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黑龙江省年径流系列代表性分析

2014-03-22孙国敏王春雷

东北水利水电 2014年4期
关键词:太阳黑子代表性环流

孙国敏,王春雷

(1.黑龙江省水文局,黑龙江 哈尔滨 150001;2.黑龙江省黑河水文局,黑龙江 黑河 164300)

黑龙江省年径流系列代表性分析

孙国敏1,王春雷2

(1.黑龙江省水文局,黑龙江 哈尔滨 150001;2.黑龙江省黑河水文局,黑龙江 黑河 164300)

文章对黑龙江省水资源计算成果,采用的 1956-2000 年径流系列,对长系列的代表性进行了分析并得出结论:径流 1956~2000 年系列均值与长系列均值相比稍偏大,Cv 值稍偏小,具有一定代表性。但由于年径流受人类活动影响较大,建议实际应用时视地理分布情况而定。

年径流实测系列;统计参数;代表性

1 问题的提出

系列代表性是指样本对总体的代表性,实测年径流样本系列对长系列(总体)的代表性如何,直接影响到实测年径流样本系列计算结果的精度,如果实测年径流样本系列对长系列具有代表性,据此计算的结果才能与实际情况相符,否则将会产生较大的计算误差。黑龙江省水资源量最新计算成果,采用 1956—2000 年 45 年资料系列,这一样本系列对长系列的代表性如何,此文在总结借鉴已有成果的基础上,进行初步分析。

2 分区代表站的选择

由于全省的下垫面条件及气候条件存在明显差异。因而全省年降水、年径流的地区分布也很不均。在选择代表站时,一要考虑代表站资料系列较长;二要考虑地域及气候条件。基于上述因素,我们选择了5个水文站作为代表站进行系列代表性分析,并对年径流缺测年份进行插补延长,详见表 1。

3 系列代表性分析

3.1 年径流系列代表性分析

年径流系列代表站插补后,一般为 84~103年,这一系列能否作为与短系列相比的长系列,一要取决于系列本身的精度;二要看它对更长年径流系列是否具有足够的代表性。

3.2 年径流周期变化规律的分析

绘制5个代表站长系列年径流模数差积曲线及年径流,可见,差积曲线大致都呈波状变化趋势,哈尔滨、富拉尔基和湖通镇站曲线形状比较近似,1927—1928 年均出现最低点,1963—1966 年均出现最高点。周期变化基本吻合,都存在 70~80 年左右的长周期和 20~30 年左右的短周期;秦家站和饶河站的周期变化是 20 年左右的短周期,20 年左右丰枯交替期和 40年左右的长周期。这说明本次计算选取的 84~103 年的年径流系列具有一定的代表性,可作为与短系列比较的长系列。

表1 年径流系列代表站资料插补情况

此外,哈尔滨、富拉尔基站累计均值稳定在 1的年份为 1901 年, 其径流系列具有代表性的年数为 97 年;饶河站累计均值从 1959 年开始即在 1 附近稳定下来,表明该站从 1959 年开始的短系列均值,大体上接近于长系列,其径流具有代表性的年数为 39 年;秦家、湖通镇站累计均值分别于 1950年和 1958 年开始稳定在 1 附近,所以,该二站分别从 1958 年和 1971 年始的径流系列具有较好的代表性,其年数分别为 50 年和 31 年。

3.3 用太阳黑子资料与大气环流型分析

3.3.1 太阳黑子与大气环流及年径流的关系

黑龙江省河流水量主要来源于大气降水,而降水量的多少与大气环流关系密切,大气环流形势的维持与转变,需有巨大的外部能源,而这种大气运动的能量主要来自太阳辐射能量,因此,太阳活动与全省年径流的丰枯变化有一定的对应关系。当太阳活动加强(黑子增多)时,有利于大气经向环流(E,C,E+C)型发展,气流呈南北方向流动,这样就把南方暖湿空气带到北方,为全省多雨、丰水创造了有利条件,出现丰水期(1929-1968 年);当太阳黑子活动减弱(黑子减少)时,有利于大气纬向环流(W,W+C)型发展,气流呈东西向流动,阻碍了南方暖湿空气向北推进,全省常出现少雨枯水 期 ,(1900-1928,1969-2000)。 经向环流与纬向环流相互交替,依次循环,导致全省丰枯水交替变化现象。

绘制太阳黑子相对数 22 年滑动平均模数、大气环流型和资料系列较长的哈尔滨站年径流模数差积曲线,据此,当太阳黑子差积曲线下降时(降枝段),纬向 W 型环流差积曲线上升,经向 E+C 型环流差积曲线下降,哈尔滨站年径流随之下降,出现枯水期;反之亦然,当太阳黑子差积曲线上升时(升枝段),纬向 W 型环流差积曲线下降,经向 E+ C型环流差积曲线上升,哈尔滨站年径流随之上升,出现丰水期。

3.3.2 太阳黑子与年径流的相关关系

依据 240 年左右的太阳黑子资料,绘制历年太阳黑子变化曲线,分别将谷底至峰顶及峰顶至后一谷底视为升、降枝,用太阳黑子小周期(一升一降为一小周期)相对数与全省代表站年径流长系列相应时段的年径流量建立关系,其相关系数达到 0.65~0.82,用它们的相关关系分别估算各站240 年左右的多年平均年径流量,详见表 2。由表 2可见,用太阳黑子估算值与 84~103 年长系列年径流的误差基本上都在 10%以内,均偏小,两者之间的关系成正比。

表2 用太阳黑子资料估算年径流与长系列年径流对比表

3.3.3 大气环流型与年径流的关系

前面已经论证大气环流型与全省的降水、径流存在一定的对应关系。根据大气环流型资料,绘制大气环流差积曲线。并由此可见,当 W 型环流盛行时,全省多为少雨枯水年,当 E+C 型环流盛行时,全省则为多雨丰水年。根据资料统计,1891-1968 年出现了 5 种不同的环流盛行期,即 W+C,W,E,C,E+C 环流型,1969-2000 年又重复出现了W型。

由此可见,大气环流型与我省年径流丰枯水的多年变化基本上存在 80 年左右的长周期,大气环流型的周期变化规律,与全省年径流的变化周期基本吻合。

大气环流型与我省年径流除存在 80年左右的长周期外,分析结果还表明存在 22 年左右的短周期,与太阳黑子 22 年磁周期是对应的。此外,从哈尔滨站年径流 22年滑动平均模数差积曲线图,由于进行 22 年滑动平均后的距平累计,消除了短期振动,成为一光滑曲线,由此说明 22 年的短周期是明显存在的。

3.4 长短系列统计参数对比分析

对选用的代表站进行不同时段统计参数计算,详见表 3。由表可见,代表站长、短系列年径流均值的相对误差一般在±10%左右,富拉尔基、哈尔滨站偏大近 13%,湖通镇、秦家和饶河站长系列与短系列均值接近,误差不超过±5%;Cv 值相差不到 ±18%,且有正有负,负值稍偏多。因此,就径流短系列的系列代表性而言,应根据地域分布情况来看,黑龙江上游,呼兰河、汤旺河流域及挠力河、穆棱河流域,年径流短系列对长系列的代表性较好,而嫩江、松花江流域短系列与长系列相比均值稍偏大,Cv值稍偏小。

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