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重現期:「N年一遇」?

重現期:「N年一遇」?

黃逸雋
2022年4月

有時,一些極端天氣事件,大家或許會聽到「N年一遇」這樣的形容,究竟是否真的每隔N年就會遇到一次呢?
重現期是甚麼?
這個數字「N」其實是一個叫「重現期」(又名「回歸期」)的統計概念。重現期的計算方法就如下圖(圖一)所示:首先從已有的數據中,用統計方法估算出某事件在一段時間之中發生的機會率(發生率,μ),取其倒數(1 ÷ μ),就可以得知平均相隔多少時間會發生一次該事件,這就是重現期。
選用不同的統計方法會對估算重現期有影響。以圖一的虛構雨量數據為例,最左方的時間序列可以見到,50年內有2次超過100毫米,如果我們以最簡單的方式估算發生率,就是每25年1次,所以重現期就是25年;但如果我們先從有限的數據估算長期在理論上的雨量分佈,將雨量分佈以平滑曲線代表,再行估算,則可以是如圖一所示:重現期估計為50.0年。
另外,我們亦要注意,不同地域的地理與氣候因素不同,因此即使同一事件,在不同地域的發生率及重現期可以大相逕庭。
圖一
圖一 估算重現期的例子。(圖中的數據全為虛構,僅作例子用。)
正確理解重現期
我們應該要小心、正確理解重現期:重現期是一個長期平均,是由概率推導出來的期望值。假如重現期為N年,即使如此,亦不代表N年內必然會發生一次該事件。尤其是極端事件的發生相當隨機,每次發生之間相隔的年期可以有很大差異:某一個N年期內可以一次也不發生,另一個N年期內可以發生幾次,只是從統計角度來說平均N年會發生一次。以圖一的虛構數據為例,最左方的時間序列可以見到,第2年及第20年都出現過超過100毫米的每小時雨量,相隔18年;但隨後的至少30年都再沒有出現過。而我們估算出來的重現期是50年,只能說頭兩次事件相隔只有18年是較為巧合。
雖然重現期並不能保證事件何時發生,但重現期能夠為釐定工程設計標準、風險評估,還有學術研究,提供一個客觀數字去表示該事件的罕見與極端程度。在長期平均之下,重現期是有代表性的數字。重現期越長,代表該事件越罕見、越極端。
極端事件的重現期估算
極端事件的發生次數少,也對估算重現期構成挑戰。估算發生率時使用的數據年期有限,極端事件數據容易不足,這樣就會影響估算的準確度。有些非常極端的事件,甚至是有紀錄以來都沒有發生過的,惟有靠統計方法從現有數據分佈作外推估算,又或者提取電腦模式對未來的預測數據來作估算。由於極端事件數據量少,新增一兩次極端事件也可能會對估算出來的結果有較大的影響(見下圖,圖二)。換言之,極端事件的估算值會對新觀測十分敏感,所以隨着觀測越來越多,估算出來的重現期迎來較大的變化也不足為奇。
圖二
圖二    在圖一的基礎上新增一次極端觀測。紅點是新觀測;紅色實線是新擬合的概率密度分佈曲線,而藍色虛線是舊的。新增一次極端觀測後,重現期由原先圖一估計的50.0年變成34.1年。(圖中的數據全為虛構,僅作例子用。)
氣候變化會導致重現期改變
氣候變化之下,大環境改變。正如「股語有云」,「過去表現並不代表將來之表現」,我們可以預期各種事件的重現期都會有所改變。如果使用過去數據估算,估算出來的重現期必然有所滯後,影響其代表性。而電腦氣候模式普遍預測,未來在氣候變化之下,極端事件會加劇、增多,亦即是重現期會隨時間而縮短。
極端事件變得頻繁,這是我們在氣候變化之中要準備好迎接的挑戰。有關氣候變化的更多資料,可參考天文台的「氣候變化」網頁