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太阳黑子和SOI对黄河上游径流的影响

张仲荣  
【摘要】: 河川径流受气候、流域自然地理及人类活动的综合影响,其变化呈一个非线性动力系统。尤其是黄河流域,跨越多种自然地理环境,受来自不同的气候带的影响,致使流域内气象万千,水文现象错综复杂。也由于对其流域水文过程的认识程度,以及分析、模拟流域所持有实测的、文献记录的或历史调查等资料情况的局限,至今还难以完全用数学物理方法确切地描述其中每一个子过程。况且其径流变化特性的分析与研究方法主要依赖于传统的统计理论和方法,而在现有的降雨及径流分析模拟中,概念性流域水文模型或引入气象等外部因子分析建模占有主导地位,从而导致目前黄河流域水文水资源情势变化规律的分析与预测,主要借助于传统的统计方法、概念性模拟或经验函数关系的描述。 本论文搜集黄河上游唐乃亥站的径流量、太阳黑子相对数、SOI(Southern Oscillation Index)、典型站点的降水和气温资料,运用小波理论及分析方法和人工神经网络理论及建模方法,对唐乃亥站的年径流量的重要特征如周期性、相关性和突变性进行了分析研究,并对太阳黑子数、与黄河上游年径流时序相关性进行了多尺度分析,以挖掘太阳活动对其长期变化产生的影响,从而加深对黄河上游区域的径流长期演变规律的认识。与此同时,利用水文气象资料,用GRNN神经网络进行了1961~1998年的月径流量的模拟和预测验证,并对输入项加入太阳黑子相对数、南方涛动指数(SOI)后对黄河上游唐乃亥站的径流量进行了模拟和预测验证。研究分析主要取得了以下主要成果: (1)黄河上游径流呈现以枯水期占优势的丰、枯水交替变化规律,其完整的丰枯循环周期在18a左右;1920~1998年的年径流量呈现弱增长趋势,2000年以后有望进入一个丰水段;该区年均径流量为617m~3/s,主要集中在6~10月份;月均径流、降水和气温在变换趋势和影响月份上具有高相关性;在全球变暖的大环境下,研究区气温处于波动上升状态,20世纪90年代以后,降水、径流均呈下降趋势。 (2)在不同的分辨率下,太阳黑子和黄河年径流量存在着相似的周期波动。 (3)太阳黑子、年径流分别存在以11年和2~3年为主的多尺度周期。在太阳黑子的磁性周期内,两者相关性、规律性较强。 (4)采用GRNN网络,建立人工冲经网络的太阳黑子~径流模拟预测模型,发现该模型对月均径流的模拟效果较好,验证效果较差;误差目标NSE(Nash—Sutcliffe)提高24.46%;黄河上游径流量的变化具有混沌恃性。 本研究黄河上游区域年、月径流的长期变化特性的分析,可为决策、研究及公众提供黄河上游径流未来变化的背景。


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