基于Morlet小波變換的全球變暖和颶風強度的建模與分析

李紅雙 李曉斌 臧鵬飛

摘 要：全球變暖和颶風頻發已成為當前國際熱點話題，引起人們的廣泛關注，而目前對這兩類問題還缺乏有效性的科學評估。本文以全球平均溫度作為全球變暖的主要特征，以颶風強度（毫巴）作為颶風活動的主要特征，通過對數據的分析，基于Morlet小波變換建立數學模型，得出兩者的變化規律；再結合建立的回歸模型分析得出二者內在的聯系：在不考慮極端天氣等非正常因素的前提下，全球溫度的變化與颶風強度的變化大致呈正相關，颶風強度的變化滯后于全球變暖，且二者之間相互影響。

關鍵詞：全球變暖；颶風強度；Morlet小波變換；線性回歸

引言

自二十世紀以來，全球氣候變暖受到了各國政府和人民廣泛的關注，已成為不爭的全球性環境問題。許多氣象學家都認為，這種趨勢可能會持續下去。而颶風經常伴隨著暴雨、巨浪和風暴潮，造成成百上千人的死亡。因此，準確測量全球變暖的程度和颶風活動的強度并估計兩者之間的相關性，將為預防和減少相關災害提供理論依據。

一、全球變暖程度和颶風活動強度的測量模型

（一）全球變暖程度的測量模型

溫室氣體濃度的上升以及海平面的上升、冰川消融等現象都與溫度升高有關，可見，溫度變化是全球變暖較為典型的特征。[1]因此，本文選擇以全球平均溫度為指標建立模型，測量全球變暖程度。經分析1880年—2015年歷年全球平均溫度的數據可知，近136年全球平均溫度的變化是先下降，再上升，再下降又上升的過程，具有一定的規律性。

根據這一規律建立基于Morlet小波變換的全球變暖模型。通過模型分析可得：溫度變化過程中存在多時間尺度特征?？偟膩碚f，存在著6年、14年、23年和31年四類時間尺度的周期變化規律，并且，在每一類尺度上，全球溫度都是先由一個偏暖期進入到一個偏冷期，再從偏冷期過渡到偏暖期的變化過程，例如：1880—1895年為偏冷期，1890年為冷中心；1895—1915年為偏暖期，1900年為暖中心；1915年之后有相同的規律?？梢姕囟仍诶渑瘯r期不斷交替中逐漸上升。其中，最大峰值對應著31年的時間尺度，說明31年左右的周期震蕩最強，為全球溫度變化的第一主周期；14年的時間尺度對應著第二峰值，為第二主周期，23年和6年的時間尺度，依次為第三和第四主周期。表明，近136年里，全球平均溫度主要在大尺度上變化。根據建立的模型和以上分析可計算得出在31年特征時間尺度上，全球平均溫度變化的平均周期為22年左右，大約經歷了6個冷暖轉換期。

（二）颶風活動強度的測量模型

國際上不同的氣象機構采用不同的風速來劃分颶風的等級。目前，在提及颶風或其他風暴時通常使用毫巴為單位。經分析1880年—2015年歷年全球颶風強度的數據可知，全球颶風強度在近136年里的變化是先下降，再上升，再下降又上升的過程，是具有一定規律性的時間序列。

根據這一規律性建立基于Morlet小波變換的颶風強度模型。通過模型分析可得：颶風強度的變化過程中同樣存在多時間尺度特征。總的來說，存在著5年、7年、17年和27年四類尺度的周期變化規律。并且，在每一類尺度上，全球颶風強度都是先由一個偏強期進入到一個偏弱期，再從偏弱期過渡到偏強期的變化過程，例如：1880—1900年為偏強期，1890年為強中心；1900—1920年為偏弱期，1910年為弱中心；1920年之后有相同的規律。其中，27年和17年的時間尺度為全球颶風強度變化的第一主周期和第二主周期，5年和7年的時間尺度依次為第三和第四主周期。根據數據，還可發現在27年以及4—7年時間尺度上的周期變化表現非常穩定，而在17年時間序列上，1920年之前颶風活動強度的變化并不穩定，其后逐漸趨于穩定。根據建立的模型和以上分析可計算得出在27年特征時間尺度上，颶風強度變化的平均周期為17年左右，大約經歷了8個強弱轉換期。

二、全球變暖與颶風活動的相互影響

根據既得結論，可得全球溫度以及颶風強度在時間序列上的變化都具有周期性，且周期變化規律具有一定的關聯，由此我們假設全球變暖與颶風強度之間具有相關性。本文基于對近136年來全球平均氣溫與颶風強度的相關分析建立了兩者之間的回歸模型，并聯系上文推測兩者之間的相關性。

（一）全球變暖對颶風活動的影響

由建立的線性回歸模型可知，隨著溫度的升高，全球颶風強度呈增大趨勢。當全球地面平均氣溫升高0.25℃時，颶風發生頻率增大27%；當氣溫升高0.75℃時，颶風發生頻率將增大近1倍；當氣溫升高1.5℃時，颶風發生頻率將增大2倍左右。由此可見，全球颶風發生頻率與全球平均氣溫變化值之間存在明顯的線性相關關系，這說明颶風的強度在一定程度上的確受全球變暖的影響。再結合上文，根據全球變暖程度及颶風活動強度在時間尺度上的變化周期，進一步分析得出颶風強度的變化滯后于全球變暖。

（二）颶風活動對全球變暖的影響

相關資料指出全球變暖與颶風的發生是相互作用的。[3]當熱帶地區變暖，蒸發就會加劇，從而使大氣的水蒸氣含量增加。而水蒸氣作為一種重要的溫室氣體，其濃度增加時，便會使全球平均溫度有所增加，即颶風也會對全球變暖產生一定的影響。

三、總結

全球變暖與颶風活動是相互作用的，全球變暖導致颶風活動頻發，而颶風活動又加劇了全球變暖，是一個典型的惡性循環。因此采取措施抑制全球變暖十分必要。如減少溫室氣體的排放，使用清潔能源等。如果任由其發展，大自然的懲罰定會比颶風恐怖的多。保護環境，抑制全球變暖，功在當代，利在千秋。

參考文獻

[1] 張祖群.全球氣候變化：判定，應對與文化生產力釋放[J].中國人口· 資源與環境，2012，22（?？?

[2]董雷娟.基于小波分析的海表溫度變化特征研究[D].中國海洋大學，2013.

[3]支蓉，龔志強，王啟光，趙俊虎.全球增暖和極端事件對全球溫度場關聯性的影響[J].氣象學報，2012，70（4）.