(中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

中長期水文預(yù)報(bào)是根據(jù)前期和現(xiàn)實(shí)的水文、氣象等信息, 運(yùn)用天氣學(xué)、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、宇宙—地球物理分析方法，對未來較長時間內(nèi)水文情勢做出定性或定量預(yù)報(bào)。中長期水文預(yù)報(bào)方法包括成因分析方法、數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法、時間序列分析法、模糊分析、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、灰色系統(tǒng)分析、小波分析、混沌分析、支持向量機(jī)、遺傳程序設(shè)計(jì)等。白水江干流規(guī)劃建設(shè)“一庫七級”梯級電站，目前已有多諾、玉瓦、黑河塘、南坪、青龍電站建成發(fā)電，因此編制運(yùn)行電站入庫流量月預(yù)報(bào)方案，并以此為切入點(diǎn)對中長期水文預(yù)報(bào)進(jìn)行探索和研究，積累中長期水文預(yù)報(bào)的經(jīng)驗(yàn)。

1 流域概況

白水江系白龍江的一級支流，發(fā)源于岷山山脈東麓，分為黑河和白河兩源，其中黑河為主源，兩河于黑河橋匯合后始稱白水江，自西北向東南流經(jīng)九寨溝縣白河鄉(xiāng)、安樂鄉(xiāng)、九寨溝縣城關(guān)，在雙河鄉(xiāng)納入湯珠河后，自柴門關(guān)出境，流入甘肅省文縣，于玉壘坪處匯入嘉陵江一級支流白龍江。白水江全流域控制面積8316km2。白水江流域水系示意圖見圖1。

圖1 白水江流域水系示意圖

流域位于川西北高原的東北部，毗鄰青藏高原，其氣候具有川西高原氣候區(qū)的特點(diǎn)，干、雨季分明、夏短冬長、日照充足、氣溫較低、年較差小而日較差大。氣候水平、垂直分布的總趨勢是降水隨海拔的增高而增大，氣溫隨海拔的增高而降低，高山多雨濕冷，河谷少雨干暖。

白水江干流(大錄—青龍橋段)電站開發(fā)方式為“一庫七級”，主源黑河自上而下的電站依次為多諾電站、玉瓦電站、陵江電站和黑河塘電站，白水江干流段自上而下的電站依次為永樂電站、南坪電站和青龍電站。作為龍頭水庫的多諾電站正常蓄水位2370.00m，調(diào)節(jié)庫容4944萬m3，具有年調(diào)節(jié)能力，已于2013年4月26日運(yùn)行發(fā)電。

2 基本資料

2.1 水文資料

九寨溝水文站位于白水江干流，是南坪電站的入庫水文站。由于上游多諾電站具有年調(diào)節(jié)性能，并于2013年4月建成發(fā)電，九寨溝水文站月流量受其調(diào)蓄影響，因此資料系列使用至2012年。

九寨溝水文站與南坪水文站僅隔一條支溝，區(qū)間面積不足南坪水文站的2%，故合并使用，稱九寨溝水文站。先將文縣水文站1991年1月至2004年4月的流量資料按面積比推求到鵠衣壩站，再根據(jù)南坪和鵠衣壩兩站同期月平均流量相關(guān)關(guān)系推求到南坪水文站，加上九寨溝水文站的實(shí)測資料，共同組成九寨溝站1966年5月至2012年12月的流量系列。九寨溝水文站插補(bǔ)延長使用的水文資料見表1。

表1 九寨溝水文站插補(bǔ)延長使用水文資料

2.2 74項(xiàng)環(huán)流指標(biāo)

選用1964年1月至2012年12月的74項(xiàng)逐月環(huán)流特征資料。資料來源于國家氣候中心網(wǎng)站，數(shù)據(jù)更新資料。74項(xiàng)目環(huán)流指標(biāo)見表2。

表2 74項(xiàng)環(huán)流指標(biāo)

2.3 海溫資料

選用1964年1月至2012年12月北太平洋(120°E～280°E，-10°S～50°N)逐月格點(diǎn)海溫資料，格點(diǎn)精度為2°×2°。資料來源于美國國家環(huán)境預(yù)報(bào)中心(NCEP)和國家大氣中心(NCAR)的全球再分析資料網(wǎng)站，數(shù)據(jù)更新至當(dāng)月前一個月的資料。

3 月流量預(yù)報(bào)方案

3.1 預(yù)報(bào)方案編制思路

目前已經(jīng)運(yùn)行發(fā)電的電站中，八屯水文站作為多諾電站的入庫流量站，黑河塘水文站作為黑河塘電站的入庫流量站，九寨溝水文站作為南坪電站的入庫流量站，九寨溝和湯珠水文站的流量經(jīng)過河道演算后作為青龍電站的入庫流量。由于僅有九寨溝水文站具備較長的流量系列，所以編制九寨溝水文站的流量月預(yù)報(bào)方案，其余各預(yù)報(bào)斷面根據(jù)九寨溝水文站預(yù)報(bào)結(jié)果和上下游關(guān)系推求。

a.九寨溝水文站1966—2005年共40年的流量系列作為方案率定資料，2006—2012年共7年的流量系列作為方案檢驗(yàn)資料。

b.以月為劃分單位，分別進(jìn)行汛期5—10月預(yù)報(bào)因子的初步篩選。普查與流量形成有關(guān)的氣象因素和海洋因素，取顯著性水平α=0.01，通過顯著性檢驗(yàn)的因子備用；將預(yù)報(bào)月份的前一月至前十二個月的流量作為備選因子。

c.為統(tǒng)一量綱，將流量和備選因子做歸一化處理。

d.將歸一化的備選因子逐步回歸，按偏相關(guān)系數(shù)的大小次序?qū)⒆宰兞恐饌€引入方程，對引入方程中的每個自變量偏相關(guān)系數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)，效應(yīng)顯著的自變量留在回歸方程內(nèi)，循此繼續(xù)遴選下一個自變量。如果效應(yīng)不顯著，停止引入新自變量。由于新自變量的引入，原已引入方程中的自變量由于變量之間的相互作用其效應(yīng)有可能變得不顯著者，經(jīng)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)確證后要隨時從方程中剔除，只保留效應(yīng)顯著的自變量。直至不再引入和剔除自變量為止再次進(jìn)行篩選，得到最優(yōu)的回歸方程。

e.根據(jù)《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》(GB/T 22482—2008)中長期預(yù)報(bào)規(guī)定：“水位(流量)許可誤差為多年變幅的10%”，以此檢驗(yàn)預(yù)報(bào)方案的精度。

3.2 九寨溝水文站汛期各月平均流量預(yù)報(bào)方案

3.2.1 備選因子選擇

分別對汛期5—10月各月遴選出通過α=0.01顯著性檢驗(yàn)的氣象和海洋因子，并加入前期流量，作為各月平均流量的備選因子。其中，預(yù)報(bào)5月份月平均流量的備選因子共54個，預(yù)報(bào)6月份月平均流量的備選因子共33個，預(yù)報(bào)7月份月平均流量的備選因子共35個，預(yù)報(bào)8月份月平均流量的備選因子共35個，預(yù)報(bào)9月份月平均流量的備選因子共46個，預(yù)報(bào)10月份月平均流量的備選因子共31個。

3.2.2 逐步多元回歸方程的建立

根據(jù)汛期5—10月各月遴選出的流量預(yù)報(bào)備選因子，分別建立各月逐步多元回歸方程。

九寨溝水文站5月份月平均流量逐步多元回歸方程為：

Q5月=0.5741-0.3320x1+0.2206x2-0.3188x3

-0.2661x4+0.2024x5+0.2446x6

(1)

式中Q5月——九寨溝水文站5月份月平均流量;

x1——北美副高北界;

x2——編號臺風(fēng);

x3——SST(24，132);

x4——SST(30，280);

x5——?dú)W亞經(jīng)向環(huán)流指數(shù);

x6——北美區(qū)極渦強(qiáng)度指數(shù)。

九寨溝水文站5月份月平均流量各預(yù)報(bào)因子說明見表3。

表3 九寨溝水文站5月份月平均流量預(yù)報(bào)因子說明

九寨溝水文站6月份月平均流量逐步多元回歸方程為：

Q6月=0.379-0.133x1+0.211x2+0.257x3-0.204x4

+0.284x5-0.215x6-0.194x7-0.143x8

(2)

式中Q6月——九寨溝水文站6月份月平均流量;

x1——SST(32，140);

x2——同年3月流量;

x3——太平洋區(qū)渦強(qiáng)度指數(shù);

x4——北半球副高北界;

x5——大西洋歐洲區(qū)極渦強(qiáng)度指數(shù);

x6——北美大西洋副高脊線;

x7——SST(48，216);

x8——印度副高北界。

九寨溝水文站6月份月平均流量各預(yù)報(bào)因子說明見表4。

表4 九寨溝水文站6月份月平均流量預(yù)報(bào)因子說明

九寨溝水文站7月份月平均流量逐步多元回歸方程為：

Q7月=0.600+0.304x1-0.129x2-0.641x3

-0.376x4-0.332x5+0.406x6+0.531x7

-0.252x8-0.298x9+0.217x10

(3)

式中Q7月——九寨溝水文站7月份月平均流量;

x1——北半球極渦中心位置;

x2——亞洲經(jīng)向環(huán)流指數(shù);

x3——前年9月流量;

x4——北半球副高北界;

x5——SST(20，184);

x6——大西洋副高北界;

x7——同年3月流量;

x8——SST(0，148);

x9——前年7月流量;

x10——前年8月流量。

九寨溝水文站7月份月平均流量各預(yù)報(bào)因子說明見表5。

表5 九寨溝水文站7月份月平均流量預(yù)報(bào)因子說明

九寨溝水文站8月份月平均流量逐步多元回歸方程為

Q8月=0.321+0.247x1+0.322x2-0.242x3

-0.284x4+0.266x5-0.241x6+0.292x7

-0.137x8+0.189x9+0.127x10

(4)

式中Q8月——九寨溝水文站8月份月平均流量;

x1——同年六月流量;

x2——大西洋副高面積指數(shù);

x3——SST(14，252);

x4——西太平洋副高脊線;

x5——SST(-8，276);

x6——SST(46，168);

x7——大西洋副高北界;

x8——SST(30，122);

x9——SST(-6，166);

x10——太平洋區(qū)渦強(qiáng)度指數(shù)。

九寨溝水文站8月份月平均流量各預(yù)報(bào)因子說明見表6。

表6 九寨溝水文站8月份月平均流量預(yù)報(bào)因子說明

九寨溝水文站9月份月平均流量逐步多元回歸方程為：

Q9月=0.469+0.236x1-0.270x2+0.150x3-0.174x4

-0.309x5+0.149x6-0.094x7

(5)

式中Q9月——九寨溝水文站9月份月平均流量;

x1——南方濤動指數(shù);

x2——SST(38，124);

x3——SST(42，278);

x4——南海副高脊線;

x5——SST(32，194);

x6——同年1月流量;

x7——北非副高北界。

九寨溝水文站9月份月平均流量各預(yù)報(bào)因子說明見表7。

表7 九寨溝水文站9月份月平均流量預(yù)報(bào)因子說明

九寨溝水文站10月份月平均流量逐步多元回歸方程為:

Q10月=0.817-0.245x1+0.180x2-0.484x3

+0.298x4-0.276x5-0.180x6-0.271x7

+0.331x8-0.204x9+0.159x10

(6)

式中Q10月——九寨溝水文站10月份月平均流量量;

x1——?dú)W亞緯向環(huán)流指數(shù);

x2——南方濤動指數(shù);

x3——SST(32，230);

x4——大西洋歐洲區(qū)極渦強(qiáng)度指數(shù);

x5——大西洋歐洲環(huán)流型C;

x6——北半球極渦中心位置;

x7——大西洋副高脊線;

x8——同年8月流量;

x9——同年1月流量;

x10——SST(10，238)。

九寨溝水文站10月份月平均流量各預(yù)報(bào)因子說明見表8。

表8 九寨溝水文站10月份月平均流量預(yù)報(bào)因子說明

3.2.3 預(yù)報(bào)方案精度評定

根據(jù)《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》(GB/T 22482—2008)中長期預(yù)報(bào)相關(guān)規(guī)定，對九寨溝水文站汛期5—10月各月預(yù)報(bào)方案分別進(jìn)行精度評定。九寨溝水文站5—10月各月預(yù)報(bào)方案精度見表9，5—10月各月實(shí)測流量過程和預(yù)報(bào)過程對比見圖2～圖7。

表9 九寨溝水文站5—10月各月預(yù)報(bào)方案精度

圖2 九寨溝水文站5月份月平均流量率定期和檢驗(yàn)期實(shí)測及預(yù)報(bào)效果對比

圖3 九寨溝水文站6月份月平均流量率定期和檢驗(yàn)期實(shí)測及預(yù)報(bào)效果對比

圖4 九寨溝水文站7月份月平均流量率定期和檢驗(yàn)期實(shí)測及預(yù)報(bào)效果對比

圖5 九寨溝水文站8月份月平均流量率定期和檢驗(yàn)期實(shí)測及預(yù)報(bào)效果對比

圖6 九寨溝水文站9月份月平均流量率定期和檢驗(yàn)期實(shí)測及預(yù)報(bào)效果對比

圖7 九寨溝水文站10月份月平均流量率定期和檢驗(yàn)期實(shí)測及預(yù)報(bào)效果對比

4 小 結(jié)

a.海溫作為引進(jìn)的預(yù)報(bào)因子在各月的預(yù)報(bào)方案中出現(xiàn)過多次，其中5月份預(yù)報(bào)方案6個預(yù)報(bào)因子中占據(jù)2個，6月份預(yù)報(bào)方案8個預(yù)報(bào)因子中占據(jù)2個， 7月份預(yù)報(bào)方案10個預(yù)報(bào)因子中占據(jù)2個，8月份預(yù)報(bào)方案10個預(yù)報(bào)因子中占據(jù)5個，9月份預(yù)報(bào)方案7個預(yù)報(bào)因子中占據(jù)3個，10月份預(yù)報(bào)方案10個預(yù)報(bào)因子中占據(jù)2個，說明海溫對該區(qū)域的降水起著舉足輕重的作用。海洋與大氣相互影響，當(dāng)海溫發(fā)生改變時，會造成大氣環(huán)流形勢的改變，進(jìn)而影響各氣象要素。入選預(yù)報(bào)方案的海溫多出現(xiàn)在西太平洋和中太平洋地區(qū)，且與降水大多呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。可能存在類似沃克環(huán)流的緯向環(huán)流系統(tǒng)，當(dāng)該海域海溫升高時，氣流上升，與預(yù)報(bào)區(qū)域形成逆時針環(huán)流，預(yù)報(bào)區(qū)域的下沉氣流導(dǎo)致降水偏少。

b.前期流量作為預(yù)報(bào)因子多次出現(xiàn)在各月的預(yù)報(bào)方案中，流量系列相對比較穩(wěn)定，是一項(xiàng)較好的預(yù)報(bào)因子。

c.預(yù)報(bào)我國西南地區(qū)降水較為常用的環(huán)流系統(tǒng)，如青藏高原、西太平洋副高脊線、西太平洋副高西伸脊點(diǎn)、印緬槽、南方濤動指數(shù)等，僅有較少的幾個因子進(jìn)入預(yù)報(bào)方程，其他進(jìn)入預(yù)報(bào)方程不太常用的環(huán)流系統(tǒng)可能與該區(qū)域降水和流量存在著某種遙相關(guān)關(guān)系，也可能是數(shù)理統(tǒng)計(jì)的表現(xiàn)。

d.方案率定所用的40年資料樣本，在氣候變化序列顯得太少，不能囊括大多數(shù)情況。在一定時期內(nèi)，大氣環(huán)流和海洋呈現(xiàn)出一定的規(guī)律，但是近年來高頻率發(fā)生的極端天氣往往是由于大氣環(huán)流異常和海溫異常引起的，說明大氣環(huán)流近年來發(fā)生突變的頻次較高。在實(shí)際預(yù)報(bào)中需要時時觀察和調(diào)整預(yù)報(bào)因子，適應(yīng)大氣環(huán)流的變化。

5 建 議

中長期水文預(yù)報(bào)研究仍處在發(fā)展階段，相對于短期水文預(yù)報(bào)來說，滯后于生產(chǎn)實(shí)際的要求?！端那閳?bào)規(guī)范》指出：“中長期預(yù)報(bào)方法目前尚不成熟，應(yīng)積極開展研究，為了適應(yīng)生產(chǎn)發(fā)展的需要，有條件的水情單位，可以發(fā)布中長期水情展望，只提供領(lǐng)導(dǎo)掌握參考，不作為采取具體措施的依據(jù)，并注意結(jié)合實(shí)際變化，隨時對展望進(jìn)行補(bǔ)充?！?/p>

白水江流域位于青藏高原東側(cè)，受青藏高原影響，在一定的大氣環(huán)流形勢下有利于西南低渦、切變等天氣系統(tǒng)的發(fā)展和停留，造成該區(qū)域數(shù)小時至數(shù)日的降水，從而影響流量的多少。而中小尺度的天氣系統(tǒng)在前期無法反映出來，增加了受青藏高原影響地區(qū)降水和流量預(yù)報(bào)的難度。

在實(shí)際預(yù)報(bào)工作中，應(yīng)充分聽取氣象部門的意見，多方案比較，綜合分析，經(jīng)多方會商后得到一個比較合理的預(yù)報(bào)結(jié)果。