吳振凱1于成剛23

(1.黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080；2.黑龍江大學(xué)寒區(qū)地下水研究所，黑龍江 哈爾濱 150080；3.黑龍江省大興安嶺水文局，黑龍江 加格達(dá)奇 165000)

區(qū)域性洪水是指該地區(qū)內(nèi)的江河干流及支流都發(fā)生了洪水。作為一類復(fù)雜的系統(tǒng)，其產(chǎn)生涉及時(shí)空等多種因素，具有隨機(jī)性、周期性、地域性。如今，以大數(shù)據(jù)為載體探討和分析區(qū)域性洪水系統(tǒng)，在中長(zhǎng)期水文預(yù)報(bào)方面具有顯著效果。大興安嶺具有獨(dú)特的地理位置，8.46萬(wàn)km2的區(qū)域面積，作為1998年、2013年黑龍江大洪水的發(fā)起點(diǎn)，可以說(shuō)，其區(qū)域性洪水是在大氣環(huán)境和自然因子雙重變化影響下發(fā)生的，與其他區(qū)域洪水的發(fā)生情況有所不同。涉及區(qū)域洪水的大數(shù)據(jù)特點(diǎn)是數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)種類多、數(shù)據(jù)所蘊(yùn)藏的價(jià)值大，我們需要搜索、處理、分析、歸納、總結(jié)其深層次的規(guī)律。在進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析時(shí)，可以采取多種方法構(gòu)建預(yù)報(bào)模式，例如多元回歸、EMD和諧波分析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。既可以單因子也可以多因子進(jìn)行組合。

本文正是通過(guò)建立大興安嶺區(qū)域洪水有關(guān)的氣候氣象因子、自然因子、洪水等系列特征大數(shù)據(jù)庫(kù)，在背景分析法的基礎(chǔ)上，先從120多個(gè)因子中確定5類物理驅(qū)動(dòng)因子，其中包括了氣候類、天文類、水文類等。在這幾類因子中找到了一種該區(qū)域洪水發(fā)生的深層次規(guī)律，即區(qū)域洪水一種驅(qū)動(dòng)原理。由此構(gòu)建了背景模式的大數(shù)據(jù)中長(zhǎng)期預(yù)報(bào)分析方法。

1 流域概況

大興安嶺地區(qū)是我國(guó)的重點(diǎn)林區(qū),位于黑龍江省西北部，地理位置為東經(jīng)121 12′～127 05′、北緯50°10′～53° 32′。西南與呼倫貝爾接壤,東北與俄羅斯隔江相望,東南以嫩江為界與黑河相鄰。全區(qū)總面積8.46萬(wàn)km2,人口55萬(wàn),共有3縣4區(qū)11個(gè)林業(yè)局,為水多山多的低山丘陵地帶。伊勒呼里山橫貫大興安嶺地區(qū)中部,整個(gè)地區(qū)被分成嶺南嶺北兩部分。區(qū)域內(nèi)集水面積1000km2以上的河流有28條,集水面積100km2以上的河流有155條,集水面積50km2以上的河流有208條。

大興安嶺地區(qū)屬高緯度森林凍土帶,大陸性季風(fēng)氣候顯著。冬季在西伯利亞寒流控制下,漫長(zhǎng)、寒冷而干燥；夏季短暫、溫濕多雨。全區(qū)多年平均氣溫在-2～-5℃,年溫差最大可達(dá)80多℃。年最低氣溫嶺北可達(dá)-50多℃；嶺南可達(dá)-40多℃,因此素有“高寒禁區(qū)”之稱。全區(qū)年雨量平均在450～500mm之間，6—9月雨水集中,總雨量在350～400mm之間,占年雨量的80%左右。

2 區(qū)域洪水氣候影響因素的規(guī)律性分析

2.1 中國(guó)夏季雨型對(duì)大興安嶺地區(qū)夏季洪水的影響

根據(jù)大興安嶺地區(qū)洪水發(fā)生與氣象界定的中國(guó)夏季三類雨型數(shù)據(jù)的關(guān)系建立數(shù)據(jù)庫(kù)，統(tǒng)計(jì)雨型與洪水關(guān)系(見(jiàn)表1)。在所發(fā)生的2類雨型中大興安嶺地區(qū)發(fā)生洪水的概率高達(dá)64.3% ，即大興安嶺地區(qū)未來(lái)洪水的發(fā)生既受經(jīng)向環(huán)流的影響，也受緯向環(huán)流的影響，二者共同促成大興安嶺洪水發(fā)生。這是大興安嶺區(qū)域洪水發(fā)生的根本原因。

2.2 北半球、太平洋、東太平洋、西太平洋副高變化對(duì)大興安嶺地區(qū)夏季洪水的影響

運(yùn)用matlab、spss軟件，通過(guò)相關(guān)系數(shù)分析方法，得到東太平洋副高面積與大興安嶺夏季洪水時(shí)間相關(guān)系數(shù)(見(jiàn)圖1)、西太平洋副高北界與大興安嶺夏季洪水時(shí)間相關(guān)系數(shù)(見(jiàn)圖2)和西太平洋副高脊線與大興安嶺夏季洪水時(shí)間相關(guān)系數(shù)(見(jiàn)圖3)。對(duì)比圖1、圖2、圖3可知，東太平洋副高面積、西太平洋副高北界、西太平洋副高脊線等與大興安嶺夏季洪水時(shí)間相關(guān)系數(shù)都超過(guò)了0.01的檢驗(yàn)水平。因此，大興安嶺地區(qū)的夏季洪水受副高變化影響存在同步性和延時(shí)性。大興安嶺轄區(qū)內(nèi)黑龍江上游受北半球、太平洋副高影響，于上一年的冬季1月、2月的強(qiáng)度和面積變化上，表現(xiàn)為正相關(guān)，西太平洋表現(xiàn)在春季的3月、5月持續(xù)的相關(guān)上，東太平洋的影響是最為復(fù)雜的，上一年冬季1月、2月表現(xiàn)在強(qiáng)度和面積上，春季3月、4月則表現(xiàn)在北界范圍和脊線擺動(dòng)上；黑龍江下游受北半球、太平洋、西太平洋區(qū)域影響較為一致，北界進(jìn)退、脊線擺動(dòng)是主要影響因素，而東太平洋則是冬季2月強(qiáng)度和面積指數(shù)對(duì)其產(chǎn)生影響。轄區(qū)內(nèi)的呼瑪河在影響表現(xiàn)上都是以副高北界、副高脊線為主，在春季3月、5月影響顯著，系統(tǒng)越大越明顯。太平洋、北半球系統(tǒng)在年系數(shù)上都通過(guò)了0.01檢驗(yàn)。大興安嶺南部嫩江流域河流受北半球、太平洋、西太平洋區(qū)域影響，都是以副高北界、副高脊線為主，而且太平洋、西太平洋區(qū)域影響出現(xiàn)了時(shí)間延遲。東太平洋的影響只表現(xiàn)在秋季9月，表現(xiàn)在強(qiáng)度和面積上。

圖1 東太平洋副高面積與大興安嶺夏季洪水時(shí)間相關(guān)系數(shù)

圖2 西太平洋副高北界與大興安嶺夏季洪水時(shí)間相關(guān)系數(shù)

圖3 西太平洋副高脊線與大興安嶺夏季洪水時(shí)間相關(guān)系數(shù)

2.3 大西洋-歐洲環(huán)流型轉(zhuǎn)換對(duì)大興安嶺地區(qū)夏季洪水的影響

從500hPa環(huán)流圖上可見(jiàn)大西洋-歐洲環(huán)流型表征的槽脊位置關(guān)系，W型特點(diǎn)是西風(fēng)帶環(huán)流平直，緯向環(huán)流盛行；C型特點(diǎn)是歐洲西海岸為高壓脊，烏拉爾山地區(qū)為長(zhǎng)波槽，歐洲經(jīng)向環(huán)流發(fā)展；E型恰好與C型相反，烏拉爾山地區(qū)為高壓脊，導(dǎo)致東亞地區(qū)經(jīng)向度加大。

從大西洋-歐洲三種典型環(huán)流型差積曲線(見(jiàn)圖4)可知，從1960年起的W型一直持續(xù)到1999年，1960年前及1999年后均為C+E型環(huán)流時(shí)期。依據(jù)表2統(tǒng)計(jì)結(jié)果，大西洋-歐洲環(huán)流型變化對(duì)大興安嶺地區(qū)夏季洪水有很大的影響。大興安嶺地區(qū)洪水主要發(fā)生在W型環(huán)流形勢(shì)下，處于此時(shí)期洪水發(fā)生概率較大，尤其是W+E型時(shí)期洪水更為多發(fā)，而C+E型環(huán)流時(shí)期大興安嶺洪水發(fā)生次數(shù)較少。據(jù)統(tǒng)計(jì)，區(qū)域洪水發(fā)生在W型時(shí)期的占到總洪水的72.9%。另一個(gè)特征為一般大洪水都發(fā)生在環(huán)流型轉(zhuǎn)折點(diǎn)前后幾年，如1958年、1998年區(qū)域大洪水。

圖4 大西洋-歐洲三種典型環(huán)流型差積曲線

表2 大西洋歐洲環(huán)流型與大興安嶺夏季洪水統(tǒng)計(jì)

大西洋-歐洲三種典型環(huán)流年代際變化存在36年左右大周期，在環(huán)流型轉(zhuǎn)換之間還存在過(guò)渡期。例如1960年為W型，之前的1961—1963年為C型；1999為W型，之后的2000—2003年為C型，可知都存在一個(gè)明顯的C型過(guò)渡期。在這個(gè)過(guò)渡期，大興安嶺區(qū)域一般都會(huì)發(fā)生較大洪水，如1962年、1963兩年為高水，即使是在非?？菟诘?000—2003年這個(gè)時(shí)期 ，呼瑪河的支流塔河2003年也發(fā)生了大洪水。由此可知，對(duì)其洪水發(fā)生的影響以緯向環(huán)流活躍為主，緯向環(huán)流不強(qiáng)的情況下，C型容易促發(fā)大興安嶺洪水。大西洋-歐洲三種典型環(huán)流36年的升降周期與地極移動(dòng)的35年左右的大周期相吻合，可知它們之間存在明顯的遙相關(guān)。同處于北半球的大西洋環(huán)流轉(zhuǎn)換與大興安嶺地區(qū)區(qū)域洪水，以及地球的地極移動(dòng)之間，存在一種類似環(huán)狀的擾動(dòng)機(jī)制，其中大興安嶺區(qū)域洪水活動(dòng)是對(duì)大西洋環(huán)流轉(zhuǎn)換、地球的地極移動(dòng)活動(dòng)的一種響應(yīng)。

為了進(jìn)一步探討三種典型環(huán)流對(duì)區(qū)域洪水影響的延遲性，分析了大西洋-歐洲環(huán)流型冬季轉(zhuǎn)換的變化和夏季洪水變化關(guān)系(見(jiàn)圖5)，可知W型環(huán)流明顯存在36年左右的升降周期，E型存在40年左右的升降周期，C型環(huán)流存在34年左右完整的周期。在大西洋-歐洲冬季環(huán)流出現(xiàn)C型環(huán)流的情況下，大興安嶺地區(qū)夏季易發(fā)生大洪水。可知此影響是從冬季大西洋發(fā)起的而通過(guò)某種機(jī)制反映到東北亞的大興安嶺地區(qū)，這是一個(gè)重要的發(fā)現(xiàn)。

圖5 大西洋-歐洲三種典型環(huán)流型冬季差積曲線

大西洋-歐洲三種典型環(huán)流轉(zhuǎn)換的冬季指數(shù)與大興安嶺夏季洪水存在明顯相關(guān)。以基于小波分析的長(zhǎng)期預(yù)測(cè)優(yōu)化算法，對(duì)冬季三種典型環(huán)流轉(zhuǎn)換對(duì)夏季洪水的影響進(jìn)行了分析，分解與重構(gòu)了冬季環(huán)流指數(shù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了模擬(見(jiàn)圖6)。由圖6可知，延后3年的黑龍江冬季環(huán)流指數(shù)存在明顯的負(fù)相關(guān)，呼瑪站系數(shù)為-0.265，漠河站系數(shù)為-0.296， 均通過(guò)了0.05檢驗(yàn)；甘河的加格達(dá)奇站當(dāng)年的相關(guān)系數(shù)通過(guò)了0.05檢驗(yàn)，其相關(guān)系數(shù)為-0.261。同時(shí)，冬季環(huán)流指數(shù)存在明顯的周期性，它和地極移動(dòng)在變化和周期上存在一致性，存在后延3年的相關(guān)性。

圖6 大西洋-歐洲冬季環(huán)流指數(shù)小波分析

2.4 極渦變化對(duì)大興安嶺地區(qū)夏季洪水的影響

極渦在極地屬于最大的環(huán)流系統(tǒng)，它對(duì)于整個(gè)北半球的天氣系統(tǒng)和氣候存在影響。冷空氣活動(dòng)是通過(guò)極渦擴(kuò)張和收縮來(lái)反映的，它使北半球氣候帶南北發(fā)生推移，繞極環(huán)流的變化同時(shí)改變著大氣環(huán)流和氣候?；顒?dòng)強(qiáng)度主要通過(guò)極渦面積指數(shù)、強(qiáng)度指數(shù)及中心強(qiáng)度和位置來(lái)反映。極渦面積冬半年大于下半年，秋季向南擴(kuò)張，次年2月達(dá)到最大。由圖7、圖8可知，大興安嶺地區(qū)區(qū)域洪水與極渦變化存在相關(guān)關(guān)系。在時(shí)間相關(guān)系數(shù)上，黑龍江、呼瑪河通過(guò)檢驗(yàn)最多，說(shuō)明大興安嶺嶺北區(qū)域受影響顯著。當(dāng)年極渦變化對(duì)各大興安嶺各河流洪水影響指數(shù)明顯減少。上一年的冬季、春季極渦指數(shù)對(duì)大興安嶺洪水影響最大，尤其是黑龍江2月、3月指標(biāo)最多，也表現(xiàn)最為明顯；當(dāng)年的春季極渦指數(shù)對(duì)大興安嶺洪水影響最大，3月、5月的指標(biāo)最多，占到80%以上。大興安嶺地區(qū)南部、北部又存在差異性，北部普遍受極渦北半球極渦中心位置、大西洋歐洲區(qū)、亞洲區(qū)極渦強(qiáng)度、北美區(qū)極渦面積指數(shù)影響，表現(xiàn)為兩個(gè)大陸一個(gè)大洋型，呼瑪河增加了太平洋區(qū)極渦指數(shù)。在極渦指數(shù)影響上，黑龍江越向上游春季影響越減弱，冬季影響越加強(qiáng)，相關(guān)滯后性表現(xiàn)越短；南部受亞洲區(qū)、太平洋夏季極渦變化影響明顯，越向南北極極渦影響越弱，而太平洋區(qū)域影響明顯增強(qiáng)。

圖7 北半球上一年極渦中心位置與夏季洪水時(shí)間相關(guān)系數(shù)

圖8 北美區(qū)當(dāng)年極渦面積指數(shù)與夏季洪水時(shí)間相關(guān)系數(shù)

3 區(qū)域洪水自然因子影響因素的規(guī)律性分析

3.1 地極移動(dòng)指數(shù)變化對(duì)大興安嶺地區(qū)夏季洪水的影響

由表3可知，地極移動(dòng)指數(shù)無(wú)論是年經(jīng)向環(huán)流、峰三年(前中后)，還是峰年7月和、峰7月距平都存在明顯的周期變化。1942—1974年處于正距平時(shí)期，周期長(zhǎng)度在32年；1981—2001年處于負(fù)距平時(shí)期，周期總長(zhǎng)為30年。在不同周期內(nèi)經(jīng)向和緯向環(huán)流指數(shù)變化不同，1977—2007年緯向環(huán)流指數(shù)大，表明此時(shí)期以緯向環(huán)流為主；1945—1977年經(jīng)向環(huán)流指數(shù)偏大，表明以經(jīng)向環(huán)流為主。自2007年開(kāi)始經(jīng)向環(huán)流又指數(shù)逐漸變大，表明又以經(jīng)向環(huán)流為主。同時(shí)，正負(fù)周期內(nèi)大興安嶺地區(qū)都有洪水發(fā)生，但是正向周期內(nèi)洪水量級(jí)偏大，也就是說(shuō)經(jīng)向環(huán)流為主時(shí)洪水量級(jí)偏大，這與前面所述的不同雨型(對(duì)應(yīng)不同環(huán)流特征)對(duì)大興安嶺地區(qū)洪水影響是一致的。

表3 地極移動(dòng)指數(shù)和大興安嶺地區(qū)洪水

3.2 地極移動(dòng)周期變化對(duì)夏季洪水的影響

對(duì)地極移動(dòng)的順向和逆向進(jìn)行小波分解(見(jiàn)圖9)。由圖9可知，地極移動(dòng)大約存在30年的周期。大興安嶺地區(qū)的大洪水高發(fā)期大多出現(xiàn)在錢德勒順向周期的中心附近，而此中心出現(xiàn)周期為35年左右。同時(shí)每一次的運(yùn)動(dòng)中心變化都與洪水周期相對(duì)應(yīng)。由圖10可知，小波分解后的地極移動(dòng)振幅存在明顯的周期變化，大興安嶺地區(qū)較大洪水都發(fā)生在不同周期的中心最大振幅附近，或者發(fā)生在周期振動(dòng)的起始年附近。大興安嶺地區(qū)的洪水發(fā)生與地極移動(dòng)存在明顯的關(guān)聯(lián)性。

圖9 地極移動(dòng)的運(yùn)動(dòng)周期

圖10 地極移動(dòng)的小波分解

根據(jù)地極移動(dòng)規(guī)律，地極移動(dòng)具有6～7年規(guī)律，而兩個(gè)地極移動(dòng)周期恰好是13～14年，此周期正是大興安嶺地區(qū)的豐枯水周期，同時(shí)與行星匯聚周期相對(duì)應(yīng)。一般大興安嶺地區(qū)洪水在地極振幅最大和最小年發(fā)生。由表4 可知，在地極移動(dòng)的X、Y方向上都存在與大興安嶺洪水相對(duì)應(yīng)的活動(dòng)周期，11年、22年、6～7年活動(dòng)周期很明顯，而這些周期不僅是大興安嶺地區(qū)洪水活動(dòng)周期，也是太陽(yáng)活動(dòng)明顯的周期。由此可知，太陽(yáng)活動(dòng)和地極移動(dòng)周期都對(duì)大興安嶺地區(qū)洪水存在一定影響，也證明了大興安嶺地區(qū)的洪水發(fā)生與地極移動(dòng)存在明顯的關(guān)聯(lián)性，而且越往北其影響表現(xiàn)越明顯。

表4 地極移動(dòng)的X、Y方向的周期統(tǒng)計(jì)

4 結(jié) 語(yǔ)

大數(shù)據(jù)技術(shù)是以數(shù)據(jù)為本質(zhì)的新一代革命性的信息技術(shù)，在數(shù)據(jù)挖潛過(guò)程中，能夠帶動(dòng)理念、模式、技術(shù)及應(yīng)用實(shí)踐的創(chuàng)新。本文利用大數(shù)據(jù)技術(shù)在所構(gòu)成的大數(shù)據(jù)庫(kù)中分析、歸納、總結(jié)出：副高變化、大西洋-歐洲三種典型環(huán)流轉(zhuǎn)換、極渦變化、地極移動(dòng)因子是大興安嶺區(qū)域性洪水的驅(qū)動(dòng)因子。在中國(guó)夏季3類雨型的2類雨型中大興安嶺地區(qū)發(fā)生洪水的概率高達(dá)64.3%，也證明了上述研究的正確性。

通過(guò)對(duì)大興地區(qū)洪水規(guī)律和演變特性，以及驅(qū)動(dòng)因子的變化規(guī)律分析發(fā)現(xiàn)：同處于北半球的大西洋-歐洲三種典型環(huán)流轉(zhuǎn)換和大興安嶺地區(qū)洪水，以及地球的地極移動(dòng)之間，存在一種類似環(huán)狀的擾動(dòng)機(jī)制，即“地極移動(dòng)-大西洋環(huán)流轉(zhuǎn)換-大興地區(qū)洪水”模式。這是大興安嶺區(qū)域洪水發(fā)生的深層次的原因。

從背景分析法可知，大興安嶺區(qū)域性洪水發(fā)生存在兩種背景：?大氣環(huán)流背景，此背景以副高變化、極渦變化、大西洋-歐洲三種典型環(huán)流轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)因子，大西洋-歐洲三種典型環(huán)流是主要原驅(qū)動(dòng)力；?地極移動(dòng)背景，此背景是地極移動(dòng)改變了地球自轉(zhuǎn)傾角，進(jìn)一步影響太陽(yáng)輻射在地球上的分布，導(dǎo)致熱量的驅(qū)動(dòng)而影響經(jīng)向、緯向環(huán)流變化進(jìn)而影響區(qū)域洪水的變化。兩種驅(qū)動(dòng)力也存在相互轉(zhuǎn)化、耦合下而發(fā)生混合驅(qū)動(dòng)的情形。

影響大興安嶺區(qū)域洪水演變的主要模式為：一般大興安嶺區(qū)域洪水主要發(fā)生時(shí)期為大西洋-歐洲三種典型環(huán)流W型時(shí)期，且環(huán)流型轉(zhuǎn)折點(diǎn)前后幾年為大洪水集中期，并在C型過(guò)渡期發(fā)生較大洪水。同時(shí)，受太陽(yáng)活動(dòng)影響，在大西洋-歐洲環(huán)流型轉(zhuǎn)換過(guò)程中存在兩種時(shí)間年限的周期，這種由大西洋發(fā)起的對(duì)洪水的影響會(huì)通過(guò)某種機(jī)制在東亞高緯度大大興安嶺地區(qū)有所反映。

通過(guò)以上分析驗(yàn)證了大數(shù)據(jù)分析技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)水文的中長(zhǎng)期預(yù)報(bào)，并能揭示出深層次的發(fā)生規(guī)律。同時(shí)在結(jié)合背景分析法的基礎(chǔ)上，可以構(gòu)建出新型的區(qū)域性洪水的中長(zhǎng)期預(yù)報(bào)模式。