基于天文指标法的大渡河流域长期径流预测研究

彭卓越，张丽丽，殷峻暹 ，梁 云，李文龙(1.东华大学，上海 00051；.中国水利水电科学研究院，北京 100044；.新源控股公司丰满发电厂，吉林 吉林 1108)

0 引 言

长期径流预报是水资源研究领域中重要内容之一，是水资源规划及综合利用开发、抗旱、防洪、水电站运行及水库调度等的基本依据。径流预报的方法有很多，一类是近年来应用比较广泛的基于数据驱动的径流预报方法，如模糊数学方法、人工神经网络法、混沌动力学及分形理论等[1-3]。另一类方法就是基于天文指标进行预测，比如月球赤纬角、太阳黑子活动等[4-8]，该方法在地震、旱灾等天灾预测中应用较多。早在1991年翁文波[4]院士将干支农历的预测方法引入地震预测，预测结果与实际符合度很高。同年郭增建等人研究发现1941-1942 年、1959-1960 年和1978 年是月亮赤纬角最小的年份, 在此时段中国发生了严重的旱灾。据此，郭增建等人[5]预测，1996-1997 年中国可能还要出现大的旱灾，1997 年是中国大旱之年已成为事实。1998年胡辉等人[6]根据太阳活动和月亮的运动周期预测1988年开始的中国大地震活跃期已经结束，从1998-2000年中国大陆发生Ms≥7.0地震的可能性很小，事实也是如此。2000年冯利华[7]利用模糊分级统计法和等密图统计法得出自然灾害多出现在节气日或者节气之间的黄金分割日附近。2006年马爱生[8]等人考虑单种因素的影响，分别应用太阳黑子活动、近远日点月相、赤纬角等天文要素，对全国及吉林省历史大洪水进行了预测。

大渡河流域位于青藏高原东南边缘向四川盆地西部的过渡地带，是岷江最大支流、长江的二级支流。大渡河发源于青海省，干流河道全长1 062 km，全流域集水面积77 400 km2，天然落差4 177 m，年径流量488亿m3，水能资源蕴藏量3 373万kW，可开发容量约2 460万kW。泸定以上为上游，集水面积为58 943 km2，占全流域集水面积的76.2%；沪定至铜街子为中游，区间集水面积为17 440 km2，占全流域集水面积的22.5%；铜街子以下为下游，区间集水面积为1 017 km2，占全流域集水面积的1.3%。

本文以大渡河流域为研究对象，将24节气、闰月、立春日类型、太阳黑子相对数及月球赤纬角等28个指标综合考虑，甄选出与预测年份相似的年份进行径流预测，经过对比对已有历史数据的年份进行方法验证，发现该方法正确率为75%，最后对2015-2017年来水进行预测，预测结果显示2015-2017年大渡河流域来水为平偏枯年、平偏枯年、平偏丰年。长期径流预测研究对丰枯径流提前发布、给出建议，以便采取必要措施，对水电站运行、水库调度及保护人民生命财产、将损失减小到最低限度具有非常重要的意义。

1 研究方法

本文主要采用天文指标特征法对大渡河2015年径流进行预测。天文指标包括：①日、地、月运行轨迹特征指标：24节气、闰月、立春日类型；②月球引潮力指标：月球赤纬角；③太阳辐射能量指标：太阳黑子相对数。运用以上28个指标，以预测年份为基准，历史资料年份的28个指标与基准年份的28个指标进行比对，从而选出历史相似年组，再从相似年组中，进行判断筛选。

1.1 日、地、月运行轨迹特征指标对比方法

二十四节气是根据太阳在黄道(即地球绕太阳公转的轨道)上的位置来划分的。视太阳从春分点(黄经零度，此刻太阳垂直照射赤道)出发，每前进15°为一个节气；运行一周又回到春分点，为一回归年，合360°，因此分为24个节气。二十四节气反映了太阳的周期运动，从小暑、大暑、处暑、小寒、大寒等反映气温变化的节气中，选择小寒阴历(近日点附近)代表近日点发生时间、小暑阴历(远日点附近)代表远日点发生时间。近日点、远日点反映了引潮力的影响，作用与地球大气海洋，体现为温度大气异常，导致为大气环流系统突变，水汽来源对流加强，导致旱、涝极端事件发生。

24节气对比法为对比所有研究年份24个节气的阴历“日”期，找出相似年。即使出现的阴历“月”份不同，只要“日”期相同，即为相似年。如1936年小寒阴历日期为11月14日，1973年为12月14日，视1936年与1973年为相似年。以此类推，得到与2015年24节气相似的年组。预测的样本年中24节气中有一个节气日期相同，对应的年份就相似，节气相同的越多，相似指数越高。

闰月类型即当年是否有闰月，都有或都无皆为相似；立春类型就是该年的立春在春节前或是后，都在春节前即相似，都在春节后也为相似。闰月类型和立春类型都作为辅助判断，加强预测的可靠性。

1.2 月球赤纬角对比方法

月球视运动轨道(白道)面与地球(天球)赤道面之间的夹角称为月亮赤纬角(亦称白赤交角)。1991 年地震专家郭增建教授提出月球潮迫地球放气观点(简称放气观点)：即当月球赤纬角最小时，月球的直下点远离中国主大陆，故而在主大陆内引起地壳鼓起就小，地下放出携热水汽就相应减少，热带气团与高纬度冷气团就不易在中国大陆相碰，所以雨量减少，易形成干旱。反之，月球赤纬角最大时，对其直下点在我国纬度的范围就大，遇到地壳不稳定的机会较多，所以影响气候的变化就大[9]。如东北松花江1932 年大洪水原因之一就是当年月球赤纬角最大[10]。

以月球赤纬角最大值年下行第一年为m1，第二年为m2，以此类推，至月球赤纬角最小值年截止；以年月球赤纬角最小值年上行第一年为M1，第二年为M2，以此类推，至月球赤纬角最大值年截止，形成月球赤纬角年相位。相位相似的即为相似年，如表1所示，2007年、1988年和1970年均为月球赤纬角最大值年，故三个年份为相似年。

表1 月球赤纬角对比表Tab.1 Comparison of the moon declination angle

1.3 太阳黑子比对法

太阳黑子是在太阳的光球层上发生的一种太阳活动，是太阳活动中最基本、最明显的活动现象。人类发现太阳黑子活动已经有几千年了。研究认为在太阳活动峰年期间，一方面太阳给大气转入的能量增多，导致大气热功能加强；另一方面，地壳因磁致伸缩效应和磁卡效应产生变形和松动，地壳内的携热水汽易于泄出，并与大气相配合，会造成天气异常导致发生大洪水。反则亦然，一般情况下其他大水与黑子中位相基本是固定的[8]。

2014年为太阳黑子第25周的峰值年，2014年大渡河上游出现20 a一遇洪水；2012年是峰值段，铜街子出现9 230 m3/s洪峰，为1904年以来第3位。从1981-1999年的太阳黑子相对数表(见表2)中可以看出1981-1983年、1988-1993年、1998-1999年为峰值段；1984-1987年、1994-1997年为谷值段。查询《中国历史大洪水》相关资料，大渡河流域年来水量超过均值20%的年份1981年、1992年、1999年，如表2所示，均为太阳黑子峰值年或位于峰值段。故太阳黑子峰值年、峰值段是大渡河流域来水的高值段、洪水易发段。

表2 太阳黑子相对数表Tab.2 The sunspot relative indicator

本文采用的天文指标对比法就是将有历史资料年份的28个指标与基准年份的28个指标进行比对，从而筛选出历史相似年组。

2 大渡河2015年径流预测结果

福禄镇水文站位于大渡河下游，控制流域面积76 452 km2，多年平均径流量为1 460.19 m3/s，水位变幅7.8 m。本文以1971-2010年的福禄镇水文站年平均来水量数据为时间序列样本，对大渡河径流进行预测。

根据1971-2010年的福禄镇水文站年平均来水量数据，对其进行丰、平、枯水平年划分。其中对应75%频率以上的年份为枯水年，对应25%～75%频率的年份为平水年，对应25%频率以下的年份为丰水年。福禄镇水文站水平年划分结果如表3所示。

表3 福禄镇站水平年划分结果Tab.3 Level years classification of Fuluzhen

将1995-2010年作为预测年份组，1970-1994年作为样本数据年份组，从中找出与之指标最为相似的年份组进行预测。通过28个指标的综合比对，1976-1991年与1995年-2010年两组指标最为相似，由1976-1991年的来水性质来推算1995-2010年的来水性质，结果如表4所示，准确率为75%，该预测方法通过验证。

最后对2015年径流进行预测结果如表5，1977年24节气中有10个节气与2015年相似，相似指数为10；1996年24节气中有13个节气与2015年相似，相似指数为13；1977年、1996年及2015年立春均在春节之前；这3年均无闰月；1996年、1977年和2015年，月球赤纬角均处于低相位段。由此，得出与大渡河流域2015年来水相似的年组为1996年、1977年，具体见表5。1996年径流量1 352.464 m3/s，为枯水年；1977年径流量1 430.381 m3/s，为平偏枯年。确定2015年来水为平偏枯年。

表4 大渡河1995-2010年天文特征比对法拟合预报成果表Tab.4 The fitting forecast result of astronomical characteristics comparison in Dadu river from 1995 to 2010

表5 大渡河2015年来水预测相似年对比表Tab.5 Contrastion of Dadu river water inflow forecast in 2015

注：1977、1996、2015年立春均为春节前，立春性质相似均为1。闰月为0即该年无闰月。

目前，2012-2015年太阳黑子处于峰值段，与1999-2002年相似；且2015年与2002年一致，均为厄尔尼诺年。故视2015年相似于2002年，确定来水为枯水。

综上所述，综合考虑24节气、闰月和立春类型、月球赤纬角和太阳黑子等指标，确定2015年大渡河流域来水定性为平偏枯年。同理，预测2016年、2017年来水性质如下表：2016年来水相似年组为1978年和1997年，预测为平偏枯年；2017年来水相似年组为1979年和1998年，预测为平偏丰年，如表6。

表6 大渡河2016年和2017年来水预测相似年对比表Tab.6 Contrastion of Dadu river water inflow forecast in 2016 and 2017

3 结论与讨论

本文综合考虑24节气、闰月和立春性质、月球赤纬角、太阳黑子等28个天文指标，经过对比对已有历史数据的年份进行方法验证，1976-1991年与1995-2010年两组指标最为相似，由1976-1991年的来水性质来推算1995-2010年的来水性质，发现该方法正确率为75%，该方法通过验证。最后对2015-2017年大渡河流域进行长期径流预报，预报结果为2015年是平偏枯年，2016年为平偏枯年，2017年为平偏丰年。研究结果也有以下不足之处，有待今后深入研究：

(1)本次研究采用的径流样本系列只有40年，时间序列略短，后续将继续收集资料，补充完善成果，提高预报精度。

(2)目前, 天文因子对地球上天气气候的影响机制方面还不完善，今后应对天文因子所表现的特殊作用进行全面、深入、系统的分析总结，加强其机理机制的研究，对今后做好防灾预测以及加强防灾减灾的能力都具有非常重要的意义。

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[1] 王本德．水文中长期预报模糊数学方法[M]．辽宁大连：大连理工大学出版社，1993．

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