基于大数据库分析的大兴安岭地区夏季区域洪水影响因素研究

吴振凯1于成刚23

(1.黑龙江大学水利电力学院，黑龙江 哈尔滨 150080；2.黑龙江大学寒区地下水研究所，黑龙江 哈尔滨 150080；3.黑龙江省大兴安岭水文局，黑龙江 加格达奇 165000)

区域性洪水是指该地区内的江河干流及支流都发生了洪水。作为一类复杂的系统，其产生涉及时空等多种因素，具有随机性、周期性、地域性。如今，以大数据为载体探讨和分析区域性洪水系统，在中长期水文预报方面具有显著效果。大兴安岭具有独特的地理位置，8.46万km2的区域面积，作为1998年、2013年黑龙江大洪水的发起点，可以说，其区域性洪水是在大气环境和自然因子双重变化影响下发生的，与其他区域洪水的发生情况有所不同。涉及区域洪水的大数据特点是数据量大、数据种类多、数据所蕴藏的价值大，我们需要搜索、处理、分析、归纳、总结其深层次的规律。在进行大数据分析时，可以采取多种方法构建预报模式，例如多元回归、EMD和谐波分析、神经网络等。既可以单因子也可以多因子进行组合。

本文正是通过建立大兴安岭区域洪水有关的气候气象因子、自然因子、洪水等系列特征大数据库，在背景分析法的基础上，先从120多个因子中确定5类物理驱动因子，其中包括了气候类、天文类、水文类等。在这几类因子中找到了一种该区域洪水发生的深层次规律，即区域洪水一种驱动原理。由此构建了背景模式的大数据中长期预报分析方法。

1 流域概况

大兴安岭地区是我国的重点林区,位于黑龙江省西北部，地理位置为东经121 12′～127 05′、北纬50°10′～53° 32′。西南与呼伦贝尔接壤,东北与俄罗斯隔江相望,东南以嫩江为界与黑河相邻。全区总面积8.46万km2,人口55万,共有3县4区11个林业局,为水多山多的低山丘陵地带。伊勒呼里山横贯大兴安岭地区中部,整个地区被分成岭南岭北两部分。区域内集水面积1000km2以上的河流有28条,集水面积100km2以上的河流有155条,集水面积50km2以上的河流有208条。

大兴安岭地区属高纬度森林冻土带,大陆性季风气候显著。冬季在西伯利亚寒流控制下,漫长、寒冷而干燥；夏季短暂、温湿多雨。全区多年平均气温在-2～-5℃,年温差最大可达80多℃。年最低气温岭北可达-50多℃；岭南可达-40多℃,因此素有“高寒禁区”之称。全区年雨量平均在450～500mm之间，6—9月雨水集中,总雨量在350～400mm之间,占年雨量的80%左右。

2 区域洪水气候影响因素的规律性分析

2.1 中国夏季雨型对大兴安岭地区夏季洪水的影响

根据大兴安岭地区洪水发生与气象界定的中国夏季三类雨型数据的关系建立数据库，统计雨型与洪水关系(见表1)。在所发生的2类雨型中大兴安岭地区发生洪水的概率高达64.3% ，即大兴安岭地区未来洪水的发生既受经向环流的影响，也受纬向环流的影响，二者共同促成大兴安岭洪水发生。这是大兴安岭区域洪水发生的根本原因。

2.2 北半球、太平洋、东太平洋、西太平洋副高变化对大兴安岭地区夏季洪水的影响

运用matlab、spss软件，通过相关系数分析方法，得到东太平洋副高面积与大兴安岭夏季洪水时间相关系数(见图1)、西太平洋副高北界与大兴安岭夏季洪水时间相关系数(见图2)和西太平洋副高脊线与大兴安岭夏季洪水时间相关系数(见图3)。对比图1、图2、图3可知，东太平洋副高面积、西太平洋副高北界、西太平洋副高脊线等与大兴安岭夏季洪水时间相关系数都超过了0.01的检验水平。因此，大兴安岭地区的夏季洪水受副高变化影响存在同步性和延时性。大兴安岭辖区内黑龙江上游受北半球、太平洋副高影响，于上一年的冬季1月、2月的强度和面积变化上，表现为正相关，西太平洋表现在春季的3月、5月持续的相关上，东太平洋的影响是最为复杂的，上一年冬季1月、2月表现在强度和面积上，春季3月、4月则表现在北界范围和脊线摆动上；黑龙江下游受北半球、太平洋、西太平洋区域影响较为一致，北界进退、脊线摆动是主要影响因素，而东太平洋则是冬季2月强度和面积指数对其产生影响。辖区内的呼玛河在影响表现上都是以副高北界、副高脊线为主，在春季3月、5月影响显著，系统越大越明显。太平洋、北半球系统在年系数上都通过了0.01检验。大兴安岭南部嫩江流域河流受北半球、太平洋、西太平洋区域影响，都是以副高北界、副高脊线为主，而且太平洋、西太平洋区域影响出现了时间延迟。东太平洋的影响只表现在秋季9月，表现在强度和面积上。

图1 东太平洋副高面积与大兴安岭夏季洪水时间相关系数

图2 西太平洋副高北界与大兴安岭夏季洪水时间相关系数

图3 西太平洋副高脊线与大兴安岭夏季洪水时间相关系数

2.3 大西洋-欧洲环流型转换对大兴安岭地区夏季洪水的影响

从500hPa环流图上可见大西洋-欧洲环流型表征的槽脊位置关系，W型特点是西风带环流平直，纬向环流盛行；C型特点是欧洲西海岸为高压脊，乌拉尔山地区为长波槽，欧洲经向环流发展；E型恰好与C型相反，乌拉尔山地区为高压脊，导致东亚地区经向度加大。

从大西洋-欧洲三种典型环流型差积曲线(见图4)可知，从1960年起的W型一直持续到1999年，1960年前及1999年后均为C+E型环流时期。依据表2统计结果，大西洋-欧洲环流型变化对大兴安岭地区夏季洪水有很大的影响。大兴安岭地区洪水主要发生在W型环流形势下，处于此时期洪水发生概率较大，尤其是W+E型时期洪水更为多发，而C+E型环流时期大兴安岭洪水发生次数较少。据统计，区域洪水发生在W型时期的占到总洪水的72.9%。另一个特征为一般大洪水都发生在环流型转折点前后几年，如1958年、1998年区域大洪水。

图4 大西洋-欧洲三种典型环流型差积曲线

表2 大西洋欧洲环流型与大兴安岭夏季洪水统计

大西洋-欧洲三种典型环流年代际变化存在36年左右大周期，在环流型转换之间还存在过渡期。例如1960年为W型，之前的1961—1963年为C型；1999为W型，之后的2000—2003年为C型，可知都存在一个明显的C型过渡期。在这个过渡期，大兴安岭区域一般都会发生较大洪水，如1962年、1963两年为高水，即使是在非常枯水期的2000—2003年这个时期 ，呼玛河的支流塔河2003年也发生了大洪水。由此可知，对其洪水发生的影响以纬向环流活跃为主，纬向环流不强的情况下，C型容易促发大兴安岭洪水。大西洋-欧洲三种典型环流36年的升降周期与地极移动的35年左右的大周期相吻合，可知它们之间存在明显的遥相关。同处于北半球的大西洋环流转换与大兴安岭地区区域洪水，以及地球的地极移动之间，存在一种类似环状的扰动机制，其中大兴安岭区域洪水活动是对大西洋环流转换、地球的地极移动活动的一种响应。

为了进一步探讨三种典型环流对区域洪水影响的延迟性，分析了大西洋-欧洲环流型冬季转换的变化和夏季洪水变化关系(见图5)，可知W型环流明显存在36年左右的升降周期，E型存在40年左右的升降周期，C型环流存在34年左右完整的周期。在大西洋-欧洲冬季环流出现C型环流的情况下，大兴安岭地区夏季易发生大洪水。可知此影响是从冬季大西洋发起的而通过某种机制反映到东北亚的大兴安岭地区，这是一个重要的发现。

图5 大西洋-欧洲三种典型环流型冬季差积曲线

大西洋-欧洲三种典型环流转换的冬季指数与大兴安岭夏季洪水存在明显相关。以基于小波分析的长期预测优化算法，对冬季三种典型环流转换对夏季洪水的影响进行了分析，分解与重构了冬季环流指数，对数据进行了模拟(见图6)。由图6可知，延后3年的黑龙江冬季环流指数存在明显的负相关，呼玛站系数为-0.265，漠河站系数为-0.296， 均通过了0.05检验；甘河的加格达奇站当年的相关系数通过了0.05检验，其相关系数为-0.261。同时，冬季环流指数存在明显的周期性，它和地极移动在变化和周期上存在一致性，存在后延3年的相关性。

图6 大西洋-欧洲冬季环流指数小波分析

2.4 极涡变化对大兴安岭地区夏季洪水的影响

极涡在极地属于最大的环流系统，它对于整个北半球的天气系统和气候存在影响。冷空气活动是通过极涡扩张和收缩来反映的，它使北半球气候带南北发生推移，绕极环流的变化同时改变着大气环流和气候。活动强度主要通过极涡面积指数、强度指数及中心强度和位置来反映。极涡面积冬半年大于下半年，秋季向南扩张，次年2月达到最大。由图7、图8可知，大兴安岭地区区域洪水与极涡变化存在相关关系。在时间相关系数上，黑龙江、呼玛河通过检验最多，说明大兴安岭岭北区域受影响显著。当年极涡变化对各大兴安岭各河流洪水影响指数明显减少。上一年的冬季、春季极涡指数对大兴安岭洪水影响最大，尤其是黑龙江2月、3月指标最多，也表现最为明显；当年的春季极涡指数对大兴安岭洪水影响最大，3月、5月的指标最多，占到80%以上。大兴安岭地区南部、北部又存在差异性，北部普遍受极涡北半球极涡中心位置、大西洋欧洲区、亚洲区极涡强度、北美区极涡面积指数影响，表现为两个大陆一个大洋型，呼玛河增加了太平洋区极涡指数。在极涡指数影响上，黑龙江越向上游春季影响越减弱，冬季影响越加强，相关滞后性表现越短；南部受亚洲区、太平洋夏季极涡变化影响明显，越向南北极极涡影响越弱，而太平洋区域影响明显增强。

图7 北半球上一年极涡中心位置与夏季洪水时间相关系数

图8 北美区当年极涡面积指数与夏季洪水时间相关系数

3 区域洪水自然因子影响因素的规律性分析

3.1 地极移动指数变化对大兴安岭地区夏季洪水的影响

由表3可知，地极移动指数无论是年经向环流、峰三年(前中后)，还是峰年7月和、峰7月距平都存在明显的周期变化。1942—1974年处于正距平时期，周期长度在32年；1981—2001年处于负距平时期，周期总长为30年。在不同周期内经向和纬向环流指数变化不同，1977—2007年纬向环流指数大，表明此时期以纬向环流为主；1945—1977年经向环流指数偏大，表明以经向环流为主。自2007年开始经向环流又指数逐渐变大，表明又以经向环流为主。同时，正负周期内大兴安岭地区都有洪水发生，但是正向周期内洪水量级偏大，也就是说经向环流为主时洪水量级偏大，这与前面所述的不同雨型(对应不同环流特征)对大兴安岭地区洪水影响是一致的。

表3 地极移动指数和大兴安岭地区洪水

3.2 地极移动周期变化对夏季洪水的影响

对地极移动的顺向和逆向进行小波分解(见图9)。由图9可知，地极移动大约存在30年的周期。大兴安岭地区的大洪水高发期大多出现在钱德勒顺向周期的中心附近，而此中心出现周期为35年左右。同时每一次的运动中心变化都与洪水周期相对应。由图10可知，小波分解后的地极移动振幅存在明显的周期变化，大兴安岭地区较大洪水都发生在不同周期的中心最大振幅附近，或者发生在周期振动的起始年附近。大兴安岭地区的洪水发生与地极移动存在明显的关联性。

图9 地极移动的运动周期

图10 地极移动的小波分解

根据地极移动规律，地极移动具有6～7年规律，而两个地极移动周期恰好是13～14年，此周期正是大兴安岭地区的丰枯水周期，同时与行星汇聚周期相对应。一般大兴安岭地区洪水在地极振幅最大和最小年发生。由表4 可知，在地极移动的X、Y方向上都存在与大兴安岭洪水相对应的活动周期，11年、22年、6～7年活动周期很明显，而这些周期不仅是大兴安岭地区洪水活动周期，也是太阳活动明显的周期。由此可知，太阳活动和地极移动周期都对大兴安岭地区洪水存在一定影响，也证明了大兴安岭地区的洪水发生与地极移动存在明显的关联性，而且越往北其影响表现越明显。

表4 地极移动的X、Y方向的周期统计

4 结 语

大数据技术是以数据为本质的新一代革命性的信息技术，在数据挖潜过程中，能够带动理念、模式、技术及应用实践的创新。本文利用大数据技术在所构成的大数据库中分析、归纳、总结出：副高变化、大西洋-欧洲三种典型环流转换、极涡变化、地极移动因子是大兴安岭区域性洪水的驱动因子。在中国夏季3类雨型的2类雨型中大兴安岭地区发生洪水的概率高达64.3%，也证明了上述研究的正确性。

通过对大兴地区洪水规律和演变特性，以及驱动因子的变化规律分析发现：同处于北半球的大西洋-欧洲三种典型环流转换和大兴安岭地区洪水，以及地球的地极移动之间，存在一种类似环状的扰动机制，即“地极移动-大西洋环流转换-大兴地区洪水”模式。这是大兴安岭区域洪水发生的深层次的原因。

从背景分析法可知，大兴安岭区域性洪水发生存在两种背景：ⓐ大气环流背景，此背景以副高变化、极涡变化、大西洋-欧洲三种典型环流转换为驱动因子，大西洋-欧洲三种典型环流是主要原驱动力；ⓑ地极移动背景，此背景是地极移动改变了地球自转倾角，进一步影响太阳辐射在地球上的分布，导致热量的驱动而影响经向、纬向环流变化进而影响区域洪水的变化。两种驱动力也存在相互转化、耦合下而发生混合驱动的情形。

影响大兴安岭区域洪水演变的主要模式为：一般大兴安岭区域洪水主要发生时期为大西洋-欧洲三种典型环流W型时期，且环流型转折点前后几年为大洪水集中期，并在C型过渡期发生较大洪水。同时，受太阳活动影响，在大西洋-欧洲环流型转换过程中存在两种时间年限的周期，这种由大西洋发起的对洪水的影响会通过某种机制在东亚高纬度大大兴安岭地区有所反映。

通过以上分析验证了大数据分析技术可以实现水文的中长期预报，并能揭示出深层次的发生规律。同时在结合背景分析法的基础上，可以构建出新型的区域性洪水的中长期预报模式。