一、问题分析和假设
(一) 问题分析
导致全球变暖的主要原因有温室气体 (主要是CO2) 的排放、森林的砍伐和植被的减少。对于相关数据的收集, 考虑到温室气体的排放量不易测量, 而温室气体的主要来源是化石燃料的燃烧, 故用化石燃料的使用量数据来表示温室气体的排放量数据, 然后建立了化石燃料使用量灰色预测模型, 通过测量化石燃料的使用数据来测量全球变暖的程度。同时利用MATLAB预测未来化石燃料的使用量, 得出未来几年温室气体的排放量, 进而分析全球变暖的趋势。
飓风的形成主要与地球自转和热带气旋运动有关, 而热带气旋运动与海洋温度和湿度等有关[1]。为了分析全球变暖程度与飓风强度之间的关系, 收集相关数据, 利用spss对全球变暖程度和飓风强度的相关因素进行回归分析。最后通过回归分析模型判断两个之间的关系。建立一种评价、测量体系, 分析这些因素对飓风的影响程度的大小。
(二) 模型假设和符号说明
1. 模型的假设
(1) 假设所有数据真实有效;
(2) 排除火山爆发等自然灾害对温度的大幅度影响;
(3) 排除一些特殊气候对台风强度的影响;
(4) 排除南北半球地转偏向力的差异;
(5) 排除人们对环境的恶意破坏;
2. 符号说明
A1:全国年度能源消耗;
A2:风暴总数;
R:超强台风占台风总数的比例;
SST:海面温度;
TC:气旋;
(三) 模型的建立
基于相关分析的灰色预测模型:
(1) 数据预处理
考虑到温室气体的排放量不易测量, 而温室气体的主要来源是化石燃料的燃烧, 故用化石燃料的使用量数据来表示温室气体的排放量数据[2][3]。然后观察近些年来能源的使用量随着年份之间变化的趋势, 如图1所示。
由曲线图可以看出温室气体的排放量在逐年增加, 导致温室气体的排放量也逐年升高;为了更好地预测未来几年里温室气体的变化对全球变暖的影响, 用灰色预测模型做进一步分析。
(2) 灰色预测模型
构造数据矩阵B及数据向量Y, Ψ=[a u]T为待辨识参数向量, 则上式可写成Y=BΨ, 最小二乘法估计求参数列P= (a u) T得到:
建立模型:x (0) (k) +z (1) (k) 71=5 160, 求生成数列值及模型还原值, 取, 由累减生成的还原值为:
二、预测结果与相关性分析
平均相对误差:精度:
经检验该模型的精度较高可进行预报和预测。预测2016-2021年能量总消费的数据为:
(一) 飓风主要影响因素的相关分析
气旋对飓风的影响:
为了解决测量全球飓风活动的强度问题, 本文从飓风的发生频率和其中超强台风占每年台风总次数的比重的变化中分析近些年来飓风的变化趋势, 给出了偏暖年、偏冷年与多年平均的影响和登陆我国的TC个数和强度, 分析发现, 在1942～2016年的45年中平均每年有15.8个TC影响我国, 其中有9.1个登陆我国。而在12个偏暖年里影响我国的TC平均每年为12.3个, 比多年平均少3.5个, 登陆TC为6.9个, 较多年平均要少2.2个。而12个偏冷年里则相反, 影响我国的TC年均18个, 登陆TC为10.7个, 分别比多年平均要多2.2个和1.6个[4]。
分析偏暖年与偏冷年TC活动频数发现, 偏暖年比偏冷年要少, 而登陆我国的TC在偏暖年比多年平均少, 偏冷年则比多年平均偏多, 这可能因为TC发生在西太平洋热带地区, 而这个区域的海温变化与发生偏暖的赤道东太平洋地区相反。另外, 由于赤道东太平洋海温变化会影响西太平洋副热带高压的变化, 何敏等[9]研究了TC发生发展的环流条件, 西太平洋副高强度、面积指数及西伸脊点在偏暖年与偏冷年有明显差别, 偏暖年西太平洋副高较常年偏强、面积偏大、西伸明显、TC较少, 而在偏冷年, 副高偏弱、面积偏小、位置偏东、TC较多。
(二) 温度变化与飓风强度的关系
根据对全球变暖的分析可知, 影响全球变暖的主要因素是温室气体的排放, 考虑到温室气体的排放量不易测量, 而温室气体的主要来源是化石燃料的燃烧, 故用化石燃料的使用量数据来表示温室气体的排放量数据。
根据表1, S模型的显著性水平为0.002, 远小于0.01, 说明具有统计学意义, R的平方达到0.493, 因此相比较而言S模型可以更好地模拟出R与A1之间的关系 (即指数关系) 。将灰色预测的结果A1代入S模型, 进行检验, 发现是符合实际的。结论是全球变暖可能导致更大的飓风强度。
三、总结
用年石油燃料的消耗量来代替温室气体的排放量, 使得建模的过程变得更加简洁不烦琐;科学地利用了回归分析、曲线模拟等方法对问题进行分析;运用灰色预测模型对相关进行预测, 将预测结果代入曲线模拟的模型里去进行验证具有可行, 在思维上具有严谨性;曲线模拟之后, 选出了合适地模型, 但为精确求解;由于全球的温度计飓风的活动情况无法精确的得到, 故将范围缩小, 进行建模, 望达到见微知著的效果。利用MATLAB建立灰色预测模型, 预测未来几年所使用的化石燃料的数量, 然后分析全球变暖的程度和化石燃料的使用是正相关的。基于温度与化石燃料的使用之间的相关性, 全球变暖的程度与所使用的化石燃料的量直接相关从灰色预测模型来看, 随着化石燃料的增加, 化石燃料的数量逐年增加, 从曲线模拟可以推断出飓风强度的变化与化石燃料的使用正相关。因此, 全球变暖将增加飓风的活动强度。我们可以减少化石燃料的燃烧, 来降低温室气体的排放, 进而观测飓风的次数。
摘要：本文探讨了全球变暖程度与全球飓风活动强度之间的关系。通过研究得知影响全球变暖的主要因素是温室气体的排放, 森林砍伐和植被减少, 影响飓风的因素是气旋, 温度和湿度。利用MATLAB建立灰色预测模型, 预测未来使用化石燃料的数量, 得出全球变暖的程度和化石燃料的使用是正相关。利用超强台风在一年中台风总数的比例描述当年台风的强度。温度和气旋与台风强度的相关分析表明, 温度变化与飓风活动强度之间存在强相关性。通过回归分析, 得出这些因素对飓风的影响和未来飓风的趋势。使用SPSS曲线模拟温度和飓风强度, 得出S曲线与数据最为一致。研究发现, 全球变暖导致飓风强度增加。
关键词：相关分析,灰色预测模型,曲线模拟,飓风,全球变暖
参考文献
[1] 雷小途, 徐明, 任福民.全球变暖对台风活动影响的研究进展[J].气象学报, 2009, 67 (5) :679-688.
[2] 贺红兵.我国碳排放影响因素分析[D].武汉:华中科技大学, 2012.
[3] 韩东银.地球表层变热异常与化石燃料开采相关性研究[J].环境科学与技术, 2013, 36 (s1) :419-423.
[4] 马丽萍.气候变化对热带气旋活动的影响[D].南京:南京信息工程大学, 2009.