基于集對分析法的珠三角氣候變化研究

吳 丹,汪麗娜

（華南師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，廣州510631）

1 引言

氣候變化是當(dāng)今大氣科學(xué)的研究熱點，在全球氣候變化背景下，由于各氣候要素變化趨勢和程度不同，會對周邊區(qū)域產(chǎn)生不同的影響，未來氣候變化的研究面臨著多方面的挑戰(zhàn)［1］。在此背景下對區(qū)域氣候變化的研究主要從以下幾個方面進(jìn)行：（1）氣候變化的趨勢［2-6］：研究表明近年中國增溫以北方為主，且冬春季增溫明顯，降水量則在不同區(qū)域表現(xiàn)出不同變化趨勢；（2）氣候突變情況［7-9］：中國各地區(qū)氣溫在20世紀(jì)80年代后期發(fā)生顯著突變，降水量無顯著突變；（3）氣候變化產(chǎn)生的影響［10-11］：極端溫度、降水情況出現(xiàn)增多。氣候變化對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)、農(nóng)牧業(yè)、水資源等部門產(chǎn)生較為重要的影響［12］，因此區(qū)域氣候變化的研究受到了廣泛關(guān)注。目前，對于區(qū)域氣候要素或氣候資源的時空變化的分類多是基于單一要素（如氣溫、降水等觀測要素）進(jìn)行劃分，結(jié)合相應(yīng)方法解析氣候變化。如：基于反距離權(quán)重方法分析氣候要素空間分布特征［13］；通過氣候要素相位變化判斷區(qū)域氣候要素組合特征［14］；基于氣候要素的經(jīng)驗正交函數(shù)（EOF）分解法進(jìn)行劃分［15］；利用主分量分析、聚類分析等方法對各月、全年的氣候進(jìn)行綜合性的定量分區(qū)［16］。以上研究取得了重要成果，為短時氣候變化研究奠定了基礎(chǔ)。但綜合氣候要素的多項指標(biāo)，對氣候狀況進(jìn)行分類的研究仍較少［17-18］。因此，本文基于氣候分類的不確定性，綜合考慮反映氣候特征的多項要素，引入模糊分類的思想，從分類的角度分析近幾十年珠三角地區(qū)氣候變化的特征。

2 基于集對分析法的氣候分類

2.1 集對分析法的原理

集對分析法（SPA）是我國學(xué)者趙克勤先生于1989年提出的一種新的系統(tǒng)分析方法，其基本思路是對具有一定聯(lián)系的兩個集合做同一性、差異性、對立性分析并加以度量刻畫，得出這兩個集合在所討論問題背景下的同異反聯(lián)系度表達(dá)式［19-21］。推廣到系統(tǒng)由m＞2 個集合組成時的情況，在此基礎(chǔ)上去深入展開有關(guān)系統(tǒng)的聯(lián)系、預(yù)測、控制、仿真、演化、突變等等問題的研究。聯(lián)系度及其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

在一定的問題（W）背景下，將集合A、集合B 組成集對（H），并對其進(jìn)行分析。集合A、B 分別有n個對應(yīng)項，其中有s項是兩個集合A、B在數(shù)量上相差微小的，有p項是兩個集合A、B在數(shù)量上相差懸殊的，其余的f=n-s-p項在數(shù)量上存在一定差別，但差異不是很明顯。若對應(yīng)項在同一級則認(rèn)為是相同；對應(yīng)項在相鄰的級別中則認(rèn)為是相異；對應(yīng)項在相隔的級別中則認(rèn)為是相反，則由A、B組成的集對H（A，B）的關(guān)系就轉(zhuǎn)化為同、異、反的關(guān)系。集對H（A，B）的聯(lián)系度表達(dá)式為：

式（1）中，s為同一性的個數(shù)；p為對立性的個數(shù)；f為差異性的個數(shù)。i為差異度系數(shù)，在（-1，1）區(qū)間視不同情況取值；j為對立系數(shù)，且j≡-1，記稱a、b、c為某特性下的同一度、差異度和對立度，則（1）式可寫成：

式（2）中，a + b + c = 1，為通常所用的三元聯(lián)系度。SPA的基礎(chǔ)是集對，關(guān)鍵是聯(lián)系度，通過聯(lián)系度的計算，可實現(xiàn)不確定系統(tǒng)的分類［17］。

2.2 基于集對分析法的氣候分類步驟

氣候的相似與相異是一個不確定系統(tǒng)，因此相似氣候的分類可以建立集對分析系統(tǒng)。設(shè)用n個指標(biāo)來衡量集合A，B 的主要特征，根據(jù)集對分析原理，將每個指標(biāo)的值按照一定的標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的類別。轉(zhuǎn)化步驟如下：

步驟1構(gòu)建氣候變化分類的指標(biāo)體系，分類指標(biāo)體系為x1，x2，…，xm（m為指標(biāo)數(shù)），設(shè)氣候評價指標(biāo)為（ai，j，bi，j）（i=1，2，…，K，K 為分類標(biāo)準(zhǔn)數(shù)；j=1，2，…，m），其中ai，j，bi，j分別為第i級、第j個指標(biāo)分類標(biāo)準(zhǔn)的下限和上限，用集合Ai表示；待分類氣候樣本記為B=｛x1，x2，…，xm｝。

步驟2將各級分類標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行符號量化處理。對于1 級標(biāo)準(zhǔn)，記為A1=（1，1，…，1）；對于2級標(biāo)準(zhǔn)，記為A2=（2，2，…，2）；依此類推，對K級標(biāo)準(zhǔn)，記為Ak=（K，K，…，K）。

步驟3將分類對象B 的各指標(biāo)值與各標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)的指標(biāo)值進(jìn)行比較，如落入1 級，則該指標(biāo)為1級，則符號量化為I。逐個指標(biāo)進(jìn)行比較，得到符號量化的集合B，如B=（1，2，K，…，2，K-1）。

步驟4將B 與某個標(biāo)準(zhǔn)Ai對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對照，統(tǒng)計符號相同的個數(shù)，記為s；統(tǒng)計相差1級的個數(shù)，如2與1、2與3，記為f1；統(tǒng)計相差2級的個數(shù)，如2 與4、1 與3，記為f2；依此類推，統(tǒng)計相差K-2 級的個數(shù)，如2 與K，記為fk-2，統(tǒng)計相差K-1級的個數(shù)，如1與K，記為p。得到K元聯(lián)系度：

分別計算各集合中氣候要素與標(biāo)準(zhǔn)集合A的聯(lián)系度μAi～B，μAi～Bi越大則該年氣候?qū)儆趯?yīng)的類型。

2.3 研究區(qū)域概況與數(shù)據(jù)來源

珠江三角洲地區(qū)（以下簡稱珠三角）位于廣東省東南部，由廣州、深圳、佛山、惠州、東莞、中山、江門、肇慶9個城市組成，瀕臨南海，毗鄰港澳，海陸交通便利，被稱為中國的“南大門”。珠三角地區(qū)地勢平坦，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，氣候暖熱，降水充足，優(yōu)越的地理位置和氣候條件使得區(qū)域發(fā)展迅速，形成了以廣州、深圳為中心的珠江三角洲城市群。本文氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（http：//data.cma.cn/），獲取了1970—2017年的廣東省主要氣象觀測站地面氣候資料數(shù)據(jù)集。

3 珠三角地區(qū)氣候變化的集對分析結(jié)果

整理珠三角地區(qū)九個城市11 個主要臺站1970—2017年的氣象數(shù)據(jù)，以平均氣溫、降水量、平均風(fēng)速、平均氣壓、日照時數(shù)、平均水氣壓，平均相對濕度等7 個氣象要素為基礎(chǔ)，基于SPAM 方法對珠三角地區(qū)氣候變化進(jìn)行評價。氣候分類的具體過程如下：

3.1 確定分類標(biāo)準(zhǔn)

計算各指標(biāo)的平均值x，以均值標(biāo)準(zhǔn)差法確定分類標(biāo)準(zhǔn)，分類標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。本文在分類過程中將各氣候要素劃分為5個等級，對應(yīng)項位于同一級時為同，相鄰或相隔一級為異，相隔兩級為反。

表1 集對分析法分類標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Classification standard of set pair analysis

3.2 氣候要素類別化

根據(jù)分類標(biāo)準(zhǔn)將各氣候要素特征值轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的級別，將區(qū)域各因子的多年平均值作為基準(zhǔn)，其指標(biāo)級別組成集合A，各氣候要素多年均值為參證站集合Bi，指標(biāo)級別各組成一個集合。各氣候要素依據(jù)分類標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行類別化處理結(jié)果，如表2所示。再將集合A分別與各參證站組成一個集對，統(tǒng)計每個集對的同異反數(shù)量。

3.3 計算聯(lián)系度，得到集對分析結(jié)果

計算各年氣候要素與區(qū)域多年平均狀況（標(biāo)準(zhǔn)）的聯(lián)系度，得到基于氣候要素的珠三角地區(qū)氣候分類情況，如表3所示。

集對分析法將1970—2017年氣候變化過程中各氣候要素按照一定的標(biāo)準(zhǔn)分為5個等級，氣候模糊分類結(jié)果是由各要素共同作用的，因此對應(yīng)氣候整體特征為5個類別。本文以各氣候要素特征值出現(xiàn)時間為例，分析氣候變化的整體特征。

整體氣候特征溫和類（類別III），其分布年份較為均勻且集中。如，1971年是平均氣壓極大值出現(xiàn)的年份，然而該年的平均氣溫、降水量和水氣壓基于分類標(biāo)準(zhǔn)均屬于最小一級。因此，該年氣候整體表現(xiàn)為溫和型。1976年為平均氣溫最低的年份，氣候整體特征同樣溫和，主要是受到這一年氣壓、日照時數(shù)、相對濕度較高的影響。又如，日照時數(shù)極大值出現(xiàn)在1977年，雖然該年日照時數(shù)和平均氣壓大，但降水量和相對濕度偏小；1991年是降水量最少的年份，不過平均氣溫、平均氣壓以及日照時數(shù)偏高；2015年是平均氣溫最高的年份，但由于平均氣壓和風(fēng)速較低，依據(jù)各自分類標(biāo)準(zhǔn)均處于最小的區(qū)間。

表2 部分年份氣候要素類別化結(jié)果Tab.2 Classification results of every climatic elements in some years

表3 珠三角地區(qū)氣候模糊分類結(jié)果Tab.3 Classification results of climate in Pearl River Delta

氣候整體特征偏高類（類別IV、V），其年份主要出現(xiàn)在上個世紀(jì)70—80年代。如，風(fēng)速極大值出現(xiàn)在1970年，同時該年平均氣壓和平均相對濕度也較高，故氣候水平整體偏高；1975年平均相對濕度出現(xiàn)極大值，同時降水量，平均水汽壓均較大，氣候特征偏高。1997年為風(fēng)速和日照時數(shù)出現(xiàn)極小值的年份，但集對分析結(jié)果表明該年氣候較多年平均狀況極端偏高，這是由于降水量、平均氣壓、水氣壓和相對濕度依據(jù)其分類標(biāo)準(zhǔn)都屬于最高一級。2012年平均氣壓最小，卻屬第四類，整體偏高，對比該年的其他氣候要素發(fā)現(xiàn)氣溫、風(fēng)速、水氣壓，以及日照時數(shù)均偏高。降水量和水氣壓極大值同時出現(xiàn)在2016年，這一年的相對濕度和平均氣溫也偏高，因此集對分析結(jié)果表明2016年氣候整體特征較平均狀況偏高。

氣候整體特征偏低類（類別I、II）。除了在上世紀(jì)八九十年代有較少的幾年外，主要出現(xiàn)在近十幾年。如，2011年水氣壓和平均相對濕度均出現(xiàn)研究時段內(nèi)的極小值。因此，盡管風(fēng)速和日照時數(shù)較大，2011年整體氣候特征依然較平均氣候條件偏低。

近48年珠三角氣候變化整體特征表現(xiàn)為三種類型，整體氣候特征溫和的年份可劃分為兩個階段，上世紀(jì)七八十年代期間氣溫整體偏低，氣壓較高，相對濕度、水氣壓適中；上世紀(jì)90年代后期至今表現(xiàn)為氣溫偏高，氣壓偏低，日照時數(shù)、相對濕度較為適宜。氣候整體特征偏高的年份主要出現(xiàn)在上世紀(jì)七八十年代，受到平均氣壓、平均相對濕度的影響；氣候整體特征偏低的年份主要出現(xiàn)在近十幾年，這一時期氣候適宜度偏低的主要原因是風(fēng)速、氣壓在這一階段表現(xiàn)為偏低，同時受到平均相對濕度的影響較大。

4 結(jié)論

集對分析法是一種新的不確定分類方法，計算簡便，通過集對分析法計算的氣候模糊分類是行之有效的，為氣候系統(tǒng)分類提供了新途徑。

本文在對各氣候要素均值特征進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，依據(jù)均值標(biāo)準(zhǔn)差法確定集對分析的分類標(biāo)準(zhǔn)，對氣候進(jìn)行模糊分類，分析各類型氣候的主要特征及主導(dǎo)要素?；诩瘜Ψ治龇ǖ臍夂蚍诸惐砻?，氣候整體特征由各要素共同影響，如在氣溫升高的同時，其他氣候要素會存在不同的變化趨勢，而集對分類的結(jié)果就綜合體現(xiàn)了氣候變化情況。集對分析法的分類結(jié)果表明全球氣候變暖，氣溫升高背景下，影響研究時段早期七八十年代氣候分類結(jié)果的主要原因為平均氣壓和相對濕度兩個氣候要素較區(qū)域平均水平整體偏高；而近20年主要是風(fēng)速和相對濕度整體偏低的影響，引起氣候適宜度在一些年份偏低，這可能是在城市化過程中土地利用方式的改變以及城市化引起的熱島效應(yīng)、干島效應(yīng)等導(dǎo)致的。因此，城市發(fā)展過程中應(yīng)注意植被、水體等對氣候的調(diào)節(jié)作用，進(jìn)而提高珠三角地區(qū)氣候適宜度，改善人居環(huán)境。