(遼寧省鞍山水文局，遼寧 鞍山 114000)

中長期水文預報是對未來較長時間的水文要素依據(jù)前期水文要素并利用數(shù)理統(tǒng)計與成因分析的方法進行科學的預測，該學科是一門綜合了其他學科、氣象學與水文學的邊緣學科。國民經(jīng)濟的發(fā)展和人類社會的進步對水文預報提出了更高的要求，如大中型水運、水電、水利工程的管理運行及興建，防汛抗旱的指揮等都要求水文部門提供中長期更加準確的預報。因受到科技水平和復雜的影響因素的限制，在水文預報方面目前還處于探索階段。饒陽河流域中下游地區(qū)自2010年以來進入了干旱周期，特別是在2012年和2014年夏季均出現(xiàn)了較為嚴重的干旱事件。因此，探討分析饒陽河流域的降雨變化特征及其旱澇轉化規(guī)律，對于降低不利因素對地區(qū)旱澇災害的影響和提前制定減災方案措施具有重要的現(xiàn)實意義[1-4]。

旱澇作為構成地球氣候變化的基本要素，其影響過程與冷熱、干濕循環(huán)基本相同。為保障人們財產(chǎn)安全并提前制定好干旱、洪澇災害防治對策，降低自然災害帶來的損失和影響，國內(nèi)外許多學者對旱澇災害的預測分析開展了大量研究。科學技術的進步使得各種新技術、新方法不斷應用于旱澇成因問題的分析，從而推動了旱澇災害預測的研究進展，但是相關研究還一直沒有突破對旱澇演化規(guī)律的預測。在水文領域長期水文預報研究中年際旱澇分析占據(jù)著重要地位，水文氣象因受到人為因素的影響和各類氣候因素的作用通常被認為具有一定的隨機性，所以判定與識別其長時間序列隱含的振蕩周期是一個難度系數(shù)大且極其重要的問題。解決方法經(jīng)歷了由時間域的方差分析、方差與離散周期圖到時頻域的小波分析、譜分析的發(fā)展過程，尤其是傅里葉變換的提出和計算機技術的發(fā)展，迅速拓展了時頻域的分析和實用性的發(fā)展。然而，這些方法在實際應用過程中通常難以準確地預測模擬，因此其推廣與應用還具有一定的局限性[5-6]。

目前，還未全部了解旱澇災害發(fā)生過程中很多實際問題的特征、參數(shù)以及內(nèi)部結構，對其內(nèi)在作用機理的研究還不夠深入。年際旱澇分析作為氣候領域中中短期氣候研究的對象，許多學者通常以氣候成因分析作為預測研究的重點，如分析人類影響、海溫狀況、大氣環(huán)流及太陽活動等并取得了理想的成效。然而，在提高氣候預測精準度方面相關研究的成效并不顯著。

1 研究對象及方法

1.1 資料的選擇

在自然界水循環(huán)過程中降雨是最敏感、最直接反映氣候變化的水文氣象要素之一，因此評價一個地區(qū)旱澇形式的重要依據(jù)是對降雨的時空分布進行分析。中國科學院研究認為年徑流量序列的區(qū)域性規(guī)律顯著低于年降雨量序列，其中區(qū)域性規(guī)律為水文序列周期特性的明顯特征，因此本文以饒陽河流域雨量站的實測資料作為數(shù)據(jù)信息的主要來源?？紤]到汛期氣候的穩(wěn)定性要顯著低于非汛期的實際情況，本文以臺安站年降雨量為依據(jù)選擇具有代表性的時間序列1950—2015年。為保證數(shù)據(jù)資料的真實性與可靠性，經(jīng)遼寧省水文部審核作為所用初始數(shù)據(jù)。

1.2 氣候轉折期

氣候轉折期是指發(fā)生明顯轉變時氣候要素所處于的一個緊要的特殊時期，在近現(xiàn)代氣候年代際變化方面NCC國家氣候中心的最新研究表明，我國發(fā)生的一次氣候轉折出現(xiàn)于20世紀70年代末期。

1.3 研究方法

水文氣象領域的許多學者因氣候研究的復雜性，從而形成了旱澇無規(guī)律的傳統(tǒng)定勢思維。本文在分析臺安站1980年前后水文氣象特征過程中發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)年際降雨過程線存在較為顯著的變化。結合遼寧省氣候中心提出的遼寧地區(qū)氣候變化轉折期為1978—1980年，該區(qū)域冬季氣候在轉折期前、后分別以冷凍與暖冬為主。因此，本文提出旱澇特征隨氣候成因的不同而發(fā)生改變的猜想，利用文獻提出的分階段法逐步解決了臺安站年際降雨在暖冬氣候控制期間無規(guī)律變化的難題。在研究過程中取得了一定的成果，但是如何突破傳統(tǒng)觀念的束縛證明該猜想的成立仍存在較大的困難，為達到證明設想的目的和解決現(xiàn)實中遇到的問題需要重新探討研究方法。

在水文氣象要素研究領域中對未來趨勢的遠景展望大多采用10年滑動或5年滑動的方法來預測，且研究分析年際變化趨勢的內(nèi)容相對較少。在實際工作中因考慮到氣候轉折期的存在，對中短期氣候預測若壓縮處理觀測到的有限的數(shù)據(jù)則極易引起有效信息的丟失，從而無法獲取理想的預測效果[7]。鑒于此，本文依據(jù)分段法基本理論提出了細部特征分析法，即在使用分段法的過程中考慮顯微鏡或放大鏡的原理，逐段細部分析水文時間序列的特征，從而更好地確定序列中存在的規(guī)律。

2 臺安站年際旱澇周期水文特性分析

2.1 臺安站年際降雨過程線

因獨特的氣候環(huán)境和地勢條件，臺安地區(qū)是饒陽河流域洪澇災害發(fā)生較為頻繁的區(qū)域之一。臺安站屬于溫帶季風氣候，年際溫差較大，冬冷干燥而夏熱多雨，年降水量為1027.1mm，其中62.8%以上降水集中在汛期[8-11]。根據(jù)饒陽河流域氣象數(shù)據(jù)資料，收集整理了臺安站年際降雨過程線，見圖1。

2.2 年際旱澇周期的細部特征分析

根據(jù)圖1變化趨勢可知，若將年際旱澇周期性變化的一個基本單元看作是降雨量的一次完整的上升至下降變化過程，則4年、3年與2年周期組成了臺安站的年際降雨過程線。將每個基本單元不同的下降、上升歷時周期分為3種時間趨勢特性，即將下降期歷時短、上升期歷時長且以每個單元頂點為軸線的圖形稱為“順”時間趨勢特性，反之則為“逆”時間趨勢特性，而“正”時間趨勢特性為兩邊歷時等長的圖形。將這些基本單元按照時間趨勢特性可分為逆、順、正3種周期，通過將時間趨勢特性與不同時長的旱澇周期相結合可形成6類基本單元，見表1。

圖1 臺安站1950—2015年年際降雨過程線

表1 臺安站不同旱澇周期的基本單元

2.3 對比分析

根據(jù)表1與圖1變化趨勢可知，臺安站的內(nèi)在水文特征及降雨過程線的外形特征在氣候轉折期前、后發(fā)生了較為顯著的改變，即發(fā)生了突變現(xiàn)象。因此，該變化特征驗證了本文提出的旱澇特征隨氣候成因的不同而發(fā)生改變的猜想，從而為氣候轉折期的存在提供了強有力的理論支持。

2.3.1 氣候轉折期之前

1950—1980年，臺安站的年際降雨過程線的主要特征為：3年為各基本單元下降期、上升期歷時最多的時段；每個基本單元主要有升降、升升降等5種類型的旱澇周期；連續(xù)出現(xiàn)升—升降類型的旱澇周期只有1次，因此可構成順6年周期，而其他各孤立的基本單元可兩兩組合成6年或5年周期特征，結果見表2。因受到數(shù)據(jù)資料的限制，在研究期間未發(fā)現(xiàn)升降降+升降降逆6年周期和升降+升升的順5年周期的，結合其他相關資料在研究期間很可能存在這兩種類型。值得注意的是，由于兩側歷時等長使得正周期基本單元的時間趨勢屬于中性，因此在計算過程中可將其隱去；而顯性的逆周期與順周期基本單元能夠更好地反映原始水文的自然屬性。

表2 臺安站年際旱澇周期組合單元

2.3.2 氣候轉折期之后

1980—2015年，臺安站年際降雨過程線的主要特征為：2年為各基本單元下降期與上升期歷時最多的時段；每個基本單元主要有升降、升升降、升升降降3種類型的旱澇周期；在氣候轉折期僅出現(xiàn)1次升升降降氣候類型，該類型與升降類型基本相同，因此在分析過程中可將其納入后者分析；另外兩種類型并不是單獨存在的，因此無法重新組成新的周期。

3 模型的驗證

氣象部門每年都會對旱澇與氣候情況作出相應的預測分析，然而由于預測偏差的存在可能會導致預測結果明顯偏離實際情況的出現(xiàn)。目前，對洪澇與氣候的預測還不能滿足預報精度的要求，只能提供相應的參考依據(jù)。然而，對臺安站旱澇規(guī)律利用分段法進行研究以后，改變了長期以來該區(qū)域旱澇預測精準度較低的局面。本文結合臺安地區(qū)旱澇變化的實際狀況和氣候預測相關研究，利用細部特征分析法驗證了轉折期前1950—1952年時段和轉折期后2012—2015年時段的旱澇特征。

3.1 驗證1950—1952年期間

3.1.1 細部特征法分析

運用該方法進行驗證分析轉折期前的主要流程為：結合臺安站1952年7—12月實測降雨量和1—5月無洪澇記錄的實際狀況，可推定與1953年相比臺安站1952年的降雨量明顯較低，因此可設定升降降型為1952—1955年的旱澇趨勢；根據(jù)臺安站在氣候轉折期前的6年、5年周期旱澇特征，可選擇一個逆5年周期為1952—1957年，并認為在1952年以前存在順6年或順5年的周期；順6年在周期存在升降+升升降和升降+升升升降兩種情況，而順5年周期存在升降+升升降這一種情況；結合已發(fā)現(xiàn)的規(guī)律和歷史資料判斷，在順5年周期內(nèi)發(fā)生第一種情況的概率比較大；在1950—1952年期間，不論出現(xiàn)哪種情況，其旱澇趨勢特征均為升降型。

3.1.2 方法驗證

選擇如下兩個方面作為驗證依據(jù)：根據(jù)遼寧省水利志相關資料，臺安地區(qū)在1951年汛期發(fā)大水，低洼地區(qū)大面積淹沒，造成重大的經(jīng)濟損失，而在1950年和1952年無洪澇記錄。采用細部特征根法分析的臺安站1950—1952年的旱澇災害結果與實際情況保持較好的一致性。

3.2 驗證2012—2015年期間

3.2.1 細部特征法分析

運用該方法進行驗證分析轉折期后的主要流程為：在2009—2011年期間臺安站降雨量呈連續(xù)上升的變化趨勢，結合臺安站在氣候轉折期后的下降期與上升期歷時最多的2年特征，可認為在2012年的降雨一定為下降趨勢；在氣候轉折期內(nèi)出現(xiàn)的升升降降型屬于特殊的升降型降雨特征，并且不存在其他新的轉折期，因此可認為在2013年為上升趨勢，因此在2009—2012年期間為升升降的變化規(guī)律；根據(jù)升升降降型降雨在氣候轉折期后從不單獨出現(xiàn)的結論，可認為2009—2012年的旱澇趨勢與2012—2015年保持相同，即屬于升升降的旱澇特征。

3.2.2 方法驗證

選擇如下5個方面作為驗證依據(jù)：饒陽河流域在2012年1—4月的降雨量偏多，而在5—12月降水相對較少，易存在旱情，因此臺安站年均降水量顯著降低，降低幅度為歷年平均的72%；饒陽河流域在2013年初夏和春季出現(xiàn)了較為嚴重的干旱，而在汛期降雨量增大出現(xiàn)了旱澇的轉換，年均降水量相對多年平均降水量降低5%左右；臺安地區(qū)2014年的雨情平穩(wěn)，相對多年平均年降水量增大6%左右；2015年該地區(qū)降水量明顯偏低且出現(xiàn)了嚴重的影響，在10月因受到大氣環(huán)流的影響，降水量增大，年均降水量相對于多年平均降水量降低10%左右；饒陽河流域2016年夏冬季降水較少，而在夏春兩季降水偏多。因此，基于細部特征法的分析結果與臺安站2012—2015年降雨實際情況保持較高的一致性。

4 結 論

a.臺安站的內(nèi)在水文特征及降雨過程線的外形特征在氣候轉折期前、后發(fā)生了較為顯著的改變，即發(fā)生了突變現(xiàn)象。因此，該變化特征驗證了本文提出的旱澇特征隨氣候成因的不同而發(fā)生改變的猜想，從而為氣候轉折期的存在提供了強有力的理論支持。

b.臺安站年際旱澇周期性特征在氣候轉折期前后是構成自然水文演化規(guī)律的重要內(nèi)容，其時間序列的一致性雖然受到人類活動較大的影響，但并未發(fā)生明顯的改變。

c.若將年際旱澇周期性變化的一個基本單元看作是降雨量的一次完整的上升至下降變化過程，則4年、3年與2年周期組成了臺安站的年際降雨過程線。將每個基本單元不同的下降、上升歷時周期分為3種時間趨勢特性，即分為正、逆、順3種趨勢特性，通過兩兩組合還可形成6類基本單元。

d. NCC國家氣候中心的現(xiàn)有研究成果為分段法旱澇趨勢模擬預測的理論依據(jù)，該方法有效轉變了傳統(tǒng)的旱澇無規(guī)律的定勢思維和解決了臺安站旱澇周期性分析的難題；通過預測分析臺安站洪澇發(fā)展趨勢，可為提高饒陽河流域氣象預報與中長期水文預報的精度提供一定理論依據(jù)。

e.本文提出的旱澇周期是指旱澇演化趨勢所帶有的周期形式，因此不是真正意義上的變化周期；本文是基于臺安站降雨量資料提出相應的觀點，在其他地區(qū)還需要結合具體情況作深入探討；另外，在旱澇預測和界定臺安地區(qū)枯、豐水年方面還存在許多問題，仍需進一步研究。