基于太陽活動、月球赤緯角的旱澇災害預測研究

徐 崢，李允軍，謝小燕，李文龍

(1.國家電網公司東北分部，遼寧 沈陽 110180；2.南瑞集團有限公司，江蘇 南京 210003；3.豐滿發電廠，吉林 吉林 132108)

水庫流域來水成因復雜、影響因素眾多，受天文、氣象、水文、地理、地質、人類社會活動等多方面因素的共同影響，來水預報特別是中長期預報是世界性難題，目前還處于經驗預報和理論探索階段[1- 4]。特別是對旱澇災害的預報，產生的經濟效益、社會效益顯著[5- 7]。準確的來水預報會帶來巨大的發電效益，同時也可獲得巨大的防洪減災效益和其他水庫綜合利用效益[8- 9]。

1 基本原理

1.1 可行性分析

太陽是大氣環流能量的源泉，太陽活動與旱澇關系具有明確的物理成因機制。太陽黑子相對數的多少基本上代表了整個日面輻射能量的變化，反映了太陽活動的強弱。采用點繪“水庫來水與太陽黑子相對數分布圖”的方法，分析水庫來水與太陽黑子相對數的分布規律，以定性預報水庫來水情況[10]。

地球繞太陽運動的2個極端狀態是近日點、遠日點，選取這兩個點發生時間作為研究對象。在節氣配合上，從小暑、大暑、處暑、小寒、大寒等反映氣溫變化的節氣中，選擇小寒陰歷(近日點附近)代表近日點發生時間、小暑陰歷(遠日點附近)代表遠日點發生時間。近日點、遠日點反映了引潮力的影響，作用于地球大氣海洋，體現為溫度大氣異常，導致為大氣環流系統突變，水汽來源對流加強，導致旱、澇極端事件發生。確切地說使大氣環流系統的副高脊線、副高強度和副高面積指數加大和縮小，從而使水汽來源充足，對流加強，產生巨大旱災和澇災等。以小寒陰歷時間與水庫年來水建立關系，點繪“水庫來水與小寒陰歷時間分布圖”，以定性預測水庫來水情況[11]。

月球視運動軌道(白道)面與地球(天球)赤道面之間的夾角稱為月亮赤緯角(亦稱白赤交角)。這個角度是不斷變化的，最小時為18.50°，最大時為28.50°，運動周期為18.6年。這個周期與日月食的沙羅周期(18年11日8小時)接近，另外，潮汐周期中一個重要的周期也是18.6年。數據顯示，月亮赤緯角最大時產生的地殼容積變化是赤緯角最小時的2.3倍。因此，月球運動引起的潮汐周期變化及地殼形變不僅是地震的重要成因，而且也是強降水(或干旱)的主要成因。以月球赤緯角與水庫年來水建立關系，點繪“水庫來水與月球赤緯角分布圖”，以定性預測水庫來水情況[12- 13]。

1.2 基本方法

根據點繪的三項因子與水庫年平均來水的分布圖，對來水等級進行劃分。分別標注出特豐水線(1.4倍平均值)、豐水線(1.2倍平均值)、多年平均線(平均值)、枯水線(0.8倍平均值)、特枯水線(0.6倍平均值)?？梢钥闯?，水庫來水與三項因子均呈明顯的分區分布，進而分別在2項因子的數值區間中劃分出特豐水區、大變幅區、豐水區、特枯水區、枯水區等定性分區，使其具有明確的來水定性預測功能。根據預測年度影響因子所在區域，定性預報年度來水情況。

2 應用實例

2.1 應用實例

與國內其它地區相比，東北地區水庫調度存在徑流量少、年際變化大、水庫庫容大的特點，因此水庫及水系的極端來水預報對國家電網公司東北分部的水庫調度工作尤為重要。第二松花江上的豐滿水電站，壩址以上流域面積42500km2，以發電為主，兼有防洪、灌溉、供水、養殖、航運和旅游等綜合利用效益的大型水利水電樞紐工程，為多年調節水庫。

點繪豐滿水庫年入庫流量與太陽黑子關系分布圖，分析研究太陽黑子相對數與豐滿水庫來水關系，劃分出特豐水區、枯水區、豐水區、特枯水區、大變幅區、特枯水區二6個分區，如圖1所示。

圖1 入庫流量與太陽黑子關系分布圖

各個分區的豐枯年份概率統計見表1。

假定預測年份的太陽黑子為20，位于特豐水區，在特豐水區發生特大洪水的概率相比其他分區大，因此對于預測年份給出特豐的預報結果。

同理點繪豐滿水庫年入庫流量與小寒陰歷時間、月球赤緯角分布圖，如圖2—3所示。

圖2 入庫流量與小寒陰歷時間關系分布圖

圖3 入庫流量與月球赤緯角關系分布圖

各個分區的豐枯年份概率統計見表2—3。

假定預測年份的小寒陰歷時間為11月19天，位于枯水區，在枯水區，發生枯水的概率相比其他分區大，因此預測年份給出枯水的預報結果。預測年份的月球赤緯角為20，發生平水的概率相比其他分區大，因此預測年份給出平水的預報結果。

表1 太陽黑子分區豐枯年份概率統計表

表2 小寒陰歷時間各分區豐枯年份概率統計表

表3 月球赤緯角各分區豐枯年份概率統計表

表4 2010—2016年豐滿電廠來水定性預測結果統計表

2.2 應用效果

采用豐滿水庫的年均來水與太陽黑子、小寒陰歷時間、月球赤緯角建立散點分布圖，定性預測2010—2016年7年來水，預測結果見表4。

從統計數據看，2種方法對極端來水的預測效果較好，而極端來水預測是中長期來水預測最重要的一部分。對2010年和2013年的特豐水、2015年的特枯水都能很好的預測出來，除了太陽黑子來水規律預測法中對2013年的預測出現了偏差，該年的太陽黑子相對數為64.6，位于豐水區一，在該區發生特豐水的概率也是相對較大的，同時綜合小寒陰歷時間、月球赤緯角來水規律這兩種預報方法，也可以給出豐水的年度預報結果。

3 結語

2013年，東北電網成功預報出東北地區流域為特豐水，豐滿水庫年初即開始加大發電騰庫容，進行有計劃的調度預控，成功應對了歷史最大的春汛來水以及主汛期70年一遇的特大洪水，保證了豐滿江橋工程圍堰安全，同時發電量也創歷史最好水平。

因此，準確的預報帶來的經濟效益和社會效益是顯著的，本文提出的基于太陽活動、月球赤緯角的旱澇災害預測方法，通過探究相關因子與水庫來水之間的分布關系，進而預報中長期來水。同時，可依據此研究方法，繼續發掘其他因子與旱澇災害的相關性，以達到集成預報的效果[14- 15]。