基于集对分析法的珠三角气候变化研究

吴 丹,汪丽娜

（华南师范大学地理科学学院，广州510631）

1 引言

气候变化是当今大气科学的研究热点，在全球气候变化背景下，由于各气候要素变化趋势和程度不同，会对周边区域产生不同的影响，未来气候变化的研究面临着多方面的挑战［1］。在此背景下对区域气候变化的研究主要从以下几个方面进行：（1）气候变化的趋势［2-6］：研究表明近年中国增温以北方为主，且冬春季增温明显，降水量则在不同区域表现出不同变化趋势；（2）气候突变情况［7-9］：中国各地区气温在20世纪80年代后期发生显著突变，降水量无显著突变；（3）气候变化产生的影响［10-11］：极端温度、降水情况出现增多。气候变化对区域生态系统、农牧业、水资源等部门产生较为重要的影响［12］，因此区域气候变化的研究受到了广泛关注。目前，对于区域气候要素或气候资源的时空变化的分类多是基于单一要素（如气温、降水等观测要素）进行划分，结合相应方法解析气候变化。如：基于反距离权重方法分析气候要素空间分布特征［13］；通过气候要素相位变化判断区域气候要素组合特征［14］；基于气候要素的经验正交函数（EOF）分解法进行划分［15］；利用主分量分析、聚类分析等方法对各月、全年的气候进行综合性的定量分区［16］。以上研究取得了重要成果，为短时气候变化研究奠定了基础。但综合气候要素的多项指标，对气候状况进行分类的研究仍较少［17-18］。因此，本文基于气候分类的不确定性，综合考虑反映气候特征的多项要素，引入模糊分类的思想，从分类的角度分析近几十年珠三角地区气候变化的特征。

2 基于集对分析法的气候分类

2.1 集对分析法的原理

集对分析法（SPA）是我国学者赵克勤先生于1989年提出的一种新的系统分析方法，其基本思路是对具有一定联系的两个集合做同一性、差异性、对立性分析并加以度量刻画，得出这两个集合在所讨论问题背景下的同异反联系度表达式［19-21］。推广到系统由m＞2 个集合组成时的情况，在此基础上去深入展开有关系统的联系、预测、控制、仿真、演化、突变等等问题的研究。联系度及其数学表达式如下：

在一定的问题（W）背景下，将集合A、集合B 组成集对（H），并对其进行分析。集合A、B 分别有n个对应项，其中有s项是两个集合A、B在数量上相差微小的，有p项是两个集合A、B在数量上相差悬殊的，其余的f=n-s-p项在数量上存在一定差别，但差异不是很明显。若对应项在同一级则认为是相同；对应项在相邻的级别中则认为是相异；对应项在相隔的级别中则认为是相反，则由A、B组成的集对H（A，B）的关系就转化为同、异、反的关系。集对H（A，B）的联系度表达式为：

式（1）中，s为同一性的个数；p为对立性的个数；f为差异性的个数。i为差异度系数，在（-1，1）区间视不同情况取值；j为对立系数，且j≡-1，记称a、b、c为某特性下的同一度、差异度和对立度，则（1）式可写成：

式（2）中，a + b + c = 1，为通常所用的三元联系度。SPA的基础是集对，关键是联系度，通过联系度的计算，可实现不确定系统的分类［17］。

2.2 基于集对分析法的气候分类步骤

气候的相似与相异是一个不确定系统，因此相似气候的分类可以建立集对分析系统。设用n个指标来衡量集合A，B 的主要特征，根据集对分析原理，将每个指标的值按照一定的标准转化为对应的类别。转化步骤如下：

步骤1构建气候变化分类的指标体系，分类指标体系为x1，x2，…，xm（m为指标数），设气候评价指标为（ai，j，bi，j）（i=1，2，…，K，K 为分类标准数；j=1，2，…，m），其中ai，j，bi，j分别为第i级、第j个指标分类标准的下限和上限，用集合Ai表示；待分类气候样本记为B=｛x1，x2，…，xm｝。

步骤2将各级分类标准进行符号量化处理。对于1 级标准，记为A1=（1，1，…，1）；对于2级标准，记为A2=（2，2，…，2）；依此类推，对K级标准，记为Ak=（K，K，…，K）。

步骤3将分类对象B 的各指标值与各标准对应的指标值进行比较，如落入1 级，则该指标为1级，则符号量化为I。逐个指标进行比较，得到符号量化的集合B，如B=（1，2，K，…，2，K-1）。

步骤4将B 与某个标准Ai对应的标准进行对照，统计符号相同的个数，记为s；统计相差1级的个数，如2与1、2与3，记为f1；统计相差2级的个数，如2 与4、1 与3，记为f2；依此类推，统计相差K-2 级的个数，如2 与K，记为fk-2，统计相差K-1级的个数，如1与K，记为p。得到K元联系度：

分别计算各集合中气候要素与标准集合A的联系度μAi～B，μAi～Bi越大则该年气候属于对应的类型。

2.3 研究区域概况与数据来源

珠江三角洲地区（以下简称珠三角）位于广东省东南部，由广州、深圳、佛山、惠州、东莞、中山、江门、肇庆9个城市组成，濒临南海，毗邻港澳，海陆交通便利，被称为中国的“南大门”。珠三角地区地势平坦，属于亚热带季风气候，气候暖热，降水充足，优越的地理位置和气候条件使得区域发展迅速，形成了以广州、深圳为中心的珠江三角洲城市群。本文气象数据来源于中国气象数据网（http：//data.cma.cn/），获取了1970—2017年的广东省主要气象观测站地面气候资料数据集。

3 珠三角地区气候变化的集对分析结果

整理珠三角地区九个城市11 个主要台站1970—2017年的气象数据，以平均气温、降水量、平均风速、平均气压、日照时数、平均水气压，平均相对湿度等7 个气象要素为基础，基于SPAM 方法对珠三角地区气候变化进行评价。气候分类的具体过程如下：

3.1 确定分类标准

计算各指标的平均值x，以均值标准差法确定分类标准，分类标准如表1所示。本文在分类过程中将各气候要素划分为5个等级，对应项位于同一级时为同，相邻或相隔一级为异，相隔两级为反。

表1 集对分析法分类标准Tab.1 Classification standard of set pair analysis

3.2 气候要素类别化

根据分类标准将各气候要素特征值转化为相应的级别，将区域各因子的多年平均值作为基准，其指标级别组成集合A，各气候要素多年均值为参证站集合Bi，指标级别各组成一个集合。各气候要素依据分类标准进行类别化处理结果，如表2所示。再将集合A分别与各参证站组成一个集对，统计每个集对的同异反数量。

3.3 计算联系度，得到集对分析结果

计算各年气候要素与区域多年平均状况（标准）的联系度，得到基于气候要素的珠三角地区气候分类情况，如表3所示。

集对分析法将1970—2017年气候变化过程中各气候要素按照一定的标准分为5个等级，气候模糊分类结果是由各要素共同作用的，因此对应气候整体特征为5个类别。本文以各气候要素特征值出现时间为例，分析气候变化的整体特征。

整体气候特征温和类（类别III），其分布年份较为均匀且集中。如，1971年是平均气压极大值出现的年份，然而该年的平均气温、降水量和水气压基于分类标准均属于最小一级。因此，该年气候整体表现为温和型。1976年为平均气温最低的年份，气候整体特征同样温和，主要是受到这一年气压、日照时数、相对湿度较高的影响。又如，日照时数极大值出现在1977年，虽然该年日照时数和平均气压大，但降水量和相对湿度偏小；1991年是降水量最少的年份，不过平均气温、平均气压以及日照时数偏高；2015年是平均气温最高的年份，但由于平均气压和风速较低，依据各自分类标准均处于最小的区间。

表2 部分年份气候要素类别化结果Tab.2 Classification results of every climatic elements in some years

表3 珠三角地区气候模糊分类结果Tab.3 Classification results of climate in Pearl River Delta

气候整体特征偏高类（类别IV、V），其年份主要出现在上个世纪70—80年代。如，风速极大值出现在1970年，同时该年平均气压和平均相对湿度也较高，故气候水平整体偏高；1975年平均相对湿度出现极大值，同时降水量，平均水汽压均较大，气候特征偏高。1997年为风速和日照时数出现极小值的年份，但集对分析结果表明该年气候较多年平均状况极端偏高，这是由于降水量、平均气压、水气压和相对湿度依据其分类标准都属于最高一级。2012年平均气压最小，却属第四类，整体偏高，对比该年的其他气候要素发现气温、风速、水气压，以及日照时数均偏高。降水量和水气压极大值同时出现在2016年，这一年的相对湿度和平均气温也偏高，因此集对分析结果表明2016年气候整体特征较平均状况偏高。

气候整体特征偏低类（类别I、II）。除了在上世纪八九十年代有较少的几年外，主要出现在近十几年。如，2011年水气压和平均相对湿度均出现研究时段内的极小值。因此，尽管风速和日照时数较大，2011年整体气候特征依然较平均气候条件偏低。

近48年珠三角气候变化整体特征表现为三种类型，整体气候特征温和的年份可划分为两个阶段，上世纪七八十年代期间气温整体偏低，气压较高，相对湿度、水气压适中；上世纪90年代后期至今表现为气温偏高，气压偏低，日照时数、相对湿度较为适宜。气候整体特征偏高的年份主要出现在上世纪七八十年代，受到平均气压、平均相对湿度的影响；气候整体特征偏低的年份主要出现在近十几年，这一时期气候适宜度偏低的主要原因是风速、气压在这一阶段表现为偏低，同时受到平均相对湿度的影响较大。

4 结论

集对分析法是一种新的不确定分类方法，计算简便，通过集对分析法计算的气候模糊分类是行之有效的，为气候系统分类提供了新途径。

本文在对各气候要素均值特征进行分析的基础上，依据均值标准差法确定集对分析的分类标准，对气候进行模糊分类，分析各类型气候的主要特征及主导要素。基于集对分析法的气候分类表明，气候整体特征由各要素共同影响，如在气温升高的同时，其他气候要素会存在不同的变化趋势，而集对分类的结果就综合体现了气候变化情况。集对分析法的分类结果表明全球气候变暖，气温升高背景下，影响研究时段早期七八十年代气候分类结果的主要原因为平均气压和相对湿度两个气候要素较区域平均水平整体偏高；而近20年主要是风速和相对湿度整体偏低的影响，引起气候适宜度在一些年份偏低，这可能是在城市化过程中土地利用方式的改变以及城市化引起的热岛效应、干岛效应等导致的。因此，城市发展过程中应注意植被、水体等对气候的调节作用，进而提高珠三角地区气候适宜度，改善人居环境。