[科普中國(guó)]-氣候概率

定義

氣候概率（climatic probability）是指利用歷史資料統(tǒng)計(jì)得到的某種氣候現(xiàn)象或某個(gè)氣象要素的某級(jí)（類(lèi)、型）在有資料時(shí)段內(nèi)出現(xiàn)的頻率。1

應(yīng)用實(shí)例例如，北京在1990年中，1月份氣溫低于-7.0℃的共出現(xiàn)7次，頻率為7%。又如上海年降水量低于900毫米的在1998年中有10次，頻率為10.2%。1

氣候概率分布理論自從20世紀(jì)初以來(lái)，“概率和概率分布的理論”除了作為氣候統(tǒng)計(jì)學(xué)的理論基礎(chǔ)外，它在氣象和氣候?qū)W中的應(yīng)用，主要是研究各種要素究竟符合何種理論分布模式。研究的重點(diǎn)是，用已經(jīng)觀測(cè)得的有限樣本去擬合某種概率分布模型并估計(jì)其參數(shù)。2

形成與發(fā)展20世紀(jì)80年代以來(lái)，張學(xué)文等(1987，1992，2003年)提出從統(tǒng)計(jì)物理及最大熵理論研究降水分布模式的新思維，大大豐富了關(guān)于氣候概率分布的理論。進(jìn)一步將熵理論加以深化，用最大熵原理給定約束條件而導(dǎo)出任何氣象要素場(chǎng)和氣象要素的概率分布模式。從而使統(tǒng)計(jì)氣候?qū)W中最基本的工具加以理論化，最終解釋氣候概率形成的原因。2

概率分布變化在氣候變化的歷史長(zhǎng)河中，某一定時(shí)期內(nèi)的氣候總是圍繞著某一平衡態(tài)而振蕩，氣候從一個(gè)平衡態(tài)轉(zhuǎn)入另一平衡態(tài)的過(guò)程，正是氣候狀態(tài)發(fā)生變化的過(guò)程。對(duì)于平衡態(tài)系統(tǒng)，熱力學(xué)量的“漲落”(即“振動(dòng)”或“超力”)服從高斯分布，它能夠保持宏觀系統(tǒng)的熱力平衡。氣候系統(tǒng)處于氣候定態(tài)時(shí)，其變量的隨機(jī)振動(dòng)實(shí)際就是圍繞平衡氣候的漲落。而熱力學(xué)平衡態(tài)一旦失去了穩(wěn)定性，即無(wú)序狀態(tài)失穩(wěn)就可產(chǎn)生巨漲落而導(dǎo)致重新建立的平衡態(tài)漲落。從統(tǒng)計(jì)學(xué)來(lái)看，分子數(shù)目即為隨機(jī)變量，通常小漲落的機(jī)會(huì)多，而大漲落的機(jī)會(huì)極少。圍繞平衡態(tài)的漲落規(guī)律只有借助概率和概率分布來(lái)描述，氣候變量在其時(shí)空域上所形成的概率分布，其原理與上述熱力學(xué)平衡態(tài)系統(tǒng)是十分類(lèi)似的。從這個(gè)意義上說(shuō)，氣候變化必然反映在其相應(yīng)的概率分布變動(dòng)上。對(duì)于給定時(shí)段來(lái)說(shuō)，概率分布可以全面描述某一氣候變量觀測(cè)取值的頻率特征，而一旦概率分布發(fā)生變動(dòng)，則必然可從中檢測(cè)出氣候變化的信號(hào)。2

極值分布模式盡管20世紀(jì)80年代以前，關(guān)于極值概率分布的應(yīng)用還僅僅局限于“氣候極值的統(tǒng)計(jì)推斷”問(wèn)題，即由觀測(cè)資料樣本抽取極端值，推求給定重現(xiàn)期的極值分位數(shù)，從而為一些重大工程建設(shè)項(xiàng)目提供必要的保障安全和經(jīng)濟(jì)的氣候極值指標(biāo)。近十多年來(lái)全球變暖大大加劇了由極端氣候事件發(fā)的各種自然災(zāi)害，各國(guó)學(xué)者已將氣候極值變化與全球氣候變化緊密聯(lián)系，開(kāi)展了一系列有關(guān)氣候變化與氣候極值統(tǒng)計(jì)分布，平均氣候統(tǒng)計(jì)參數(shù)與極端氣候統(tǒng)計(jì)分布之間相關(guān)關(guān)系的研究，并已形成一個(gè)新的研究熱點(diǎn)。2

近年來(lái)國(guó)內(nèi)對(duì)這一領(lǐng)域的研究也日趨關(guān)注，不過(guò)，多數(shù)研究仍偏于應(yīng)用經(jīng)典極值分布(如Gumbel分布)及其參數(shù)估計(jì)方法(如經(jīng)典矩估計(jì))診斷氣候極值的時(shí)間域概率問(wèn)題，而很少考慮氣候極端值的時(shí)間域和空間域雙重概率問(wèn)題。因?yàn)闅夂驑O端事件是引發(fā)氣候?yàn)?zāi)害的基礎(chǔ)，以往僅考察某一時(shí)段內(nèi)的氣候最大值問(wèn)題顯然有一定的局限性。在這一領(lǐng)域尚有相當(dāng)多的問(wèn)題需要深入研究。

空間域模式概率分布函數(shù)還可用來(lái)描述氣象要素(如降水量、溫度)在地理空間域上的非均勻分布，這是氣候研究的一項(xiàng)重要內(nèi)容。但是，以往這類(lèi)問(wèn)題在大氣科學(xué)研究中卻少有問(wèn)津。廣義地說(shuō)，除了某個(gè)測(cè)站(或測(cè)點(diǎn))所觀測(cè)的氣象記錄可視為該氣象要素在時(shí)間域上的觀測(cè)樣本擬合其概率分布以外，任何時(shí)段或時(shí)刻的某一氣象變量場(chǎng)，例如，地理空間上觀測(cè)到的同一時(shí)刻某一種要素取值的概率特征(如某種量級(jí)的占有數(shù))也是氣候概率及其分布的研究對(duì)象。因?yàn)槲覀冇肋h(yuǎn)不可能無(wú)限精確地度量任何區(qū)域上無(wú)數(shù)個(gè)測(cè)點(diǎn)的要素取值，而只能從中抽取有限數(shù)量的測(cè)點(diǎn)給出一定精度的觀測(cè)值，這就必然涉及到要以氣象變量的樣本場(chǎng)分布函數(shù)來(lái)推斷總體場(chǎng)分布函數(shù)的問(wèn)題。2