基于天文指標(biāo)法的大渡河流域長(zhǎng)期徑流預(yù)測(cè)研究

彭卓越，張麗麗，殷峻暹 ，梁 云，李文龍(1.東華大學(xué)，上海 00051；.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100044；.新源控股公司豐滿發(fā)電廠，吉林 吉林 1108)

0 引 言

長(zhǎng)期徑流預(yù)報(bào)是水資源研究領(lǐng)域中重要內(nèi)容之一，是水資源規(guī)劃及綜合利用開發(fā)、抗旱、防洪、水電站運(yùn)行及水庫(kù)調(diào)度等的基本依據(jù)。徑流預(yù)報(bào)的方法有很多，一類是近年來(lái)應(yīng)用比較廣泛的基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的徑流預(yù)報(bào)方法，如模糊數(shù)學(xué)方法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、混沌動(dòng)力學(xué)及分形理論等[1-3]。另一類方法就是基于天文指標(biāo)進(jìn)行預(yù)測(cè)，比如月球赤緯角、太陽(yáng)黑子活動(dòng)等[4-8]，該方法在地震、旱災(zāi)等天災(zāi)預(yù)測(cè)中應(yīng)用較多。早在1991年翁文波[4]院士將干支農(nóng)歷的預(yù)測(cè)方法引入地震預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際符合度很高。同年郭增建等人研究發(fā)現(xiàn)1941-1942 年、1959-1960 年和1978 年是月亮赤緯角最小的年份, 在此時(shí)段中國(guó)發(fā)生了嚴(yán)重的旱災(zāi)。據(jù)此，郭增建等人[5]預(yù)測(cè)，1996-1997 年中國(guó)可能還要出現(xiàn)大的旱災(zāi)，1997 年是中國(guó)大旱之年已成為事實(shí)。1998年胡輝等人[6]根據(jù)太陽(yáng)活動(dòng)和月亮的運(yùn)動(dòng)周期預(yù)測(cè)1988年開始的中國(guó)大地震活躍期已經(jīng)結(jié)束，從1998-2000年中國(guó)大陸發(fā)生Ms≥7.0地震的可能性很小，事實(shí)也是如此。2000年馮利華[7]利用模糊分級(jí)統(tǒng)計(jì)法和等密圖統(tǒng)計(jì)法得出自然災(zāi)害多出現(xiàn)在節(jié)氣日或者節(jié)氣之間的黃金分割日附近。2006年馬愛(ài)生[8]等人考慮單種因素的影響，分別應(yīng)用太陽(yáng)黑子活動(dòng)、近遠(yuǎn)日點(diǎn)月相、赤緯角等天文要素，對(duì)全國(guó)及吉林省歷史大洪水進(jìn)行了預(yù)測(cè)。

大渡河流域位于青藏高原東南邊緣向四川盆地西部的過(guò)渡地帶，是岷江最大支流、長(zhǎng)江的二級(jí)支流。大渡河發(fā)源于青海省，干流河道全長(zhǎng)1 062 km，全流域集水面積77 400 km2，天然落差4 177 m，年徑流量488億m3，水能資源蘊(yùn)藏量3 373萬(wàn)kW，可開發(fā)容量約2 460萬(wàn)kW。瀘定以上為上游，集水面積為58 943 km2，占全流域集水面積的76.2%；滬定至銅街子為中游，區(qū)間集水面積為17 440 km2，占全流域集水面積的22.5%；銅街子以下為下游，區(qū)間集水面積為1 017 km2，占全流域集水面積的1.3%。

本文以大渡河流域?yàn)檠芯繉?duì)象，將24節(jié)氣、閏月、立春日類型、太陽(yáng)黑子相對(duì)數(shù)及月球赤緯角等28個(gè)指標(biāo)綜合考慮，甄選出與預(yù)測(cè)年份相似的年份進(jìn)行徑流預(yù)測(cè)，經(jīng)過(guò)對(duì)比對(duì)已有歷史數(shù)據(jù)的年份進(jìn)行方法驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)該方法正確率為75%，最后對(duì)2015-2017年來(lái)水進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果顯示2015-2017年大渡河流域來(lái)水為平偏枯年、平偏枯年、平偏豐年。長(zhǎng)期徑流預(yù)測(cè)研究對(duì)豐枯徑流提前發(fā)布、給出建議，以便采取必要措施，對(duì)水電站運(yùn)行、水庫(kù)調(diào)度及保護(hù)人民生命財(cái)產(chǎn)、將損失減小到最低限度具有非常重要的意義。

1 研究方法

本文主要采用天文指標(biāo)特征法對(duì)大渡河2015年徑流進(jìn)行預(yù)測(cè)。天文指標(biāo)包括：①日、地、月運(yùn)行軌跡特征指標(biāo)：24節(jié)氣、閏月、立春日類型；②月球引潮力指標(biāo)：月球赤緯角；③太陽(yáng)輻射能量指標(biāo)：太陽(yáng)黑子相對(duì)數(shù)。運(yùn)用以上28個(gè)指標(biāo)，以預(yù)測(cè)年份為基準(zhǔn)，歷史資料年份的28個(gè)指標(biāo)與基準(zhǔn)年份的28個(gè)指標(biāo)進(jìn)行比對(duì)，從而選出歷史相似年組，再?gòu)南嗨颇杲M中，進(jìn)行判斷篩選。

1.1 日、地、月運(yùn)行軌跡特征指標(biāo)對(duì)比方法

二十四節(jié)氣是根據(jù)太陽(yáng)在黃道(即地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的軌道)上的位置來(lái)劃分的。視太陽(yáng)從春分點(diǎn)(黃經(jīng)零度，此刻太陽(yáng)垂直照射赤道)出發(fā)，每前進(jìn)15°為一個(gè)節(jié)氣；運(yùn)行一周又回到春分點(diǎn)，為一回歸年，合360°，因此分為24個(gè)節(jié)氣。二十四節(jié)氣反映了太陽(yáng)的周期運(yùn)動(dòng)，從小暑、大暑、處暑、小寒、大寒等反映氣溫變化的節(jié)氣中，選擇小寒陰歷(近日點(diǎn)附近)代表近日點(diǎn)發(fā)生時(shí)間、小暑陰歷(遠(yuǎn)日點(diǎn)附近)代表遠(yuǎn)日點(diǎn)發(fā)生時(shí)間。近日點(diǎn)、遠(yuǎn)日點(diǎn)反映了引潮力的影響，作用與地球大氣海洋，體現(xiàn)為溫度大氣異常，導(dǎo)致為大氣環(huán)流系統(tǒng)突變，水汽來(lái)源對(duì)流加強(qiáng)，導(dǎo)致旱、澇極端事件發(fā)生。

24節(jié)氣對(duì)比法為對(duì)比所有研究年份24個(gè)節(jié)氣的陰歷“日”期，找出相似年。即使出現(xiàn)的陰歷“月”份不同，只要“日”期相同，即為相似年。如1936年小寒陰歷日期為11月14日，1973年為12月14日，視1936年與1973年為相似年。以此類推，得到與2015年24節(jié)氣相似的年組。預(yù)測(cè)的樣本年中24節(jié)氣中有一個(gè)節(jié)氣日期相同，對(duì)應(yīng)的年份就相似，節(jié)氣相同的越多，相似指數(shù)越高。

閏月類型即當(dāng)年是否有閏月，都有或都無(wú)皆為相似；立春類型就是該年的立春在春節(jié)前或是后，都在春節(jié)前即相似，都在春節(jié)后也為相似。閏月類型和立春類型都作為輔助判斷，加強(qiáng)預(yù)測(cè)的可靠性。

1.2 月球赤緯角對(duì)比方法

月球視運(yùn)動(dòng)軌道(白道)面與地球(天球)赤道面之間的夾角稱為月亮赤緯角(亦稱白赤交角)。1991 年地震專家郭增建教授提出月球潮迫地球放氣觀點(diǎn)(簡(jiǎn)稱放氣觀點(diǎn))：即當(dāng)月球赤緯角最小時(shí)，月球的直下點(diǎn)遠(yuǎn)離中國(guó)主大陸，故而在主大陸內(nèi)引起地殼鼓起就小，地下放出攜熱水汽就相應(yīng)減少，熱帶氣團(tuán)與高緯度冷氣團(tuán)就不易在中國(guó)大陸相碰，所以雨量減少，易形成干旱。反之，月球赤緯角最大時(shí)，對(duì)其直下點(diǎn)在我國(guó)緯度的范圍就大，遇到地殼不穩(wěn)定的機(jī)會(huì)較多，所以影響氣候的變化就大[9]。如東北松花江1932 年大洪水原因之一就是當(dāng)年月球赤緯角最大[10]。

以月球赤緯角最大值年下行第一年為m1，第二年為m2，以此類推，至月球赤緯角最小值年截止；以年月球赤緯角最小值年上行第一年為M1，第二年為M2，以此類推，至月球赤緯角最大值年截止，形成月球赤緯角年相位。相位相似的即為相似年，如表1所示，2007年、1988年和1970年均為月球赤緯角最大值年，故三個(gè)年份為相似年。

表1 月球赤緯角對(duì)比表Tab.1 Comparison of the moon declination angle

1.3 太陽(yáng)黑子比對(duì)法

太陽(yáng)黑子是在太陽(yáng)的光球?qū)由习l(fā)生的一種太陽(yáng)活動(dòng)，是太陽(yáng)活動(dòng)中最基本、最明顯的活動(dòng)現(xiàn)象。人類發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)黑子活動(dòng)已經(jīng)有幾千年了。研究認(rèn)為在太陽(yáng)活動(dòng)峰年期間，一方面太陽(yáng)給大氣轉(zhuǎn)入的能量增多，導(dǎo)致大氣熱功能加強(qiáng)；另一方面，地殼因磁致伸縮效應(yīng)和磁卡效應(yīng)產(chǎn)生變形和松動(dòng)，地殼內(nèi)的攜熱水汽易于泄出，并與大氣相配合，會(huì)造成天氣異常導(dǎo)致發(fā)生大洪水。反則亦然，一般情況下其他大水與黑子中位相基本是固定的[8]。

2014年為太陽(yáng)黑子第25周的峰值年，2014年大渡河上游出現(xiàn)20 a一遇洪水；2012年是峰值段，銅街子出現(xiàn)9 230 m3/s洪峰，為1904年以來(lái)第3位。從1981-1999年的太陽(yáng)黑子相對(duì)數(shù)表(見(jiàn)表2)中可以看出1981-1983年、1988-1993年、1998-1999年為峰值段；1984-1987年、1994-1997年為谷值段。查詢《中國(guó)歷史大洪水》相關(guān)資料，大渡河流域年來(lái)水量超過(guò)均值20%的年份1981年、1992年、1999年，如表2所示，均為太陽(yáng)黑子峰值年或位于峰值段。故太陽(yáng)黑子峰值年、峰值段是大渡河流域來(lái)水的高值段、洪水易發(fā)段。

表2 太陽(yáng)黑子相對(duì)數(shù)表Tab.2 The sunspot relative indicator

本文采用的天文指標(biāo)對(duì)比法就是將有歷史資料年份的28個(gè)指標(biāo)與基準(zhǔn)年份的28個(gè)指標(biāo)進(jìn)行比對(duì)，從而篩選出歷史相似年組。

2 大渡河2015年徑流預(yù)測(cè)結(jié)果

福祿鎮(zhèn)水文站位于大渡河下游，控制流域面積76 452 km2，多年平均徑流量為1 460.19 m3/s，水位變幅7.8 m。本文以1971-2010年的福祿鎮(zhèn)水文站年平均來(lái)水量數(shù)據(jù)為時(shí)間序列樣本，對(duì)大渡河徑流進(jìn)行預(yù)測(cè)。

根據(jù)1971-2010年的福祿鎮(zhèn)水文站年平均來(lái)水量數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行豐、平、枯水平年劃分。其中對(duì)應(yīng)75%頻率以上的年份為枯水年，對(duì)應(yīng)25%～75%頻率的年份為平水年，對(duì)應(yīng)25%頻率以下的年份為豐水年。福祿鎮(zhèn)水文站水平年劃分結(jié)果如表3所示。

表3 福祿鎮(zhèn)站水平年劃分結(jié)果Tab.3 Level years classification of Fuluzhen

將1995-2010年作為預(yù)測(cè)年份組，1970-1994年作為樣本數(shù)據(jù)年份組，從中找出與之指標(biāo)最為相似的年份組進(jìn)行預(yù)測(cè)。通過(guò)28個(gè)指標(biāo)的綜合比對(duì)，1976-1991年與1995年-2010年兩組指標(biāo)最為相似，由1976-1991年的來(lái)水性質(zhì)來(lái)推算1995-2010年的來(lái)水性質(zhì)，結(jié)果如表4所示，準(zhǔn)確率為75%，該預(yù)測(cè)方法通過(guò)驗(yàn)證。

最后對(duì)2015年徑流進(jìn)行預(yù)測(cè)結(jié)果如表5，1977年24節(jié)氣中有10個(gè)節(jié)氣與2015年相似，相似指數(shù)為10；1996年24節(jié)氣中有13個(gè)節(jié)氣與2015年相似，相似指數(shù)為13；1977年、1996年及2015年立春均在春節(jié)之前；這3年均無(wú)閏月；1996年、1977年和2015年，月球赤緯角均處于低相位段。由此，得出與大渡河流域2015年來(lái)水相似的年組為1996年、1977年，具體見(jiàn)表5。1996年徑流量1 352.464 m3/s，為枯水年；1977年徑流量1 430.381 m3/s，為平偏枯年。確定2015年來(lái)水為平偏枯年。

表4 大渡河1995-2010年天文特征比對(duì)法擬合預(yù)報(bào)成果表Tab.4 The fitting forecast result of astronomical characteristics comparison in Dadu river from 1995 to 2010

表5 大渡河2015年來(lái)水預(yù)測(cè)相似年對(duì)比表Tab.5 Contrastion of Dadu river water inflow forecast in 2015

注：1977、1996、2015年立春均為春節(jié)前，立春性質(zhì)相似均為1。閏月為0即該年無(wú)閏月。

目前，2012-2015年太陽(yáng)黑子處于峰值段，與1999-2002年相似；且2015年與2002年一致，均為厄爾尼諾年。故視2015年相似于2002年，確定來(lái)水為枯水。

綜上所述，綜合考慮24節(jié)氣、閏月和立春類型、月球赤緯角和太陽(yáng)黑子等指標(biāo)，確定2015年大渡河流域來(lái)水定性為平偏枯年。同理，預(yù)測(cè)2016年、2017年來(lái)水性質(zhì)如下表：2016年來(lái)水相似年組為1978年和1997年，預(yù)測(cè)為平偏枯年；2017年來(lái)水相似年組為1979年和1998年，預(yù)測(cè)為平偏豐年，如表6。

表6 大渡河2016年和2017年來(lái)水預(yù)測(cè)相似年對(duì)比表Tab.6 Contrastion of Dadu river water inflow forecast in 2016 and 2017

3 結(jié)論與討論

本文綜合考慮24節(jié)氣、閏月和立春性質(zhì)、月球赤緯角、太陽(yáng)黑子等28個(gè)天文指標(biāo)，經(jīng)過(guò)對(duì)比對(duì)已有歷史數(shù)據(jù)的年份進(jìn)行方法驗(yàn)證，1976-1991年與1995-2010年兩組指標(biāo)最為相似，由1976-1991年的來(lái)水性質(zhì)來(lái)推算1995-2010年的來(lái)水性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)該方法正確率為75%，該方法通過(guò)驗(yàn)證。最后對(duì)2015-2017年大渡河流域進(jìn)行長(zhǎng)期徑流預(yù)報(bào)，預(yù)報(bào)結(jié)果為2015年是平偏枯年，2016年為平偏枯年，2017年為平偏豐年。研究結(jié)果也有以下不足之處，有待今后深入研究：

(1)本次研究采用的徑流樣本系列只有40年，時(shí)間序列略短，后續(xù)將繼續(xù)收集資料，補(bǔ)充完善成果，提高預(yù)報(bào)精度。

(2)目前, 天文因子對(duì)地球上天氣氣候的影響機(jī)制方面還不完善，今后應(yīng)對(duì)天文因子所表現(xiàn)的特殊作用進(jìn)行全面、深入、系統(tǒng)的分析總結(jié)，加強(qiáng)其機(jī)理機(jī)制的研究，對(duì)今后做好防災(zāi)預(yù)測(cè)以及加強(qiáng)防災(zāi)減災(zāi)的能力都具有非常重要的意義。

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