基于糊模識別對全球變暖與颶風強度關系的分析

李 丹，徐 亮，李 薇，李春忠，朱家明

（1.安徽財經大學 金融學院；2.安徽財經大學 統計與應用數學學院，安徽 蚌埠 233030）

王朋朋等建立時間序列模型分析了威海市近50年氣溫變化的特征，江田漢通過多分形譜研究了全球氣溫的變化.田榮湘主要研究了南半球氣候變暖對西北太平洋熱帶氣旋頻數的影響.本文主要通過滑動t檢驗發現數據沒有發生突變，進而對近一百多年來的全球氣溫變化進行分析，來研究全球變暖的程度.針對已發生的臺風強度運用模糊識別研究臺風強度的等級劃分，并通過建立氣溫與臺風強度的模糊子集計算氣溫變化時與原有的臺風強度等級的區間貼近度，以此來研究全球變暖對臺風強度的影響.

1 數據來源

通過查找NCDC的數據和相關資料并進行計算處理，近一百多年全球平均氣溫的距平值.并通過查找相關資料得到全球各地近百年來的四十多個颶風的相關數據.

2 基于滑動t檢驗對全球變暖程度進行分析

本文以氣溫變化為指標來研究全球變暖程度的變化.[1-3]

單總體滑動t檢驗是檢驗一個樣本平均數與一已知的總體平均數的差異是否顯著.當總體分布是正態分布，如總體標準差?未知且樣本容量n＜30，那么樣本平均數與總體平均數的離差統計量呈t分布.檢驗統計量為

圖1 全球平均氣溫距平圖

在這里，t為樣本平均數與總體平均數的離差統計量；xˉ為樣本平均數；μ為總體平均數；σx為樣本標準差；n為樣本容量.

運用SPSS軟件進行滑動t檢驗，結果見表1與表2.

表1 單一樣本統計資料

表2 單一樣本檢定

由表可知顯著性為0.815＞0.05,所以數據沒有發生突變.通過對上述數據進行分析，可知全球變暖趨勢在持續，但近幾年來升溫速率趨于平緩.

3 基于模糊模型識別的颶風強度評估模型[4-7]

通過分析和查閱相關資料，建立與颶風強度有關的最大風速、最小壓力、風暴潮的指標體系，并對數據進行無量綱化.

將無量綱化后的數據與颶風等級見的關系制成散點圖，結果見圖3.

我們采用對分組后的無量綱化數據按颶風等級對每個等級下的指標數據求均值，則可得到颶風等級的模糊子集:

圖2 颶風等級與各指標間散點圖

以上就是最終形成的能夠衡量颶風活動強度的模糊子集模型.

4 基于模糊識別模型研究全球變暖對颶風強度變化的影響

首先熱帶氣旋最大潛在強度理論是利用LPCC WCRP’S CMLP3全球氣候模式控制實驗模擬20世紀氣候背景的多種模式資料[8]，計算最大表面風速（這里的最大表面風速即為問題二中的最大風速這一指標），有以下方程式:

上式中Vm為最大風速，ε為熱機的熱力學效率，定義式為(Ts-T0)/Ts，通過查閱相關資料可得出ε一般取1/3，為了簡化方程，我們令ε=1/3，Ck和CD分別為熵交換系數和表面拖曳系數，k0n和kα分別是海表h和海空h上大氣的飽和熵，由于我們是研究溫度與颶風強度的關系，因此都取定值.Ts為海表溫度（SST），我們假設Ts與全球平均氣溫存在著此函數關系即：Ts=kx，其中x為全球平均氣溫，k為正比系數，代入上式可得到新的方程

其次Baik和Paek在1998年用1960-1990年共31年的西北太平洋熱帶氣旋的資料建立了中心最低氣壓Pc與海表溫度Ts之間的關系式：

其中b5=0.0043994,b4=-0.46681,b3=19.4898,b2=-400.881

將Ts=kx代入得

由于缺乏風暴潮與溫度之間的關系式，因此假定風暴潮不隨氣溫的變化而變化，則可以得到一個當全球平均氣溫為x時的一個未知的颶風等級的模糊子集

其中Vm和Pc已在上文給出，y為風暴潮的指標數值，取定值.

當全球變暖的程度加深時，全球平均氣溫必然上升，則可通過計算氣溫變化時Bx與第二題中所得出的分別代表5個颶風等級的模糊子集的貼近度的變化，來研究氣溫即全球變暖對颶風強度的影響.

這里我們采用海明貼近度來計算，即：

接下來我們便實際應用這樣的一個模型.先取一個颶風等級為1的模糊子集，回代入Vm和Pc的方程式即可得到其所對應的全球平均氣溫即全球變暖的程度，將其代入海明貼近度公式即可計算出一組貼近度.

我們取該模糊子集為Bx=(0.4723,0.9796,0.3044)回代得α=2.4℃，得到的貼近度分別為

當溫度上升后，即α'=2.5℃時，得到新的模糊子集

圖3 貼近度對比圖

可明顯看到，當氣溫上升時，颶風強度相對于等級1的貼近度下降，相對于等級2的貼近度上升，即氣溫上升時，颶風強度會增加.

通過上述模型可得，全球變暖程度加深時，颶風強度會加強.

5 結束語

環境問題是多年來備受關注的話題，良好的自然環境給人們帶來巨大的幫助，讓人們身心舒適，生活健康.然而，近年來，隨著科技的發展和時代的進步，人類活動對自然界產生了一系列的影響，全球變暖就是影響之一.全球變暖會帶來一系列的問題，通過本文的分析，我們也發現全球變暖的加深將會導致颶風強度的加劇.因此，可以意識到全球變暖的防治工作是極其重要的.