广西极端降水特征与降水量预测模型构建研究

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近年来,在全球变暖加剧的背景下,对极端降水的研究一直是热门话题;且广西属亚热带季风气候,受季风、海陆作用和下垫面的影响,使得广西极端降水事件频发。极端降水导致广西的降水分布更不均匀,同时由于岩溶发育,土层保水性差,导致洪涝、干旱等自然灾害更加频繁;且极端降水的突发性强,危害性大,其发生存在明显的区域性、局地性和季节性特征,且其致灾机理尚未明确,成因复杂。籍此,针对以往对广西极端降水研究的不足,本文采用广西82个气象站点1961~2016年逐小时和逐日的气象数据,分区研究了年和季尺度下极端降水的时空变化特征、非均匀性分析和相关性分析,并构建了降水量预测模型,为日后广西的防灾减灾提供理论基础。主要结论如下:(1)广西极端降水的阈值主要呈现从沿海向内陆递减的特点;强降水量(R95p)、频数、严重度(EPSI)随时间的增加都处于增长状态,而对于平均强度而言,除了Ⅸ区(沿海气候区)基本持平外其余气候区均处于上涨状态;通过突变检验得到各个气候区的各个指标均发生突变,由Morlet小波分析得到各区各指标的主周期一致性较差;在空间上,R95p呈现从东南向西北先减少后增加的状态,频数呈现从东北向西南递减,平均强度主要以桂中区域为中心向外递减,严重度主要呈现由南向北递减;对R95p进行EOF分析得到的前三个模态分别为局部旱(涝)型、东北-西南反向型和全区旱(涝)型,对EPSI进行EOF分析得模态一为南北反向型。(2)对广西极端降水的非均匀性进行分析,得到在时间上,九个气候区的集中度除了Ⅰ区(桂西北气候区)和Ⅶ区(桂南气候区)的集中度呈增加趋势,其余气候区的集中度呈现减小趋势;九个气候区的集中期Ⅰ区(桂西北气候区)、Ⅱ区(桂北气候区)、Ⅳ区(桂西南气候区)、Ⅴ区(桂中气候区)、Ⅶ区(桂南气候区)和Ⅸ区(沿海气候区)有缓慢延后的的趋势,Ⅲ区(桂东北北部气候区)和Ⅵ区(桂东北南部气候区)呈现提早趋势;九个气候区的集中度均发生突变,集中期除Ⅳ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ和Ⅸ区没有突变外其余气候区均发生突变;在空间上,集中度基本呈现由西向东减少的趋势,集中期呈现由西南向东北递减的趋势;九个气候区R95p的贡献率除Ⅸ区基本持平外,其余气候区均处于增长状态,九个气候区的发生率均呈现增长趋势。(3)由沿海到内陆选取桂林、河池、蒙山、来宾、龙州、南宁、玉林和北海作为典型区域,分析广西不同地区极端降水量与气温及热带气旋之间的相关性,进行Copula分析得桂林冬季、河池夏季、蒙山春季、蒙山夏季、蒙山秋季、来宾秋季、龙州春季、玉林夏季和北海夏季内极端降水与气温具有一定的相关性,可用Clayton Copula函数进行表征;不同地区的极端降水量和热带气旋的日最大风速存在一定的相关性,八个典型区域的降水量和日最大风速存在一定的相关性,来宾和北海地区的极端降水量和日最大风速可用Clayton Copula函数进行表征。(4)通过建立PSO-SVM+BP神经网络降水量预测模型,在无热带气旋时气温和降水组合模型在预测的MSE和平均相对误差分别为0.013和0.098%;有热带气旋时基于气温、最大风速和降水量之间的相关性建立的热带气旋降水预测模型,MSE和平均相对误差分别为0.18和4.868%,通过不同模型产生的误差进行模型性能的对比分析,发现PSO-SVM+BP模型相对于其他单一预测模型,预测的精度有所提升,克服了SVM预测模型的盲目性。
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