衡陽暴雨洪澇特征及對后期農(nóng)業(yè)干旱影響

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。