“2016太湖大洪水”年景的雨情預(yù)測(cè)模擬

秦建國， 朱龍喜， 盛龍壽， 姚 華， 胡 剛

(江蘇省水文水資源勘測(cè)局無錫分局， 江蘇 無錫 214031)

受“厄爾尼諾現(xiàn)象”的影響，2015年我國南方地區(qū)出現(xiàn)了大范圍的洪澇災(zāi)害。在水情緊張的情況下，2015年6月下旬筆者有幸參加了水利部水文局在北京舉辦的“全國水利系統(tǒng)2015年汛期(7～8月)水文氣象長(zhǎng)期預(yù)測(cè)會(huì)商會(huì)”，全面了解我國中長(zhǎng)期水文預(yù)報(bào)的發(fā)展?fàn)顩r，并且以無錫站的降雨資料為基礎(chǔ)，順利完成了太湖地區(qū)主汛期的雨情預(yù)測(cè)模擬。2018年筆者將預(yù)測(cè)結(jié)果重新集結(jié)整理并以論文的形式發(fā)表[1]。為進(jìn)一步探討能否實(shí)現(xiàn)2016太湖大洪水年景的雨情模擬，筆者又整理了2016年的雨情預(yù)測(cè)模擬成果，并且完成了與實(shí)測(cè)值的對(duì)比分析，以供參考。

1 研究方法及資料選擇

1.1 分段法

分段法就是以特征轉(zhuǎn)折點(diǎn)作切割，利用分段特征的一致性，最終實(shí)現(xiàn)序列分析的方法。分段法研究的目的是降低模擬難度、提高預(yù)測(cè)效率[2]。

一般認(rèn)為時(shí)間序列越長(zhǎng)其代表性越好，但是并非如此。2009年夏季，筆者在分析無錫站年際降水過程線時(shí)發(fā)現(xiàn)，1978年前后的特征明顯不同，因此對(duì)分段研究進(jìn)行了嘗試[3-4]。國家氣候中心的最新研究成果表明，20世紀(jì)70年代我國發(fā)生了一次氣候轉(zhuǎn)折[5]。據(jù)此筆者萌生了“氣候成因不同特征不同”的設(shè)想[2]，隨后采取分段研究的方法，解決了無錫站年際降水序列(1978—2011年)[6-7]、(1950—2014年)[2]、(1920—2017年)[8]無規(guī)律的難題。

1.2 細(xì)部特征法

水文氣象年際序列研究中成熟的方法較少，大多僅采用5 a或10 a滑動(dòng)來做未來趨勢(shì)的遠(yuǎn)景展望。由于存在氣候突變等原因，在實(shí)際工作中若將有限的觀測(cè)數(shù)據(jù)再進(jìn)行壓縮處理，用來做預(yù)報(bào)分析，則易造成信息丟失，實(shí)際效果并不理想。為此筆者又提出了細(xì)部特征法[2]，也可稱為非典型周期法。

所謂細(xì)部特征法，就是在分段法研究的同時(shí)，反其道行之，采用“放大鏡”或者“顯微鏡”技術(shù)，逐段對(duì)時(shí)間序列的細(xì)部特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以尋找潛在的規(guī)律。其機(jī)理是自然界的萬物都存在千絲萬縷的聯(lián)系，只要從這些細(xì)微的變化中找出統(tǒng)計(jì)規(guī)律，就可以達(dá)到解析自然的目的[8]。

1.3 歷史演變法

歷史演變法是利用某一臺(tái)站某一水文氣象要素歷史演變曲線(即水文上的過程線)的外形特征，分析它的統(tǒng)計(jì)規(guī)律來做預(yù)報(bào)的方法。這種方法的基本出發(fā)點(diǎn)是：任何一個(gè)水文氣象要素的歷史記錄都反映了這個(gè)要素全面的歷史變化。盡管影響這一要素的一切外界因子與內(nèi)部要素目前還不能一一辨認(rèn)，也還不能確定各個(gè)因素的影響程度，但是這些因素的綜合影響卻都已經(jīng)毫無遺漏地反映在這個(gè)要素的歷史記錄之中[9-10]。

1.4 資料選擇

根據(jù)江蘇省氣象局1988年對(duì)太湖地區(qū)設(shè)立較早的8個(gè)站點(diǎn)的代表性分析：無錫、宜興、蘇州、吳江、常熟5站與太湖地區(qū)面平均降水量的相關(guān)性較好，常州、上海、江陰3站略低一些，但是仍然具有一定代表性(表1)[11]。因此，本文的研究對(duì)象仍然是無錫站的降雨資料。

2 無錫站分段法和細(xì)部特征法年際降雨趨勢(shì)分析

無錫地區(qū)地勢(shì)低洼，北受長(zhǎng)江高潮位威脅，南受太湖洪水侵襲，歷來是洪澇災(zāi)害頻繁發(fā)生的地區(qū)，多年平均降水量約為1 110 mm[12]。無錫站創(chuàng)建于1922年初，但是在1951年以前的29年期間，1932年和1937年10月至1950年6月停測(cè)，此外還有3年(1922、1927、1934年)個(gè)別月份有中斷現(xiàn)象，實(shí)際完成全年觀測(cè)的僅有11年[2]。因此，本文選擇的研究對(duì)象主要是無錫站1950—2015年的降雨資料，其中出現(xiàn)特大干旱的年景有1978年、2011年、2013年，降水量最少的是1978年(552.9 mm)；出現(xiàn)嚴(yán)重洪澇的年景有1954年、1957年、1987年、1991年、1993年、1999年、2015年，降水量最多的是2015年(1 676.6 mm)。圖1中1950年的資料是根據(jù)歷史文獻(xiàn)和無錫站的旱澇趨勢(shì)特征插補(bǔ)。

早在2009年，筆者就發(fā)現(xiàn)1978年是無錫站年際降雨序列的氣候特征分割點(diǎn)。因而根據(jù)筆者提出的分段法研究，進(jìn)行年際旱澇趨勢(shì)分析以前，必須完成時(shí)間序列中氣候特征分割點(diǎn)的識(shí)別。經(jīng)過相似年景對(duì)比分析可以發(fā)現(xiàn)，1978年、2011年、2013年我國南方的長(zhǎng)江中下游及其周邊地區(qū)都爆發(fā)了罕見的特大干旱災(zāi)害。三者的不同之處是2011年春季出現(xiàn)了特大干旱，但是在此后的梅雨季節(jié)發(fā)生了旱澇急轉(zhuǎn)，而1978年、2013年則是全年干旱，在圖1中無錫站2013年的降水量比1978年多的原因，主要是當(dāng)年10月太湖地區(qū)遭受臺(tái)風(fēng)的影響較大，長(zhǎng)江中下游的其他地區(qū)依舊干旱。進(jìn)行細(xì)部特征法分析后也可以發(fā)現(xiàn)，1978年、2013年是無錫站非典型周期的節(jié)點(diǎn)，2011年則不是。因此可以判定，2013年與1978年一樣，都是無錫站年際氣候特征分割點(diǎn)(表2)。

根據(jù)細(xì)部特征法分析，無錫站年際降雨序列的非典型周期一共有6種類型，分別是正4 a、順4 a、逆4 a、順3 a、逆3 a和正2 a周期。根據(jù)分段法的指導(dǎo)原則，無錫站年際序列中每個(gè)時(shí)段的第一個(gè)非典型周期必須與前一個(gè)時(shí)段的特征截然不同，由于2013—2015年已經(jīng)連續(xù)2年上升，那么2013年之后的第一個(gè)非典型周期只能是順4 a周期(2013—2017年)，所以2015—2016年無錫站的旱澇趨勢(shì)必須是上升的[13-16]。

表1 8個(gè)站點(diǎn)1951—1987年汛期(5～9月)降水量與流域降水量的相關(guān)性

圖1 1950—2015年無錫站年際降水過程線

表2無錫站非典型周期的組合

段號(hào)年份組號(hào)年份獨(dú)立周期的結(jié)構(gòu)新周期特性一段1934—197811950—19551個(gè)逆3 a周期+1個(gè)正2 a周期5a周期逆21955—19612個(gè)順3 a周期6a周期順31961—19671個(gè)逆4 a周期+1個(gè)正2 a周期6a周期逆41967—19731個(gè)順4 a周期+1個(gè)正2 a周期6a周期順51973—19781個(gè)逆3 a周期+1個(gè)正2 a周期5a周期逆二段1978—201311978—19941個(gè)正4 a周期+6個(gè)正2 a周期不明顯正21994—20033個(gè)順3 a周期不明顯順32003—20072個(gè)正2 a周期不明顯正42007—20132個(gè)順3 a周期不明顯順三段2013—205612013—20171個(gè)順4 a周期不明顯順

3 無錫站歷史演變法雙月降雨序列預(yù)測(cè)分析

雖然歷史演變法具有簡(jiǎn)單實(shí)用、容易操作的優(yōu)點(diǎn)，但是由于存在氣候特征轉(zhuǎn)折點(diǎn)、極值的出現(xiàn)等原因，前期的特征規(guī)律不一定能完全反映未來的氣候變化。因此，在應(yīng)用時(shí)仍然存在許多困難，需要仔細(xì)斟酌[17]。

3.1 1～6月降雨序列歷史演變法特征分析

3.1.1 1～6月總降水量序列

1951—2015年無錫站1～6月總降水量過程線見圖2，由圖2可知，在2015年以前，無錫站1～6月總降水量超過800 mm的共有3次，并且第二年同期的降水量都是下降的，無一例外。根據(jù)歷史演變法特征分析，無錫站在2015年1～6月總降水量超過1 000 mm，創(chuàng)出歷史新高后，2016年同期降水趨勢(shì)下降的可能性較大。因此，2016年1～6月預(yù)測(cè)值的上限是2015年同期值(1 005.7 mm)，下限是多年平均值(583.4 mm)，平均值是794.6 mm。

圖2 1951—2015年無錫站1～6月總降水量過程線

但是由于2016年年際降雨的趨勢(shì)預(yù)測(cè)是上升的，2016年1～6月的預(yù)報(bào)值不能簡(jiǎn)單選擇平均值，應(yīng)該選擇是上限與下限差值的2/3或者3/4處，即預(yù)報(bào)值為864.9 mm或者900.1 mm時(shí)較為合理(實(shí)際觀測(cè)值為920.8 mm)。在相同的情況下，本文統(tǒng)一選擇2/3處。

圖3 1951—2015年無錫站1～2月降水量過程線

3.1.2 1～2月總降水量序列

1951—2015年無錫站1～2月降水量過程線見圖3。由圖3可知，根據(jù)歷史演變法分析，當(dāng)降水量超過160.0 mm時(shí)，第二年都是下降的；當(dāng)降水量小于50.0 mm時(shí)，第二年都是增加的。第一種情況出現(xiàn)了8次，第二種情況出現(xiàn)了7次，無一例外。由于2015年1～2月總降水量為117.1 mm，僅與多年平均值112.0 mm相當(dāng)，對(duì)次年同期的指示作用不明確。因此，2016年同期預(yù)測(cè)值的選擇是其經(jīng)常出現(xiàn)的區(qū)間，即上限為160.0 mm、下限為50.0 mm，兩者差值的2/3處是123.3 mm(實(shí)測(cè)值是89.3 mm)。鑒于篇幅限制，文中僅列出無錫站1～2月降水量過程線。

3.1.3 3～4月總降水量序列

當(dāng)降水量超過230.0 mm時(shí)，第二年都是下降的。在2015年以前，這種情況出現(xiàn)了12次，無一例外。由于2015年3～4月總降水量為243.5 mm，根據(jù)歷史演變法持續(xù)性分析，2016年同期回調(diào)的可能性較大，預(yù)測(cè)值的選擇是上限為243.5 mm、下限為同期多年平均值(179.7 mm)，差值的2/3處為222.2 mm(實(shí)測(cè)值為287.3 mm)。

3.1.4 5～6月總降水量序列

當(dāng)降水量超過500.0 mm時(shí)，第二年都是下降的。在2015年以前，這種情況出現(xiàn)了3次，無一例外。由于2015年5-6月總降水量為645.1 mm，根據(jù)歷史演變法持續(xù)性分析，2016年同期總降水量回調(diào)的可能性最大，預(yù)測(cè)時(shí)選擇的上限為645.1 mm、下限為多年平均值(291.8 mm)，預(yù)報(bào)值為527.3 mm(實(shí)測(cè)值為544.2 mm)。

3.1.5 4～6月總降水量序列

當(dāng)降水量超過600.0 mm時(shí)，第二年都是下降的。在2015年以前，這種情況出現(xiàn)了4次，無一例外。由于2015年4～6月總降水量為791.2 mm，根據(jù)歷史演變法持續(xù)性分析，2016年同期總降水量回調(diào)的可能性很大。因此，2016年4～6月總降水量的上限為791.2 mm、下限為多年平均值(386.7 mm)，預(yù)報(bào)值為656.4 mm(實(shí)測(cè)值為785.0 mm)。

3.2 7～12月降雨序列歷史演變法特征分析

3.2.1 7～12月總降水量序列

當(dāng)無錫站7～12月總降水量超過700.0 mm時(shí)，第二年都是下降的；當(dāng)總降水量低于400.0 mm時(shí)，第二年都是增加的。第一種情況出現(xiàn)了10次，第二種情況出現(xiàn)了9次，無一例外。因?yàn)?015年7～12月總降水量為670.9 mm，根據(jù)歷史演變法持續(xù)性分析，上述特征的指示作用不強(qiáng)，所以無法判斷趨勢(shì)。但是由于2015—2016年的降雨趨勢(shì)是上升的，而且2016年1～6月總降水量在去年同期的基礎(chǔ)上增加的可能性較小，可以判斷2016年7～12月總降水量應(yīng)該在去年同期的基礎(chǔ)上大幅增加。因此，2016年7～12月總降水量預(yù)測(cè)時(shí)的上限為943.7 mm、下限為670. 9mm，預(yù)報(bào)值為852.8 mm(實(shí)測(cè)值為1 098.4 mm)。

3.2.2 6～8月總降水量序列

當(dāng)降水量超過700.0 mm時(shí)，第二年都是下降的。在2015年以前，這種情況出現(xiàn)了10次，無一例外。由于2015年6～8月總降水量為902.3 mm，根據(jù)歷史演變法持續(xù)性分析，2016年同期總降水量回調(diào)的可能性最大。因此，2016年6～8月預(yù)測(cè)時(shí)的上限為902.3 mm、下限為多年平均值(473.7 mm)，預(yù)報(bào)值為759.4 mm(實(shí)測(cè)值為775.3 mm)。

3.2.3 7～8月總降水量序列

當(dāng)降水量超過500.0 mm時(shí)，第二年都是下降的；降水量低于時(shí)140.0 mm，第二年都是上升的。在2015年以前，第一種情況出現(xiàn)了7次，第二張種情況也是7次，無一例外。由于2015年7～8月總降水量為351.1 mm，根據(jù)歷史演變法持續(xù)性分析，對(duì)2016年同期總降水量的指示作用不明顯。

因此，按照常規(guī)方法預(yù)測(cè)：2016年7～8月總降水量預(yù)測(cè)的上限為500.0 mm、下限為140.0 mm，預(yù)報(bào)值為380.0 mm。雖然這種方法不存在問題，而且有可能更接近實(shí)測(cè)值，但是由于沒有考慮下半年的上升趨勢(shì)，對(duì)年度極值的預(yù)測(cè)極為不利，因此舍棄。根據(jù)2016年7～12月總降水量大幅增加的預(yù)測(cè)趨勢(shì)，7～8月總降水量也應(yīng)該是增加的，所以預(yù)測(cè)的上限是653.0 mm、下線是351.1 mm，預(yù)報(bào)值為552.4 mm(實(shí)測(cè)值為400.3 mm)。

3.2.4 9～10月總降水量序列

當(dāng)降水量超過250.0 mm時(shí)，第二年都是下降的；當(dāng)降水量低于50.0 mm時(shí)，第二年都是增加的。在2015年以前，第一種情況出現(xiàn)了9次，第二種情況出現(xiàn)了4次，無一例外。由于2015年9～10月總降水量為171.1 mm，根據(jù)歷史演變法持續(xù)性分析，對(duì)2016年同期總降水量趨勢(shì)的指示作用不明顯。但是根據(jù)7～12月總降水量大幅增加的趨勢(shì)，2016年9～10月總降水量的趨勢(shì)預(yù)測(cè)是上升的可能性較大。因此，2016年9～10月總降水量的上限為420.4 mm、下限為171.1 mm，預(yù)報(bào)值為337.3 mm(實(shí)測(cè)值為557.3 mm)。

3.2.5 11～12月總降水量序列

當(dāng)降水量超過140.0 mm時(shí)，第二年都是下降的。在2015年以前，這種情況出現(xiàn)了9次，無一例外。由于2015年11～12月總降水量為148.7 mm，根據(jù)歷史演變法持續(xù)性分析，2016年同期總降水量回調(diào)的可能性最大。因此，2016年11～12月總降水量的上限為148.7 mm、下限為多年平均值(85.8 mm)，預(yù)報(bào)值為127.7 mm(實(shí)測(cè)值為140.8 mm)。

4 后期對(duì)比分析

無錫站2016年雨情預(yù)測(cè)成果統(tǒng)計(jì)見表3。由表3可知，2016年雙月預(yù)測(cè)的6個(gè)成果，優(yōu)秀、良好、合格各1個(gè)，不合格率達(dá)到50%。這樣的成果看似會(huì)對(duì)年度極值預(yù)測(cè)造成較大的不利影響，但是實(shí)際情況并非如此，雙月預(yù)測(cè)成果累加后大部分系統(tǒng)誤差抵消，年總降水量的預(yù)測(cè)精度達(dá)到了優(yōu)秀的級(jí)別，而且經(jīng)過改進(jìn)后的精度更高。因此，雖然2016年大洪水期間的雨情預(yù)測(cè)難度很大，而且雙月預(yù)測(cè)結(jié)果存在一些系統(tǒng)偏差，但是本文總體上分析方法合理、模擬措施得當(dāng)，基本可以真實(shí)反映無錫站2016年的雨情。

需要注意的是：一是無錫站2015—2016年連續(xù)兩年創(chuàng)出歷史新高，本身就是筆者提出的一個(gè)性質(zhì)“分段特征一致性”和一個(gè)猜想“氣候成因不同特征不同”的具體表現(xiàn)；二是非典型周期的特征是在無錫站的年際降雨序列中發(fā)現(xiàn)的，在月降水量序列中不能使用；三是雖然分段法也是在無錫站年際降雨序列中發(fā)現(xiàn)的，但是可以在月降水量序列中使用。在月降水量序列分析時(shí)，本文不用分段法的主要原因是2013年后的序列長(zhǎng)度太短，單獨(dú)分析沒有意義。

表3 無錫站2016年雨情預(yù)測(cè)成果統(tǒng)計(jì)

注：要素極值的允許誤差是±30%，部分實(shí)測(cè)值超出了所處區(qū)間最大可能性的上限，造成相對(duì)誤差較大。

5 結(jié) 語

(1)1978年和2013年我國南方地區(qū)出現(xiàn)的特大干旱災(zāi)害事件，改變了無錫站年際降雨序列特征的一致性，盡管還無法摸清氣候變化的理論基礎(chǔ)，但可以肯定這2次事件都是太湖地區(qū)氣候特征的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

(2)無錫站年際降雨序列的特征變化，具有較高的代表性，可以在一定層面上反映我國南方地區(qū)的部分氣候變化情況。

(3)對(duì)太湖地區(qū)來說，強(qiáng)厄爾尼諾現(xiàn)象出現(xiàn)的第三年和第二年一樣，都是嚴(yán)重洪澇災(zāi)害的高發(fā)期。

(4)本次厄爾尼諾現(xiàn)象在2016年5月結(jié)束后，對(duì)太湖地區(qū)多雨的影響并沒有結(jié)束，隨即在六七月間出現(xiàn)了嚴(yán)重的夏汛，九十月又出現(xiàn)了少見的秋汛。

(5)分段法和細(xì)部特征法趨勢(shì)分析可以解決無錫站年際旱澇周期性變化的問題，歷史演變法特征分析可以大致預(yù)估無錫站未來降雨數(shù)值的變動(dòng)范圍，綜合預(yù)測(cè)分析可以實(shí)現(xiàn)無錫站降雨序列的仿真模擬。

根據(jù)中國氣象局和水利部水文局的預(yù)測(cè)分析，2016年是厄爾尼諾現(xiàn)象的第三年，由于厄爾尼諾現(xiàn)象的強(qiáng)度將不斷減弱，可能在5月前結(jié)束，受此影響西太平洋副熱帶高壓強(qiáng)度將偏強(qiáng)偏西、南海高壓將偏強(qiáng)偏大，我國主降雨帶南北向擺動(dòng)較大。預(yù)計(jì)太湖流域2016年梅雨期將偏長(zhǎng)、強(qiáng)度偏大，但是由于主降雨帶南北擺動(dòng)，夏季降雨的變數(shù)較大。本文的分析則是太湖地區(qū)2016年面平均降水量將在2015年的基礎(chǔ)上偏多一至二成，夏季降雨將明顯偏多，發(fā)生流域性大洪水的可能性很大。

實(shí)際情況是：2016年太湖流域年降水量1 792.4 mm，較常年偏多47%，位列1951年以來第一位；2016年6～7月太湖流域發(fā)生了特大洪水，最高洪水位為4.87 m(比1999年歷史最高洪水位低0.10 m),出現(xiàn)在7月8日，并且10月末期還出現(xiàn)了少見的流域性秋汛；2016年梅雨期間，流域內(nèi)河水位全面超警，共有15個(gè)站點(diǎn)超過了歷史最高洪水位。

2016年的實(shí)測(cè)結(jié)果表明，中國氣象局和水利部水文局的預(yù)測(cè)分析，具有較高的理論基礎(chǔ)，在宏觀上把握住了我國主降雨帶南北向擺動(dòng)較大和南方梅雨期較長(zhǎng)、強(qiáng)度偏大的特點(diǎn)；本文則從無錫站降雨特征的微觀變化情況，準(zhǔn)確把握了太湖地區(qū)降雨增長(zhǎng)的趨勢(shì)。因此，借助中國氣象局和水利部水文局的理論優(yōu)勢(shì)和強(qiáng)大的綜合分析能力，可以在宏觀領(lǐng)域更好地了解和把握我國氣候變化的走勢(shì)，有利于提高太湖地區(qū)旱澇災(zāi)害的預(yù)測(cè)能力。