太阳黑子相对数与辽宁省旱涝特征的分析研究

张 峰

(辽宁省本溪水文局，辽宁 本溪 117000)

1 研究背景

太阳黑子的多少通过太阳黑子相对数可以得到反映，太阳活动的强弱可以通过整个日面辐射能力的变化进行反映[1]。太阳黑子数有连续可靠且记录较长的文字记录，年和月数据可以追溯到1749年，这样就为气象水文中长期预报提供有利条件[2]。多项研究成果表明[2- 12]，太阳黑子活动准周期分别为11年、22年和180年，气候及水文与太阳黑子活动周期具有密切的联系[13]。辽宁省水旱灾害损失占自然灾害损失的大部分，属于水旱灾害频发的省份[14]。目前，由于人类抵御自然灾害的能力有限，国际、国内都在积极倡导减少自然灾害，水旱灾害的预测预报是其中非常重要的非工程措施之一[15]。为此本文对太阳黑子11年活动周期极值年与辽宁旱涝特征关系进行分析，并通过回归方程建立月太阳黑子相对数与辽宁省盛夏、夏季降水量预测模型。

2 太阳黑子相对数计算方法

太阳黑子指数可用太阳黑子相对数据进行计算，方程为：

R=K(10g+f)

(1)

式中，g—观测的日面上的太阳黑子群的个数；f—各群太阳黑子观测的总数目；K—修正系数。为消除观测不规则扰动及主动因素的影响，此方案用太阳黑子相对数12月滑动平均值。

在构建太子黑子相对数预报模型时，本文定义一个新的系数，定义方法为：前一年1月至当年5月太阳黑子月最大(小)值同年平均的比值称为前期月最大(小)比例系数。比如1966年太阳黑子相对数年均值为66.6，1965年1月至1966年5月太阳黑子最大值为69，最小值为10.2，则1966年的前期月最大比例系数为1.04，前期月最小比例系数为0.15。按照西定义逐年计算1966—2015年前期月最大、月最小比例系数。

3 太阳黑子相对数与辽宁省旱涝的对应关系

对太阳黑子11年活动周期极值年与辽宁旱涝特征关系进行分析，分析结果见表1。

从表中可以看出，辽宁省的旱涝灾害与太阳黑子11年活动周期具有非常好的对应关系。首先看统计中洪涝年共有15年，发生在低值年附近(m-3至m+2)的有12年，占80%；其中发生在m-2至m年的有9年，占75%，可见辽宁洪涝灾害多集中发生在m-1至m年，即低值年，而高值年发生洪涝的概率极低。再看统计中干旱年共有11年，发生在高值年附近(M-2至M+3)的有10年，高达91%；其中发生在M-1年至M+1年的有8年，占80%，由此可见辽宁干旱灾害多集中发生在高值年附近(M-1至M+1)，而低值年发生干旱的概率极低。由此部分分析可知，太阳黑子的11年活动周期与辽宁省旱涝灾害有很好的对应关系，因此可利用太阳黑子的活动周期的趋势变化预测辽宁夏季降水。

表1 太阳黑子11年周期极值年与辽宁旱涝灾害年统计表

图1 太阳黑子相对数年平均值、月最大和月最小比例系数曲线

4 太阳黑子相对数预报模型的建立

4.1 太阳黑子相对数月比例系数分析

众多分析认为，太阳黑子在一年中各月的变化幅度也很大，高低值相差悬殊，因而单纯采用黑子相对数年均值及其位相来刻画太阳黑子的活动情况会抹平年内的变化特征，而应当细致的研究其变化，注意月际变化特征，同时还有研究指出，在太阳黑子出现期间日地距离也是影响地面上各种自然现象变化的主要因素，尤其每年春季1—3月间出现的黑子，其影响要大于下半年7月以后的影响。

由以上分析可知太阳黑子的活动位相与旱涝形式有着明显的对应关系，但是太阳黑子相对数的月际变化对大气环流的影响比年均值更明显，并且大气环流对太阳黑子活动的响应具有一定的滞后性。下面为了分析此影响的滞后性，进行相关计算。本文分定义一个新的系数，定义方法为：前一年1月至当年5月太阳黑子月最大(小)值同年平均的比值称为前期月最大(小)比例系数。比如1966年太阳黑子相对数年均值为66.6，1965年1月至1966年5月太阳黑子最大值为69，最小值为10.2，则1966年的前期月最大比例系数为1.04，前期月最小比例系数为0.15。按照西定义逐年计算1966—2015年前期月最大、月最小比例系数，

从图2中可以看出，前期月最大比例系数与太阳黑子年均值呈现反相位对应关系，即当年均值处于低值(m)时，前期月最大比例系数处于波峰，且峰形尤为尖锐；而当年均值处于高值(M)时，前期月最大比例系数处于波谷，但波谷较平滑，对应关系没有前者好。前期月最小比例系数与太阳黑子年均值呈现正位相对应关系，即当年均值处于低值(m)时，前期月最小比例系数处于波谷，当年均值处于高值(M)时，前期月最小比例系数处于波峰。因此前期月最大比例系数尖锐的波峰值对太阳黑子的低值年具有很好的指示作用。

4.2 不同时段降水与前期太阳黑子相对数相关性分析结果

对辽宁省初夏降水、盛夏降水及夏季降水分别与前一年1月至当年5月太阳黑子相对数的相关系数进行分析，分析结果如图2所示。

图2 不同时段降水与前期(前一年1月至当年5月)太阳黑子相对数相关

从图中可见，初夏降水与太阳黑子主要呈现正相关，最大相关性出现在当年1月份，相关系数为0.14，没有通过显著性检验。盛夏和夏季降水与太阳黑子呈现负相关，且相关系数变化趋势十分相似，其中最大负相关性均出现在前一年12月份，相关系数分别为-0.45和-0.43，均超过信度为0.01(相关系数绝对值大于0.354)的检验。由此可知，前一年太阳黑子的月变化对辽宁省夏季降水的影响的滞后时间在7—8个月。

4.3 太阳黑子相对数预报回归方程的建立

为具体利用太阳黑子数预测降水量，下面降水前一年12月的太阳黑子相对数分别于盛夏、夏季降水进行预报模型的建立，如图3所示。

图3 前一年12月太阳黑子数与盛夏、夏季降水的关系

如图可知太阳黑子相对数与降水量之间为负相关。以前一年12月太阳黑子相对数为自变量，盛夏、夏季降水量为因变量，建立预报模型分别为：y=-0.5971x+393.85、y=-0.5663x+489.35。

由此便得出太阳黑子相对数与降水量之间的预报模型，据计算，根据此预测模型，预报值与观测值的距平符号一直率高达72%和70%。

4.4 太阳黑子相对数预报模型的验证

由前面不同时段降水与前期太阳黑子相对数相关性分析研究结果可知，前一年12月的太阳黑子指数对盛夏及夏季的降水量预测具有很好的指示作用，并建立了预测模型，由预测模型对2016—2018年的盛夏及夏季降水进行预测，验证结果见表2。

表2 太阳黑子预测法的预测值与实测值对比

5 主要结论

(1)前期月最大比例系数对太阳黑子年均值具有很好的指示和预报作用。当前期月最大比例系数超过3时，第二年太阳黑子年均值会达到低值年。

(2)前期月最大比例系数与太阳黑子年均值呈现反相位对应关系，即当年均值处于低值(m)时，前期月最大比例系数处于波峰，且峰形尤为尖锐；而当年均值处于高值(M)时，前期月最大比例系数处于波谷，但波谷较平滑，对应关系没有前者好。

(3)本文通过回归分析方法建立太阳黑子相对数分别于盛夏、夏季降水的预报模型。预报模型未能进行置信度检验，在以后的研究中还需要对其进行置信度检验。