南支槽對(duì)中長(zhǎng)期徑流預(yù)報(bào)的影響研究方法與流程

本發(fā)明涉及天氣系統(tǒng)對(duì)徑流區(qū)域降雨的影響研究技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種南支槽對(duì)中長(zhǎng)期徑流預(yù)報(bào)的影響研究方法。

背景技術(shù)：

南方電網(wǎng)區(qū)域水能資源豐富，約占全國(guó)的三分之一，主要分布在西部的云南、貴州、廣西三省區(qū)的紅水河、烏江、瀾滄江、金沙江、怒江等各大流域。水電對(duì)南方電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行和電力供應(yīng)具有十分重要的影響。但是，由于水電發(fā)電能力受天然徑流的影響，具有很大的不確定性，因此，如何提高天然徑流的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性尤其是中長(zhǎng)期預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，成為了水電調(diào)度運(yùn)行上迫切需要解決的困難之一。

冬季亞洲高空西風(fēng)帶受青藏高原影響分裂為南北兩支，在高原南側(cè)位于副熱帶地區(qū)的西風(fēng)帶簡(jiǎn)稱(chēng)南支西風(fēng)帶，這支西風(fēng)帶在孟加拉灣地區(qū)產(chǎn)生的一種地形槽稱(chēng)副熱帶南支西風(fēng)槽，簡(jiǎn)稱(chēng)南支槽，是冬季影響南亞和東亞的主要天氣系統(tǒng)。它是南支西風(fēng)上的一種擾動(dòng)，隨南支急流生消而生消，夏半年的南支槽無(wú)論強(qiáng)度和次數(shù)都遠(yuǎn)小于冬季。從多年平均冬季(10～5月)500hPa位勢(shì)高度場(chǎng)圖中可以看出，南支槽主要形成于孟加拉灣北部至青藏高原南側(cè)地區(qū)(15°-27.5°N，80°-100°E)。

南支槽影響我國(guó)南方降水天氣有移動(dòng)和靜止兩種方式，且以靜止居多。當(dāng)槽后副熱帶高壓較強(qiáng)時(shí)，南支槽快速東移，當(dāng)槽前和槽后的副熱帶高壓勢(shì)力相當(dāng)時(shí)，則有利于南支槽在孟加拉灣緩慢東移或靜止。移動(dòng)性南支槽過(guò)境時(shí)可造成地面溫度降低，濕度減小，風(fēng)向由偏南轉(zhuǎn)為偏北，雨區(qū)也自西向東移動(dòng)。移動(dòng)性南支槽在東移的過(guò)程中不但提供水汽輸送，槽前上升運(yùn)動(dòng)也為降水增強(qiáng)提供必要的動(dòng)力條件。靜止性南支槽對(duì)我國(guó)降水的影響主要是提供源源不斷的水汽輸送。

冬季，南支槽最深為明顯的斜壓槽，槽后有強(qiáng)冷平流相配合，冷空氣活動(dòng)頻繁，但冬季南支槽前西南風(fēng)水汽輸送較弱，上升運(yùn)動(dòng)淺薄，無(wú)強(qiáng)對(duì)流活動(dòng)，南支槽前降水不明顯，雨區(qū)主要位于高原東南側(cè)昆明準(zhǔn)靜止鋒至華南一帶，且降水不多。冬季南支槽如無(wú)冷空氣配合，一般只出現(xiàn)局部陣雨或小到中雨天氣，當(dāng)南支槽與冷空氣結(jié)合，則可造成大范圍的降溫、降雪天氣。

春季，低緯高原和整個(gè)華南地區(qū)的連陰雨天氣皆與南支槽有關(guān)。春季冷溫槽超前使得南支槽強(qiáng)度不如冬季強(qiáng)，但降水增加，是南支槽最活躍的時(shí)期，主要原因有三方面：一是冬季南支西風(fēng)強(qiáng)，西風(fēng)帶平直少波動(dòng)，春季隨著西風(fēng)強(qiáng)度減弱，南支西風(fēng)帶波動(dòng)增加，多槽脊活動(dòng)；二是冬季南支槽上空為強(qiáng)大的南支急流控制，急流中心入口區(qū)右側(cè)強(qiáng)烈的下沉運(yùn)動(dòng)抑制了槽前上升運(yùn)動(dòng)的發(fā)展，春季隨著急流減弱北撤，急流入口區(qū)南側(cè)的次級(jí)環(huán)流上升支使得南支槽垂直運(yùn)動(dòng)向上伸展，對(duì)流活躍，降水驟增；三是冬季水汽輸送偏弱而春季偏強(qiáng)，特別是副高外圍與南支槽相結(jié)合使槽前暖濕水汽輸送增強(qiáng)，垂直上升運(yùn)動(dòng)發(fā)展和對(duì)流增強(qiáng)，這為春季南支槽降水提供了豐沛的水汽來(lái)源。

全球大氣環(huán)流在20世紀(jì)70年代末發(fā)生了明顯的轉(zhuǎn)變，在這個(gè)轉(zhuǎn)變發(fā)生之后亞洲季風(fēng)環(huán)流及赤道東太平洋的信風(fēng)也發(fā)生了明顯減弱。同時(shí)，很多研究指出PDO對(duì)東亞季風(fēng)，甚至全球氣候都有重要影響。因此如何定義冬季副熱帶南支西風(fēng)槽？南支槽的季節(jié)內(nèi)振蕩和年際、年代際變化有什么規(guī)律？南支槽對(duì)南網(wǎng)地區(qū)降雨的影響，都是值得進(jìn)一步研究和探討的問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種南支槽對(duì)中長(zhǎng)期徑流預(yù)報(bào)的影響研究方法，對(duì)南支槽與南方電網(wǎng)地區(qū)徑流的影響關(guān)系進(jìn)行研究，以提高天然徑流的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性尤其是中長(zhǎng)期預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。

本發(fā)明采取的技術(shù)方案具體為：一種南支槽對(duì)中長(zhǎng)期徑流預(yù)報(bào)的影響研究方法，包括以下步驟：

步驟一，根據(jù)從天氣-氣候的觀點(diǎn)對(duì)冬季南支槽和春季南支槽的定義，分別計(jì)算出每年的冬季南支槽和春季南支槽強(qiáng)度指數(shù)；

步驟二，對(duì)冬季南支槽和春季南支槽強(qiáng)度指數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，分析得到南支槽的年際變化特征；

步驟三，基于標(biāo)準(zhǔn)化處理后的強(qiáng)度指數(shù)數(shù)據(jù)，定義南支槽強(qiáng)度指數(shù)的強(qiáng)弱臨界值，進(jìn)而分別篩選出冬季南支槽的強(qiáng)、弱年和春季南支槽的強(qiáng)、弱年；

步驟四，對(duì)南支槽強(qiáng)弱年的降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行合成分析，對(duì)比南支槽強(qiáng)年份與南支槽弱年份，南方地區(qū)的降水情況；

步驟五，對(duì)冬季南支槽、春季南支槽強(qiáng)度指數(shù)，與南方地區(qū)水文站的實(shí)際降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析；計(jì)算南支槽強(qiáng)度指數(shù)與不同月份實(shí)際降水量的相關(guān)系數(shù)，篩選出相關(guān)系數(shù)高的，作為南支槽對(duì)南方各個(gè)水文站點(diǎn)徑流的相關(guān)系數(shù)。

進(jìn)一步的，本發(fā)明步驟一中，根據(jù)南支槽的定義，基于水平分辨率為2.5°×2.5°的NCEP/NCAR全球逐月再分析資料，對(duì)于春季南支槽，計(jì)算從1950～2009年每年4月份的500hPa高度場(chǎng)上，在15～27.5°N緯度帶范圍內(nèi)，從80°E到100°E內(nèi)，每隔2.5個(gè)經(jīng)度，相應(yīng)經(jīng)度上位勢(shì)高度的平均值；然后對(duì)得到的多個(gè)平均位勢(shì)高度值進(jìn)行比較，得到其中的最小值，作為當(dāng)年春季南支槽的強(qiáng)度指數(shù)。經(jīng)計(jì)算得到的目標(biāo)值共9個(gè)，比較這9個(gè)平均位勢(shì)高度值，對(duì)于其中的最小值簡(jiǎn)寫(xiě)為Isi(SBT Intensity Index)。Isi值的較大或較小，對(duì)應(yīng)代表春季南支槽較弱或較強(qiáng)。其中對(duì)位勢(shì)高度值的計(jì)算參考現(xiàn)有A.A.吉爾斯等定義東亞大槽強(qiáng)度指數(shù)的方法，為現(xiàn)有算法。

對(duì)于冬季南支槽，以冬季(10月-次年5月)南支槽主要活動(dòng)區(qū)域(15°N-27.5°N，80°E-100°E)平均的500hPa位勢(shì)高度場(chǎng)，作為衡量該年冬季南支槽強(qiáng)、弱的強(qiáng)度指數(shù)。即計(jì)算每年10月到次年5月南支槽活動(dòng)區(qū)域所有的位勢(shì)高度的平均值，最終得到每年有一個(gè)強(qiáng)度指數(shù)值，指數(shù)值大，表示該年南支槽比較弱，反之亦然。

本發(fā)明步驟二中，對(duì)冬季和春季的南支槽強(qiáng)度指數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理后，進(jìn)而基于標(biāo)準(zhǔn)化處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行強(qiáng)度指數(shù)與年份相關(guān)的繪圖，得到強(qiáng)度指數(shù)的年度變化趨勢(shì)圖，以方便分析冬季和春季南支槽強(qiáng)度的年際變化特征。上述標(biāo)準(zhǔn)化處理即：標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果數(shù)據(jù)＝(原數(shù)據(jù)-均值)/標(biāo)準(zhǔn)差。

本發(fā)明步驟三中，對(duì)冬季和春季的南支槽指數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理后，以正負(fù)1為臨界值，確定南支槽強(qiáng)、弱年，大于1的年份取為南支槽的減弱年；小于-1的年份為南支槽的增強(qiáng)年。

步驟四中，將春季南支槽增強(qiáng)年與減弱年的4月降水量進(jìn)行合成，得到增強(qiáng)年與減弱年之間降水量的差值，進(jìn)而制作差值圖。然后可與相關(guān)系數(shù)構(gòu)造的圖進(jìn)行比較分析。

上述相關(guān)系數(shù)構(gòu)造圖，即59年對(duì)應(yīng)的59個(gè)南支槽強(qiáng)度指數(shù)分別與南網(wǎng)地區(qū)95個(gè)站點(diǎn)的59年的降雨量進(jìn)行相關(guān)分析，由計(jì)算得到的相關(guān)系數(shù)的離散點(diǎn)數(shù)據(jù)繪制而成。實(shí)際計(jì)算得到的相關(guān)系數(shù)從西向東基本呈“+-+”分布。Isi值越小，南網(wǎng)地區(qū)的中部降水偏多，在貴州地區(qū)、云南東部的部分地區(qū)相關(guān)系數(shù)達(dá)到-0.35以上。而在廣東和云南西北部地區(qū)降水是減少的。

在南支槽減弱年和增強(qiáng)年的降水量差值分布圖與相關(guān)分析圖的分布形勢(shì)非常相似。春季往往在南支槽強(qiáng)度指數(shù)值越小(大)時(shí)，南支槽偏強(qiáng)(弱)，南網(wǎng)地區(qū)中部，主要是貴州、廣西地區(qū)有可能出現(xiàn)降水偏多(少)，南網(wǎng)地區(qū)的東部(主要是廣東地區(qū))、云南的西北部地區(qū)降水明顯偏少(多)。

上述步驟四研究的是南支槽與整個(gè)南網(wǎng)地區(qū)的降雨的關(guān)系，下述步驟五研究的是南支槽和單個(gè)水文站的關(guān)系。

步驟五中，分別計(jì)算冬季、春季南支槽強(qiáng)度指數(shù)與各個(gè)水文站點(diǎn)降水量的關(guān)系，利用同期相關(guān)系數(shù)和滯后相關(guān)分析方法，分別計(jì)算南支槽強(qiáng)度指數(shù)與不同月份降水量的相關(guān)系數(shù)，篩選出相關(guān)系數(shù)高的月份，作為南支槽對(duì)南方各個(gè)水文站點(diǎn)徑流的相關(guān)系數(shù)。例如2月的指數(shù)和南網(wǎng)地區(qū)徑流4月份的徑流相關(guān)性大，即相關(guān)系數(shù)大，那么可以在知道2月南支槽強(qiáng)度指數(shù)的情況下，預(yù)測(cè)南網(wǎng)地區(qū)4月份的徑流情況。

本發(fā)明的有益效果為：通過(guò)基于歷史數(shù)據(jù)對(duì)南支槽與南方電網(wǎng)地區(qū)徑流的影響關(guān)系進(jìn)行研究，得到兩者的相關(guān)系數(shù)，從而可以作為中長(zhǎng)期天然徑流預(yù)測(cè)的依據(jù)，進(jìn)而可提高天然徑流的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性，尤其是中長(zhǎng)期預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。

附圖說(shuō)明

圖1所示為本發(fā)明方法流程示意圖；

圖2所示為1960-2009年標(biāo)準(zhǔn)化春季南支槽強(qiáng)度指數(shù)的年際變化及其變化趨勢(shì)示意圖；

圖3所示為1960-2009年標(biāo)準(zhǔn)化冬季南支槽指數(shù)的年際變化及其變化趨勢(shì)示意圖；

圖4所示為南網(wǎng)地區(qū)4月降水量在南支槽減弱年和增強(qiáng)年的差值分布圖；其中1-差值大于400，2-差值200～400，3-差值0～200，4-差值-200～0，5-差值小于-800，6-差值-800～-600,7-差值-600～-400，8-差值-400～-200；

圖5所示為春季南支槽強(qiáng)度指數(shù)與南網(wǎng)地區(qū)95個(gè)水文站點(diǎn)同期降水量的相關(guān)系數(shù)分布示意圖；

圖6所示為冬季南支槽強(qiáng)度指數(shù)與南網(wǎng)地區(qū)95個(gè)水文站點(diǎn)夏季降水量的相關(guān)系數(shù)分布示意圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例進(jìn)一步描述。

本發(fā)明使用中國(guó)氣象局整編的1960-2009年南網(wǎng)地區(qū)95站降水月平均資料，和水平分辨率為2.5°×2.5°的，1960-2009年NCEP/NCAR全球逐月再分析資料。南網(wǎng)地區(qū)是指16-31°N，96-119°E范圍。主要包括廣東、廣西、海南、貴州和云南五省。

本發(fā)明主要采用合成分析、相關(guān)性分析的方法進(jìn)行研究。方法流程如圖1所示。

實(shí)施例

本發(fā)明南支槽對(duì)中長(zhǎng)期徑流預(yù)報(bào)的影響研究方法，包括以下步驟：

步驟一，從天氣-氣候的觀點(diǎn)定義冬季南支槽和春季南支槽，分別計(jì)算出冬季南支槽和春季南支槽指數(shù)，在此基礎(chǔ)上研究南支槽的氣候?qū)W特征。

具體的，根據(jù)南支槽的定義，利用水平分辨率為2.5°×2.5°的NCEP/NCAR全球逐月再分析資料。參考A.A.吉爾斯等定義東亞大槽強(qiáng)度指數(shù)的方法，定義從1950～2009年每年4月份的500hPa高度場(chǎng)上，在15～27.5°N緯度帶范圍內(nèi)，計(jì)算從80°E到100°E內(nèi)，每隔2.5個(gè)經(jīng)度，該經(jīng)度上位勢(shì)高度的平均值，共9個(gè)，比較這9個(gè)平均位勢(shì)高度值，得到其中的最小值，作為春季南支槽的強(qiáng)度指數(shù)，簡(jiǎn)寫(xiě)為Isi(SBT Intensity Index)。Isi值大(小)，代表春季南支槽比較弱(強(qiáng))。

對(duì)冬季南支槽的結(jié)構(gòu)特征有較全面認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，以冬季(10月-次年5月)南支槽主要活動(dòng)區(qū)域(15°N-27.5°N，80°E-100°E)平均的500hPa位勢(shì)高度場(chǎng)作為衡量該年冬季南支槽強(qiáng)、弱的指數(shù)。與春季南支槽指數(shù)相似，指數(shù)值大，表示該年南支槽比較弱，反之亦然。

步驟二，利用南支槽指數(shù)數(shù)據(jù)，分析南支槽的年際變化特征。

對(duì)第一步驟中春季和冬季的南支槽指數(shù)分別進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，得到分別對(duì)應(yīng)春季南支槽和冬季南支槽的數(shù)據(jù)繪圖，并計(jì)算的到變化趨勢(shì)，參考圖2和圖3所示，分析冬季和春季南支槽強(qiáng)度的年際變化特征。

1960-2009年逐年Isi標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果如圖2所示。從圖中可看出，春季南支槽的強(qiáng)弱程度逐年不同，有明顯的年際變化。隨著Isi的整體上升，其強(qiáng)度總體呈現(xiàn)減弱的趨勢(shì)(R＝0.55)，線(xiàn)性?xún)A向值b＝0.0384，表明春季南支槽強(qiáng)度以0.0384gpm/a的線(xiàn)性?xún)A向變?nèi)?。另外，從圖中還可看出，春季南支槽在20世紀(jì)60-70年代明顯偏強(qiáng),在1963年達(dá)到最強(qiáng)，1964年開(kāi)始稍微有所減弱，其變化趨勢(shì)平穩(wěn)，此現(xiàn)象持續(xù)到1976年，之后開(kāi)始逐漸減弱,從20世紀(jì)70年代末期減弱幅度增大，1977-1996年振幅較大，其中1989年春季南支槽最弱。1997年南支槽突然增強(qiáng)，之后大幅減弱，且振幅不大，趨勢(shì)平穩(wěn)，至今一直處于偏弱狀態(tài)。

1960-2009年近50年逐年冬季南支槽強(qiáng)度指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化的結(jié)果如圖3所示,可以看出:冬季南支槽的強(qiáng)、弱程度逐年不同,有很明顯的年際變化。隨著南支槽指數(shù)的整體上升,其強(qiáng)度總體呈現(xiàn)減弱的趨勢(shì)(R＝0.741)。線(xiàn)性?xún)A向值b＝0.0508,反映出南支槽強(qiáng)度0.508gpm/10a的線(xiàn)性?xún)A向變?nèi)酢?/p>

步驟三，定義南支槽指數(shù)強(qiáng)弱的臨界值，根據(jù)臨界值篩選出冬季南支槽的強(qiáng)弱年和春季南支槽的強(qiáng)弱年。

具體的，對(duì)冬季和春季的南支槽指數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理后，以正負(fù)1為臨界值，確定南支槽強(qiáng)、弱年，即大于1(小于-1)的年份取為冬、春季南支槽的減弱(增強(qiáng))年。

步驟四，對(duì)南支槽強(qiáng)弱年的降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行合成分析，對(duì)比強(qiáng)弱南支槽年份，南方地區(qū)的降水情況。

具體的，將春季南支槽增強(qiáng)、減弱年的4月降水量分別進(jìn)行合成，制作差值圖(弱年減強(qiáng)年)，如圖4所示.

步驟五，逐一對(duì)冬季南支槽與南方地區(qū)的各個(gè)水文站點(diǎn)實(shí)際降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析；春季南支槽與南方地區(qū)各個(gè)水文站點(diǎn)的實(shí)際降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析。

分別計(jì)算冬季、春季南支槽指數(shù)與各個(gè)水文站點(diǎn)降水量的關(guān)系，利用同期相關(guān)系數(shù)和滯后相關(guān)分析方法，分別計(jì)算南支槽系數(shù)與不同月份降水量的相關(guān)系數(shù)，具體的，相關(guān)系數(shù)計(jì)算公式利用的是數(shù)學(xué)中的皮爾遜相關(guān)系數(shù)公式，即

$r=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}(x_i-\stackrel{\‾}{x})(y_i-\stackrel{\‾}{y})}{\sqrt{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{(x_i-\stackrel{\‾}{x})}^2\·\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{(y_i-\stackrel{\‾}{y})}^2}},$

其中x_i是每一年的春季南支槽指數(shù)，y_i是每一年的對(duì)應(yīng)月的降雨量值，是59年南支槽指數(shù)的平均值，是某個(gè)站點(diǎn)59年降雨量的平均值)；

進(jìn)而可得到春季南支槽和冬季南支槽強(qiáng)度指數(shù)與南網(wǎng)地區(qū)95個(gè)水文站點(diǎn)同期降水量的相關(guān)系數(shù)分布圖，如圖5和圖6所示。然后篩選出相關(guān)系數(shù)高的指數(shù)月，作為南支槽對(duì)南方各個(gè)水文站點(diǎn)徑流的相關(guān)系數(shù)。

本發(fā)明通過(guò)基于歷史數(shù)據(jù)對(duì)南支槽與南方電網(wǎng)地區(qū)徑流的影響關(guān)系進(jìn)行研究，得到兩者的相關(guān)系數(shù)，從而可以作為中長(zhǎng)期天然徑流預(yù)測(cè)的依據(jù)，進(jìn)而可提高天然徑流的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性，尤其是中長(zhǎng)期預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。