中国气候及异常 课件 黄河流域旱涝特征修改学习资料

长江、黄河流域旱涝

规律和成因分析

——叶笃正、黄荣辉等

长江、黄河流域旱涝特征

长江、黄河两流域旱涝时空特征的分析研究：

分析旱涝的历史背景（用千年以上的降水史料和记载）；

分析旱涝变化的阶段性和气候变化的突发性

（用近百年降水资料和其他气候资料）；

分析旱涝的年代际、年际和季节内变化以及空间分布的规律和特征（用近40年降水详细资料）；

分析我国旱涝和全球旱涝的关系。过去+现在+未来长江、黄河流域旱涝的气候背景

1．长江、黄河流域旱涝的经济影响

长江流域西起西藏、云南，东到江苏、浙江，包括其支流涉及18个省市，覆盖约1.8×106km2。

黄河流域经青海至山东的9个省及自治区，约覆盖0.8×106km2。

两流域约占国土面积的1/4强，且流域之内多良田、城镇，因此，两流域的旱涝研究对工农业的发展有举足轻重的意义。

研究表明：

旱灾多发生在华北、黄河流域；长江中游、南岭附近和云贵高原；

涝灾主要集中在长江中下游、淮河流域和东南沿海。

长江、黄河流域是我国旱涝灾害最严重的两个区域，而区域的旱涝灾害所造成的粮食减产约占全国由于气象灾害造成的粮食总减产的60％左右。

例如：

＊20世纪长江流域的3次大涝就曾造成巨大的经济损失（表1.1.1）。影响巨大。

＊黄河流域的洪涝灾害也是很频繁的。

据统计周定王五年(公元前602年)~1938年共2540年期间，黄河决口泛滥的有的543年，即平均约5年决口1次，其中大改道达26次之多。

干旱各种气候灾害造成经济损失的比例各区域气候灾害造成粮食减产的比例天气灾害洪涝夏季低温黄河流域和华北长江流域华北华南西南西北年份受灾耕地（106hm2）受灾人口（亿）降水特征经济损失（亿元）19311954199118.53.714.81.00.21.2超过常年100%超过常年100%以上下游比常年多100%~300%200600~800长江流域洪涝的影响

干旱的影响也十分严重。如：1978年长江中下游干旱，受旱农田5.4×106hm2，仅因播种面积的减少，水稻即损失20×l08kg。蓄水量减少100×l08m3以上。新安江水电站发电量比常年减少60％。1986年黄河流域受旱20×106hm2，成灾率达50％以上。粮食减产8％，损失粮食86×l08kg。l972年黄河流域又一个大旱年，仅秋粮就减产39×l08kg。京、津、冀、晋地区水资源比常年减少200×l08m3。估计造成经济损100亿元（王绍武、黄朝迎等，1993)

因此，加强研究，提高气候预报水平，对防灾、减灾有重大意义。2、近千年的旱涝变化分析（史料）重建旱涝的古气候序列有两个两重要的技术问题：

（1）如何把定性的资料定量化；

（2）如何与现代观测资料同化。旱涝序列的建立：

确定旱涝等级，并确定各级之间的界限。

＊以±25%及±50%为界，分为大涝、涝、正常、旱、大旱（常以1、2、3、4、5表示）。

＊根据概率分级，也分为5级。1级与5级的概率约1/8，其余3级概率分别为l/4。研究表明：上述两种分级的结果，基本是彼此相容的。

级别旱涝夏季降水距平△R（%）概率（%）（变化范围）夏季降水距平△R12345涝偏涝正常偏旱旱≥5025~50-25~+25-50~-25≤-50%12.5（10~15）25（20~30）25（30~40）25（20~30）12.5（10~15）≥1.2σ0.3σ~1.2σ

-0.3σ~0.3σ

-1.2σ~-0.3σ≤-1.2σ旱涝级的定义＊有时人们也利用均方差σ分级。但因降水是非正态分布，不倾向用该种定义。（有人用过，附表中）

旱涝级

1

234

5

旱涝史料记载大水，陆地行舟大水，夏秋淫雨大水，淫雨月内大水，水深数尺局地涝夏大水局地大水夏旱，秋大水春旱，夏大水局地大旱和大水大旱年无旱涝记载局地大旱年，旱蝗大旱，六月始雨大雨雹蝗局地夏旱局地大旱大旱，七月始雨大旱炎热大旱，终年无雨史料划分旱涝级的标准（保定地区适用）＊

参考保定地区有降水资料时期的史料，反复调查研究制定型

旱涝特征1a

1b

2345全国涝，以长江为主长江涝，华北、华南旱南涝北旱长江旱，华北、华南涝北涝南旱全国旱旱涝型的特征

＊划定全国120个站1470~1979年的旱涝级，绘制了500年旱涝图（中央气象局气象科学研究院，1981），对其作EOF分析，并结合其他聚类分析划分出6种旱涝型。由此得1470~1979年500年全国旱涝型序列。用夏季降水距平百分率补划出1979年之后旱涝型。1470年之前资料少，把全国划分10个区。根据10个区的旱涝定出950~1469年的旱涝型（方法略）。中世纪暖期（900~1300年）小冰期（1550~1850年）全国涝（1a型）及全国旱(5型)的频率分别为16.3％及10.5%。即全国性旱涝出现的概率合计约为1/4。两个流域相反的2型与4型频率分别为22.5%共及17.0％，合计约为40％。由此可推断两个流域旱涝相反的情况略占优势。长江流域干旱指数（1型=1a+1b）Id=3型频率/1型频率

（3型长江旱；1型长江涝）黄河流域干旱指数Id=2+5型频率/3+4型频率（2、5型黄河旱；3、4型黄河涝）近千年两流域旱涝特征：长江流域有三段干旱时期：

1100~1200年、1450~1550年、1850~1950年。

湿润期：950~1050年、1250~1450年、1700~1850年。黄河流域干旱时期稍短，不超过50年。

湿润期较长：

1100~1200年、1250~1450年、1650~1800年。3、近两千年长江、黄河流域的大旱大涝近2000年长江、黄河流域大旱、大涝的频次表明：

长江流域大涝多于大旱，黄河流域大旱多于大涝。

20世纪的特点是黄河流域大旱频率较高，而大涝频率很低。长江流域大旱大涝的频率与平均值接近。说明本世纪的气候持征是黄河流域干旱。需强调的是

长江流域与黄河流域旱涝相反的情况占一定优势。但两个流域一致的大旱大涝不容忽视。实际上任何时候也不会全国均旱或均涝，总有一些变化相反的地区。但如果两大流域同时出现旱或涝，也可笼统地称为全国性大旱大涝了。

950年之前难于逐年作旱涝型判断，故只能局限于分析大旱、大涝。表明：

近2000年长江流域大涝多于大旱，黄河流域大旱多于大涝。

20世纪的特点黄河流域大旱频率较高，而大涝频率很低。

长江流域大旱大涝的频率与平均值接近。表明：

近2000年长江流域大涝多于大旱，黄河流域大旱多于大涝。

20世纪的特点黄河流域大旱频率较高，而大涝频率很低。

长江流域大旱大涝的频率与平均值接近。

大旱指数=大旱次数/（大旱次数+大涝次数）如上所述，全国性旱涝出现的概率合计约为1/4。两个流域相反的2型与4型频率合计约为40％。由此可推断两个流域旱涝相反的情况略占优势。然而，两流域均旱或均涝，对经济的影响更大。所以，对全国性大旱、大涝作些分析也是十分必要的。

据分析，从公元2世纪~20世纪共发生全国性大旱40次、全国性大涝39次。平均约每个世纪2次大旱，2次大涝。所谓全国性大旱或大涝，通常只是在一个流域发生大旱或大涝，而另一个流域只是偏旱或偏涝。

图1.1.7给出4个例子。l972年黄河流域大旱；1835年长江流域旱；1954年长江流域涝；1781年黄河流域涝。4、未来旱涝变化趋势（利用旱涝型变化的时间序列，推测未来我国旱涝变化的趋势）表1.1.8说明：

1979~1991年是一个旱涝型1b型集中期，用公元950年以来的旱涝型档案，看是否在历史上也曾出现1b型集中期的情况。除最近一次以外，近千年来有11次1b型集中期。即大约平均每个世纪出现一次，而且分布相当均匀。仅11世纪与15世纪出现2次，14世纪未出现，但15世纪有1次出现在世纪初。如果今后仍然保持这种规律性，则近几十年内再出现1b型集中期的可能性不大。当然，这是在1b型集中期已结束的前提下得出的结论。目前这个集中期是否已经结束了呢?从表中看，过去的集中期最长可达18-19年，而1979-l991年已经13年。而且过去一个集中期大多只出现5~6年1b型，至多7年。而最近一个集中期中已经出现8年1b型。因此，从统计规律来看这个集中期可能已经结束了。1b型集中期之后可能是什么情况呢?利用近千年旱涝档案进行分析。

把表1.1.8中1b型集中期之后的20年，按每5年一个阶段进行统计，各种旱涝出现的概率给在表1.1.9。

在第一个5年1b型的概率非常小，4型的概率也很小，1a型与2型的概率较大。表明南方涝的几率大，全国旱的几率也高于气候概率。

事实上，1991年之后1992年为5型（全国旱），1993年为2型，1994年又出现2型（南涝北旱）。说明以上的统计确实有一定意义。第2个5年(6-10年)2型占优势，第3个5年(11-15年)2型与1a型频率稍高，第4个5年(16-20年)最突出特点是2型占很大优势。由此可以推测，20世纪末到21世纪的第1个l0年，南方多雨(2型)可能是气候变化的一个主要特色。在这段时期长江流域集中出现洪涝的几率不高，但黄河流域干旱的几率仍较大。尤其值得注意的是，由于温室效应造成的气候变暖，可能有利于我国江南多雨(Hulmn等，1992)。如果人类活动造成的气候变化与气候的自然变化处于同一位相，显然会使灾害加剧，对于这种可能性应给予密切注意。近100年旱涝气候变化的阶段性和突变性

气候变化往往表现出阶段性的特征。由旱涝强度及其出现的频率等表征的旱涝气候也有明显的阶段性。气候从一个阶段向另一个阶段的转变过程，有时比较平稳、缓慢的，有时迅速，呈现突变的性质。

例如：

从中原4000年来的旱涝指数序列(Ynn，etal，1991)，黄河中游1500年来的水旱等级序列(陈家其，1982)，中原地区2000年来的旱涝序列(张，1990)以及据史料整编的500年旱涝等级资料(国家气象局等，1980)，均可以将旱涝出现的时空变化划分为若干阶段，并且检测到千年尺度、百年尺度和十年尺度的突变事件。如：

中原地区大约距今3000年左右(公元前1300~1250B.C.)有一次千年尺度的由湿变干的突变；华北地区在公元300年前后有一次从多雨期向极端偏旱期的转变；大约在公元680年前后，华北又重新突然进入多雨期。

1、我国东部的旱涝长期变化趋势

为了描写大尺度的旱涝气候特征，选取中国东部100个测站的资料计算干旱指数和湿润指数。干旱指数Id＝D/N;湿润指数Iw＝W／N

N为总站数;D为由降水资料确定的降水量等级为5和4的站数；W为由降水资料确定的降水量等级为1和2的站数。Id和Iw表示的是干旱和湿润区的空间范围。

其中利用雨季(5~9月)总雨量的距平百分率△R/R(％)划分降水量等级：

等级5，△R/R＜-50％；等级4，-50％≤△R/R≤-25％；等级3，-25％≤△R/R≤25％；等级2，25％≤△R/R≤50％；等级1，△R/R＞50%。

1350mm1050mm

2、降水变率的长期变化趋势

降水变率指降水的年际变率，月、季内变率的年际变化等多种特征量。在某种意义上来说，降水变率比降水总量更有实际意义。中国东部季节降水量年际变率的分析显示：近40年来，降水变率没有明显的增加趋势(程伟，1991)。选取中国243个站1954~1993年10天降水资料记录，分析年雨量、夏季雨量及其季节内变率的变化。

降水量减少的总趋势和季内变率减小的总趋势，以及70年代中期前后明显的阶段性变化。表明：70年代中期以前，变率大于平均值，70年代中期以后，降水的季内变率明显小于平均值。

采用10天平均降水量资料，计算的季节内变率，实际上是反映天气尺度事件的作用。变率变小，说明70年代中期以后，天气尺度扰动减弱。从而使平均降水量减少。3、中国东部旱涝气候变化的突变性为定量客观地检测旱涝气候变化中可能存在的突变现象，在此应用M-K统计检验方法(1987)。该方法的优点是可以具体正确地确定突变开始的时间。

对1887~1986年中国东部干旱指数进行M-K检测显示：干旱指数在l922年左右有一次迅速的增长过程，表明我国东部气候大约在20世纪20年代初，突然从一个相对湿润的阶段进入到一个干旱时期，且似乎一直持续到现在，这是区域气候变化中的一个强信号(符淙斌，1993)。由于M-K检测方法的局限性，往往只能检测到一个最强的信号，而可能存在的其它信号不能同时检测到。

许多研究利用其它方法，检测到了我国旱涝气候发生在其它时期的突变。

60年代是旱涝气候的另一次突变(严中伟等，1990)。中国东部从40~50年代的相对湿润期进入到一个干旱期。

严中伟等分析了这次突变的全球降水分布特征，指出：60年代的变干发生在包括北非、印度西北部、中国中部和日本等地区在内的一个广大的地带，其南、北两侧各有一条反相变化带，呈现出行星尺度的带状结构。

胡增臻、王绍武、赵宗慈（1993)在分析黄河流域6~8月降水量EOF展开的时间系数时也发现了那里在60年代中期有一次降水由偏多转为偏少的突变。

一些研究指出，70年代末期，中国东部旱涝又有一次由偏多向偏少的转变。例如，黄河流域7月的降水，从1978~1979年开始明显减少(胡增臻等，l993)。

综上所述，几次旱涝气候的突变与近百年来我国东部的干旱化趋势结合起来，可以看到这个干旱化的总趋势似乎是由几次突变过程来完成的。每次突变都使干旱程度进一加强。这种在干旱化总进程中的多次振荡过程的机理是十分有意义的科学问题。4、旱涝变化与全球温度变化之间的同步性特征

对于旱涝的长期变化趋势，它的阶段性以及阶段转变的突变性的机理还不太清楚，本节揭示的我国东部旱涝气候变化与全球平均地面气温变化的密切关系可以为我们提供一些可能的思路。

如图所示两根曲线的变化趋势、约30多年的准周期振荡以及出现在20世纪20年代初的突变，有非常一致的同步性。

1986年前，北半球最暖的30~40年代，也是我国最严重的干旱时段。

由图揭示的北半球陆面迅速增暖发生在大约1921年，与我国东部干旱指数突变点1922年几乎是重合的，且还略偏早一点。说明了区域气候对全球增暖的响应。

尽管至今无法回答已观测到的20世纪以来全球增暖现象是自然变率的表现，还是二氧化碳等温室气体浓度增长的结果。但区域气候的变化同全球温度的变化是有着密切关系的。这种全球热状况与区域气候联系的现象和机理值得进一步研究。

全球增暖时大范围降水分布和大气环流特征的分析。20世纪20年代迅速增暖后(1930~1939年)全球纬向平均降水距平的分布廓线(取1940~1979年为气候平均值)。

该廓线的特点：全球热带降水增加，特别是沿两半球赤道辐合带的位置；25°N~55°N，特别是40°N附近降水减少；15°S~25°S，南半球副热带降水减少。表明：在全球增暖时期，两半球的哈德莱环流均有明显的加强，它们的上升分支位于15°S~25°N

的热带地区，造成那里降水量增加；增强的哈持莱环流的北半球的下沉分支，正对应那里的干旱带。中国大陆的大部分地区正处在这个增强的下沉分支。因此中国的干早化同全球增暖的关系是大尺度大气环流对全球增暖响应在区域内的反应。

当然，实际的旱涝分布不可能像纬圈平均那么简单。

我国旱涝气候的长期变化趋势研究中，旱涝的准周期性振荡及其突变的机理是一个需要深入研究的课题。严中伟等在分析60年代大尺度旱涝形势突变时对北半球温度场、高度场、海面温度场的变化也作了相应的分析，发现突变时高低纬度温差加大主要是高纬度降温幅度比中纬度更大所引起的。但20年代的突变，却发生在中高纬度增暖明显大于低纬的条件下（即南北温差是减小的）。因此，虽然分析中看到的旱涝气候突变与温度场变化之间的联系，但仍不能认为突变是由温度场变化引起的。它们是相互统一的全球温度场和大气环流结构大尺度调整的一种表现。显然，如果我们进一步认识旱涝气候阶段性转变，尤其是突变的机理，掌握突变发生的条件，将对早涝长期预报有重要意义。旱涝的年代际、年际变化

观测事实表明：

长江、黄河流域的旱涝主要发生在夏季，主要取决于东亚季风的强弱。东亚季风受印度西南季风、跨赤道气流、西太平洋副高和中纬度西风带扰动系统的影响。因此，东亚季风的变化比较复杂，不仅年际变化大，而且季节内变化也很大。因此，长江、黄河流域的旱涝有很大的年际变化。为搞清长江、黄河流域旱涝的年际变化，必须认识我国夏季降水的年代际变化。为此，选取全国300多个测站195l~1990年旬降水量来讨论我国旱涝分布的变化。

1、我国东部地区夏季降水的年代际变化

（50年代~80年代我国夏季降水距平的变化分析）50年代，华北和流域、和淮河流域、华南和东北中部夏季降水偏多；西北、南岭以北的江南降水偏少。可以说，50年代全国降水以偏多为主，黄河中下游，江淮，夏季发生洪涝偏多。60年代，出现与50年代大致相反的降水距平分布，在华北、江淮流域和东北降水从偏多变成偏少。负距平中心位于黄河中游，华北开始出现偏旱现象；而江南夏季降水从偏少变成偏多。70年代，华北北部和黄河中游的降水继续减少，干旱趋势继续，并且长江中下游、西南降水由偏多变成偏少；相反，西北的降水由偏少变成偏多。可以说，到了70年代，我国由50年代的多水期变成少水期。

80年代，我国80年代的气候与70年代相比，发生了较大变化。华北和华南的降水偏少加剧，干旱趋势严重。但长江中下游和江淮流域的降水由偏少变成偏多，洪涝明显增多，又由少水期变成多水期。我国降水年代际分布的变化，华南与华北比较一致，而江淮流域与东北北部的变化比较一致，从南到北呈现出一遥相关型，类似一波列的分布。

2、我国各区域夏季降水的年代际变化我国降水年代