基于太阳活动、月球赤纬角的旱涝灾害预测研究

徐 峥，李允军，谢小燕，李文龙

(1.国家电网公司东北分部，辽宁 沈阳 110180；2.南瑞集团有限公司，江苏 南京 210003；3.丰满发电厂，吉林 吉林 132108)

水库流域来水成因复杂、影响因素众多，受天文、气象、水文、地理、地质、人类社会活动等多方面因素的共同影响，来水预报特别是中长期预报是世界性难题，目前还处于经验预报和理论探索阶段[1- 4]。特别是对旱涝灾害的预报，产生的经济效益、社会效益显著[5- 7]。准确的来水预报会带来巨大的发电效益，同时也可获得巨大的防洪减灾效益和其他水库综合利用效益[8- 9]。

1 基本原理

1.1 可行性分析

太阳是大气环流能量的源泉，太阳活动与旱涝关系具有明确的物理成因机制。太阳黑子相对数的多少基本上代表了整个日面辐射能量的变化，反映了太阳活动的强弱。采用点绘“水库来水与太阳黑子相对数分布图”的方法，分析水库来水与太阳黑子相对数的分布规律，以定性预报水库来水情况[10]。

地球绕太阳运动的2个极端状态是近日点、远日点，选取这两个点发生时间作为研究对象。在节气配合上，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，作用于地球大气海洋，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。确切地说使大气环流系统的副高脊线、副高强度和副高面积指数加大和缩小，从而使水汽来源充足，对流加强，产生巨大旱灾和涝灾等。以小寒阴历时间与水库年来水建立关系，点绘“水库来水与小寒阴历时间分布图”，以定性预测水库来水情况[11]。

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)。这个角度是不断变化的，最小时为18.50°，最大时为28.50°，运动周期为18.6年。这个周期与日月食的沙罗周期(18年11日8小时)接近，另外，潮汐周期中一个重要的周期也是18.6年。数据显示，月亮赤纬角最大时产生的地壳容积变化是赤纬角最小时的2.3倍。因此，月球运动引起的潮汐周期变化及地壳形变不仅是地震的重要成因，而且也是强降水(或干旱)的主要成因。以月球赤纬角与水库年来水建立关系，点绘“水库来水与月球赤纬角分布图”，以定性预测水库来水情况[12- 13]。

1.2 基本方法

根据点绘的三项因子与水库年平均来水的分布图，对来水等级进行划分。分别标注出特丰水线(1.4倍平均值)、丰水线(1.2倍平均值)、多年平均线(平均值)、枯水线(0.8倍平均值)、特枯水线(0.6倍平均值)。可以看出，水库来水与三项因子均呈明显的分区分布，进而分别在2项因子的数值区间中划分出特丰水区、大变幅区、丰水区、特枯水区、枯水区等定性分区，使其具有明确的来水定性预测功能。根据预测年度影响因子所在区域，定性预报年度来水情况。

2 应用实例

2.1 应用实例

与国内其它地区相比，东北地区水库调度存在径流量少、年际变化大、水库库容大的特点，因此水库及水系的极端来水预报对国家电网公司东北分部的水库调度工作尤为重要。第二松花江上的丰满水电站，坝址以上流域面积42500km2，以发电为主，兼有防洪、灌溉、供水、养殖、航运和旅游等综合利用效益的大型水利水电枢纽工程，为多年调节水库。

点绘丰满水库年入库流量与太阳黑子关系分布图，分析研究太阳黑子相对数与丰满水库来水关系，划分出特丰水区、枯水区、丰水区、特枯水区、大变幅区、特枯水区二6个分区，如图1所示。

图1 入库流量与太阳黑子关系分布图

各个分区的丰枯年份概率统计见表1。

假定预测年份的太阳黑子为20，位于特丰水区，在特丰水区发生特大洪水的概率相比其他分区大，因此对于预测年份给出特丰的预报结果。

同理点绘丰满水库年入库流量与小寒阴历时间、月球赤纬角分布图，如图2—3所示。

图2 入库流量与小寒阴历时间关系分布图

图3 入库流量与月球赤纬角关系分布图

各个分区的丰枯年份概率统计见表2—3。

假定预测年份的小寒阴历时间为11月19天，位于枯水区，在枯水区，发生枯水的概率相比其他分区大，因此预测年份给出枯水的预报结果。预测年份的月球赤纬角为20，发生平水的概率相比其他分区大，因此预测年份给出平水的预报结果。

表1 太阳黑子分区丰枯年份概率统计表

表2 小寒阴历时间各分区丰枯年份概率统计表

表3 月球赤纬角各分区丰枯年份概率统计表

表4 2010—2016年丰满电厂来水定性预测结果统计表

2.2 应用效果

采用丰满水库的年均来水与太阳黑子、小寒阴历时间、月球赤纬角建立散点分布图，定性预测2010—2016年7年来水，预测结果见表4。

从统计数据看，2种方法对极端来水的预测效果较好，而极端来水预测是中长期来水预测最重要的一部分。对2010年和2013年的特丰水、2015年的特枯水都能很好的预测出来，除了太阳黑子来水规律预测法中对2013年的预测出现了偏差，该年的太阳黑子相对数为64.6，位于丰水区一，在该区发生特丰水的概率也是相对较大的，同时综合小寒阴历时间、月球赤纬角来水规律这两种预报方法，也可以给出丰水的年度预报结果。

3 结语

2013年，东北电网成功预报出东北地区流域为特丰水，丰满水库年初即开始加大发电腾库容，进行有计划的调度预控，成功应对了历史最大的春汛来水以及主汛期70年一遇的特大洪水，保证了丰满江桥工程围堰安全，同时发电量也创历史最好水平。

因此，准确的预报带来的经济效益和社会效益是显著的，本文提出的基于太阳活动、月球赤纬角的旱涝灾害预测方法，通过探究相关因子与水库来水之间的分布关系，进而预报中长期来水。同时，可依据此研究方法，继续发掘其他因子与旱涝灾害的相关性，以达到集成预报的效果[14- 15]。