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      衡陽暴雨洪澇特征及對后期農(nóng)業(yè)干旱影響

      2021-01-04 10:11:36彭雙姿肖美英李涵茂唐益民袁欽飛
      防災(zāi)科技學院學報 2020年4期
      關(guān)鍵詞:置信水平洪澇衡陽

      陳 濤,彭雙姿,韓 波,肖 蘭,肖美英,李涵茂,唐益民,袁欽飛

      (1.衡陽市氣象局,湖南 衡陽 421001;2.衡陽市農(nóng)業(yè)氣象試驗站,湖南 衡陽 421001)

      0 引言

      洪澇災(zāi)害是由于降水量大、降水強度過于集中,使雨水短時無法排出,或者江河、水庫水位上漲以及上游來水量過大、下游水庫頂托作用而發(fā)生溢流、潰壩所導(dǎo)致的災(zāi)害[1]。洪澇災(zāi)害是中國發(fā)生最為頻繁、量級最大、影響范圍最廣的災(zāi)害[2]。據(jù)不完全統(tǒng)計,全國平均每年有7.3×106hm2農(nóng)田遭受洪澇災(zāi)害,每年經(jīng)濟損失在150~200億元,占國民生產(chǎn)總值1%~2%,占全年主要自然災(zāi)害總損失30%以上[3]。對導(dǎo)致洪澇災(zāi)害發(fā)生的強降水,相關(guān)學者已開展大量研究[4—7]。中國暴雨強度和暴雨天數(shù)的空間分布表現(xiàn)為南方高于北方,東部高于西部,1990年代中后期為中國暴雨高發(fā)期[8]。郭廣芬[9]等對湖北暴雨洪澇致災(zāi)指標分析發(fā)現(xiàn),過程降水量能更好地反映持續(xù)性降水累積效應(yīng)的致災(zāi)作用,這是因為汛期可能出現(xiàn)連續(xù)幾天暴雨或特大暴雨,僅用一日降水量定義洪澇等級,一方面使一次洪澇過程被分為了幾次,另一方面如果將一次連續(xù)幾天的暴雨過程分為幾次,會降低洪澇災(zāi)害的等級。

      段德寅等[10]參考4—6月總雨量距平頻次≥30%、4—9月≥20%、4—9月間任意10天雨量之和≥200mm,符合其一者作為洪澇標準分析湖南1958—1998年洪澇變化特征:湖南洪澇年的氣候頻次為39.0%,20世紀90年代洪澇頻次顯著上升,達到了43.8%。2004年11月湖南省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局發(fā)布了湖南省氣象災(zāi)害術(shù)語和等級標準[11],其中就包含對湖南輕度、中度、重度洪澇定義,這為湖南洪澇研究提供了統(tǒng)一的技術(shù)標準。

      衡陽位于湖南省中南部,湘江中游,東鄰株洲、西接永州、邵陽,南接郴州、北靠湘潭,南北長150km,東西寬173km,總面積15310km2。衡陽周圍環(huán)繞著古老宕層形成的斷續(xù)環(huán)帶的嶺脊山地,整個地勢由西南向東北復(fù)合傾斜,由四周向中部降低,構(gòu)成典型的盆地形勢。衡陽盆地西高東低,盆地北面、南面、西面地勢較高,東側(cè)的湘江河谷兩岸海拔高度均在100m以下,形成盆地向東的出口。衡陽屬于亞熱帶季風濕潤氣候,四季分明,雨量充沛,年均降水1351mm,為湖南雨水較多地區(qū)之一。3—6月為主要降水時段,雨量占全年51.0%,期間常出現(xiàn)山洪、泥石流以及滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害。6月末雨季結(jié)束后,受副高控制以長時間高溫少雨天氣為主。

      衡陽具有分布廣且聚集的紫色土,總面積1.625×105hm2,其中以衡南、衡陽縣面積最大,占其總面積百分之六十左右。紫色土是由紫色頁巖為母基發(fā)育形成的土壤,其母巖顯露、土層淺薄。紫色土顏色呈淺棕色,吸熱能力強,夏季地表溫度極高,蒸發(fā)量大,蓄水保水能量差,是中國南方極具代表性的生態(tài)災(zāi)難區(qū)[12]。雨季結(jié)束后衡陽高溫少雨,極易澇旱急轉(zhuǎn),出現(xiàn)夏、秋旱或夏秋連旱頻發(fā)。

      劉蘭芳等[13-14]依據(jù)區(qū)域災(zāi)害形成理論,從衡陽孕災(zāi)環(huán)境、致災(zāi)因子、承災(zāi)體研究,分析其洪澇災(zāi)害特點,根據(jù)歷史受災(zāi)面積特征值來確定災(zāi)害等級,運用統(tǒng)計方法和灰色系統(tǒng)理論,對洪澇災(zāi)害發(fā)生規(guī)律進行分析,同時開展了農(nóng)業(yè)洪澇易損性評估。學院派學者對衡陽洪澇更偏重理論性研究,對本地史料性分析有所欠缺。另外衡陽氣象災(zāi)害是旱澇并重,澇與旱互為反相關(guān),雨季結(jié)束時間對后期農(nóng)業(yè)干旱影響十分關(guān)鍵,但這方面研究甚少。因此開展衡陽洪澇歷史變遷及旱澇相互影響研究尤為必要,有助于全面了解衡陽洪澇的歷史變化特點,對當?shù)卣樌_展防汛抗旱工作極為有利。

      1 資料與方法

      1.1 資料來源及分析說明

      本文研究資料來源于湖南省氣象信息中心。衡陽現(xiàn)有9個國家基準站和基本氣象站,其中南岳站為高山站,觀測場海拔高度1265.9 m,其高度接近對流層自由大氣底部[15],由于測站高度的特殊性,與其它8個低海拔站(簡稱低海拔區(qū))氣候差異性大[16]。2010年代所有站只有9年數(shù)據(jù),平均洪澇數(shù)為訂正后所得,衡東站建于1967年,1960年代僅4年數(shù)據(jù),故不做統(tǒng)計。洪澇周期變化采用小波分析,洪澇對后期干旱影響通過相關(guān)系數(shù)進行討論。文章所有分析數(shù)據(jù)均通過了湖南省氣候中心均一性檢驗。

      農(nóng)作物受(成)面積、種植面積數(shù)據(jù)來源于歷年出版的湖南災(zāi)害大典、湖南省農(nóng)村統(tǒng)計年鑒,時間跨度為1961—2018年。

      1.2 洪澇判斷標準及統(tǒng)計時間段

      洪澇判斷采用湖南省標準[11]:任意10d雨量之和≥200mm,如有兩段任意10d雨量之和≥200mm,且時間間隔大于15d,則判斷為兩次洪澇過程;如果兩次過程時間間隔小于15d,選降水量最大的一次。

      湖南省標準設(shè)定洪澇時間范圍是每年4—9月,隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和城市化進程的不斷加快,人口、社會、經(jīng)濟要素日趨密集,災(zāi)害暴露性顯著增加,任何時段出現(xiàn)強降水都可能造成負面影響,故文章把洪澇判斷時間擴大為全年。

      2 結(jié)果分析

      2.1 年、年代際洪澇

      表1為衡陽不同測點1960—2019年各年代洪澇平均值。低海拔區(qū)年均洪澇數(shù)為0.37次/a,略小于段德寅統(tǒng)計的全省0.39次/a,這是由于研究對象及時間不盡相同。段德寅統(tǒng)計的是湖南省1958—1998年數(shù)據(jù),1990年代,我國洪澇數(shù)達到頂峰,自2000年代開始,洪澇發(fā)生呈下降趨勢。南岳山受山地地形影響,其平均洪澇明顯高于低海拔區(qū),為1.38次/a,是低海拔區(qū)的3.7倍。從低海拔區(qū)洪澇空間分布來看,有中部少,南北多的特點。祁東最少(0.26次/a),其次是衡陽市(0.29次/a),南部耒陽洪澇最多(0.49次/a),其次是北部的衡山(0.47次/a)。

      圖1為南岳山、低海拔區(qū)1960—2010年代平均洪澇變化曲線。兩者變化規(guī)律相近,為高-低-高-低周期變化。1990年代為洪澇高發(fā)期,這與部分學者研究結(jié)論相近[17-19],此時南岳山洪澇頻次為2.0次/a,低海拔區(qū)為0.53次/a,南岳山是低海拔區(qū)的近4倍。南岳山在1980年代洪澇最少,為0.9次/a,低海拔區(qū)在1970年代最少,為0.21次/a,南岳山是低海拔區(qū)的4.3倍。

      從低海拔區(qū)各測點數(shù)據(jù)分析(表1),1970—1980年代為洪澇偏少期,祁東在1970年代,常寧在1980年代甚至未出現(xiàn)洪澇。洪澇多發(fā)時段分布呈離散狀,衡山、衡陽市、祁東、常寧出現(xiàn)在1990年代,衡陽縣、衡南出現(xiàn)在1960年代,衡東、耒陽出現(xiàn)在2000年代。

      表1 衡陽1960—2019年,年代際洪澇

      圖1 1960-2010年代際洪澇數(shù)Fig.1 The number of flood from 1960 to 2010

      2.2 洪澇發(fā)生頻次

      圖2是低海拔區(qū)(圖2a)、南岳山(圖2b)不同等級洪澇出現(xiàn)頻次。低海拔區(qū)域輕度洪澇偏多(68.3%),中度、重度洪澇各占19.7%和12.0%。南岳山輕度、中度、重度洪澇占比分別為47.3%、23.7%、29.0%,南岳山不僅年洪澇數(shù)較低海拔區(qū)偏多,高等級洪澇更多,南岳山年降水量較低海拔區(qū)明顯偏多是原因之一。

      表2為低海拔區(qū)各級洪澇占當?shù)乜偤闈持取:馍?、衡東、衡陽縣輕度洪澇占比明顯高于衡陽中、南部各區(qū)域,其占比例均在70%以上,衡東>甚至達到82.6%,衡陽市輕度洪澇占比最小(57.9%);中度洪澇占比衡南最多(30%),衡東最少(8.7%);重度洪澇則是衡陽市占比最多(21.1%),衡南最少(5.0%)。

      標準差分析發(fā)現(xiàn),洪澇等級越低,則各測點之間洪澇數(shù)的差別越大,等級越高,測點的洪澇數(shù)差別越小。輕度洪澇的標準差為8.432,重度洪澇的標準差為5.909。

      圖2 低海拔區(qū)、南岳山各級洪澇發(fā)生頻次Fig.2 The occurrence frequency of flood at all levels in low altitude areas and Nanyue Mountain

      2.3 洪澇月占比

      表3為南岳山、低海拔區(qū)各級洪澇的月占比。衡陽洪澇可能發(fā)生時段在3—11月,等級越低,時間跨度越大。低海拔區(qū)輕度洪澇出現(xiàn)在3—8月、10—11月,6月占比最大(32.0%);中度洪澇出現(xiàn)在3—8月,6月占比最大(27.8%);重度洪澇出現(xiàn)在5—8月,但主要集中在6月(45.5%)、7月(40.9%)。 南岳山輕度洪澇出現(xiàn)在4—11月,5、6月占比最大(18.2%);中度洪澇在3—9月出現(xiàn),6月占比最大(29.6%);重度洪澇出現(xiàn)在5—10月,6、8月占比最大(22.7%)。南岳山出現(xiàn)輕度、中度、重度洪澇可能月份分別有8個、7個、6個。無論是南岳山還是低海拔區(qū),各級洪澇在6月的占比均最大,6月對于衡陽防汛十分關(guān)鍵。

      表2 低海拔區(qū)各級洪澇占比及標準差(%)

      表3 南岳山、低海拔區(qū)各級洪澇月占比(%)

      省標準中洪澇統(tǒng)計時段在4—9月,從全年統(tǒng)計結(jié)果來看,低海拔區(qū)在3月、10月、11月仍有不同比例的輕、中度洪澇出現(xiàn),特別是3月中度洪澇占比仍偏高(13.9%)。10—11月南岳山有輕、重度洪澇出現(xiàn)可能?;诤闈吃u估的完整性考慮,衡陽洪澇統(tǒng)計時間在3—11月較好。

      2.4 洪澇月平均雨量

      圖3為南岳山及低海拔區(qū)月洪澇過程雨量。南岳山9月洪澇雨量最大,為337.9mm,其次是3月為288.6mm,11月洪澇雨量最小,為217.4mm,最大月與最小月雨量差為120.5mm。低海拔區(qū)各月洪澇雨量差別不大,最大出現(xiàn)在7月,為280.4mm,11月最小,為212.7mm,月際差為67.7mm。絕大部分月份,南岳山洪澇雨量較低海拔區(qū)多,僅7月低海拔區(qū)洪澇雨量較南岳山略偏多6.6mm。

      圖3 低海拔區(qū)、南岳山月洪澇平均雨量Fig.3 Monthly average flood rainfall in low altitude areas and Nanyue Mountain

      進一步分析發(fā)現(xiàn),月洪澇雨量大小與月內(nèi)各級洪澇占比有關(guān),重度洪澇占比越大則月洪澇雨量越大,輕度洪澇占比越大,則月洪澇雨量越少。南岳山9月洪澇雨量最大,其重度洪澇數(shù)占比最大為63.4%,輕度、中度洪澇占比分別為23.7%和12.9%。11月南岳山僅出現(xiàn)輕度洪澇,中、重度洪澇為零,月洪澇雨量最少;在低海拔區(qū),7月重度洪澇數(shù)占當月洪澇56.8%,為各月中重度洪澇占比最大,其月洪澇雨量也最大。11月輕度洪澇數(shù)占比100%,月洪澇雨量最少。

      2.5 洪澇周期變化

      研究表明洪澇的氣候變化存在多種時間尺度,在頻域中又表現(xiàn)出不同顯著性水平的周期振蕩。小波分析可將一維氣候信號在時間域和頻率域中展開,反應(yīng)出氣候信號時頻結(jié)構(gòu)的精細變化和局部特征。圖4、圖5分別為南岳山和低海拔區(qū)洪澇小波分析結(jié)果:近60a來,南岳山洪澇存在25a、12a左右,6a和2—4a時間尺度的周期信號。2~4a振蕩周期信號基本貫穿整個分析時段,在1970—1975年、1980—1985年、1995—1998年、2007—2012年,洪澇2—4a的振蕩周期通過了置信水平95%顯著性檢驗;6a左右的振蕩周期主要發(fā)生在1970—2010年;12a振蕩周期出現(xiàn)在1960—1985年;25a振蕩周期貫穿整個時段,60a中大約經(jīng)歷了5個多~少周期轉(zhuǎn)換,目前處于洪澇偏多時期。低海拔區(qū)的洪澇周期變化與南岳山不同,首先其振蕩周期更加復(fù)雜,周期信號的時域分布存在著明顯的局部變化特征,除25a長周期貫穿整個時域外,其它短振蕩周期只是局部出現(xiàn)。2~4a振蕩周期出現(xiàn)在2008年以前,6a左右的振蕩周期出現(xiàn)在1960—1990年、1970—2003年還出現(xiàn)了10a左右的振蕩周期。通過置信水平95%檢驗的有2a振蕩周期在1990—1996年,4a周期在2000—2003年,6a周期在1962—1970年。

      圖4 南岳山洪澇小波功率譜(a)及實部(b)Fig.4 Wavelet power spectrum (a) and the real part of the wavelet transform coefficient (b) of flood in Nanyue Mountain

      2.6 洪澇與農(nóng)業(yè)干旱

      衡陽地處衡邵干旱走廊中心位置,旱澇并重是衡陽主要氣象災(zāi)害特征。洪澇與干旱反相關(guān),這種相關(guān)性受過程降水強度、降水出現(xiàn)時間影響較大。為了進一步研究洪澇對后期農(nóng)業(yè)干旱的影響,分別計算1961—2018年3—9月不同月份組合的洪澇頻次及衡陽水稻受(成)災(zāi)面積與同期種植面積百分比,分別統(tǒng)計相關(guān)系數(shù),表4為通過置信水平90%及以上相關(guān)性檢驗組合。

      表4 衡陽不同時段洪澇頻次與受(成)災(zāi)面積百分比相關(guān)系數(shù)

      圖5 低海拔區(qū)洪澇小波功率譜(a)及實部(b)Fig.5 Wavelet power spectrum (a) and the real part of the wavelet transform coefficient (b) of flood in low altitude areas

      結(jié)果表明,部分單月及多月份組合的洪澇頻次與水稻受(成)災(zāi)面積比存在顯著性反相關(guān),其中與水稻受災(zāi)面積百分率相關(guān)性更好。通過99%置信水平顯著性檢驗的有受災(zāi)面積百分比與4—7月、4—8月、5—7月洪澇頻次反相關(guān),其中與4—7月洪澇頻次的反相關(guān)性最好(r=-0.381)。通過置信水平98%顯著性檢驗的除以上三個時段外,另有4—6月、5—8月、6—7月和6—8月四個時段,此外3—7月、3—8月、7—8月、5—6月洪澇頻次與水稻受災(zāi)面積百分比的相關(guān)性通過了置信水平90%顯著性檢驗。6月、7月洪澇頻次與受災(zāi)面積百分比的相關(guān)性分別通過90%、95%顯著性檢驗。

      鑒于7月降水對衡陽農(nóng)業(yè)的重要影響,將歷年7月降水量與當年水稻受災(zāi)面積百分率做相關(guān)性分析,相關(guān)系數(shù)為-0.386,達到極顯著反相關(guān)水平,甚至高于4—7月洪澇頻次對后期農(nóng)業(yè)干旱影響。進一步統(tǒng)計歷年4—6月、7月降水量,篩選出4—6月降水偏多,7月降水異常偏少的8年,平均水稻受災(zāi)面積比值為13.5%,較歷年均值偏高3.8%,其中2003年水稻受災(zāi)面積比值高達26.8%;出現(xiàn)4—6月降水偏少,7月降水異常偏多有3年,平均受災(zāi)面積比值8.57%,低于歷年1.14%,這表明7月降水量異常偏多(少)對后期農(nóng)業(yè)干旱影響十分明顯。7月是衡陽農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的“雙槍”期,晚稻移栽,一季稻抽穗,對雨水需求多,8月以后,水稻對水量需求減少,7月降水充沛,后期出現(xiàn)農(nóng)業(yè)干旱頻次明顯減少。

      3 結(jié)論及討論

      本文基于湖南省洪澇標準,對衡陽各觀測點近60a逐日降水資料統(tǒng)計分析,獲得各地洪澇在不同時間尺度上的變化特點,運用小波分析洪澇的周期變化,最后通過相關(guān)系數(shù)研究,討論不同時段洪澇對后期農(nóng)業(yè)干旱影響。

      (1)衡陽低海拔區(qū)洪澇頻次為0.37次/a,南岳山為1.38次/a,是低海拔區(qū)的近4倍。低海拔區(qū)洪澇南北多,中部少,基于衡陽的盆地地形,海拔高度與洪澇頻次是否相關(guān),有待進一步研究,實況是海拔高的區(qū)域,洪澇頻次相對偏多。年代際洪澇經(jīng)歷了高~低~高~低兩個周期,1970、1980年代洪澇偏少,偏多主要出現(xiàn)在1990年代,另有部分測站出現(xiàn)在1960、2000年代。

      (2)南岳山與低海拔區(qū)洪澇存在結(jié)構(gòu)性差異。南岳山中、重度洪澇偏多,占總洪澇的52.7%,低海拔區(qū)則以輕度洪澇為主,占68.3%。由于南岳山中、重度洪澇偏多,且洪澇基數(shù)相對較大,其年雨量較低海拔區(qū)明顯偏多。

      (3)衡陽洪澇出現(xiàn)在3—11月,洪澇等級越低,時間跨度越大。6月洪澇頻次最大,是防汛關(guān)鍵時期。南岳山洪澇雨量9月最大,11月最少。低海拔區(qū)7月最大,11月最少。月洪澇雨量多少與輕度、重度洪澇占比有關(guān),重度洪澇占比越大則月洪澇雨量越大,輕度洪澇占比越大則月洪澇雨量越少。

      (4)南岳山洪澇存在25a、12a、6a和2—4a時間尺度的周期信號,25a和2—4a振蕩周期信號基本貫穿整個分析時段,6a、12a振蕩周期只在部分時間出現(xiàn),2—4a振蕩周期在1970—1975年、1980—1985年、1995—1998年、2007—2012年通過95%顯著性檢驗;低海拔區(qū)的振蕩周期更加復(fù)雜,除25a長周期貫穿整個時域外,其它短振蕩周期只局部出現(xiàn)。

      (5)單月中6、7月,組合月中3至8月多個組合的洪澇頻次與受災(zāi)面積百分比的相關(guān)性通過置信水平90%以上顯著性檢驗,其中與4—7月洪澇頻次相關(guān)性最好(r=-0.381),通過置信水平99%顯著性檢驗的組合還有4—8月、5—7月。這些相關(guān)顯著時段均包含7月,7月洪澇頻次的相關(guān)性也通過了置信水平95%顯著性檢驗,是單月中最顯著的,7月降水對后期干旱影響十分重大,降水充沛,后期干旱幾率偏小,反之將增大。

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