综合预测方法初探

杨学祥

翁文波院士将技术经济领域内通用的预测技术和自然科学中的外推和预测方法尽可能有系统地汇合起来，开创了中国“预测论”的先河，取得了令世人瞩目的成就^[1]。自然灾害预测面临着自然变异的多因子性、多解性和不确定性，单灾种的、以提高监测技术水平和单方面灾变规律的研究固然重要，但重要的是广泛收集信息，向综合预报方向发展^[2]。研究多因素相互作用的物理机制，利用单因素固有周期叠加复合出多因素的隐形“峰值周期”，我们成功地预报了21世纪初中国北方严重旱灾^[3]和2002年厄尔尼诺事件^[4]。

南北半球的信风在“热带辐合带（ITCZ）”的地区汇合辐合。海洋的最高温度与ITCZ的年平均位置有关。ITCZ的正常位置与季节循环密切相关。因此，通常人们都知道它的一般位置和季节变化。但是对于特定的季节或年份，其精确位置和类似产生降水过程的强度等若干特征可能发生变化。厄尔尼诺和南方涛动是造成ITCZ活动异常的重要因素^[5]。通过ITCZ活动异常可以预测厄尔尼诺。

                    表1 1951~1997年El Nino特征时间序列

            近地点                           潮汐强度        厄尔尼诺          臭氧洞

   年  月  日   时   农历      日食   月食   弱R  强Q   起始海区  强度指数     用O表示  

1951  6 19   21.5    15                           QQQ   NINO 1+2    57

1953  4 12   15.1    29                           Q     NINO 3      50

1957  4 12    9.2    13        29                 Q     NINO 1+2    97

1963  7 17    2.3    27        20     07     R          NINO 1+2    30

1965  5  5    9.1    5         30            R          NINO 1+2    72

1968 11 21    7.7    2                            QQ    NINO 4      75

1972  4 14   14.4    1                            QQQ   NINO 1+2    94

1976  6 10    3.1    13                           Q     NINO 1+2    57

1979  9  6   13.0    15               06          QQQ   NINO 1+2    38

1982  5 24   10.9    2                            Q     NINO 4      168  臭氧洞异常扩大

1986  9 12    8.2    9                       RR         NINO 4      120  臭氧洞扩大

1991  5 16    0.8    3                            Q     El Nino发生       臭氧最低值10月20日

1993  4  6    3.5    15                           QQQ   El Nino发生       臭氧最低值10月5日

1994 10  6   22.2    2                            Q     El Nino发生       臭氧最低值10月10日

1997  4  6    0.7    29*                          QQ    El Nino发生 ＞168臭氧洞异常扩大

      (据史久恩,1990; 王世平,1991; 陆龙骅,1997; 张知彬,1999; 周春平,2001；杨学祥,2000，2002)

根据表1的统计资料，厄尔尼诺事件发生在1~12月的频率分别为0、0、0、0.333、0.2、0.133、0.067、0、0.133、0.067、0.067和0。厄尔尼诺事件发生在4、5、6和9月的频率最高；在1、2、3、8、12月的频率最低，为0；其季节性特征是显而易见的。

影响厄尔尼诺的因素有：太阳辐射强度（影响极区极昼时气体膨胀）、两极海冰（影响越赤道气流强度）、发生在极区的日食（造成的极地下沉气流减弱^[6]）、强潮汐振荡（影响流体东西对流和南北对流^[4]）、火山气溶胶（低纬度火山喷发能扩散到全球，在中高纬度保持最大浓度，最后在极冠落下，减弱太阳辐射，特别是减弱极区的太阳辐射^[7]）、臭氧洞（臭氧洞漏能效应增大南极大气热膨胀，从而增大极涡强度，阻碍了中纬度臭氧富值区的大气进入南极地区，阻碍了南极与赤道之间正常的大气对流）、轨道参数（月球赤纬角变化、近地点、行星冲日、黄赤交角）、地球形变、地球自转速度减慢 ^[8] 等。

海温指数的小波变换结果表明^[9]，在不同阶段的同一个周期振荡以及同一个阶段的不同周期振荡所表现出的强弱程度互不相同；具有不同位相的各种周期振荡相互作用时不可能出现很强的厄尔尼诺；强度极强的厄尔尼诺只有在几乎所有周期的震荡都表现为较强的正位相时才会发生。1982－1983年的主要周期振荡为3－5年，而且在所有周期上均表现为较强的正位相，1997年发生的厄尔尼诺也表现在所有周期上均为正位相的特点，不同周期的振荡同位相叠加，从而形成了两次20世纪最强的厄尔尼诺事件。5年是火山活动最重要特征尺度。3－4年也是地球自转速度变化的准周期。地球自转速度变化、海温变化、大气角动量变化、日食、月食、行星冲日、强潮汐、火山活动的各周期叠加与厄尔尼诺有很好的对应关系。厄尔尼诺事件是多种因子共同叠加的产物，也是今春全球气候异常和灾害频发的原因。

李宪之把亚太地区1991年春季和夏初火山、地震及特大暴雨等自然灾害频繁发生的突出现象归因于天体影响、岩浆运行、火山喷发和半球间宏观天气系统^[10]。它们与1991年4~7月的强潮汐有很好的对应关系^[4]。强潮汐不仅产生地球流体相对固体的差异旋转，而且引起固体地球形变。近年来取得了一些预报验证，从南北半球的测时残差曲线来看，地震都发生在纬度值北移的时候^[2]。地球矢径增量的近似计算公式为：

                 dr = （a – c）sin2φdφ

其中a是赤道半径；c是极半径；φ是余纬。地球形变使中纬度矢径增量最大，最大极移可使中纬度矢径增减4cm，相应过地心的大圆周长增减13cm，是赤道大圆周长增量的130倍。这是中纬度地区地震频繁发生的原因。以日食系数预测方法为基础^[6]，用地球自转速度变化方法作校正^[8]，与强潮汐阶段相对照^[4,7]，就可以准确地预测厄尔尼诺事件。

    2012年3-7月为超长强潮汐时期，与4月11日印尼苏门答腊发生的8.6级地震、美国罕见干旱、日本和北京严重暴雨相对应，再次认证突发事件的天文因素作用。2012年的厄尔尼诺事件初见端倪。

                              参考文献

1．   翁文波. 预测论基础. 北京: 石油工业出版社,1984. 1.

2．   马宗晋, 康平, 高庆华, 等. 面对大自然的报复——防灾与减灾. 北京: 清华大学出版社; 天河: 暨南大学出版社, 2000. 120~125.

3．   杨学祥. 警惕严重旱灾重演. 科学新闻周刊. 2001, （5）：13

4．   杨学祥.  2002年厄尔尼诺事件的天文条件. 西北地震学报，2002，24（2）：

5．   M. H. 格兰茨. 变化的洋流——厄尔尼诺对气候和社会的影响. 王绍武, 周天军等译, 北京: 气象出版社, 1998. 131.

6．   林振山, 赵佩章, 赵文桐. 日食-厄尔尼诺系数及其应用. 地球物理学报, 1999, 42（6）: 732－738.

7．   郭增建, 秦保燕, 郭安宁. 地气耦合与天灾预测. 北京: 地震出版社, 1996. 135~138, 198.

8．   郑大伟, 宋国玄, 罗时芳. 日长变化观测资料预测El Nino事件. 科学通报. 1990, 35（16）：1244~1246.

9．   任福民, 郭艳君, 周琴芳, 等. 小波变换及其对厄尔尼诺研究的初步应用. 数理统计与管理, 1998, 17 (3): 21~25.

10．李宪之. 亚太地区1991年春夏两季自然灾害的探讨. 北京大学学报(自然科学版), 1994, 30(3): 355~360.