基于松花江流域長(zhǎng)期水文預(yù)報(bào)方法

張淑霞，肖興濤，霍 麗

(1.佳木斯水文局，黑龍江佳木斯154002;2.黑龍江省水文局，哈爾濱150001;3.哈爾濱水文局，哈爾濱150010)

長(zhǎng)期水文預(yù)報(bào)是對(duì)防護(hù)對(duì)象未來(lái)較長(zhǎng)時(shí)期的水文情勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，以便使各級(jí)防汛部門在解決防洪與抗旱、蓄水與棄水及各部門用水之間矛盾時(shí)及早采取措施進(jìn)行統(tǒng)籌安排，以獲得更大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門對(duì)水文預(yù)報(bào)提出的要求越來(lái)越高，要求水文部門能夠提供預(yù)見期長(zhǎng)、準(zhǔn)確性高的中期與長(zhǎng)期預(yù)報(bào)，不僅要求有定性分析，而且要求有定量預(yù)報(bào)。

松花江是我國(guó)七大江河之一，流域面積55.68萬(wàn)km2。中部為廣闊的松嫩平原，松花江出口是著名的三江平原，是重要的商品糧基地，松嫩平原又是哈爾濱、長(zhǎng)春等城市及耕地密集的地區(qū)，因此洪澇干旱造成的損失巨大，因此，積極開展松花江流域的中長(zhǎng)期水文預(yù)報(bào)是非常必要的。

1 長(zhǎng)期預(yù)報(bào)的基本概念

水文氣象相結(jié)合的預(yù)報(bào)在時(shí)間尺度上僅具有短期(1～2d)和中期(3～7d)意義，而中期以上的長(zhǎng)期水文氣象過(guò)程，僅具有統(tǒng)計(jì)特征的氣候性質(zhì)。目前國(guó)際氣象界一般認(rèn)為其逐日預(yù)報(bào)的上限為2—3周，即中期天氣預(yù)報(bào)的上限為2—3周。而長(zhǎng)期預(yù)報(bào)因其預(yù)報(bào)內(nèi)容是旬、月、季、年水文氣象要素(如溫度、降水量、水位、流量等)特征值(最大、最小、平均值)，所以，通常認(rèn)為長(zhǎng)期預(yù)報(bào)為1個(gè)月以上的預(yù)報(bào)。1 a以上的預(yù)報(bào)為超長(zhǎng)期預(yù)報(bào)或稱氣候預(yù)測(cè)，而中長(zhǎng)期預(yù)報(bào)，也有稱之為短期氣候預(yù)測(cè)。

2 長(zhǎng)期水文預(yù)報(bào)方法

目前，流域長(zhǎng)期水文預(yù)報(bào)方法中，以物理因子和前兆強(qiáng)信號(hào)為基礎(chǔ)的物理概念方法開始成為主要的預(yù)報(bào)方法，經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)和數(shù)理統(tǒng)計(jì)仍在發(fā)揮重要作用，動(dòng)力氣候模式已經(jīng)成為重要的預(yù)報(bào)手段。

2.1 物理概念方法

物理概念方法的基礎(chǔ)是對(duì)有一定物理意義的影響氣候異常的因子或預(yù)測(cè)強(qiáng)信號(hào)進(jìn)行分析，為水文氣象要素預(yù)報(bào)提供依據(jù)。陳興芳、趙振國(guó)等分析了影響我國(guó)汛期旱澇的10個(gè)方面的基本物理因素，這10個(gè)物理因素與我國(guó)夏季降水的基本關(guān)系綜合反映在圖1中，以此可建立影響流域汛期旱澇的概念性模型。

陳興芳、趙振國(guó)等經(jīng)過(guò)多年的研究和預(yù)測(cè)實(shí)踐，總結(jié)影響我國(guó)汛期降水和旱澇分布異常的主要物理因子，概括起來(lái)有:考慮背景、太陽(yáng)活動(dòng)和下墊面物理因子等非大氣因子的影響，并考慮影響我國(guó)汛期旱澇的5個(gè)主要因素:①東面的海洋。反映赤道東太平洋和暖池海溫異常(ENSO現(xiàn)象和熱帶對(duì)流活動(dòng)異常)。②西面的青藏高原。反映高原積雪和位勢(shì)高度異常。③南面的季風(fēng)。反映赤道輻合帶、熱帶和南半球環(huán)流異常。④北面的阻塞高壓。反映中高緯度環(huán)流異常和冷空氣活動(dòng)情況。⑤中間的副高。反映副熱帶環(huán)流異常，與我國(guó)夏季雨帶關(guān)系十分密切。

圖1 影響中國(guó)夏季降水的基本物理因素框圖

2.2 數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法

數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法在長(zhǎng)期水文氣象預(yù)報(bào)研究和業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)中起著重要作用。時(shí)間序列演變方法和相關(guān)因素分析方法仍在業(yè)務(wù)預(yù)測(cè)中廣泛使用，主要方法有方差分析、自回歸分析、波譜分析、自然正交分析、灰色系統(tǒng)、回歸分析、相似分析等。

時(shí)間序列演變方法，通過(guò)對(duì)各種水文氣象要素未來(lái)的變化趨勢(shì)做出預(yù)報(bào)。這種方法對(duì)周期性明顯或持續(xù)性好的水文氣象要素預(yù)測(cè)效果較好，但不容易預(yù)報(bào)變化趨勢(shì)的轉(zhuǎn)折，對(duì)轉(zhuǎn)折點(diǎn)的預(yù)報(bào)效果欠佳。

多變量的相關(guān)因素分析方法，有一定的預(yù)測(cè)能力。但這些方法物理基礎(chǔ)較差，相關(guān)系數(shù)不能反映變量之間存在著復(fù)雜的非線性關(guān)系，氣候階段性也使統(tǒng)計(jì)關(guān)系發(fā)生變化，相似分析的著眼點(diǎn)不同，得到的預(yù)報(bào)結(jié)論可能相差甚遠(yuǎn)，使預(yù)測(cè)結(jié)論難以統(tǒng)一。究其影響統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)方法效果的原因，主要是建立數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)模型所選因子質(zhì)量不高，缺少物理概念，因子的獨(dú)立性、穩(wěn)定性直接影響預(yù)報(bào)效果，建模過(guò)程處理細(xì)節(jié)的不同也可能影響到模型的預(yù)報(bào)效果。

2.3 氣候動(dòng)力模式預(yù)報(bào)

氣候動(dòng)力模式是根據(jù)海洋、大氣初始場(chǎng)同化資料，在全球大氣環(huán)流模式和全球海洋環(huán)流模式的基礎(chǔ)上，利用日通量距平耦合方案，構(gòu)成的全球海氣耦合模式。模式結(jié)果在中國(guó)汛期旱澇趨勢(shì)預(yù)測(cè)中已經(jīng)運(yùn)用10多年，實(shí)踐證明目前我國(guó)氣候動(dòng)力模式的預(yù)報(bào)能力已基本達(dá)到20世紀(jì)末統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)的水平。動(dòng)力模式結(jié)果運(yùn)用于長(zhǎng)期預(yù)報(bào)在國(guó)外已非常普遍。

氣候模式預(yù)測(cè)結(jié)果的運(yùn)用已得到比較廣泛的運(yùn)用，也是未來(lái)長(zhǎng)期預(yù)報(bào)的發(fā)展趨勢(shì)，但氣候模式預(yù)測(cè)也存在不確定性，主要表現(xiàn)在以下3個(gè)方面:①最基本的原因是大氣系統(tǒng)的混沌行為，即差異極小的兩個(gè)初始場(chǎng)可以發(fā)展成大相徑庭的狀態(tài)，也就是所謂的蝴蝶效應(yīng)。此外同一模式同一初始條件，在不同精度的計(jì)算機(jī)上，可能得出不同的結(jié)果。②人們對(duì)天氣氣候系統(tǒng)物理機(jī)制的認(rèn)識(shí)不夠，對(duì)于同一預(yù)測(cè)問(wèn)題，不同的模型往往得出不一致的結(jié)果，要取得完全的共識(shí)還很難。③人類活動(dòng)使得氣候模式預(yù)測(cè)更為復(fù)雜。因此模式預(yù)測(cè)結(jié)果往往不是單一的值，而是一系列結(jié)果的集合或分布。理論上的某種最佳結(jié)果，并不表示未來(lái)狀態(tài)一定如此。因此，應(yīng)用任何一種預(yù)測(cè)結(jié)果都是要擔(dān)風(fēng)險(xiǎn)的。

3 歷史演變法

水文要素(降雨量、流量、水位等)在歷史演變中有一定的自身規(guī)律，在實(shí)際預(yù)報(bào)中，經(jīng)常利用這些規(guī)律來(lái)做長(zhǎng)期預(yù)測(cè)，其預(yù)見期可達(dá)1 a。它的基本出發(fā)點(diǎn)是:任何一個(gè)水文要素的長(zhǎng)期記錄反映了這一要素全面的變化過(guò)程，存在著一定的周期性和持續(xù)性等規(guī)律，在實(shí)際工作中，根據(jù)水文要素歷史演變曲線情況，可以歸納出以下幾種主要規(guī)律:

3.1 持續(xù)性

所謂持續(xù)性是指水文要素的歷史變化中升降變化的持久程度，如松花江哈爾濱水文站1951—2011年期間的年平均流量的歷史演變曲線見圖2，可以看出有如下規(guī)律:①周期變化規(guī)律明顯，具有連豐連枯、豐枯交替等特點(diǎn)，其中1953—1963年為連續(xù)豐水年組，1964—1973年為平水偏枯年組，1974—1982年為連續(xù)枯水年組，1983—1998年為連續(xù)豐水年，1998—2011年為連續(xù)枯水年;②如果第一年下降，第二年繼續(xù)下降，則第三年一般要上升;③在豐水年組中，大水年份第二年一般都會(huì)有所回落，下降段第一、第二年要素值變化幅度一般不大。

圖2 哈爾濱1951—2011年水文站年平均流量過(guò)程線圖

3.2 相似性

相似性是指歷史變化曲線在某一段時(shí)期與另一段時(shí)期的變化趨勢(shì)，在形狀上有很相似的地方。圖2中可以看到1977—1982年和2006—2011年演變趨勢(shì)非常相似，都表現(xiàn)為降→平→升→升→降。

3.3 周期性

水文要素的周期性并不是嚴(yán)格意義上的周期，而是指某一要素的變化過(guò)程在經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間間隔以后會(huì)出現(xiàn)類似的變化，同時(shí)周期性本身在歷史演變中也不是永遠(yuǎn)不變的。這種規(guī)律需要在實(shí)際工作中摸索和掌握，并結(jié)合其他水文要素規(guī)律用來(lái)進(jìn)行分析預(yù)報(bào)。例如圖2中，一般豐、平、枯水年組1個(gè)周期30 a左右。

3.4 最大與最小可能性

任何水文要素的歷史變化，它的數(shù)值在一定時(shí)期內(nèi)均有適當(dāng)?shù)淖兓秶?。一個(gè)水文要素的數(shù)值超出它的歷史變化的范圍是有可能的，但是這種可能性很小。歷史記錄年代越長(zhǎng)，則超出這種范圍的可能性就越小，因此稱超出歷史變化范圍的情況為最小可能，而在歷史變化中經(jīng)常出現(xiàn)的范圍則稱為最大可能性。圖2所示，哈爾濱水文站年平均流量數(shù)值＞2 500 m3/s是最小可能性，同樣＜500 m3/s也是最小可能性，年平均流量歷史變化范圍大約在485～2 956 m3/s，最大可能性在500～2 500 m3/s。

綜上所述，歷史演變法提出了分析要素演變規(guī)律的4個(gè)方面，方法簡(jiǎn)便易行，其缺點(diǎn)是缺乏嚴(yán)格的定量標(biāo)準(zhǔn)，因此在預(yù)測(cè)時(shí)可能帶有一定的主觀性。

4 結(jié)語(yǔ)

目前各種長(zhǎng)期水文預(yù)報(bào)方法尚不成熟，影響水文要素的各種因素十分復(fù)雜，做中長(zhǎng)期水文預(yù)報(bào)時(shí)，應(yīng)基于水文自身歷史演變規(guī)律基礎(chǔ)上分析研究，充分考慮太陽(yáng)活動(dòng)、大氣環(huán)流、海洋變化等因素，結(jié)合當(dāng)?shù)氐墓こ糖闆r，采用多種預(yù)報(bào)方法，不斷積累經(jīng)驗(yàn)，探討更為科學(xué)而實(shí)用的預(yù)報(bào)方法，以提高長(zhǎng)期水文預(yù)報(bào)的精度，為防災(zāi)減災(zāi)、保證工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

［1］湯成友，官學(xué)文，張世明.現(xiàn)代中長(zhǎng)期水文預(yù)報(bào)方法及其應(yīng)用［M］.北京:中國(guó)水利水電出版社，2008.

［2］水利部水文局.水文情報(bào)預(yù)報(bào)技術(shù)手冊(cè)［S］.北京:中國(guó)水利水電出版社，2010.

［3］鹿坤.淺談中長(zhǎng)期水文預(yù)報(bào)方法［J］.貴州水力發(fā)電，2004，18 (2):17－19.