（气象学专业论文）长江中下游暴雨洪涝灾害的风险性评估与预估.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。本论文除了文中特别加以标注和致谢的内容外，不包含其他人或其他 机构已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京信息工程大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。其他同志对本研究所做的贡献均已在 论文中作了声明并表示谢意。 学位论睾作者签名：三p 复一 签字日期：洲- 石 关于论文使用授权的说明 南京信息工程大学、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 杂志社、中国科 学技术信息研究所的中国学位论文全文数据库有权保留本人所送交学位论 文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，并通 过网络向社会提供信息服务。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权南京信息工程大学研究 生部办理。 可叁开口保密( 型! 年l 月) 学位论文作者 指导教师签名 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 签字日期：o 石 目录 摘要i a b s t r a c t h i 第一章前言l 1 1 研究意义l 1 2 相关研究进展2 1 2 1 暴雨特征2 1 2 2 暴雨洪涝灾害的风险性评估3 1 2 3 暴雨的模拟以及预估。5 1 3 本文的主要内容与章节安排6 1 4 本论文的创新点7 第二章近5 0 年来长江中下游汛期暴雨变化特征8 2 1 引言8 2 2 资料和方法9 2 3 暴雨的气候分布与季节演变1 2 2 4 年代际变化与趋势分析。15 2 4 1 周期分析1 5 2 4 2 时间域上的年代际变化1 6 2 4 3 空间域上的年代际变化1 8 2 4 4 趋势分析2 2 2 5 本章小结2 4 第三章长江中下游地区洪涝灾害风险性评估。2 6 3 1 引言2 6 3 2 资料与方法2 7 3 2 1 资料2 7 3 2 2 信息扩散理论风险估算模型2 8 3 3 洪涝综合灾情指数2 9 3 3 1 洪涝灾害评估指标分级标准2 9 3 3 2 洪涝综合灾情指数定量化3 1 3 4 长江中下游洪涝风险评估。3 4 3 5 本章小结。3 6 第四章部分耦合模式对长江中下游暴雨的预估。3 8 4 1 引言3 8 4 2 模式，资料和方法3 9 4 2 1 耦合模式简介3 9 4 2 2s r e s 情景简介。4 l 4 3 资料和方法。4 1 4 3 1 资料说明4 1 4 3 2 方法4 2 4 4 部分海气耦合模式对2 0 世纪东亚气候态模拟能力的评估4 3 4 4 1 降水2 1 4 4 4 2 风场4 6 4 4 3 高度场4 7 4 5 未来4 0 年长江中下游暴雨的变化5 2 4 5 1 暴雨频次的变化5 2 4 5 2 暴雨强度的变化5 5 4 6 本章小结5 9 第五章总结与讨论6 1 5 1 总结6 l 5 2 存在的问题6 2 5 3 未来工作展望6 3 参考文献6 4 作者简历6 9 致谢7 0 摘要 本论文主要利用1 9 6 1 - 2 0 0 8 年近5 0 年长江中下游逐日降水站点观测记录、 19 9 0 2 0 0 0 年洪涝灾情数据以及i p c c 第四次评估报告不同排放情景下部分海 气耦合模式2 1 世纪中期( 2 0 4 6 2 0 6 5 年) 逐日降水输出资料等，在首先分析 最近几十年来长江中下游暴雨气候特征的基础上，对暴雨致灾的风险性进行 了评估，并对未来暴雨发生频次和强度的演变进行了预估。得到如下主要结 果： ( 1 ) 在过去的近5 0 年，从时间域上看，长江中下游汛期暴雨发生频次 在6 0 年代至8 0 年代是一个相对平稳的时期，9 0 年代开始进入一个高值期， 2 1 世纪以后又开始回落。与此形成对比，暴雨强度的年代际变化不显著。从 空间域上看，暴雨量的大值中心在上世纪维持稳定，但是在近十年 ( 1 9 9 0 - 2 0 0 8 ) 有向长江以北尤其是安徽、江苏北部扩大趋势，暴雨强度在整 个长江以北地区呈现增强的形势。这些特征与汛期雨带向淮河流域北移是一 致的。 ( 2 ) 基于长江中下游6 省历史灾情数据建立的综合洪涝灾情指数和运用 信息扩散理论评估的暴雨洪涝的风险性结果显示：该区域洪涝灾损的省际差 异以及风险性差异较大。总体上看，浙江受灾最轻，其灾情等级在小灾、中 灾比较集中，而其他各省在大灾、中灾所占的比重较大。安徽、湖北以及湖 南发生大灾的可能性最大，江苏、浙江次之，江西遭遇大灾的概率相对较小。 中灾在整个区域频发。这一结果与近9 年实际洪涝灾情统计资料吻合较好。 ( 3 ) 所选择的7 个海气耦合模式( g f d lc m 2 0 、g f d le m 2 1 、e g e m 、m i r o c ( m ) 、c n r m 、p , c h a m 、c g c m t 4 7 ) 大多预估未来4 0 年，长江中下游区域暴雨 频次、强度与2 0 世纪相比呈现增多、增强的趋势。不仅仅表现在平均值的增 大上，也表现在年际变率的增强上。这种趋势在a i b 、a 2 这两种相对高排放 情景下表现尤为明显。预示未来在全球变暖的大背景下，长江中下游地区暴 雨洪涝的潜在危险性将增大。 关键词：长江中下游暴雨洪涝灾害风险性评估预估 h a b s 仃a c t m a i n l yb a s e do nd a i l yp r e e i p i t a t i o nd a t a s e ta r c h i v e di nc h i n am e t e o r o p o g y a d m i n i s t r a t i o nf r o m19 6 0 - 2 0 0 8 ，m e t e o r o l o g i c a ld i s a s t e rl o s s e sd a t a s e tc o l l e c t e d b y t h em i n i s t r yo fc i v i la f f a i r s ，c h i n a , f r o m2 0 0 0 - 2 0 0 8 ，a n dt h eo u t p u to fg c m s f r o mw c r pc m i p 3m u l t i m o d e ld a t a s e t ，t h er i s ko fh e a v yr a i ne v e n t si nt h e m i d d l ea n dl o w e rr e a c h e so ft h ey a n g t z er i v e ra 陀a n a l y z e d t h em a i n l yr e s u l t s a 陀a sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ea n a l y s i so fo b s e r v a t i o nd a t as h o w st h a t , o ni n t e r d e e a d a lt i m e s c a l e s ， t h e r ew a sl e s so c c u r r e n c et h r o u g h19 6 0 s 一19 8 0 s ，w h i c hw a sf o l l o w e db ym o r e o c c u r r e n c ei n19 9 0 sa n dt h e nl e s so c c u r r e n c es i n c et h e2 1s tc e n t u r y n o n e t h e l e s s ， a l lo b v i o u si n c r e a s eo c c u r r e di nt h en o r t h e r nb o u n d a r yo ft h er e g i o n , i n c l u d i n gt h e n o r t h e r np a r to fj i a n g s ua n da n h u ip r o v i n c e st h r o u g ht h ew h o l ea n a l y s i sp e r i o d s u c ham o d e s ts h i f to fh e a v yr a i ne v e n t sn o r t h w a r da p p e a r si na g r e e m e n tw i t l lt h e n o r t h w a r ds h i f to fc l i m a t o l o g i c a ls e a s o n a lr a i nb a n da f t e rt h ee n do ft h e2 0 t h c e n t u r yr e v e a l e di nr e c e n ts t u d i e s ( 2 ) w i t ht h es e r i e st h er i s ki ne a c ho ft h ep r o v i n c e si sa s s e s s e di n d i v i d u a l l y b yf o l l o w i n g i n f o r m a t i o nd i f f u s i o n t h e o r y t h er e s u l t s s h o ws u b s t a n t i a l d i f f e r e n c ei nr i s kr a n ki nt h e s ep r o v i n c e s a l t h o u g hm e d i u mr i s ki su n i v e r s a li na l l t h ep r o v i n c e s 谢mt h eo c c u r r e n c ep r o b a b i l i t yo fo n c ei no l l et ot w oy e a r s ，h i g hr i s k i sr e l a t i v e l ym o r ef r e q u e n ti nt h r e ep r o v i n c e s ，a n h u i ，h u b e ia n dh u n a n f i n a l l y , a c o m p a r i s o nw i t ht h ea c t u a ld a t ai sm a d ea n ds h o w sac o n s i s t e n c e ( 3 ) t h ea n a l y s i so fs e v e r a lp r i m a r yc l i m a t e e l e m e n t so fe a s ta s i a ni n s u m m e rs i m u l a t e db ya o c g - c i v l ss h o wt h a t ，s e v e nm o d e l sh a v er e l a t i v eb e t t e r s i m u l a t i n ga b i l i t y t h o s em o d e l sa r e g f d ic m 2 0 ，g f d le m 2 1 ，c g c m t 4 7 ，c g e m ，c n r m ，e c h a m , m i r o c ( m ) ，w h i c h 锄孵g e n e r a l l yw i t hm i d - h i g hr e s o l u t i o n s d u et ot h e s em o d e l st h e t e n d e n c yo f h e a v yr a i ni nt h ef u t u r e4 0y e a r sa r ep r o j e c t e d m o s to fm o d e l sp r o j e c tt h a tt h ei n t e r a n n u a lv a r i a b i l i t yo ft h eo c c u r r e n c eo ft h e h e a v yr a i na n di n t e n s i t yo fh e a v yr a i nw i l li n c r e a s ea sw e l la st h em e a n s i ns r e s a1ba n da 2 ，t h eg r o w t ht r e n do fh e a v yr a i ni so b v i o u s a t t e n t i o nm u s ts t i l lb e p a i dt oh e a v yr a i ni nt h em i d d l ea n dl o w e rr e a c h e so f t h ey a n g t z e k e yw o r d st h em i d d l ea n dl o w e rr e a c h e so ft h ey a n g t z er i v e r ，f l o o dd i s a s t e r ， r i s ka s s e s s m e n t ，p r o j e c t i o n 1 v 第一章前言 1 1 研究意义 第一章前言 洪涝灾害是由一次短时或连续的强降水过程( 暴雨) 致使江河洪水泛滥、 淹没农田，造成财产损失和人员伤亡的一种灾害( 黄荣辉等，2 0 0 5 ) 。因此暴雨 是造成洪涝灾害的主要原因，以致人们把洪涝就称为暴雨洪涝。 洪涝是世界上发生比较频繁，危害比较严重的一种气象灾害。根据i p c c 第四次评估报告，自工业革命以来由于人类活动影响，大气中的二氧化碳，甲 烷和氧化氮浓度已明显增加，气候系统正在经历变暖的过程。而随着这种气候 变化的趋势，以洪涝为主的气象灾害的次数和严重程度也正在逐渐增加。据有 关报道，2 0 世纪9 0 年代全世界发生的重大天气灾害要比5 0 年代多5 倍。2 0 0 0 年，全世界共发生7 3 0 起与天气有关的灾难性自然灾害，其中有9 0 起超记录。 这些庞大的数据无不向人类证明了：气象灾害变化趋势越来越严重恶劣，人类 将会要面临更为严重的威胁。 我国处于亚洲东部，太平洋西岸。南北跨温、热两大气候带大部分地区位 于北温带和亚热带，属东亚季风气候。广阔的领土、复杂的地理条件和气候条 件，再加上人口众多，无疑使我国成为受暴雨洪涝侵害极为严重的国家之一。 1 9 9 1 年，江苏、安徽、湖北、湖南、上海、浙江、四川等2 0 多个省份发生不 同程度的洪涝灾害，全国农田受灾2 6 4 0 万公顷，成灾14 6 0 万公顷，受灾人口 2 2 亿人次，死亡2 2 9 5 人，受伤人数达4 9 9 7 3 人，经济损失为6 8 6 亿元。19 9 8 年夏季，长江、嫩江、松花江流域发生百年一遇的特大洪水，受灾面积2 2 2 6 7 万公顷，受灾人口1 8 亿人，死亡人达4 1 5 0 人次，直接经济损失为2 5 5 0 9 亿 元，间接损失也近千亿元( 张继权和李宁，2 0 0 7 ) 。 而长江中下游地区正是我国夏季洪灾最多发区域之一。每年暴雨洪涝的发 南京信息工程大学硕士学位论文 生都会对该区域人们的生活、财产带来巨大的损失，严重影响该地区经济社会 的可持续发展，因此了解长江中下游暴雨的分布特征，掌握其洪涝风险，预估 暴雨日数以及强度的趋势，对制定相应的防灾、抗灾政策具有非常重要的意义。 1 2 相关研究进展 这里主要从暴雨的观测特征，风险性评估以及模式模拟预估三部分来简要 介绍长江流域暴雨洪涝的研究进展。 1 2 1 暴雨特征 关于暴雨特别是长江流域的暴雨研究不少学者已经进行了系统性的探究。 陶诗言和丁一汇在1 9 8 1 年的时候就已指出长江流域受东亚季风的影响，是我国 暴雨最为多发区域之一。因此关于暴雨的研究一直是大气科学重要研究课题之 一。陶诗言( 19 9 6 ) 强调夏季长江流域暴雨的大尺度环流条件主要表现为3 个 方面：( 1 ) 来自南面的东亚热带环流系统中的西南和东南气流为长江流域暴雨 输送大量水汽；( 2 ) 来自北面的西北或东北方向的冷空气到达长江流域；( 3 ) 位于北太平洋的副热带高压西伸后或日本海高压稳定维持造成长江流域暴雨系 统移速缓慢、停滞或回旋。黄荣辉等( 1 9 9 8 ) 利用实际观测资料分析9 8 年夏季 长江流域的特大洪涝的气候与水文特征成因，分析结果表明：造成1 9 9 8 年夏 长江流域特大洪涝的成因可能是：在e n s o 循环中e i n i n o 事件由成熟期转 变为衰减期时热带太平洋海温，特别是热带西太平洋次表层海温变冷，菲律宾周 围对流活动减弱，致使西太平洋副热带高压位置偏南，从而使亚洲夏季风从孟加 拉湾、南海携带大量的水汽和热带西太平洋以及西风带来的水汽先在长江中、 下游，后在长江中、上游流域辐合，造成长江流域的持续性强降水。张顺利等 ( 2 0 0 3 ) 分析得出长江流域持续性强降水是多种尺度相互作用的结果，受副热 带高压、南海季风涌、中高纬冷空气和青藏高原m c s 等4 方面的共同影响，这4 个影响因子的最佳组配有利于出现持续性降水。这一系列对长江流域暴雨洪涝 2 第一章前言 ( 尤其是1 9 9 8 年的个例) 的研究主要侧重于暴雨成因机理的研究。 不过，对于暴雨的气候学特征的研究迄今为止还比较少。陶诗言和丁一汇 ( 1 9 8 1 ) 应用1 9 5 3 年到1 9 7 7 年的降水资料研究过我国的暴雨分布，其结果表 明：我国是多暴雨区域，大暴雨主要出现在华南、长江流域、华北地区的三个 纬向分布带上。直到最近几年，随着观测资料年限的延长，有关暴雨气候特征 分析开始逐步增加了。鲍名和黄荣辉( 2 0 0 6 ) 对我国近4 0 年暴雨发生频率的年 代际时空变化特征进行分析，结果表明：夏季暴雨发生频率年代际变化明显， 长江流域暴雨日在7 0 年代末增加一次，8 0 年代又有一次显著增加。就季节演变 来看，春秋季暴雨发生区域和频率远不如夏季，年代际趋势变化也不明显。钱 永甫等( 2 0 0 8 ) 针对夏季江淮流域暴雨，从气候分布和年代际变化进行分析，结 果显示：暴雨降水存在明显的区域差异，局地暴雨频繁，具有明显的年代际变 化特征，9 0 年代是高值期。李红梅等( 2 0 0 8 ) 对我国东部近4 0 年盛夏日降水特 性变化进行了分析，结果表明盛夏长江流域暴雨降水强度呈增大趋势。 1 2 2 暴雨洪涝灾害的风险性评估 暴雨洪涝属于气象灾害，因此其风险性评估是灾害评估工作的极为重要的 一部分。灾害评估作为一门边缘学科，是在二十世纪中后期才开始兴起的。我 国由于历史原因，自然灾害评估工作起步更晚，直到2 0 世纪9 0 年代以后，包 括洪水、干旱、暴风雪以及台风等在内的气象灾害评估才开始受到重视。总体 来看，我国现阶段对暴雨洪涝的风险性评估主要涉及以下几种方法： ( 1 ) 概率与统计方法 根据已有的历史观测资料，进行概率统计可以预测气象灾害的发生规律及 其趋势。李翠金( 1 9 9 6 ) 根据4 0 多年的降水资料，对我国暴雨灾害进行了统计 分析。分析表明：我国暴雨洪涝灾害面积大，且有随着时间而增加的趋势；年 均受涝面积最大地区主要位于江淮流域；暴雨洪涝发生的基本规律：南方早， 北方迟，6 - 8 月为暴雨洪涝主要多发期。苏布达，姜彤在1 9 6 0 - - 2 0 0 5 年长江流域 3 南京信息工程大学硕士学位论文 1 4 7 个气象观测站汛期4 - 啕月逐日降水资料基础上，通过计算逐站大于9 5 t h 强降水及其间隔天数、小于1 2 7 m m d 的持续天数，分析长江流域降水极值时间 序列的时空分布特征，并建立概率分布模式 ( 2 ) 灾害风险指数法 气象灾害风险是危险性、暴露性、脆弱性和防灾减灾能力相互作用的结果。 因此，根据四个因子，制定相应的风险指数，就能对某个地区的灾害风险进行 评价。刘敏等( 2 0 0 2 ) 在分析湖北省雨涝灾害孕灾环境、致灾因子、承载体密 度和经济发展水平及承灾体的抗灾能力的基础上，综合评价了湖北省雨涝灾害 风险程度的地域差异，制定综合体现风险程度的风险指数，包括：承灾体经济 发展水平、地貌、区域人口密度、抗灾不充分程度指数，以此作为指标，将湖 北省雨涝灾害分为四个风险区。 ( 3 ) 综合评价法 综合评价法包括层次分析法、模糊综合评判法、灰色关联度法、人工神经 网络评价法等。刘伟东等( 2 0 0 6 ) 针对2 0 年北京地区发生的1 9 次大风和暴雨灾 害个例，应用灰色关联度方法，对该地区同期的大风和暴雨灾害所造成的经济 损失进行评估，结果表明，该方法能够对不同气象灾害和同一级别气象灾害灾 情差异尺度做出比较。灰色系统理论及其有关方法的适用领域较宽，能在暴雨 灾害风险评估与区划应用。 ( 4 ) 基于历史气象灾害数据的方法 历史灾情数据通常有农作物受灾面积、成灾面积、受灾人口、倒塌房屋、直 接经济损失等统计指标以及历史灾害图件等，根据这些数据可以进行气象灾害风 险评价。刘新立等( 2 0 0 1 ) 以“中国七大江河历史洪涝灾害数据库和“长江流 域历史洪涝灾害数据作为风险评估的数据基础，选用受灾县、次指标作为洪灾 风险评估的依据，应用马尔科夫链模型和蒙特卡罗模拟的风险估算，对长江流域 的水灾风险大小进行了计算，得出如果按照现在的发展趋势，未来五年中将会有 1 6 个县次受灾的概率最大，而受灾县次共有5 个都是千年不遇的事件。 4 第一章前言 ( 5 ) 基于信息扩散理论的风险评估方法 利用模糊数学中有关信息扩散理论，可以将气象灾害样本的一个单值信息 扩散到整个气象灾害指标论域中所有点，从而使得风险的宏观评估能够顺利进 行，且能得出相当满意的结论。史培军( 1 9 9 8 ) 针对小样本的历史灾情数据资 料，采用正态信息扩散方法对湖南省农村种植业旱灾和洪灾风险进行了评估。 ( 6 ) 基于地理信息系统的风险评估方法 气象灾害风险评价涉及到天气因素、下垫面因素和社会经济发展状况等众 多因素，这些因素均具有较强的区域差异性，表现为具有空间特征的空间数 据。利用g i s 方法可以将社会经济数据进行空间化处理，与自然属性数据相匹配， 这为气象灾害风险评价中自然属性数据和社会经济数据的综合提供了很好的思 路，更好地揭示气象灾害风险的空间分布。目前，国内已经有不少学者在这方 面进行了探索。姜彤、秦年秀( 2 0 0 5 ) 在长江流域数字化地图的基础上，选取 不同重复期，借助a r c v i e w 地理信息系统的空间分析叠加功能，对长江中下游地 区的洪水灾害危险性进行了初步评价。分析表明：长江中下游洪水风险的分布 是有规律的，而且具有明显的地理意义。评价结果与长江中下游的实际情况基 本吻合。 1 2 3 暴雨的模拟以及预估 极端降水事件会引发严重的气象灾害，一直受国内外研究者的关注。为获 知未来极端降水事件的变化，利用数值模拟是对其进行预估不可或缺的重要工 具。江志红等( 2 0 0 9 ) 利用中国区域5 5 0 个站点1 9 6 1 - - 2 0 0 0 年日降水量资料， 考察参与政府间气候变化委员会( i p c c ) 第四次评估报告的7 个新一代全球模式 及多模式集合对现代气候情景下( 2 0 c 3 m ) 5 个极端降水指数的模拟能力，同时进 行中国区域未来不同排放情形下极端降水事件变化的预估，结果表明：最新全球 模式能较好地模拟出极端降水指数气候场的空间分布及其中国区域的线性趋势， 模拟的东部季风区的极端降水强度系统性偏低，区域平均序列年际变率的模拟 5 南京信息工程大学硕士学位论文 能力也较低。中国地区2 1 世纪与降水有关的事件都有趋于极端化的趋势，极端 降水强度可能增强，干旱也将加重，且变化幅度与排放强度成正比。黄丹青等 ( 2 0 0 7 ) 利用累积频率的统计方法和c c m 3 模拟了1 0 年逐日降水，分析了模拟 的夏季极端降水事件的时空分布特征。结果表明，区域海气耦合模式基本能够模 拟出气候平均极端降水阈值的空间分布型及极端降水事件在长江中游、西南部 分地区和长江下游局部地区的显著增加、增强趋势，在中西部、华北北部和东北 局部的显著减少、减弱趋势。朱坚等( 2 0 0 9 ) 利用日本东京大学气候系统研究 中心、日本环境研究所和日本地球环境研究中心联合研制的全球海气耦合气候 模式m i r o c _ h i r e s 输出的逐日降水资料，分析了全球变暖背景下中国东部地区不 同等级降水的变化特征。张莉( 2 0 0 8 ) 利用1 8 个全球海气耦合模式对中国地区 不同级别的降水、极端强降水阈值及其发生日数的长期变化趋势进行了综合分 析，并预估了未来4 0 年在a 1 b 排放情景下，极端事件的变化特征。总的看来， 利用模式对未来极端事件进行预估的工作还较少，再加上模式模拟本身有很大 的不确定性，因此对中国区域极端事件的研究需要更多的检验和分析。 1 3 本文的主要内容与章节安排 本论文主要分为5 个部分： 第一章前言详细介绍与该领域有关的研究进展。 第二章近5 0 年来长江中下游暴雨即主要致灾因子统计特征分析。该部分选 取长江中下游8 8 个站点进行暴雨的气候分布特征、年际、年代际以 及趋势的分析。 第三章长江中下游暴雨洪涝的风险性评估。建立一套新的综合洪涝灾情指数， 运用信息扩散理论对长江中下游暴雨洪涝的风险性进行了评估，给出 了区域洪涝风险的省际差异。 第四章部分海气耦合模式对长江中下游暴雨的预估。该部分从1 4 个海气耦合 模式中，挑选出了7 个气候态模拟较好的模式，然后对该区域的暴雨 6 第一章前言 日数以及强度进行统计分析。 第五章总结与讨论 1 4 本论文的创新点 ( 1 ) 发现与雨带向淮河流域移动相一致，在近十年( 1 9 9 0 - 2 0 0 8 ) 长江中下 游暴雨落区范围及最大降水中心位置有向长江以北尤其是安徽、江苏北部移动、 扩大的趋势，这是本文所揭示的一个新事实。 ( 2 ) 新建立了一套综合洪涝灾情指数，运用信息扩散理论对长江中下游暴 雨洪涝的风险性进行了评估，给出了区域洪涝风险的省际差异分布图。 ( 3 ) 分析了i p c ca r 43 种排放情景下暴雨日数和强度的变化，发现二者均 呈现增长趋势，提出未来暴雨洪涝潜在危险性增大的论点。 7 南京信息工程大学硕士学位论文 第二章近5 0 年来长江中下游汛期暴雨变化特征 2 1 引言 长江流域受东亚季风影响，是我国暴雨最为多发区域之一( 陶诗言和丁一 汇，1 9 8 1 ) 。资料分析和数值模拟都显示整个长江流域夏季洪涝发生频率高，是 我国洪涝最严重的区域( 李吉顺等，1 9 9 6 ) ，且每次洪涝都是由暴雨形成( 骆承 政等，1 9 9 6 ；m a t s u m o t o 和t a k a h a s h i ，1 9 9 9 ；黄丹青和钱永甫，2 0 0 7 ) 。区域 洪涝不仅对基础设施造成严重破坏，而且对人民群众的生命财产构成极大的损 害和威胁，已经成为我国经济社会可持续发展的重要制约因素之一。因此，关 于暴雨的研究一直是大气科学重要研究课题之一( 丁一汇，19 9 8 ) 。 对于长江流域的暴雨，不少学者已进行了系统性的探究( 如：张顺利等， 2 0 0 1 ；张庆云等，2 0 0 2 ；张小玲等，2 0 0 6 ) 。这些工作主要集中在持续性强降水 的形成因子，特别是暴雨发生的天气尺度和中尺度条件，对于其气候学特征的 研究较少。直到最近几年，随着观测资料的增多，有关暴雨气候特征的分析才 慢慢增多( 如：张建敏等，2 0 0 1 ；杨宏青等，2 0 0 5 ；平凡等，2 0 0 6 ；毛文书等， 2 0 0 6 ；李红梅等，2 0 0 8 ) 。鲍名和黄荣辉( 2 0 0 6 ) 对我国近4 0 年暴雨发生频率 的年代际时空变化特征进行分析，结果表明：夏季暴雨发生频率年代际变化明 显，长江流域暴雨日在7 0 年代末增加一次，8 0 年代又有一次显著增加。就季节 演变来看，春秋季暴雨发生区域和频率远不如夏季，年代际趋势变化也不明显。 张文、寿绍文等( 2 0 0 7 ) 等基于对长江中下游地区8 7 站极端降水量，运用统计 方法对该区域汛期暴雨进行了时空分布特征分析，指出汛期极端降水的平均空 间差异大，皖、赣交界极端降水量最多，可分为两湖平原型、北方型、沿海型 以及南方型4 个空间分型。之后，钱永甫等( 2 0 0 8 ) 针对夏季江淮流域暴雨，从气 候分布和年代际变化进行分析，结果显示：暴雨降水存在明显的区域差异，局 地暴雨频繁，具有明显的年代际变化特征，9 0 年代是高值期。 8 第二章近5 0 年来长江中下游汛期暴雨变化特征 以前大多数研究都集中于该区主汛期( 夏季6 8 月) 暴雨的研究，并且受观 测资料长度限制，研究都截止至9 0 年代或以前。最近，司东等( 2 0 1 0 ) 指出： 我国东部夏季气候在2 0 世纪9 0 年代末发生了一次新的年代际变化，表现为雨 带向淮河流域移动，长江中下游降水减少。这样的年代际变化对暴雨的季节演 变特征有什么影响，是否暴雨降水、频次、强度也发生了相应的变化，目前还 不请楚。此外，长江中下游受东亚季风以及西北太平洋台风登陆的影响，暴雨 在5 - 9 月较集中。因此，有必要利用最新的资料重新检查一下长江中下游整个 汛期( 5 9 月) ，特别是进入2 l 世纪以来，暴雨量、频次以及强度的时空变化特 征，为暴雨洪涝灾害的风险评估提供更现实的参考。 2 2 资料和方法 所用资料为中国气象局信息中心提供的全国7 5 3 站逐日降水观测资料。长 江中下游地区系指江、浙、皖、赣、鄂、湘六省c _ k 海由于观测资料不完整， 分析中没有涉及) 。为了消除长期预测的偏差，选取站点时存在较为严格的标准： ( 1 ) 1 9 6 0 - 2 0 0 8 年逐日资料完整的站点；( 2 ) 资料中若某一年有多于1 0 天以上 的缺测值，则这一年被定为缺测年。( 3 ) 如某站点存在一个及以上的缺测年， 则站点不选。基于上述要求，研究区域共选取站点8 8 个( 图2 1 0 所示) 。 暴雨的定义遵照气象部门业务标准，即日降水量， 5 0 m m 称为暴雨降水。 此外，还定义了其它一些暴雨指标，如暴雨频次一各站点暴雨降水的总日数； 暴雨强度一暴雨量与暴雨日数比。 对于这些指标的分析，主要运用了以下研究方法 ( 1 ) 曼肯德尔趋势检验 曼肯德尔( m a n n - k e n d a l l ) 法是一种非参数统计检验方法( 魏风英， 2 0 0 7 ) 。 对于具有n 个样本量的时间序列x ，构造一秩序列： 9 南京信息工程大学硕士学位论文 其中 七 & = 巧乒= 2 3 ，刀 f = 1 f - + l 为 ，j = l ，2 ，刀 一 = l o 而。 可见，秩序列s k 是第i 时刻数值大于j 时刻数值个数的累计数。 在时间序列随机独立的假定下，定义统计量 u f , 譬涮扣墟， 式中呱= 0 ，臣气) ，v a r ( & ) 是累计数& 的均值和方差，在毛，恐，而相互 独立，且有相l a - j 连续分布时，它们可由下式算出： r ) = t k ( k - 1 )七：2 ，3 ，刀 l v a “& ) = k ( k - d - r ( 2 后+ 5 ) 叼为标准正太分布，它是按时间序列x 顺序毛，毛计算出的统计量序 列，给定显著性水平a ，查正太分布表，若l i 虬，则表明序列存在明显的趋 势变化。 按时间序列x 逆序而，小，五，再重复上述过程，同时使 u b t2 一w f t ( k = 刀，刀一l ，n ，u b , = 。 这一方法可以明确突变开始的时间，并指出突变区域，是一种常见的突变 检测方法。 ( 2 ) m o r l e t 小波分析 小波分析是在f o u r i e r 变换的基础上引入窗1 2 1 函数( 魏风英，2 0 0 7 ) ，其变换 公式为： 兰三兰堑塑至鲞竺坚! ! 塑圣塑墨堕壅垡壁笙 ( 口，6 ) = l 口i 一啦胁) 缈掣a ) 毋 其中，b 是时间参数，表示波动在时间上的平移，其变化范围是咖：a 成为尺度参数，反映了小波的周期长度，1 a 相当于频率，_ i l ，( t ) 为母小波函数。 小波变化函数是通过对母小波的伸缩和平移得到的。小波变化的离散形式为： 哆( 口，6 ) = i 口严& 善n ( 逾) g ( 坠字) 其中，a t 为取样间隔，n 为样本量。离散化的小波变化构成标准正交系， 从而扩充了实际应用的领域。 取墨西哥帽小波作为母小波函数，其表达式为： = 去( 1 - t 2 矿肋，- - o o t o o 取m o r l e t 小波作为母函数，其表达式为： 少( 刁) = 7 一班p 蛔一e 一矿2 式中o 为无量纲频率，1 1 为无量纲时间参数。离散序列的连续小波变 换可以定义为： = n - 1 训* 专当 表示复共轭。通过变化小波尺度s ，可以计算每个时刻对应的各种周期的 小波振幅。计算时，小波尺度可定义为以幂指数变化的序列： 邑= 瓯2 脚，j = o ，1 ， j = 町l 0 9 2 ( n s t s o ) 通过小波变换，可以得到时间序列关于要素( 平均值、频率、振幅) 的变 化特征。s o 为最小分析尺度，j 的取值决定了最大尺度。6j 必须足够小，值越 小，分析精确度越高。 南京信息工程大学硕士学位论文 ( 3 ) 趋势分析统计方法( 施能等，1 9 9 5 ) 。 为研究气象要素在气候变化中升降的定量程度，并可对其进行统计检验， 计算了趋势系数r 。它定义为i 1 个时刻( 年) 的要素序列与自然数列1 ，2 ，3 ， n 的相关系数 ，2 ( 毛一硝一；) f ；l 其中n 为年数，x i 是第i 年要素值，其中x 为样本均值，f = ( n + 1 ) 2 。显 然，这个值为正，表示该要素在所计算的n 年内有线性增( 降) 的趋势。 ，牙互厨符合自由度n - 2 的t 分布，从而检验这种气候趋势是否有意恩， 还是一种随机振动。 2 3 暴雨的气候分布与季节演变 长江中下游地区属于东亚典型季风区的一部分，5 9 月降水比较集中。图 2 1 a 为长江中下游汛期( 5 9 月份) 降水的气候分布。可以看出：降水呈现江南 多，江北相对较少的特征。长江以南降水量在8 0 0 m m 以上，而以北则维持8 0 0 r a m 以下。最大降水量呈两极分布，一个中心位于江西的东北部，另一中心位于湘 鄂黔交界处。图2 1 b 显示了暴雨量的分布。暴雨量大值中心与汛期总降水量的 大值中心基本吻合，主要中心位于赣北、皖南以及鄂东南( 与地形有关) 交界 处，这与该地区汛期极端降水量的异常特征( 张文等，2 0 0 7 ) 分析结果一致。 最大值约3 5 0r a m , 大致对应7 个暴雨日。但湘鄂黔交界处却不再是暴雨量的最 大值中心，说明该区域汛期暴雨量对总降水的贡献相比赣北、皖南以及鄂东南 要小。图2 1 c 给出了暴雨量对总降水的方差贡献( 暴雨降水序列与总降水量序 列相关系数的平方) 。整体上暴雨对汛期总降水贡献都较大，绝大部分地区超过 了5 0 。比较而言，赣北、皖南以及鄂东南交界区域方差贡献最大，达7 5 ， 1 2 第二章近5 0 年来长江中下游汛期暴雨变化特征 而鄂西、湘南、赣南及浙江方差贡献相对就比较弱。除苏北地区外，方差贡献 分布形势与暴雨量的空间分布大致相对应。从暴雨频次的气候分布与暴雨量比 较来看，二者相似( 图略) 。图2 1 d 给出了暴雨强度的分布情况。其分布特征与 暴雨量恰好相反，呈现北强南弱的气候分布。强度最大值主要位于苏北、湖北 东部、皖西南、赣北以及浙江沿海地带。与以前关于长江下游暴雨( 1 9 6 0 2 0 0 3 年4 - 8 月) 平均强度结果( 朱宵峰等，2 0 0 8 ) 相比，强度大值中心发生了变化， 高强度区已经由该区西部、沿江分布向长江以北的江苏、安徽以及鄂东北偏移 了。这与最近些年雨带向北、向黄淮流域移动是一致的。 图2 1 长江中f 游地i 墨汛期( a ) i 蜂水的气候分布( 单位：a m ) ，( b ) 暴雨量的气候分布( 单位：唧) ， ( c ) 暴雨降水对总降水的方差贡献率( )( d ) 暴雨强度的气候分布( 单位：m d ) 长江中下游地区受季风的影响汛期暴雨存在明显的季节演变特征。鲍名、 黄荣辉( 2 0 0 6 ) 对全国暴雨日数做过分析，显示夏季( 6 8 月) 是长江中下游 地区发生暴雨日数最多的季节，春季( 4 5 月) 和秋季( 9 1 0 月) 暴雨发生的 范围和频率就明显减少。但汛期暴雨特征量在各季节空间分布又有什么差异 南京信息工程大学硕士学位论文 还不清楚。图2 2 显示了汛期不同季节暴雨降水分布。汛期的春季和秋季分别 只选了5 月和9 月，因其它月份暴雨量明显偏少。与春、秋比较，夏季( 6 8 月平均值) 的暴雨降水量要大得多。春季主要集中于江南的江西以及湖南南部 地区，与雨带还维持在江南一致。夏季全区暴雨降水量最大。最大降水中心 相比春季明显北抬，数值跃变至9 0 r a m 。此时在苏北也出现一( 8 0 r a m ) 的 暴雨雨量中心，反映了夏季江淮地区暴雨多的季节特点。其它绝大多数地区 的暴雨量都维持在6 0 7 0 r a m 。鄂北、湘南、苏南以及浙江沿海暴雨降水相对 较少。到了秋季，暴雨降水就明显衰退了，除了浙江沿海地区出现大值区， 其余5 省暴雨量都变得十分稀少。秋季浙江沿海的大值区与西北太平洋台风 登陆有关( 陈敏等，1 9 9 9 ) 。暴雨频次空间分布的季节变化与暴雨量分布相似， 不再赘述。 05 06 07 0a og o 图2 21 9 7 1 - 2 0 0 0 年平均汛期中的( a ) 春季( 5 月) ，( b ) 夏季( 6 - 8 月平均值) ，( c ) 秋季( 9 月) 暴雨量分布( 单位：皿) 从暴雨强度空间分布季节差异的比较来看( 图2 3 ) ，三个季节大部分地 区强度基本都介于7 0 8 0 m m d 范围，而以春季暴雨强度相对较小。夏季全区 强度均在7 5 m m d 以上，普遍大于春季，且在长江以北苏、皖、鄂东部，以 1 4 第二章近5 0 年来长江中下游汛期暴雨变化特征 及江南的赣北强度最大。秋季，浙江、江苏沿海一带暴雨强度比较强，特别 是浙江沿海，强度最大值甚至达到8 5 m m d ，反映了台风登陆易造成强