西藏昌都市氣候變化特征及預(yù)測技術(shù)研究

洛松桑鄧 四郎措姆 多吉康珠

（1.西藏昌都市貢覺縣氣象局，西藏 昌都 854000；2.西藏拉薩市氣象局，西藏 拉薩 850000；3.西藏拉薩市當(dāng)雄縣氣象局，西藏 拉薩 851500）

0 引言

有研究資料顯示，隨著城市化快速建設(shè)以及人類社會活動的多元化，均對氣候條件造成了一定的影響，近60年全球氣溫呈逐漸增高的趨勢［1］。西藏位于我國西南部區(qū)域，氣候條件極其復(fù)雜，且西藏地區(qū)氣候變化對我國甚至全球氣候均造成較大影響［2］。因此，研究西藏地區(qū)氣候變化具有重要意義，同時研究其氣候預(yù)測技術(shù)對提高我國氣候預(yù)測水平同樣具有一定參考意義。

對西藏區(qū)域氣候的研究起步較早，近些年主要有：閆立娟［3］利用遙感影像資料，采用GIS 技術(shù)，主要研究西藏氣候變化對其湖泊的影響，研究表明氣溫、降水氣候變化對以冰川為主的湖泊影響較小。陳得圓等［4］利用西藏地區(qū)35年氣象觀測數(shù)據(jù)，建立氣候因子反演積雪深度計算模型，研究表明按照季節(jié)尺度對氣候因子劃分，反演出的積雪深度模型計算結(jié)果較為真實(shí)。金建新等［5］利用西藏地區(qū)37 個站點(diǎn)近30 年氣象資料，通過對UNEP干旱指數(shù)計算，研究西藏地區(qū)干旱時空演變特征，研究指出在30年內(nèi)干旱指數(shù)隨著時間推移逐漸減小。

昌都位于西藏東部區(qū)域，平均海拔在3500m 以上，西北部高程較大，年降水量477mm左右，由于較大的海拔差異，導(dǎo)致昌都各區(qū)域年平均氣溫存在較大差異，主要集中在2.4℃～12.6℃。文章利用昌都地區(qū)1961—2010年逐日氣象觀測資料，主要研究年平均氣溫、降水整體變化趨勢以及突變年情況，同時分別構(gòu)建氣溫、降水與其余氣象因子預(yù)測關(guān)系模型。通過文章研究所得結(jié)論能夠?qū)Σ嫉貐^(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、氣象工作研究等均具有重要意義。

1 氣候變化特征

1.1 年平均氣溫、降水氣候變化趨勢

文章對昌都地區(qū)1961—2010年逐日氣溫、降水觀測資料進(jìn)行逐年統(tǒng)計處理，研究其年際變化趨勢，同時采用一次、二次曲線擬合研究其整體變化趨勢。根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果多年平均氣溫為7.66℃，且該地區(qū)年平均氣溫隨著時間推移整體呈增溫的變化趨勢，文章計算出其氣候傾向率為0.175℃/10a，表示每10年該地區(qū)氣溫增加約0.175℃。同時，根據(jù)二次曲線看出在1960—1980年左右整體上氣溫呈小幅度降低，而后從1980年開始呈增溫趨勢，如圖1所示。

圖1 1961—2010年昌都市年平均氣溫變化趨勢

根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果多年平均降水量為397.69mm，且該地區(qū)年降水量隨著時間推移整體呈減少的變化趨勢，文章計算出其氣候傾向率為28.844mm/10a，表示每10 年該地區(qū)降水量減少約28.844mm。同時，根據(jù)二次曲線看出在1960—1972 年左右整體上降水呈增多趨勢，而后從1972年開始呈減少趨勢，如圖2所示。

圖2 1961—2010年昌都市年降水量變化趨勢

1.2 年平均氣溫、降水氣候突變年

目前在研究氣候因子突變的年份，通常采用M-K突變檢驗(yàn)法［6］，因此文章采用該方法分別對昌都市年平均氣溫、降水序列進(jìn)行檢驗(yàn)，研究其開始突變的年份，其中閾值曲線條件設(shè)置為U0.05=±1.96，如圖3 所示，UF 順序統(tǒng)計顯示在1975 年之前氣溫較低，在1975—1985 年之間氣溫波動相對較小，從1985 年之后呈增溫趨勢，且在2005 年之后遞增幅度較大。同時，UF、UB 兩條曲線相較于2004 年左右，處于文章所設(shè)置的閾值曲線之內(nèi)，說明了有99.5%的概率顯示昌都地區(qū)年平均氣溫從2004年開始突變。

圖3 1961—2010年昌都市年平均氣溫突變檢驗(yàn)

UF順序統(tǒng)計顯示在1975年之前降水量較少這與氣溫變化趨勢相一致，在1975—1990年之間降水量較多，從1990 年之后降水量又呈減少趨勢，且在1995 年之后遞減幅度較大。同時，UF、UB 兩條曲線相較于1989 年左右，處于本文所設(shè)置的閾值曲線之內(nèi)，說明了有99.5%的概率顯示昌都地區(qū)年降水量從1989 年開始突變，可以看出降水氣候突變時間要遠(yuǎn)遠(yuǎn)早于氣溫氣候，如圖4所示。

圖4 1961—2010年昌都市年降水量突變檢驗(yàn)

2 預(yù)測技術(shù)研究

在構(gòu)建年平均氣溫預(yù)測模型過程中，文章以年降水量、日照數(shù)、平均風(fēng)速、相對濕度、大氣氣壓為輸入因子；在構(gòu)建年降水量預(yù)測模型過程中，文章以年平均氣溫、日照數(shù)、平均風(fēng)速、相對濕度、大氣氣壓為輸入因子。文章主要采用三層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，其中80%的樣本數(shù)據(jù)用于訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)，10%的數(shù)據(jù)用于檢驗(yàn)樣本，剩余10%的數(shù)據(jù)用于檢驗(yàn)訓(xùn)練的網(wǎng)絡(luò)。如圖5 所示，文章主要采用3 層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型，即隱含層-輸出層，隱含層神經(jīng)元(節(jié)點(diǎn))個數(shù)設(shè)置成15 個、輸出層神經(jīng)元(節(jié)點(diǎn))1 個，且隱含層采用非線性tansig 函數(shù)，輸出層采用線性purelin 函數(shù)，其中w 為各層權(quán)值，b為各層閾值。

圖5 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)

訓(xùn)練模型進(jìn)度參數(shù)設(shè)置為：迭代次數(shù)＜1000，誤差＜0.001，并采用LM 訓(xùn)練算法。從圖6神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型擬合誤差趨勢圖可以看出，年平均氣溫、年降水量預(yù)測模型訓(xùn)練樣本擬合優(yōu)度分別為0.9807、0.97214均接近于1，擬合度很高，說明文章所構(gòu)建的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型能夠很好的對年平均氣溫、年降水量進(jìn)行預(yù)測。

圖6 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型擬合結(jié)果圖

運(yùn)用文章所構(gòu)建的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，分別對年平均氣溫、降水量進(jìn)行訓(xùn)練預(yù)測，所預(yù)測效果對比如表1，根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果顯示年平均氣溫、年降水量預(yù)測模型輸出結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)平均誤差分別為0.28℃、9.29mm，可以看出文章所構(gòu)建的訓(xùn)練模型精確度較高，能夠較好的運(yùn)用至今后年平均氣溫、降水量預(yù)測工作中。

表1 原始數(shù)據(jù)與預(yù)測模型結(jié)果誤差統(tǒng)計

3 結(jié)論

文章利用西藏昌都地區(qū)1961—2010 年逐日氣象觀測資料，首先采用一次、二次線性回歸方程研究年平均氣溫、年降水量時間尺度變化趨勢；其次采用MK突變年檢驗(yàn)法研究其氣候因子開始突變的年份；最后采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法構(gòu)建年平均氣溫、降水量預(yù)測模型。主要有以下結(jié)論：昌都地區(qū)多年平均氣溫為7.66℃，且該地區(qū)年平均氣溫隨著時間推移整體呈增溫的變化趨勢，每10 年該地區(qū)氣溫增加約0.175℃，在1960—1980 年左右整體上氣溫呈小幅度降低，而后從1980 年開始呈增溫趨勢；多年平均降水量為397.69mm，且該地區(qū)年降水量隨著時間推移整體呈減少的變化趨勢，每10 年該地區(qū)降水量減少約28.844mm，且降水氣候突變時間要遠(yuǎn)遠(yuǎn)早于氣溫氣候。年平均氣溫、年降水量預(yù)測模型輸出結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)平均誤差相對較小。