報值進行了擬合檢驗,檢驗標準為國家 氣候中心下達的短期氣候預測評分辦法,結(jié)果如表2. 7預報試驗結(jié)果 在2002年一2008年的試報過程中,利用方程 表2歷史擬合率 降水氣溫 6月86%9O% 7月81%7

17、6% 8月86%86% 夏季lO0%95% 計算夏季6月一8月份降水量和分月降水量和氣溫 時,2004年預報各月氣溫誤差較大,分月降水預報 準確率為75%.分月氣溫預報準確率為67%.汛 期降水預報中,預報準確率達100%,汛期氣溫預 報準確率達95%.尤其在制作2006年預報中,利 用方程計算結(jié)果結(jié)合其它方法和經(jīng)驗成功的預報 出夏季降水偏多,效果很好.2008年利用方程制作 的汛期降水量為300mm,實況出現(xiàn)270mm.方程 計算出的6月份降水量為66mm,實況出現(xiàn)70mm; 7月份計算得103mm,實況出現(xiàn)102mm;8月份 計算得96mm,實況出現(xiàn)98mm.預報

18、之準確,已 取得了明顯的社會經(jīng)濟效益. 8結(jié)論 a)夏季降水與上一年夏季40cm地溫呈正 相關(guān),而與上一年夏季80cm地溫和秋季l60em地 溫呈反相關(guān),用深層地溫做出來的預報方程歷史擬 合率高達100%,試報準確率也高達100%,因此用 最優(yōu)子集回歸方程制作的汛期預報方程可信度非 常高. b)此方法對氣溫的預報是有限的,雖然預報 方程的歷史擬合率較高,但在試報中預報準確率僅 為67%,尤其對2004年汛期的氣溫預報是失敗 的,還有待于進一步核對和訂正. c)長治縣各深度層的地溫與該市汛期降水量 雖有較好的相關(guān)性,但僅用這一類氣象因子預報汛 期降水趨勢無疑存在局限

19、性,而方法較為簡單,其 預測結(jié)果仍有一定的參考價值.當然,在實際制作 汛期降水趨勢預報時,應盡量綜合考慮其它相關(guān)因 子. 參考文獻 【1]張翠榮.深層地溫在武漢市汛期降水趨勢預報中 的應用【J】.湖北氣象,2005(2),23—24. [2】張霞.深層地溫在汛期旱澇趨勢預報中的應用【J1. 河南氣象,2002,(2),8—10. 【3】湯懋蒼,吳士杰.用深層地溫預報汛期降水趨勢【J】. 氣象,1981,8. 【4】張萬誠,鄭建萌,解明恩.最優(yōu)子集回歸模型在低 緯高原雨季開始期預報中的應用試驗[J】.氣象, 2000,26(11):24—27. 《英文摘要下轉(zhuǎn)第31頁

20、) 呦_一r..D 酹一一_,,,’●●,’義一加∞舳加∞∞為撒一一一一一～～～～Z 義一∞舳加∞∞∞一 閃一. 撒一一～一一一一一一 2009年3月魯巨,等:大同地區(qū)谷子氣候生態(tài)適應性分析?31? 期第一場好雨的出現(xiàn)時間,平川區(qū)和東南山區(qū)可于 4月底到5月上旬播種,西部的左云縣略偏晚一 些.播期應注意雨后搶墑播種或采取抗旱播種措 施,這樣幼穗分化期正好與當?shù)氐臏貪窀叻逋? 成熟期正好在早霜凍來臨期,能獲高產(chǎn).早播者成 熟雖在安全期,但幼穗分化期都未進入雨季,出現(xiàn) 胎里旱,分化發(fā)育不良,產(chǎn)量不高,遲播者因后期溫 度低,發(fā)育慢,霜前不能成熟,導致減產(chǎn). 3.3合理

21、密植 合理密植可有效利用土地,充分利用光熱水等 氣候資源.谷子產(chǎn)量90%以上靠光合作用積累,根 據(jù)有關(guān)資料表明,谷子產(chǎn)量的高低與葉面積系數(shù)成 正比.間苗過密,過早互相蔭蔽,植株生育不良,產(chǎn) 量不高,間苗過稀,雖單株發(fā)育良好,但株數(shù)少,產(chǎn) 量也不高. 3.4科學用水 谷子在孕穗期最怕干旱,孕穗抽穗階段土壤相 對含水量以70%一80%為宜,所以有條件灌溉的 地方,拔節(jié)后遇干旱應淺澆一次拔節(jié)水,抽穗前半 個月應灌孕穗水. 3.5適時收獲 谷子生育后期忌大風,多雨,早霜,飛鳥等災 害.因此,谷子到植株基本上停止生長,大部分莖葉 黃枯之后,應抓住晴好天氣及時收獲,減少損失,

22、奪 取優(yōu)質(zhì)高產(chǎn). 參考文獻 【1】汪源正,等.雁北區(qū)農(nóng)業(yè)氣候資源分析及利用【M】. 北京:氣象出版社,1992年5月. [2】宋迎波,等.糧食安全氣象服務(wù)【M].北京:氣象出 版社,2006年6月. 【3】謝金南,等.中國西北干旱氣候變化與預測研究【M】. 北京:氣象出版社.2000年l1月. AnalysisofMilletEcologicalAdaptationToClimateInDatong Luju19LiXiaozhen’,LiangLizhen,DuCuifang19BaiXueping (1.DatongMeteorologyBureauofShanxiP

23、rovince,Datong,Shanxi,037004; 2.YangchengCountyMeteorologyBureauofShanxiProvince,Yangcheng,Shanxi,048100) Abstract:Accordingtothemeteorologicalconditionsofthecharacteristicsofmilletgrowthanddevelopment andhigh—yieldandhigh—quality,themeteorologicalconditionsforthewholegrowthperiodMilletDatongarea

24、 wereanalyzed.Itwasmainlyanalyzedthattheprecipitationimpactedgrowthofmilletduringthegrowthperiod. Theadverseweatherconditionswerediscussedduringthegrowthperiod.Theagriculturalmeteorologywasgiven forhigh—qualityandhigh—yieldingmilletinDatong. Keywords:Millet;weatherconditions;adaption (上接第27頁)A

25、 pplication0fDeePSoilTemperatureChanging InWeatherForecastingDuringFloodPeriod ZhangHongying,ZhangLei29YangJianmin19LiHongFei39WuSufen (1.ChanzhiMeterologyBureauofShanxiProvince,Changzhi,Shanxi,046000; 2.ZhangziCountyMeteorologyBureauofShanxiProvince,Zhangzi,Shanxi,046000; 3.ChanzhiCountyMeteor

26、ologyBureauofShanxiProvince,Changzhi,Shanxi,046000) Abstract:Basedonthedataofsoiltemperature1980topresent,thechangingofmonth,qua~erandannualin thecharacteristicsofsoiltemperaturewasresearchedandanalyzed.Atseamtime,thestatisticalanalysiswasdone ontherelationshipbetweensoiltemperatureandtheprecipit

27、ationandairtemperatureduringfloodseason.The regressionequationoftheoptimalsubsetofthetotalprecipitationandaverageairtemperatureduringfloodseason andaverageprecipitationandaverageairtemperatureofeachmonthwasestablishedthroughchoosingsignificant correlationfactor.Aftertesting,notonlyfittingtherateofitshistoryisrelativelyhigh,butalsofortheyears2002 —? 2008thetrialhasalsobeenmadebetterforecastingresults. Keywords:Deepsoiltemperature;Trendofdroughtandwaterloggingduringfloodperiod;Optimalsubset regression