遼河流域洪澇致災(zāi)氣候閾值研究

劉向培，賈慶宇，佟曉輝，楊劍刃

(1.解放軍31457部隊(duì)，遼寧 沈陽 110027；2. 中國氣象局沈陽大氣環(huán)境研究所，遼寧 沈陽 110166)

1 研究區(qū)域

遼河流域位于中國東北地區(qū)南部，東、西兩側(cè)為低、中山，地勢(shì)較高，北部為松遼流域分水嶺，西、北、東三面群山崗丘呈馬蹄形環(huán)抱遼河平原，其海拔高度分布及流域內(nèi)站點(diǎn)分布如圖1所示。該區(qū)域地處溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，各地氣候差異較大，降水年內(nèi)分配不均勻。冬季經(jīng)常處于大陸干冷氣團(tuán)控制之下，降水量少；夏季受東南季風(fēng)影響，并有臺(tái)風(fēng)入侵，水汽充沛，6—9月降水量占全年的70%以上，降水集中且常出現(xiàn)暴雨[1]。遼河流域既是我國的工業(yè)基地，也是農(nóng)業(yè)基地，2000年遼河流域的地區(qū)生產(chǎn)總值3236.87億元，占整個(gè)東北地區(qū)的31.5%；遼河流域耕地面積476萬hm2，主要農(nóng)作物是玉米、小麥、水稻等，農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值791.88億元，占東北地區(qū)的32%[1]。

圖1 1971—2000年遼河流域年平均降水量和洪澇災(zāi)害次數(shù)空間分布

2 研究資料與方法

2.1 研究資料

氣象資料為中國地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集(V3.0)的日降水?dāng)?shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)已經(jīng)通過時(shí)間、空間一致性檢查、臺(tái)站極值檢查以及人工核查等質(zhì)量控制。遼河流域地理范圍來自國家科技基礎(chǔ)條件平臺(tái)湖泊—流域科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http：//lake.geodata.cn)，高程數(shù)據(jù)來自中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心資源環(huán)境數(shù)據(jù)云平臺(tái)(http：//resdc.cn)。遼河流域洪澇災(zāi)情數(shù)據(jù)主要來自中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)的中國暴雨洪澇災(zāi)害數(shù)據(jù)集和中國農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害資料數(shù)據(jù)集、《中國氣象災(zāi)害大典》[2-4]《新中國農(nóng)業(yè)60年統(tǒng)計(jì)資料》[5]《遼寧省氣象災(zāi)害》[6]《內(nèi)蒙古自治區(qū)志(氣象志)》[7]等。

2.2 研究方法

理想的致災(zāi)氣候閾值是采用一個(gè)簡(jiǎn)單有效的方法反映受災(zāi)情況[8-9]。本文以日為單位整理1971—2000年流域內(nèi)各站點(diǎn)洪澇災(zāi)害發(fā)生日期和對(duì)應(yīng)日期的降水量，分析洪澇災(zāi)害的時(shí)、空分布特征，對(duì)比洪澇災(zāi)害日與非災(zāi)害日特征量(絕對(duì)降水量(Pa，為各站點(diǎn)觀測(cè)日降水量)和相對(duì)降水量(Pr，為某日降水量與研究時(shí)間段內(nèi)當(dāng)日平均降水量的比值))的差異，根據(jù)區(qū)域特點(diǎn)選取最優(yōu)特征量并設(shè)計(jì)洪澇災(zāi)害致災(zāi)氣候閾值。

洪澇災(zāi)害日與非災(zāi)害日的特征量存在較明顯差異，但僅比較二者的平均值難以細(xì)致描述它們之間的差異及其變化規(guī)律，同時(shí)，由于洪澇災(zāi)害的發(fā)生受到多種因素影響，如果僅比較洪澇災(zāi)害日最小特征量和非災(zāi)害日最大特征量，所得結(jié)果容易受到洪澇災(zāi)害主觀判定標(biāo)準(zhǔn)、偶然因素等的影響而產(chǎn)生偏差。本文一方面要求各站點(diǎn)洪澇災(zāi)害數(shù)據(jù)足夠多，以確保結(jié)果具有統(tǒng)計(jì)意義；另一方面要求各站點(diǎn)洪澇災(zāi)害數(shù)據(jù)足夠少，以確保結(jié)果反映洪澇災(zāi)害的臨界條件。綜合考慮以上兩個(gè)方面，本文分析洪澇災(zāi)害日最小20%特征量與非災(zāi)害日最大20%特征量的差異，對(duì)比二者判別洪澇災(zāi)害的能力。

為便于對(duì)比絕對(duì)降水量(Pa)和相對(duì)降水量(Pr)對(duì)洪澇災(zāi)害的判別能力，引入差異指數(shù)的概念，其中，絕對(duì)差異指數(shù)(Indr)為洪澇災(zāi)害日與非災(zāi)害日絕對(duì)降水量的差值與該日平均絕對(duì)降水量的比值，相對(duì)差異指數(shù)(Indr)為洪澇災(zāi)害日與非災(zāi)害日相對(duì)降水量的差值與該日平均相對(duì)降水量的比值。

3 遼河流域洪澇災(zāi)害氣候閾值分析

3.1 降水和洪澇災(zāi)害的時(shí)空分布

遼河流域各地年平均降水量的差異較大，總體上自東南向西北遞減。1971—2000年，流域年平均降水的空間分布如圖1(a)所示，各站點(diǎn)年降水量平均為621 mm，位于流域東南部的遼寧東部部分地區(qū)年平均降水量超過900 mm，其中，寬甸站最大，達(dá)到1049 mm，位于流域西北部的內(nèi)蒙古東南部和遼寧西北部部分地區(qū)年平均降水量低于400 mm，其中，開魯站最小，僅328 mm。

圖1(b)為1971—2000年遼河流域洪澇災(zāi)害日數(shù)的空間分布情況。由圖可見，其與年平均降水量的分布較一致，總體上表現(xiàn)為從東南向西北遞減，東南部部分區(qū)域洪澇災(zāi)害日數(shù)超過90 d，其中，集安站最多，洪澇災(zāi)害日數(shù)達(dá)到107 d，雖與年平均降水量最大的寬甸站同樣位于流域東南部，但有一定偏移。此外，雖然災(zāi)害發(fā)生較少的站點(diǎn)主要集中在流域西北部，但旅順站洪澇災(zāi)害日數(shù)僅為19 d，在區(qū)域內(nèi)最少。

圖2反映了1971—2000年遼河流域年平均降水量的變化情況。在研究時(shí)段內(nèi)，遼河流域降水呈波動(dòng)狀變化，各年平均降水量的標(biāo)準(zhǔn)差為96 mm，其中，1985年的降水量最大，為832 mm，1999年的降水量最小，僅為466 mm。圖2還反映了1971—2000年遼河流域各站點(diǎn)洪澇災(zāi)害總?cè)諗?shù)的時(shí)間變化。研究時(shí)段內(nèi)災(zāi)害日數(shù)波動(dòng)較大，年平均洪澇災(zāi)害日數(shù)為83 d，標(biāo)準(zhǔn)差為50。其中，1976年最少，為26 d，1985年最多，達(dá)到278 d。各站點(diǎn)洪澇災(zāi)害總?cè)諗?shù)與年平均降水量的變化較一致，二者之間的相關(guān)系數(shù)為0.77。在降水較多的年份，洪澇災(zāi)害也較多，反之亦然，尤其是在1985年，研究時(shí)段內(nèi)最多的年降水量是導(dǎo)致洪澇災(zāi)害發(fā)生最多的一個(gè)重要原因。在一年之內(nèi)，遼河流域洪澇災(zāi)害最早發(fā)生于4月底，最晚發(fā)生于10月末(洪澇災(zāi)害集中期)，洪澇災(zāi)害主要集中于7月和8月，發(fā)生于這兩個(gè)月的洪澇災(zāi)害占洪澇災(zāi)害總量的85%。

圖2 1971—2000年遼河流域年平均降水量和各站點(diǎn)洪澇災(zāi)害總?cè)諗?shù)變化

圖3為洪澇災(zāi)害集中期各站點(diǎn)不同強(qiáng)度降水發(fā)生次數(shù)和對(duì)應(yīng)的洪澇災(zāi)害總?cè)諗?shù)，為便于對(duì)比，圖中沒有顯示日降水強(qiáng)度<20 mm的數(shù)據(jù)。由圖可見，流域內(nèi)降水發(fā)生次數(shù)隨著強(qiáng)度的增加而減小，日降水量主要集中在100 mm以下，該強(qiáng)度內(nèi)降水所占比例超過99%，日降水量在50 mm以下的降水所占比例超過96%。對(duì)比圖中降水次數(shù)與洪澇災(zāi)害次數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，二者的分布表現(xiàn)出較明顯的差異，遼河流域?qū)е潞闈碁?zāi)害發(fā)生的日降水強(qiáng)度主要集中在20 mm以上，其中，日降水強(qiáng)度在45～50 mm時(shí)，發(fā)生的洪澇災(zāi)害次數(shù)最多，占全部洪澇災(zāi)害的10%，隨著日降水量的增加，發(fā)生相應(yīng)降水的次數(shù)及洪澇災(zāi)害的次數(shù)逐漸減少。

圖3 1971—2000年洪澇災(zāi)害集中期各站點(diǎn)不同強(qiáng)度降水發(fā)生次數(shù)和洪澇災(zāi)害總?cè)諗?shù)

3.2 遼河流域洪澇災(zāi)害日與非災(zāi)害日降水差異的時(shí)空分布

降水是導(dǎo)致洪澇災(zāi)害發(fā)生的直接原因，從不同角度對(duì)比洪澇災(zāi)害日與非災(zāi)害日降水的差異，是確定洪澇災(zāi)害致災(zāi)氣候閾值的基礎(chǔ)。

3.2.1 時(shí)間變化

圖4為1971—2000年遼河流域洪澇災(zāi)害日最小20%絕對(duì)降水量(Pat20)與非洪澇災(zāi)害日最大20%絕對(duì)降水量(Paf20)的時(shí)間變化情況。Pat20在洪澇災(zāi)害集中期表現(xiàn)為兩端大中間小的特征，即4月末和10月末較大，7月末和8月初較小，這主要是因?yàn)樵诤闈碁?zāi)害集中期的兩端，平均降水相對(duì)較小，河湖蓄水較少，土壤含水量較小，洪澇災(zāi)害的發(fā)生多由于強(qiáng)度較大的降水導(dǎo)致，在這些導(dǎo)致洪澇災(zāi)害發(fā)生的降水中，日降水量相對(duì)較小的20%的數(shù)值仍相對(duì)較大，而7月末和8月初是降水最充沛的時(shí)間，河湖中蓄水量較大，前期降水導(dǎo)致土壤含水量相對(duì)較高，較小的降水就會(huì)導(dǎo)致洪澇災(zāi)害的發(fā)生。Paf20的時(shí)間分布特征與Pat20相反，表現(xiàn)為兩端小中間大的特征，即4月末和10月末較小，7月末和8月初較大，這種特征主要是由降水量的時(shí)間變化決定的，7月末和8月初降水量較大，非洪澇災(zāi)害日的降水量也較大，非洪澇災(zāi)害日最大20%降水的數(shù)值也就相對(duì)較大。

圖4 洪澇災(zāi)害日最小20%日絕對(duì)降水量 (相對(duì)降水量)

圖5為1971—2000年遼河流域洪澇災(zāi)害日最小20%相對(duì)降水量(Prt20)與非洪澇災(zāi)害日最大20%相對(duì)降水量(Prf20)的時(shí)間變化情況。在洪澇災(zāi)害集中期，Prt20同樣表現(xiàn)為兩端較大、7月末8月初較小的時(shí)間變化特征，與Pat20較一致。Prf20的時(shí)間變化表現(xiàn)為洪澇災(zāi)害集中期兩端大，7月末8月初較小，但是這種變化的幅度很小，Prf20保持在5左右變化。

圖5 非災(zāi)害日最大20%絕對(duì)降水量 (相對(duì)降水量)

洪澇災(zāi)害日與非災(zāi)害日特征量的差異對(duì)洪澇災(zāi)害的確定有著直接影響。由于Pat20與Paf20差值(Da20)和Prt20與Prf20差值(Dr20)含義不同，為便于對(duì)比，本文將洪澇災(zāi)害日和非災(zāi)害日絕對(duì)降水量(相對(duì)降水量)的差值與研究時(shí)段內(nèi)該日平均絕對(duì)降水量(相對(duì)降水量)的比值定義為絕對(duì)差異指數(shù)Inda(相對(duì)差異指數(shù)Indr)，剔除Da20和Dr20各自含義的影響，分析二者差異。圖6為Inda和Indr的時(shí)間變化情況，兩指數(shù)的變化規(guī)律較一致，均為在洪澇災(zāi)害集中期兩端較大，在7月末8月初較小，差異指數(shù)的時(shí)間變化情況表明，基于絕對(duì)降水量或相對(duì)降水量可以設(shè)計(jì)洪澇災(zāi)害氣候閾值，對(duì)比二者的差異可以發(fā)現(xiàn)，總體上絕對(duì)差異指數(shù)較大，平均為4.0，相對(duì)差異指數(shù)較小，平均為1.9。這表明針對(duì)整個(gè)遼河流域，以絕對(duì)降水量作為特征量更容易判定洪澇災(zāi)害。

圖6 絕對(duì)差異指數(shù)與相對(duì)差異指數(shù)時(shí)間變化

3.2.2 空間分布

圖7(a)為Inda的空間分布。雖然，遼河流域西部地區(qū)的絕對(duì)降水差異Da20較小，但由于該地區(qū)降水量少，使得絕對(duì)差異指數(shù)較大，表明以絕對(duì)降水量為特征變量，能夠較好地判定洪澇災(zāi)害發(fā)生與否。在遼河流域東部，在Da20相對(duì)較小的同時(shí)，降水量相對(duì)較大，這導(dǎo)致該地區(qū)的Inda的數(shù)值小于西部地區(qū)。另外，遼河流域東部和西部的Inda具有較明顯的差異的同時(shí)，總體上Inda均為較大正值，平均為8.8，表明絕對(duì)降水量Pa對(duì)洪澇災(zāi)害的判別能力較好。

圖7 洪澇災(zāi)害集中期絕對(duì)差異指數(shù)和相對(duì)差異指數(shù)空間分布

圖7(b)為相對(duì)差異指數(shù)Indr的空間分布。Indr與Inda的空間分布較一致，總體上表現(xiàn)為遼河流域西部較大而東部較小，但不同的是，Indr在數(shù)值上較小，不同站點(diǎn)之間的差異也相對(duì)較小，平均僅為0.6，這表明該指數(shù)對(duì)洪澇災(zāi)害的區(qū)分能力較弱，尤其是在流域東部地區(qū)，指數(shù)出現(xiàn)負(fù)值，表明如果在該區(qū)域以Indr為特征量判別洪澇災(zāi)害，會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤。出現(xiàn)這種結(jié)果的原因在于，遼河流域面積廣闊，年內(nèi)降水量變化較大，尤其在流域東部地區(qū)，這種變化更明顯，在絕對(duì)降水量較少的時(shí)間，雖然部分降水的相對(duì)量較大，但仍不足以導(dǎo)致洪澇災(zāi)害的發(fā)生，從而導(dǎo)致誤差的出現(xiàn)。

4 洪澇災(zāi)害致災(zāi)氣候閾值的選定及應(yīng)用

基于上述分析結(jié)果，選擇絕對(duì)降水量作為特征量研究遼河流域洪澇災(zāi)害氣候閾值。由于研究時(shí)段內(nèi)洪澇災(zāi)害數(shù)據(jù)有限，因此，綜合考慮災(zāi)害數(shù)據(jù)的代表性和統(tǒng)計(jì)意義、洪澇災(zāi)害氣候閾值的預(yù)警作用及準(zhǔn)確率，經(jīng)過試驗(yàn)，閾值Y的設(shè)計(jì)如式(1)：

Y=Paf20+(Pat20-Paf20)×0.85

(1)

式中：Paf20為非洪澇災(zāi)害日最大20%絕對(duì)降水量，mm；Pat20洪澇災(zāi)害日最小20%絕對(duì)降水量，mm。

其含義是，在非洪澇早災(zāi)害日平均最大20%絕對(duì)降水量的基礎(chǔ)上，增加洪澇災(zāi)害日最小20%絕對(duì)降水量與非洪澇災(zāi)害日最大20%降水量差異的85%作為洪澇災(zāi)害氣候閾值。圖8(a)為閾值的時(shí)間變化，與圖6較類似，該閾值同樣表現(xiàn)為洪澇災(zāi)害集中期兩端較大，在7月下旬至8月上旬相對(duì)較小。圖8(b)為的空間分布情況，總體上表現(xiàn)為南部較大，北部較小。將該圖與圖2中年平均降水量空間分布情況和洪澇災(zāi)害日數(shù)分布對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，在遼河流域東部地區(qū)的年平均降水量較大，但該區(qū)域洪澇災(zāi)害閾值較小，這直接導(dǎo)致了該區(qū)域洪澇災(zāi)害次數(shù)較多。

圖8 遼河流域洪澇災(zāi)害致災(zāi)氣候閾值時(shí)間和空間變化

為檢驗(yàn)閾值對(duì)洪澇災(zāi)害的判別能力，這里基于該閾值對(duì)1953年遼河流域洪澇災(zāi)害進(jìn)行分析。1953年遼河流域發(fā)生較大范圍的洪澇災(zāi)害，無論是災(zāi)情分布范圍，還是受災(zāi)程度，都較具有代表性[9]。圖9為1953年洪澇災(zāi)害日數(shù)的空間分布情況及閾值判定災(zāi)害日數(shù)與實(shí)際日數(shù)差異的空間分布情況(僅顯示了具有完整降水觀測(cè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)處的災(zāi)情)。閾值判定結(jié)果能夠較好反應(yīng)災(zāi)情的空間分布情況，1953年遼河流域觀測(cè)站點(diǎn)共發(fā)生125 d洪澇災(zāi)害，閾值判定結(jié)果為138 d，較實(shí)際結(jié)果多13 d，其中，偏多站點(diǎn)共14個(gè)，彰武站的正偏差最大，為3 d，偏少站點(diǎn)共5個(gè)，岫巖站的負(fù)偏差最大，為2 d，無偏差站點(diǎn)4個(gè)。

圖9 1953年遼河流域洪澇災(zāi)害日數(shù)和實(shí)際洪澇災(zāi)害日數(shù)與閾值判定結(jié)果差值空間分布

圖10為1953年洪澇災(zāi)害站點(diǎn)數(shù)和閾值判定結(jié)果的時(shí)間變化。由圖可見，閾值判定的洪澇災(zāi)害主要集中6月至8月，此間共有130個(gè)站發(fā)生洪澇災(zāi)害，閾值判定結(jié)果為125，準(zhǔn)確率較高，在6月以前和8月以后，共8個(gè)站發(fā)生洪澇災(zāi)害，但均沒有準(zhǔn)確判定出來，偏差較大。與圖5及圖6對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)在洪澇災(zāi)害集中期兩端，災(zāi)害日與非災(zāi)害日的特征量差異較大的同時(shí)，這兩個(gè)時(shí)間段閾值判定的結(jié)果也較差。這主要是因?yàn)樵谶@些時(shí)段的災(zāi)情數(shù)據(jù)較少，所得結(jié)果的代表性相對(duì)較差，進(jìn)而影響了基于觀測(cè)結(jié)果所得到的閾值的判定能力。

圖10 實(shí)際洪澇災(zāi)害站數(shù)和閾值判定結(jié)果時(shí)間變化

5 結(jié) 論

(1)1971—2000年，遼河流域各站點(diǎn)年平均降水量和洪澇災(zāi)害日數(shù)空間分布不均勻，總體上均自東南向西北遞減，年降水量與各站點(diǎn)洪澇災(zāi)害總?cè)諗?shù)之間具有較強(qiáng)的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.77。洪澇災(zāi)害最早發(fā)生于4月底，最晚發(fā)生于10月末，主要集中于7月和8月，日降水強(qiáng)度在45～50 mm時(shí)，發(fā)生的洪澇災(zāi)害次數(shù)最多，占全部洪澇災(zāi)害的10%。

(2)洪澇災(zāi)害日最小20%絕對(duì)降水量和相對(duì)降水量均表現(xiàn)為4月末和10月末較大，7月末和8月初較小的時(shí)間變化特征，非洪澇災(zāi)害日最大20%絕對(duì)降水量和相對(duì)降水量則表現(xiàn)為4月末和10月末較小，7月末和8月初較大，在洪澇災(zāi)害日和非災(zāi)害日，絕對(duì)降水量和相對(duì)降水量均有較明顯的差異，差值在4月末和10月末較大，7月末和8月初較小。絕對(duì)差異指數(shù)較相對(duì)差異指數(shù)更大，表明在遼河流域，以絕對(duì)降水量作為特征量更容易判定洪澇災(zāi)害。

(3)在非洪澇早災(zāi)害日最大20%絕對(duì)降水量的基礎(chǔ)上，增加洪澇災(zāi)害日最小20%絕對(duì)降水量與非洪澇災(zāi)害日最大20%降水量差值的85%作為洪澇災(zāi)害氣候閾值判別遼河流域洪澇災(zāi)害，具有較高的精度，但判別6月以前和8月以后洪澇災(zāi)害的能力較弱。