基于天文指標法的大渡河流域長期徑流預測研究

彭卓越，張麗麗，殷峻暹 ，梁 云，李文龍(1.東華大學，上海 00051；.中國水利水電科學研究院，北京 100044；.新源控股公司豐滿發電廠，吉林 吉林 1108)

0 引 言

長期徑流預報是水資源研究領域中重要內容之一，是水資源規劃及綜合利用開發、抗旱、防洪、水電站運行及水庫調度等的基本依據。徑流預報的方法有很多，一類是近年來應用比較廣泛的基于數據驅動的徑流預報方法，如模糊數學方法、人工神經網絡法、混沌動力學及分形理論等[1-3]。另一類方法就是基于天文指標進行預測，比如月球赤緯角、太陽黑子活動等[4-8]，該方法在地震、旱災等天災預測中應用較多。早在1991年翁文波[4]院士將干支農歷的預測方法引入地震預測，預測結果與實際符合度很高。同年郭增建等人研究發現1941-1942 年、1959-1960 年和1978 年是月亮赤緯角最小的年份, 在此時段中國發生了嚴重的旱災。據此，郭增建等人[5]預測，1996-1997 年中國可能還要出現大的旱災，1997 年是中國大旱之年已成為事實。1998年胡輝等人[6]根據太陽活動和月亮的運動周期預測1988年開始的中國大地震活躍期已經結束，從1998-2000年中國大陸發生Ms≥7.0地震的可能性很小，事實也是如此。2000年馮利華[7]利用模糊分級統計法和等密圖統計法得出自然災害多出現在節氣日或者節氣之間的黃金分割日附近。2006年馬愛生[8]等人考慮單種因素的影響，分別應用太陽黑子活動、近遠日點月相、赤緯角等天文要素，對全國及吉林省歷史大洪水進行了預測。

大渡河流域位于青藏高原東南邊緣向四川盆地西部的過渡地帶，是岷江最大支流、長江的二級支流。大渡河發源于青海省，干流河道全長1 062 km，全流域集水面積77 400 km2，天然落差4 177 m，年徑流量488億m3，水能資源蘊藏量3 373萬kW，可開發容量約2 460萬kW。瀘定以上為上游，集水面積為58 943 km2，占全流域集水面積的76.2%；滬定至銅街子為中游，區間集水面積為17 440 km2，占全流域集水面積的22.5%；銅街子以下為下游，區間集水面積為1 017 km2，占全流域集水面積的1.3%。

本文以大渡河流域為研究對象，將24節氣、閏月、立春日類型、太陽黑子相對數及月球赤緯角等28個指標綜合考慮，甄選出與預測年份相似的年份進行徑流預測，經過對比對已有歷史數據的年份進行方法驗證，發現該方法正確率為75%，最后對2015-2017年來水進行預測，預測結果顯示2015-2017年大渡河流域來水為平偏枯年、平偏枯年、平偏豐年。長期徑流預測研究對豐枯徑流提前發布、給出建議，以便采取必要措施，對水電站運行、水庫調度及保護人民生命財產、將損失減小到最低限度具有非常重要的意義。

1 研究方法

本文主要采用天文指標特征法對大渡河2015年徑流進行預測。天文指標包括：①日、地、月運行軌跡特征指標：24節氣、閏月、立春日類型；②月球引潮力指標：月球赤緯角；③太陽輻射能量指標：太陽黑子相對數。運用以上28個指標，以預測年份為基準，歷史資料年份的28個指標與基準年份的28個指標進行比對，從而選出歷史相似年組，再從相似年組中，進行判斷篩選。

1.1 日、地、月運行軌跡特征指標對比方法

二十四節氣是根據太陽在黃道(即地球繞太陽公轉的軌道)上的位置來劃分的。視太陽從春分點(黃經零度，此刻太陽垂直照射赤道)出發，每前進15°為一個節氣；運行一周又回到春分點，為一回歸年，合360°，因此分為24個節氣。二十四節氣反映了太陽的周期運動，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，作用與地球大氣海洋，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。

24節氣對比法為對比所有研究年份24個節氣的陰歷“日”期，找出相似年。即使出現的陰歷“月”份不同，只要“日”期相同，即為相似年。如1936年小寒陰歷日期為11月14日，1973年為12月14日，視1936年與1973年為相似年。以此類推，得到與2015年24節氣相似的年組。預測的樣本年中24節氣中有一個節氣日期相同，對應的年份就相似，節氣相同的越多，相似指數越高。

閏月類型即當年是否有閏月，都有或都無皆為相似；立春類型就是該年的立春在春節前或是后，都在春節前即相似，都在春節后也為相似。閏月類型和立春類型都作為輔助判斷，加強預測的可靠性。

1.2 月球赤緯角對比方法

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)。1991 年地震專家郭增建教授提出月球潮迫地球放氣觀點(簡稱放氣觀點)：即當月球赤緯角最小時，月球的直下點遠離中國主大陸，故而在主大陸內引起地殼鼓起就小，地下放出攜熱水汽就相應減少，熱帶氣團與高緯度冷氣團就不易在中國大陸相碰，所以雨量減少，易形成干旱。反之，月球赤緯角最大時，對其直下點在我國緯度的范圍就大，遇到地殼不穩定的機會較多，所以影響氣候的變化就大[9]。如東北松花江1932 年大洪水原因之一就是當年月球赤緯角最大[10]。

以月球赤緯角最大值年下行第一年為m1，第二年為m2，以此類推，至月球赤緯角最小值年截止；以年月球赤緯角最小值年上行第一年為M1，第二年為M2，以此類推，至月球赤緯角最大值年截止，形成月球赤緯角年相位。相位相似的即為相似年，如表1所示，2007年、1988年和1970年均為月球赤緯角最大值年，故三個年份為相似年。

表1 月球赤緯角對比表Tab.1 Comparison of the moon declination angle

1.3 太陽黑子比對法

太陽黑子是在太陽的光球層上發生的一種太陽活動，是太陽活動中最基本、最明顯的活動現象。人類發現太陽黑子活動已經有幾千年了。研究認為在太陽活動峰年期間，一方面太陽給大氣轉入的能量增多，導致大氣熱功能加強；另一方面，地殼因磁致伸縮效應和磁卡效應產生變形和松動，地殼內的攜熱水汽易于泄出，并與大氣相配合，會造成天氣異常導致發生大洪水。反則亦然，一般情況下其他大水與黑子中位相基本是固定的[8]。

2014年為太陽黑子第25周的峰值年，2014年大渡河上游出現20 a一遇洪水；2012年是峰值段，銅街子出現9 230 m3/s洪峰，為1904年以來第3位。從1981-1999年的太陽黑子相對數表(見表2)中可以看出1981-1983年、1988-1993年、1998-1999年為峰值段；1984-1987年、1994-1997年為谷值段。查詢《中國歷史大洪水》相關資料，大渡河流域年來水量超過均值20%的年份1981年、1992年、1999年，如表2所示，均為太陽黑子峰值年或位于峰值段。故太陽黑子峰值年、峰值段是大渡河流域來水的高值段、洪水易發段。

表2 太陽黑子相對數表Tab.2 The sunspot relative indicator

本文采用的天文指標對比法就是將有歷史資料年份的28個指標與基準年份的28個指標進行比對，從而篩選出歷史相似年組。

2 大渡河2015年徑流預測結果

福祿鎮水文站位于大渡河下游，控制流域面積76 452 km2，多年平均徑流量為1 460.19 m3/s，水位變幅7.8 m。本文以1971-2010年的福祿鎮水文站年平均來水量數據為時間序列樣本，對大渡河徑流進行預測。

根據1971-2010年的福祿鎮水文站年平均來水量數據，對其進行豐、平、枯水平年劃分。其中對應75%頻率以上的年份為枯水年，對應25%～75%頻率的年份為平水年，對應25%頻率以下的年份為豐水年。福祿鎮水文站水平年劃分結果如表3所示。

表3 福祿鎮站水平年劃分結果Tab.3 Level years classification of Fuluzhen

將1995-2010年作為預測年份組，1970-1994年作為樣本數據年份組，從中找出與之指標最為相似的年份組進行預測。通過28個指標的綜合比對，1976-1991年與1995年-2010年兩組指標最為相似，由1976-1991年的來水性質來推算1995-2010年的來水性質，結果如表4所示，準確率為75%，該預測方法通過驗證。

最后對2015年徑流進行預測結果如表5，1977年24節氣中有10個節氣與2015年相似，相似指數為10；1996年24節氣中有13個節氣與2015年相似，相似指數為13；1977年、1996年及2015年立春均在春節之前；這3年均無閏月；1996年、1977年和2015年，月球赤緯角均處于低相位段。由此，得出與大渡河流域2015年來水相似的年組為1996年、1977年，具體見表5。1996年徑流量1 352.464 m3/s，為枯水年；1977年徑流量1 430.381 m3/s，為平偏枯年。確定2015年來水為平偏枯年。

表4 大渡河1995-2010年天文特征比對法擬合預報成果表Tab.4 The fitting forecast result of astronomical characteristics comparison in Dadu river from 1995 to 2010

表5 大渡河2015年來水預測相似年對比表Tab.5 Contrastion of Dadu river water inflow forecast in 2015

注：1977、1996、2015年立春均為春節前，立春性質相似均為1。閏月為0即該年無閏月。

目前，2012-2015年太陽黑子處于峰值段，與1999-2002年相似；且2015年與2002年一致，均為厄爾尼諾年。故視2015年相似于2002年，確定來水為枯水。

綜上所述，綜合考慮24節氣、閏月和立春類型、月球赤緯角和太陽黑子等指標，確定2015年大渡河流域來水定性為平偏枯年。同理，預測2016年、2017年來水性質如下表：2016年來水相似年組為1978年和1997年，預測為平偏枯年；2017年來水相似年組為1979年和1998年，預測為平偏豐年，如表6。

表6 大渡河2016年和2017年來水預測相似年對比表Tab.6 Contrastion of Dadu river water inflow forecast in 2016 and 2017

3 結論與討論

本文綜合考慮24節氣、閏月和立春性質、月球赤緯角、太陽黑子等28個天文指標，經過對比對已有歷史數據的年份進行方法驗證，1976-1991年與1995-2010年兩組指標最為相似，由1976-1991年的來水性質來推算1995-2010年的來水性質，發現該方法正確率為75%，該方法通過驗證。最后對2015-2017年大渡河流域進行長期徑流預報，預報結果為2015年是平偏枯年，2016年為平偏枯年，2017年為平偏豐年。研究結果也有以下不足之處，有待今后深入研究：

(1)本次研究采用的徑流樣本系列只有40年，時間序列略短，后續將繼續收集資料，補充完善成果，提高預報精度。

(2)目前, 天文因子對地球上天氣氣候的影響機制方面還不完善，今后應對天文因子所表現的特殊作用進行全面、深入、系統的分析總結，加強其機理機制的研究，對今后做好防災預測以及加強防災減災的能力都具有非常重要的意義。

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