台安站年际旱涝周期性分析与旱涝趋势预测模拟

2020-01-09

水资源开发与管理 2019年12期

(辽宁省鞍山水文局，辽宁鞍山 114000)

中长期水文预报是对未来较长时间的水文要素依据前期水文要素并利用数理统计与成因分析的方法进行科学的预测，该学科是一门综合了其他学科、气象学与水文学的边缘学科。国民经济的发展和人类社会的进步对水文预报提出了更高的要求，如大中型水运、水电、水利工程的管理运行及兴建，防汛抗旱的指挥等都要求水文部门提供中长期更加准确的预报。因受到科技水平和复杂的影响因素的限制，在水文预报方面目前还处于探索阶段。饶阳河流域中下游地区自2010年以来进入了干旱周期，特别是在2012年和2014年夏季均出现了较为严重的干旱事件。因此，探讨分析饶阳河流域的降雨变化特征及其旱涝转化规律，对于降低不利因素对地区旱涝灾害的影响和提前制定减灾方案措施具有重要的现实意义[1-4]。

旱涝作为构成地球气候变化的基本要素，其影响过程与冷热、干湿循环基本相同。为保障人们财产安全并提前制定好干旱、洪涝灾害防治对策，降低自然灾害带来的损失和影响，国内外许多学者对旱涝灾害的预测分析开展了大量研究。科学技术的进步使得各种新技术、新方法不断应用于旱涝成因问题的分析，从而推动了旱涝灾害预测的研究进展，但是相关研究还一直没有突破对旱涝演化规律的预测。在水文领域长期水文预报研究中年际旱涝分析占据着重要地位，水文气象因受到人为因素的影响和各类气候因素的作用通常被认为具有一定的随机性，所以判定与识别其长时间序列隐含的振荡周期是一个难度系数大且极其重要的问题。解决方法经历了由时间域的方差分析、方差与离散周期图到时频域的小波分析、谱分析的发展过程，尤其是傅里叶变换的提出和计算机技术的发展，迅速拓展了时频域的分析和实用性的发展。然而，这些方法在实际应用过程中通常难以准确地预测模拟，因此其推广与应用还具有一定的局限性[5-6]。

目前，还未全部了解旱涝灾害发生过程中很多实际问题的特征、参数以及内部结构，对其内在作用机理的研究还不够深入。年际旱涝分析作为气候领域中中短期气候研究的对象，许多学者通常以气候成因分析作为预测研究的重点，如分析人类影响、海温状况、大气环流及太阳活动等并取得了理想的成效。然而，在提高气候预测精准度方面相关研究的成效并不显著。

1 研究对象及方法

1.1 资料的选择

在自然界水循环过程中降雨是最敏感、最直接反映气候变化的水文气象要素之一，因此评价一个地区旱涝形式的重要依据是对降雨的时空分布进行分析。中国科学院研究认为年径流量序列的区域性规律显著低于年降雨量序列，其中区域性规律为水文序列周期特性的明显特征，因此本文以饶阳河流域雨量站的实测资料作为数据信息的主要来源。考虑到汛期气候的稳定性要显著低于非汛期的实际情况，本文以台安站年降雨量为依据选择具有代表性的时间序列1950—2015年。为保证数据资料的真实性与可靠性，经辽宁省水文部审核作为所用初始数据。

1.2 气候转折期

气候转折期是指发生明显转变时气候要素所处于的一个紧要的特殊时期，在近现代气候年代际变化方面NCC国家气候中心的最新研究表明，我国发生的一次气候转折出现于20世纪70年代末期。

1.3 研究方法

水文气象领域的许多学者因气候研究的复杂性，从而形成了旱涝无规律的传统定势思维。本文在分析台安站1980年前后水文气象特征过程中发现，该地区年际降雨过程线存在较为显著的变化。结合辽宁省气候中心提出的辽宁地区气候变化转折期为1978—1980年，该区域冬季气候在转折期前、后分别以冷冻与暖冬为主。因此，本文提出旱涝特征随气候成因的不同而发生改变的猜想，利用文献提出的分阶段法逐步解决了台安站年际降雨在暖冬气候控制期间无规律变化的难题。在研究过程中取得了一定的成果，但是如何突破传统观念的束缚证明该猜想的成立仍存在较大的困难，为达到证明设想的目的和解决现实中遇到的问题需要重新探讨研究方法。

在水文气象要素研究领域中对未来趋势的远景展望大多采用10年滑动或5年滑动的方法来预测，且研究分析年际变化趋势的内容相对较少。在实际工作中因考虑到气候转折期的存在，对中短期气候预测若压缩处理观测到的有限的数据则极易引起有效信息的丢失，从而无法获取理想的预测效果[7]。鉴于此，本文依据分段法基本理论提出了细部特征分析法，即在使用分段法的过程中考虑显微镜或放大镜的原理，逐段细部分析水文时间序列的特征，从而更好地确定序列中存在的规律。

2 台安站年际旱涝周期水文特性分析

2.1 台安站年际降雨过程线

因独特的气候环境和地势条件，台安地区是饶阳河流域洪涝灾害发生较为频繁的区域之一。台安站属于温带季风气候，年际温差较大，冬冷干燥而夏热多雨，年降水量为1027.1mm，其中62.8%以上降水集中在汛期[8-11]。根据饶阳河流域气象数据资料，收集整理了台安站年际降雨过程线，见图1。

2.2 年际旱涝周期的细部特征分析

根据图1变化趋势可知，若将年际旱涝周期性变化的一个基本单元看作是降雨量的一次完整的上升至下降变化过程，则4年、3年与2年周期组成了台安站的年际降雨过程线。将每个基本单元不同的下降、上升历时周期分为3种时间趋势特性，即将下降期历时短、上升期历时长且以每个单元顶点为轴线的图形称为“顺”时间趋势特性，反之则为“逆”时间趋势特性，而“正”时间趋势特性为两边历时等长的图形。将这些基本单元按照时间趋势特性可分为逆、顺、正3种周期，通过将时间趋势特性与不同时长的旱涝周期相结合可形成6类基本单元，见表1。

图1 台安站1950—2015年年际降雨过程线

表1 台安站不同旱涝周期的基本单元

2.3 对比分析

根据表1与图1变化趋势可知，台安站的内在水文特征及降雨过程线的外形特征在气候转折期前、后发生了较为显著的改变，即发生了突变现象。因此，该变化特征验证了本文提出的旱涝特征随气候成因的不同而发生改变的猜想，从而为气候转折期的存在提供了强有力的理论支持。

2.3.1 气候转折期之前

1950—1980年，台安站的年际降雨过程线的主要特征为：3年为各基本单元下降期、上升期历时最多的时段；每个基本单元主要有升降、升升降等5种类型的旱涝周期；连续出现升—升降类型的旱涝周期只有1次，因此可构成顺6年周期，而其他各孤立的基本单元可两两组合成6年或5年周期特征，结果见表2。因受到数据资料的限制，在研究期间未发现升降降+升降降逆6年周期和升降+升升的顺5年周期的，结合其他相关资料在研究期间很可能存在这两种类型。值得注意的是，由于两侧历时等长使得正周期基本单元的时间趋势属于中性，因此在计算过程中可将其隐去；而显性的逆周期与顺周期基本单元能够更好地反映原始水文的自然属性。

表2 台安站年际旱涝周期组合单元

2.3.2 气候转折期之后

1980—2015年，台安站年际降雨过程线的主要特征为：2年为各基本单元下降期与上升期历时最多的时段；每个基本单元主要有升降、升升降、升升降降3种类型的旱涝周期；在气候转折期仅出现1次升升降降气候类型，该类型与升降类型基本相同，因此在分析过程中可将其纳入后者分析；另外两种类型并不是单独存在的，因此无法重新组成新的周期。

3 模型的验证

气象部门每年都会对旱涝与气候情况作出相应的预测分析，然而由于预测偏差的存在可能会导致预测结果明显偏离实际情况的出现。目前，对洪涝与气候的预测还不能满足预报精度的要求，只能提供相应的参考依据。然而，对台安站旱涝规律利用分段法进行研究以后，改变了长期以来该区域旱涝预测精准度较低的局面。本文结合台安地区旱涝变化的实际状况和气候预测相关研究，利用细部特征分析法验证了转折期前1950—1952年时段和转折期后2012—2015年时段的旱涝特征。

3.1 验证1950—1952年期间

3.1.1 细部特征法分析

运用该方法进行验证分析转折期前的主要流程为：结合台安站1952年7—12月实测降雨量和1—5月无洪涝记录的实际状况，可推定与1953年相比台安站1952年的降雨量明显较低，因此可设定升降降型为1952—1955年的旱涝趋势；根据台安站在气候转折期前的6年、5年周期旱涝特征，可选择一个逆5年周期为1952—1957年，并认为在1952年以前存在顺6年或顺5年的周期；顺6年在周期存在升降+升升降和升降+升升升降两种情况，而顺5年周期存在升降+升升降这一种情况；结合已发现的规律和历史资料判断，在顺5年周期内发生第一种情况的概率比较大；在1950—1952年期间，不论出现哪种情况，其旱涝趋势特征均为升降型。

3.1.2 方法验证

选择如下两个方面作为验证依据：根据辽宁省水利志相关资料，台安地区在1951年汛期发大水，低洼地区大面积淹没，造成重大的经济损失，而在1950年和1952年无洪涝记录。采用细部特征根法分析的台安站1950—1952年的旱涝灾害结果与实际情况保持较好的一致性。

3.2 验证2012—2015年期间

3.2.1 细部特征法分析

运用该方法进行验证分析转折期后的主要流程为：在2009—2011年期间台安站降雨量呈连续上升的变化趋势，结合台安站在气候转折期后的下降期与上升期历时最多的2年特征，可认为在2012年的降雨一定为下降趋势；在气候转折期内出现的升升降降型属于特殊的升降型降雨特征，并且不存在其他新的转折期，因此可认为在2013年为上升趋势，因此在2009—2012年期间为升升降的变化规律；根据升升降降型降雨在气候转折期后从不单独出现的结论，可认为2009—2012年的旱涝趋势与2012—2015年保持相同，即属于升升降的旱涝特征。

3.2.2 方法验证

选择如下5个方面作为验证依据：饶阳河流域在2012年1—4月的降雨量偏多，而在5—12月降水相对较少，易存在旱情，因此台安站年均降水量显著降低，降低幅度为历年平均的72%；饶阳河流域在2013年初夏和春季出现了较为严重的干旱，而在汛期降雨量增大出现了旱涝的转换，年均降水量相对多年平均降水量降低5%左右；台安地区2014年的雨情平稳，相对多年平均年降水量增大6%左右；2015年该地区降水量明显偏低且出现了严重的影响，在10月因受到大气环流的影响，降水量增大，年均降水量相对于多年平均降水量降低10%左右；饶阳河流域2016年夏冬季降水较少，而在夏春两季降水偏多。因此，基于细部特征法的分析结果与台安站2012—2015年降雨实际情况保持较高的一致性。