ENSO對(duì)珠江三角洲洪水影響

喬海艷，賈　瓊，徐　陽(yáng)

(河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院,江蘇南京　210098)

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ENSO對(duì)珠江三角洲洪水影響

喬海艷，賈瓊，徐陽(yáng)

(河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院,江蘇南京210098)

摘要：根據(jù)珠江三角洲1951—2008年34個(gè)潮位站年極高水位資料和Nio 3.4區(qū)海洋尼諾指數(shù)資料，采用GEV分布進(jìn)行洪水頻率計(jì)算，分析不同重現(xiàn)期洪水位的變化情況，對(duì)比分析洪水位重現(xiàn)水平在1980年前后空間變化特征。采用滑動(dòng)相關(guān)分析，探討珠江三角洲近50年來(lái)洪水位對(duì)ENSO(El Nio/La Nia-Southern Oscillation)響應(yīng)的年際變化特征。結(jié)果表明，珠江三角洲整個(gè)區(qū)域的洪水頻率分布自下游到上游逐漸增大，沿海比中上游地區(qū)更易受洪澇災(zāi)害威脅。絕大多數(shù)站點(diǎn)不同重現(xiàn)期洪水位變化趨勢(shì)一致，部分站點(diǎn)水位變化方向不完全一致。洪水位有減小趨勢(shì)的站點(diǎn)分布在三角洲上游地區(qū)，中下游地區(qū)則主要呈現(xiàn)為增長(zhǎng)趨勢(shì)。洪水位與ENSO之間年際變化關(guān)系有明顯階段性，在1980年發(fā)生明顯改變，躍變前后滑動(dòng)相關(guān)系數(shù)的符號(hào)或強(qiáng)度有明顯差異。洪水位對(duì)不同季節(jié)的ENSO響應(yīng)不同，不同時(shí)期ENSO對(duì)洪水位的影響不同。

關(guān)鍵詞：ENSO事件； 洪水重現(xiàn)期； 年代際變化； 珠江三角洲

厄爾尼諾—南方濤動(dòng)(ENSO)是全球海氣耦合的結(jié)果，是熱帶太平洋地區(qū)海氣系統(tǒng)年代際氣候變化的最強(qiáng)信號(hào)。研究表明，許多地區(qū)的氣溫和降水等氣象要素的異常變化都與ENSO事件有較密切聯(lián)系[1-2]，El Nio年全球陸地平均年降水量減少，La Nia年降水量增加[3]。ENSO事件不僅是造成全球氣候異常的一個(gè)重要原因，也是導(dǎo)致亞洲季風(fēng)異常和我國(guó)旱澇發(fā)生的關(guān)鍵因素，帶來(lái)嚴(yán)重的氣候?yàn)?zāi)害和重大經(jīng)濟(jì)損失。ENSO通過(guò)影響東亞夏季風(fēng)進(jìn)而影響我國(guó)降水，暖事件(冷事件)對(duì)東亞夏季風(fēng)有減弱(增強(qiáng))作用[4]，El Nio年夏季北方的干旱趨勢(shì)明顯，秋、冬季江南多雨，北方少雨，La Nia年則相反[3]。根據(jù)美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局(NOAA)提供的數(shù)據(jù)，1951—2008年共發(fā)生了18次暖事件，14次冷事件。

圖1　珠江三角洲潮位站點(diǎn)分布Fig.1　 Location of gauging stations at Pearl River delta

珠江三角洲由西江、北江、東江等河流堆積形成，河網(wǎng)密布，其密度為0.68～1.07 km/km2，河口地貌復(fù)雜，大小河流縱橫交錯(cuò)，相互貫通[5]。由于人類活動(dòng)和氣候變化等多重因子的疊加影響，近幾十年，特別是20世紀(jì)90年代以來(lái)，珠江三角洲流域水文及河流地貌特征發(fā)生了巨大變異，導(dǎo)致區(qū)域極端水位的重現(xiàn)期變化。洪水災(zāi)害呈逐漸加重趨勢(shì)，1990年后相繼發(fā)生了“94.6”，“98.6”，“05.6”，“08.6”洪水，使珠江三角洲地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展與洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的矛盾愈加尖銳[6-7]。珠江三角洲河網(wǎng)區(qū)洪水位總體呈上升趨勢(shì)，年極值水位在1980年左右發(fā)生突變，主要原因是河網(wǎng)區(qū)人類采沙活動(dòng)自20世紀(jì)80年代以來(lái)自口門向河網(wǎng)區(qū)及上游推進(jìn)[6]。珠江三角洲河網(wǎng)區(qū)洪水位的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)，反映了河床演變的一系列特性，可以在一定程度上反映出河網(wǎng)區(qū)河道的沖淤變化趨勢(shì)在不同時(shí)期的調(diào)整。

1資料和分析方法

本文所用資料包括1951—2008年珠江三角洲34個(gè)潮位站的實(shí)測(cè)年極高水位資料和Nio 3.4區(qū)海洋尼諾指數(shù)(ONI)資料。

通常對(duì)水文要素極值的頻率分析主要有兩種方法：一是通過(guò)某種統(tǒng)計(jì)分布函數(shù)對(duì)水文要素值進(jìn)行擬合，分析極端事件的累積頻率及相應(yīng)重現(xiàn)水平；二是利用極值分布理論進(jìn)行擬合分析。20世紀(jì)30年代，R. A. Fisher等[8]證明極值具有漸進(jìn)分布特性，概括了3類極值分布模型，分別為極值I型(Gumbel)、極值Ⅱ型(Fréchet)及極值III型(Weibull)分布。A. F. Jenkinson[9]根據(jù)極值分布理論，將3種類型的經(jīng)典極值分布發(fā)展為一種統(tǒng)一的具有3參數(shù)的極值分布函數(shù)——廣義極值分布(GEV)。GEV方法適用性更強(qiáng)，在水文和洪水頻率分析[10]等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，能避免以往單獨(dú)采用某一種分布的不足，在理論上是合理的，計(jì)算結(jié)果比傳統(tǒng)方法更可靠。

GEV模型的I，II和III型分布，分別對(duì)應(yīng)于形狀參數(shù)ξ=0，ξ<0和ξ>0。根據(jù)美國(guó)聯(lián)邦應(yīng)急管理署(FEMA)的指導(dǎo)意見和 W. J. Visseman等[11]的介紹，其概率密度函數(shù)(PDF)為：

(1)

2005年，F(xiàn)EMA建議采用最大似然[12]參數(shù)估計(jì)的GEV分布進(jìn)行極值分析。用于GEV模型的極大似然參數(shù)方法可表示為：

(2)

通過(guò)對(duì)珠江三角洲34個(gè)潮位站年極高水位時(shí)間序列進(jìn)行基于極大似然參數(shù)估計(jì)的GEV模型，得到各個(gè)站點(diǎn)所屬類型如圖1所示。采用Kolmogorov-Smirnov擬合檢驗(yàn)方法[12]，對(duì)結(jié)果進(jìn)行擬合優(yōu)度檢驗(yàn)，結(jié)果表明在0.05顯著性水平，所有站點(diǎn)的擬合結(jié)果被接受。

盡管珠江三角洲河網(wǎng)區(qū)水位總體呈上升趨勢(shì)，但由于河網(wǎng)區(qū)人類采沙活動(dòng)從20世紀(jì)80年代以來(lái)自口門向河網(wǎng)區(qū)及上游推進(jìn)，年極值水位在1980年左右發(fā)生了突變[6]。水位變化影響河床演變，而河床變化又反過(guò)來(lái)影響河網(wǎng)區(qū)的水位變化。本文將1951—2008年的極高水位分為1980年前后兩個(gè)樣本，并對(duì)其進(jìn)行洪水頻率分析，比較1980年前后不同重現(xiàn)期對(duì)應(yīng)洪水位的時(shí)空變化特征。

ENSO具有季節(jié)鎖相性，發(fā)生發(fā)展于春夏季、秋冬季達(dá)到鼎盛、次年夏季衰亡。研究表明，ENSO對(duì)氣候異常的影響與其所處階段關(guān)系密切[13]。本文利用年極高水位資料與Nio 3.4區(qū)冬季12月至翌年2月(DJF)的ONI指數(shù)計(jì)算二者的滑動(dòng)相關(guān)系數(shù)，以表征處于鼎盛階段的ENSO對(duì)洪水位的影響，利用年極高水位與夏季6—8月(JJA)的ONI指數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系來(lái)表征處于衰減階段的ENSO對(duì)洪水位影響。由此揭示珠江三角洲洪水位與處于不同階段ENSO關(guān)系的年代際變化特征。

為了揭示珠江三角洲不同階段ENSO與洪水位關(guān)系的年代際變化特征，取滑動(dòng)窗口n=11年進(jìn)行滑動(dòng)相關(guān)分析[14]，所得的滑動(dòng)相關(guān)值在第6年進(jìn)行標(biāo)注，利用Pearson’s相關(guān)，得到相應(yīng)的11年滑動(dòng)相關(guān)系數(shù)隨時(shí)間變化的曲線。

2不同重現(xiàn)期洪水位的時(shí)空變化特征

在整個(gè)時(shí)間樣本內(nèi)，珠江三角洲不同重現(xiàn)期洪水位自下游到上游逐漸增大，沿海地區(qū)比中上游等其他地區(qū)更易受洪澇災(zāi)害威脅，是發(fā)生洪水的敏感區(qū)和脆弱區(qū)。同為50年一遇洪水，珠江上游水位均超過(guò)5 m，三水站洪水位甚至達(dá)10.14 m(見表1)，中游50年一遇洪水位多為3～7 m，而下游這一級(jí)別的洪水位基本不超過(guò)3 m。三角洲上游區(qū)域的50年一遇洪水水位與10年一遇洪水位差值超過(guò)0.5 m，下游區(qū)域50年一遇與10年一遇洪水位的差值略大于0.25 m。

表1　珠江三角洲不同重現(xiàn)期對(duì)應(yīng)洪水位

在南華站，50年一遇洪水位比10年一遇的高1.11 m(表1)，這一差值在34個(gè)站點(diǎn)中最大。1980年前后31個(gè)站點(diǎn)(不包括大敖、大橫琴、簕竹3站，因其觀測(cè)數(shù)據(jù)較少)重現(xiàn)期為10年、20年和50年的水位有明顯差別。盡管三角洲在1980年前后水位發(fā)生了巨大變化，但仍遵守不同重現(xiàn)期洪水位自下游至上游逐漸增大的規(guī)律。

計(jì)算結(jié)果還表明,珠江三角洲1980年前后洪水位有著復(fù)雜的時(shí)空變化特征。絕大多數(shù)水文站點(diǎn)不同重現(xiàn)期對(duì)應(yīng)的洪水位變化趨勢(shì)一致，即1980年后的洪水位有明顯抬升，部分水文站點(diǎn)水位變化方向不完全一致。其中26個(gè)水文站點(diǎn)(占所選站點(diǎn)的81.25%)的洪水位呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，下游三灶、燈籠山、黃金的洪水位抬升量甚至超過(guò)了中游部分站點(diǎn)。瀾石、馬口和三水20年一遇洪水位和50年一遇洪水位變化趨勢(shì)為正，而10年一遇洪水位變化趨勢(shì)為負(fù)。石龍50年一遇洪水位變化趨勢(shì)為正，而10年及20年一遇洪水位變化趨勢(shì)為負(fù)。南華及新家鋪洪水位呈明顯下降趨勢(shì)，其中南華站的水位下降了0.75～1.50 m，新家鋪的水位下降了0.7～1.05 m。洪水位有減小趨勢(shì)的站點(diǎn)分布在三角洲上游地區(qū)，中下游地區(qū)的洪水位主要呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。

由水文統(tǒng)計(jì)分析，在珠江三角洲上游，馬口和三水各時(shí)期重現(xiàn)期變化均不太明顯，石龍和新家鋪在20世紀(jì)80年代后洪水位明顯抬升。三角洲中部地區(qū)站點(diǎn)分布密而廣，變化情況較為復(fù)雜，但總體上各時(shí)段洪水位都呈現(xiàn)抬升趨勢(shì)。整個(gè)口門區(qū)各站洪水位變化情況相似，每個(gè)站點(diǎn)的洪水位都有抬升，尤以西四口門為甚。

3洪水位對(duì)ENSO響應(yīng)的年代際變化

珠江三角洲上游地區(qū)，如圖2(a)所示的冬季ENSO與洪水位的關(guān)系表明，整體上正相關(guān)與負(fù)相關(guān)交替出現(xiàn)，且以正相關(guān)為主，階段性明顯，20世紀(jì)70—80年代相關(guān)性很低。圖2(b)表明，1980年代之前，夏季ENSO與洪水位呈負(fù)相關(guān)，20世紀(jì)90年代至21世紀(jì)00年代相關(guān)性發(fā)生躍變，正負(fù)交替，但相關(guān)性一直維持在低水平，這意味躍變年前后該區(qū)洪水位與Nio 3.4區(qū)ONI年際變化關(guān)系差異較為明顯。

圖2　珠江三角洲極高水位與ENSO的11年滑動(dòng)相關(guān)系數(shù)Fig.2　 11-year sliding correlation coefficients between AMWL and ENSO in Pearl River delta

由圖2(c)可知，中游地區(qū)在20世紀(jì)70年代前，洪水位與冬季ENSO的關(guān)系交替出現(xiàn)正負(fù)相關(guān)，且相關(guān)性低，70—80年代，一直維持穩(wěn)定的負(fù)相關(guān)。在80年代相關(guān)性發(fā)生了顯著的年代際變化，負(fù)相關(guān)系數(shù)迅速增大為正相關(guān)，并且在90年代初期再次發(fā)生轉(zhuǎn)變。中游地區(qū)洪水位與夏季ENSO呈明顯負(fù)相關(guān)(圖2(d))，并且相關(guān)系數(shù)在80年代有一個(gè)較為明顯的突變。

如圖2(e)，下游地區(qū)冬季ENSO與洪水位的關(guān)系與中上游一樣，在20世紀(jì)80年代有一個(gè)較大突變，所不同的是其長(zhǎng)期較為穩(wěn)定的明顯負(fù)相關(guān)經(jīng)過(guò)短暫的正相關(guān)后，再次變?yōu)槊黠@的負(fù)相關(guān)。但這種關(guān)系隨著年代的推移發(fā)生了改變，下游地區(qū)的負(fù)相關(guān)性逐漸減小，并轉(zhuǎn)變?yōu)檎嚓P(guān)。夏季ENSO與洪水位的相關(guān)關(guān)系(圖2(f))長(zhǎng)期較弱，70年代前期至90年代為負(fù)相關(guān)，其他年代際基本維持正相關(guān)。

4結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)1951—2008年珠江三角洲34個(gè)潮位站年極高水位和Nio 3.4區(qū)ONI指數(shù),采用GEV分布對(duì)各站點(diǎn)的年最高洪水位時(shí)間序列進(jìn)行洪水頻率計(jì)算，比較1980年前后洪水位的時(shí)空變化。采用滑動(dòng)相關(guān)分析，探討近50年來(lái)珠江三角洲洪水位對(duì)ENSO事件響應(yīng)的年代際變化特征，得到下面一些主要結(jié)論：

(1)整個(gè)珠江三角洲的不同重現(xiàn)期洪水位自下游到上游逐漸增大，沿海地區(qū)比上中游等其他地區(qū)面臨更大的洪澇災(zāi)害威脅。絕大多數(shù)水文站點(diǎn)不同重現(xiàn)期對(duì)應(yīng)的洪水位變化趨勢(shì)一致，部分水文站點(diǎn)水位變化方向不完全一致。洪水位有減小趨勢(shì)的站點(diǎn)分布在三角洲上游地區(qū)，中下游地區(qū)水文站點(diǎn)的洪水位主要呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。

(2)上游西、北江的馬口和三水兩站在各個(gè)時(shí)期重現(xiàn)期變化均不太明顯，東江的石龍和新家鋪在20世紀(jì)80年代后洪水位有明顯抬升。三角洲中部地區(qū)水文站點(diǎn)在各個(gè)年代洪水位都呈現(xiàn)出抬升趨勢(shì)。整個(gè)口門區(qū)各個(gè)站點(diǎn)洪水位變化情況相似，每個(gè)站點(diǎn)的洪水位都有抬升，西四口門洪水位抬升最為明顯。

(3)珠江三角洲上游、中游及下游洪水位與ENSO的關(guān)系隨時(shí)間的變化都具有明顯的年代際特征。近50多年來(lái)，根據(jù)滑動(dòng)相關(guān)系數(shù)的變化，在1980年代發(fā)生了較為顯著的躍變。躍變前后ENSO與珠江三角洲洪水位之間的分段相關(guān)關(guān)系具有明顯差異。

(4)洪水位對(duì)冬季ENSO的響應(yīng)與其對(duì)夏季ENSO的響應(yīng)有明顯差異。洪水位受冬季ENSO影響要明顯大于夏季ENSO，并且其波動(dòng)更大，同樣是El Nio或La Nia 事件，在不同年代背景下其對(duì)珠江三角洲洪水位的影響也具有不同的表現(xiàn)。

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Impacts of ENSO on different flood frequencies in Pearl River delta

QIAO Hai-yan， JIA Qiong， XU Yang

(CollegeofHarbor,CoastalandOffshoreEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China)

Abstract：Based on annual maximum water level (AMWL) data obtained from 34 gauging stations in the Pearl River delta (PRD) and the oceanic Nino index (ONI) data in the Nio 3.4 region from 1951 to 2008, the GEV distribution model is used to get the flood frequency analysis of AMWL. In order to comprehensively understand the water level fluctuations characteristics in the delta, the water level variation corresponding to different flood frequencies calculated from a series of pre-1980 and post-1980 years are examined. The studies of interdecadal variations in the response of the flood water level to ENSO in the past fifty years have been carried out by using moving correlation. The space-time variations in the flood water levels corresponding to different return periods in the PRD region suggest that the flood water level increases gradually from the coastal areas to the riverine system. The flood-frequency variations have shown that the most serious flood-risk is in the coastal region because this region is extremely vulnerable to the flood hazards. The flood water level increments corresponding to different increments of the flood periods in all 34 sites are great. In the upper PRD, the flood water levels show a decreasing trend while there is an increasing trend in the middle and lower PRD. The long-term variation of interannual relationships between ENSO and the flood water level has a significant stage characteristic and has a great change in the 1980s. Before and after the abrupt change, the correlation coefficients have remarkable differences. The flood water levels have various responses to various seasonal ENSO events.

Key words：ENSO event; return period of flood; interdecadal variation; the Pearl River delta

中圖分類號(hào)：P331.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-640X(2016)01-0122-06

作者簡(jiǎn)介：?jiǎn)毯ＦG(1990—)，女，江蘇連云港人，碩士研究生，主要從事港口、海岸及近海工程研究。E-mail:pghaiyan@163.com

收稿日期：2015-05-29

DOI:10.16198/j.cnki.1009-640X.2016.01.018

喬海艷， 賈瓊， 徐陽(yáng). ENSO對(duì)珠江三角洲洪水影響[J]. 水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào), 2016(1): 122-127. (QIAO Hai-yan, JIA Qiong, XU Yang. Impacts of ENSO on different flood frequencies in Pearl River delta[J]. Hydro-Science and Engineering, 2016(1): 122-127.)