洞庭湖區(qū)旱澇災(zāi)害加劇的氣象成因

廖玉芳，趙　輝，彭嘉棟，吳賢云，張劍明，段麗潔

(湖南省氣候中心，湖南 長(zhǎng)沙 410118)

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洞庭湖區(qū)旱澇災(zāi)害加劇的氣象成因

廖玉芳，趙輝，彭嘉棟，吳賢云，張劍明，段麗潔

(湖南省氣候中心，湖南 長(zhǎng)沙 410118)

摘要:利用洞庭湖區(qū)及湖南四水流域、長(zhǎng)江上游地區(qū)氣象觀測(cè)資料和各類指標(biāo)資料，基于統(tǒng)計(jì)方法，開展洞庭湖區(qū)旱澇加劇氣象成因分析，得出如下結(jié)論：我國(guó)主雨帶位置的年代際變化直接影響到洞庭湖區(qū)雨水資源的豐枯變化，進(jìn)而影響到旱澇趨勢(shì)的變化；東亞夏季風(fēng)和赤道中東太平洋地區(qū)海表溫度異常通過對(duì)我國(guó)主雨帶位置的影響來(lái)影響洞庭湖區(qū)水資源的豐枯；氣候變暖背景下洞庭湖各流域雨水資源向豐枯同步轉(zhuǎn)變，易使洞庭湖洪水形成頂托之勢(shì)或水資源來(lái)源枯竭，導(dǎo)致旱澇災(zāi)害加重；洞庭湖各流域枯水季節(jié)雨水資源減少加重洞庭湖區(qū)枯水季節(jié)缺水程度。

關(guān)鍵詞:洞庭湖區(qū)；旱澇災(zāi)害；加劇；氣候變暖；雨水資源

2014年4月14日，中華人民共和國(guó)國(guó)務(wù)院正式批復(fù)同意《洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)規(guī)劃》[1]，立足保障水安全、著力構(gòu)建和諧人水新關(guān)系、加快解決城鄉(xiāng)飲水安全問題等水問題成為了洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)建設(shè)的重點(diǎn)任務(wù)。1990年代以來(lái)，洞庭湖區(qū)旱、澇災(zāi)害加劇，對(duì)該區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和生態(tài)系統(tǒng)造成了重大影響[2-6]。有個(gè)兩方面的因素影響到該區(qū)域的水安全問題：一是雨水資源的變化，二是人類活動(dòng)的影響[7-12]。關(guān)于人類活動(dòng)對(duì)洞庭湖區(qū)旱澇的影響已有眾多學(xué)者進(jìn)行研究并取得相應(yīng)的研究成果[13-18]，有關(guān)氣象成因方面的分析較少，余曼平[19]分析了前一年秋冬季黑潮暖流區(qū)海溫與洞庭湖區(qū)汛期降水和洪澇的關(guān)系，毛德華[20]指出導(dǎo)致洞庭湖洪澇災(zāi)害的內(nèi)在機(jī)制是厄爾尼諾事件導(dǎo)致的全球氣候異常，吳賢云[21]研究了兩湖流域持續(xù)性旱澇過程的大氣環(huán)流形勢(shì)及水汽輸送特征。在科學(xué)發(fā)展觀指導(dǎo)下，人類活動(dòng)對(duì)水資源的負(fù)面影響在減小，而雨水資源的變化將成為水安全的重要影響因素，也是發(fā)生洪旱災(zāi)害最主要的誘因。針對(duì)洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)開展旱澇氣象成因分析，把脈好洞庭湖雨水資源的變化規(guī)律，采取積極應(yīng)對(duì)措施趨利避害尤顯重要。

1資料與方法

1.1　資料

采用的主要資料如下：湖南省及湖北省的荊州市、長(zhǎng)江上游地區(qū)各地面氣象觀測(cè)站1961年以來(lái)降水、氣溫觀測(cè)資料；東亞夏季風(fēng)指數(shù)、ENSO監(jiān)測(cè)資料(來(lái)源于國(guó)家氣候中心)。

1.2　方法

1.2.1定義

洞庭湖區(qū)：按中華人民共和國(guó)國(guó)務(wù)院2014年4月14日正式批復(fù)同意《洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)規(guī)劃》所指定的范圍，即湖南省岳陽(yáng)市、常德市、益陽(yáng)市，長(zhǎng)沙市望城區(qū)和湖北省荊州市，共33個(gè)縣(市、區(qū))。

長(zhǎng)江上游地區(qū)：以湖北宜昌、江西湖口作為分界點(diǎn)，把100°～120°E之間的長(zhǎng)江主體分為上游、中游及下游三個(gè)部分。

1.2.2分析方法

(1)氣象干旱日的確定：根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[22]給出的綜合氣象干旱指數(shù)，計(jì)算公式為：

CI=aZ30+bZ90+cM30。

(1)

式中：Z30、Z90分別為近30 d和近90 d標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)SPI值，M30為近30 d相對(duì)濕潤(rùn)指數(shù)；a、b、c分別取值0.4、0.4、0.8。根據(jù)式(1)計(jì)算某站點(diǎn)每日的CI值，當(dāng)CI≤-0.6時(shí)，則表示該站點(diǎn)出現(xiàn)氣象干旱日。

(2)暴雨洪澇的確定：根據(jù)文獻(xiàn)[23]中的標(biāo)準(zhǔn)，某站點(diǎn)任意連續(xù)10 d累積降水≥200 mm統(tǒng)計(jì)為一次暴雨洪澇。

(3)區(qū)域平均值：某區(qū)域內(nèi)各站點(diǎn)的算術(shù)平均。

(4)線性傾向估計(jì)：根據(jù)文獻(xiàn)[24]，用xi表示樣本量為n的某一變量，用ti表示xi所對(duì)應(yīng)的時(shí)間，建立xi與ti之間的一元線性回歸：

xi=a+bt(i= 1，2，…，n) 。

(2)

式中：a為回歸常數(shù)，b為回歸系數(shù)，b的符號(hào)表示變量x的趨勢(shì)傾向。當(dāng)b>0時(shí)，表示隨時(shí)間t的增加，x呈上升趨勢(shì)；當(dāng)b<0時(shí)，表示隨時(shí)間t的增加，x呈下降趨勢(shì)。b值的大小反映上升或下降的速率，即表示上升或下降的傾向程度。

(5)累積距平：對(duì)于序列x，其某一時(shí)刻t的累積距平表示為

(3)

其中，

將n個(gè)時(shí)刻的累積距平值全部算出，即可繪出累積距平曲線進(jìn)行趨勢(shì)分析，對(duì)于降水量累計(jì)距平曲線，將上升段定義為豐水期，下降段定義為枯水期。

2洞庭湖區(qū)旱澇現(xiàn)狀

2.1　干旱現(xiàn)狀

四季有旱、夏秋旱頻率最高。洞庭湖區(qū)月氣象干旱日數(shù)在2.1 d(2、3月)~11.4 d(10月)天之間，以8-10月干旱發(fā)生頻次最高，各月在11 d以上；冬末春初發(fā)生頻次最低，在3 d以下。

年年有旱、干旱多發(fā)期時(shí)間延長(zhǎng)。1961年以來(lái)洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)年平均氣象干旱日數(shù)在11.0(2002年)~165.8 d(2011年)之間，無(wú)明顯增減趨勢(shì)，呈現(xiàn)出三段明顯的干旱多發(fā)期(圖1)：1971-1974、1984-1992、2003-2013年，各干旱多發(fā)期的持續(xù)時(shí)間呈明顯的攀升態(tài)勢(shì)，2003年以來(lái)有5年(2003、2006、2009、2011、2013年)發(fā)生了嚴(yán)重干旱災(zāi)害，對(duì)洞庭湖區(qū)生產(chǎn)、生活、生態(tài)的用水安全形成了巨大的威脅，如2003年的秋季干旱使得各類型濕地面積萎縮，候鳥越冬棲息地質(zhì)量下降，10月如約而來(lái)的白琵鷺飛走2/3；2009年的干旱導(dǎo)致湖區(qū)48萬(wàn)人出現(xiàn)飲水困難。

圖1　洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)1961-2013年氣象干旱日數(shù)累積距平曲線圖

2.2　暴雨洪澇現(xiàn)狀

春夏秋三季均有暴雨洪澇，夏季暴雨洪澇發(fā)生頻次最高。按任意10 d累積降水≥200 mm統(tǒng)計(jì)為一次暴雨洪澇，洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)春、夏、秋各季平均暴雨洪澇頻次分別為0.22、0.49、0.02次。

96.2%的年份有暴雨洪澇出現(xiàn)，1990年代中后期至21世紀(jì)初為暴雨洪澇多發(fā)重發(fā)期。1961-2002年洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)平均年暴雨洪澇頻次在0(1985、2009年)～2.56次(2002年)之間，無(wú)明顯增減趨勢(shì)，存在二段暴雨洪澇多發(fā)期，分別為1966-1969、1995-2004年(圖2)，其中1961年以來(lái)洞庭湖區(qū)發(fā)生的5個(gè)典型大澇年有4年發(fā)生在1990年代中后期至21世紀(jì)初，分別是1996、1998、1999、2002年。

圖2　洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)1961-2013年暴雨洪澇頻次累計(jì)距平曲線圖

3洞庭湖區(qū)旱澇加劇氣象成因

3.1　洞庭湖區(qū)氣候背景

氣候顯著暖。1961-2013年，洞庭湖區(qū)年平均氣溫約升高1.2 ℃，其中最暖的10年均出現(xiàn)在1990年中期之后。

圖3　夏季我國(guó)主雨帶位置的年代際變化(來(lái)源于國(guó)家氣候中心)

雨水資源呈現(xiàn)為“枯-豐-枯”變化。1961年以來(lái)，洞庭湖區(qū)雨水資源年代際變化特征(10年至數(shù)十年周期)十分顯著，1960年代至1980年代少雨、1990年代多雨、2000年至現(xiàn)在少雨(圖4)。

圖4　東亞夏季風(fēng)強(qiáng)度指數(shù)的年代際變化及洞庭湖區(qū)降水距平百分率的年代際變化(相對(duì)于1981-2010年)

3.2　我國(guó)主雨帶位置變化的影響

1961年以來(lái)我國(guó)主雨帶經(jīng)歷了先自北向南再自南向北移動(dòng)的變化過程(圖3)，1960年代到1980年代主要雨帶位于長(zhǎng)江以北地區(qū)，洞庭湖區(qū)少雨，為干旱多發(fā)期；1990年代主要雨帶位于長(zhǎng)江及以南地區(qū)，洞庭湖區(qū)多雨，為洪澇多發(fā)期；2000年以來(lái)雨帶又逐漸向北移，洞庭湖區(qū)再度少雨，成為又一干旱多發(fā)期。在洪澇多發(fā)期內(nèi)易發(fā)生特大洪澇災(zāi)害(1996、1998年)，干旱多發(fā)期內(nèi)易發(fā)生極端干旱(2003、2009、2011年)。

3.3　東亞夏季風(fēng)、赤道中東太平洋地區(qū)海表溫度異常的影響

通常強(qiáng)夏季風(fēng)年，雨帶北進(jìn)速度較快，中國(guó)主雨帶容易停滯在北方，而出現(xiàn)北澇南旱的局面；反之，弱夏季風(fēng)年，雨帶容易長(zhǎng)時(shí)間停留在長(zhǎng)江流域或者長(zhǎng)江以南，南方多雨，容易發(fā)生洪澇[25-27]。從圖4可以看出，1970年代到1980年代東亞夏季風(fēng)強(qiáng)度強(qiáng)，雨帶位置偏北，洞庭湖區(qū)少雨；1990年代東亞夏季風(fēng)強(qiáng)度弱，雨帶位置偏南，洞庭湖區(qū)多雨；進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)夏季風(fēng)強(qiáng)度偏強(qiáng)，雨帶北移，洞庭湖區(qū)再度進(jìn)入少雨階段。厄爾尼諾事件的發(fā)生發(fā)展會(huì)導(dǎo)致東亞夏季風(fēng)減弱，拉尼娜事件的發(fā)生發(fā)展會(huì)導(dǎo)致東亞夏季風(fēng)增強(qiáng)[28-30]，進(jìn)而影響到我國(guó)主雨帶的位置。1960年代至1980年代拉尼娜年多于厄爾尼諾年，我國(guó)主雨帶位置偏北，洞庭湖區(qū)少雨；1990年代厄爾尼諾年多于拉尼娜年，我國(guó)主雨帶位置偏南，洞庭湖區(qū)多雨。

3.4　氣候變暖背景下洞庭湖各流域雨水資源向豐枯同步轉(zhuǎn)變

用降水累積距平曲線(圖5)分析洞庭湖各流域降水豐枯的空間變化，得出：1990年代之前，洞庭湖區(qū)與湘江、資江流域降水豐枯同步，但與長(zhǎng)江上游地區(qū)、沅水流域、澧水流域降水豐枯變化不同步；1990年代開始，各流域與洞庭湖區(qū)降水豐枯變化一致性顯著增強(qiáng)，1990年代-21世紀(jì)初除澧水流域外其他各流域降水同步偏豐，2003年以來(lái)一致性偏枯。

3.5　枯水季節(jié)雨水資源減少加重洞庭湖區(qū)枯水季節(jié)缺水程度

1961年以來(lái)長(zhǎng)江上游地區(qū)秋季降水量顯著減少(圖6)，湘江、資江、沅水、澧水流域秋季降水也有不同程度減少，影響到洞庭湖區(qū)少雨季節(jié)上游來(lái)水量；而洞庭湖區(qū)8-12月降水量、降水日數(shù)均呈減少趨勢(shì)(圖6)，出現(xiàn)少雨季節(jié)雨更少狀況。

4結(jié)論及討論

在洞庭湖區(qū)氣候顯著增暖的背景下，旱澇災(zāi)害呈現(xiàn)加劇之勢(shì)，分析其氣象成因得出，我國(guó)東部主雨帶位置位于長(zhǎng)江以北時(shí)，洞庭湖區(qū)少雨、易旱；反之，洞庭湖區(qū)多雨、易澇。東亞夏季風(fēng)偏強(qiáng)洞庭湖區(qū)少雨、易旱，反之多雨、易澇；厄爾尼諾事件的發(fā)生發(fā)展會(huì)導(dǎo)致東亞夏季風(fēng)減弱、拉尼娜事件的發(fā)生發(fā)展會(huì)導(dǎo)致東亞夏季風(fēng)增強(qiáng)，洞庭湖區(qū)則對(duì)應(yīng)多雨或少雨。洞庭湖各流域雨水資源向豐枯同步轉(zhuǎn)變，易使洞庭湖洪水形成頂托之勢(shì)或水資源來(lái)源枯竭，導(dǎo)致旱澇災(zāi)害加重；洞庭湖各流域枯水季節(jié)雨水資源減少加重洞庭湖區(qū)枯水季節(jié)缺水程度。

本文從氣象角度討論了洞庭湖區(qū)旱澇災(zāi)害加劇的成因，應(yīng)該注意的是，區(qū)域氣候變遷、特殊的地理位置、人類對(duì)下墊面的改造(包括大型水利工程的建設(shè)、水利行政政策推行)等因素也同樣決定到洞庭湖水資源、水環(huán)境時(shí)空分布的差異性及旱澇災(zāi)害發(fā)生的強(qiáng)度，對(duì)上述因素可能產(chǎn)生的影響開展更深入地研究，將有利于提高綜合決策的科學(xué)性。

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The Weather Causes of the Aggravated Drought and Flood Disaster in Dongting Lake Region

Liao Yufang, Zhao Hui, Peng Jiadong, Wu Xianyun, Zhang Jianming and Duan Lijie

(HunanClimateCenter,Changsha410118,China)

Abstract:The result of analysis of the weather causes of the aggravated of drought and flood disaster in Dongting Lake Region based on statistic analysis of some indices and the meteorological observation data of Dongting Lake Region, the Four River basin in Hunan, the upper reaches of the Yangtze River show that the wet and dry of rainwater resources in Dongting Lake Region is directly influenced by interdecadal variations of the location of main-belt in China. Further it influenced the tendency of waterlogging-drought variation. Then it influenced the tendency of waterlogging-drought variation. The East Asian summer monsoon and sea surface temperature in the central and eastern equatorial Pacific effected the location of main-belt in China then influence the wet and dry of rainwater resources in Dongting Lake Region. Rainwater resources in Dongting Lake basin synchronously wet or dry under the background of climate warming, which trend to result the flood pile up in Dongting Lake or lead to the origin of water resources exhausted. The increased of the water resources of Dongting Lake Basin at the dry season aggravated the water shortage level.

Key words:Dongting Lake Region; drought and flood disaster; aggravate; climatic warming; rainwater resources

作者簡(jiǎn)介：廖玉芳(1962-)，女，湖南常德人，正研級(jí)高級(jí)工程師，主要從事氣候與氣候變化研究.E-mail: lyf13975681873@163.com

基金項(xiàng)目：中國(guó)工程院 “我國(guó)旱澇事件集合應(yīng)對(duì)戰(zhàn)略研究”(2012-ZD-13)；中國(guó)氣象局氣候變化專項(xiàng)“湖南省適應(yīng)氣候變化戰(zhàn)略研究”(CCSF 201212)

收稿日期：2015-06-08修回日期：2015-07-31

中圖分類號(hào)：X43；S42

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1000-811X(2016)01-0029-05

doi:10.3969/j.issn.1000-811X.2016.01.007