洞庭湖区旱涝灾害加剧的气象成因

廖玉芳，赵　辉，彭嘉栋，吴贤云，张剑明，段丽洁

(湖南省气候中心，湖南 长沙 410118)



洞庭湖区旱涝灾害加剧的气象成因

廖玉芳，赵辉，彭嘉栋，吴贤云，张剑明，段丽洁

(湖南省气候中心，湖南 长沙 410118)

摘要:利用洞庭湖区及湖南四水流域、长江上游地区气象观测资料和各类指标资料，基于统计方法，开展洞庭湖区旱涝加剧气象成因分析，得出如下结论：我国主雨带位置的年代际变化直接影响到洞庭湖区雨水资源的丰枯变化，进而影响到旱涝趋势的变化；东亚夏季风和赤道中东太平洋地区海表温度异常通过对我国主雨带位置的影响来影响洞庭湖区水资源的丰枯；气候变暖背景下洞庭湖各流域雨水资源向丰枯同步转变，易使洞庭湖洪水形成顶托之势或水资源来源枯竭，导致旱涝灾害加重；洞庭湖各流域枯水季节雨水资源减少加重洞庭湖区枯水季节缺水程度。

关键词:洞庭湖区；旱涝灾害；加剧；气候变暖；雨水资源

2014年4月14日，中华人民共和国国务院正式批复同意《洞庭湖生态经济区规划》[1]，立足保障水安全、着力构建和谐人水新关系、加快解决城乡饮水安全问题等水问题成为了洞庭湖生态经济区建设的重点任务。1990年代以来，洞庭湖区旱、涝灾害加剧，对该区经济社会发展和生态系统造成了重大影响[2-6]。有个两方面的因素影响到该区域的水安全问题：一是雨水资源的变化，二是人类活动的影响[7-12]。关于人类活动对洞庭湖区旱涝的影响已有众多学者进行研究并取得相应的研究成果[13-18]，有关气象成因方面的分析较少，余曼平[19]分析了前一年秋冬季黑潮暖流区海温与洞庭湖区汛期降水和洪涝的关系，毛德华[20]指出导致洞庭湖洪涝灾害的内在机制是厄尔尼诺事件导致的全球气候异常，吴贤云[21]研究了两湖流域持续性旱涝过程的大气环流形势及水汽输送特征。在科学发展观指导下，人类活动对水资源的负面影响在减小，而雨水资源的变化将成为水安全的重要影响因素，也是发生洪旱灾害最主要的诱因。针对洞庭湖生态经济区开展旱涝气象成因分析，把脉好洞庭湖雨水资源的变化规律，采取积极应对措施趋利避害尤显重要。

1资料与方法

1.1　资料

采用的主要资料如下：湖南省及湖北省的荆州市、长江上游地区各地面气象观测站1961年以来降水、气温观测资料；东亚夏季风指数、ENSO监测资料(来源于国家气候中心)。

1.2　方法

1.2.1定义

洞庭湖区：按中华人民共和国国务院2014年4月14日正式批复同意《洞庭湖生态经济区规划》所指定的范围，即湖南省岳阳市、常德市、益阳市，长沙市望城区和湖北省荆州市，共33个县(市、区)。

长江上游地区：以湖北宜昌、江西湖口作为分界点，把100°～120°E之间的长江主体分为上游、中游及下游三个部分。

1.2.2分析方法

(1)气象干旱日的确定：根据国家标准[22]给出的综合气象干旱指数，计算公式为：

CI=aZ30+bZ90+cM30。

(1)

式中：Z30、Z90分别为近30 d和近90 d标准化降水指数SPI值，M30为近30 d相对湿润指数；a、b、c分别取值0.4、0.4、0.8。根据式(1)计算某站点每日的CI值，当CI≤-0.6时，则表示该站点出现气象干旱日。

(2)暴雨洪涝的确定：根据文献[23]中的标准，某站点任意连续10 d累积降水≥200 mm统计为一次暴雨洪涝。

(3)区域平均值：某区域内各站点的算术平均。

(4)线性倾向估计：根据文献[24]，用xi表示样本量为n的某一变量，用ti表示xi所对应的时间，建立xi与ti之间的一元线性回归：

xi=a+bt(i= 1，2，…，n) 。

(2)

式中：a为回归常数，b为回归系数，b的符号表示变量x的趋势倾向。当b>0时，表示随时间t的增加，x呈上升趋势；当b<0时，表示随时间t的增加，x呈下降趋势。b值的大小反映上升或下降的速率，即表示上升或下降的倾向程度。

(5)累积距平：对于序列x，其某一时刻t的累积距平表示为

(3)

其中，

将n个时刻的累积距平值全部算出，即可绘出累积距平曲线进行趋势分析，对于降水量累计距平曲线，将上升段定义为丰水期，下降段定义为枯水期。

2洞庭湖区旱涝现状

2.1　干旱现状

四季有旱、夏秋旱频率最高。洞庭湖区月气象干旱日数在2.1 d(2、3月)~11.4 d(10月)天之间，以8-10月干旱发生频次最高，各月在11 d以上；冬末春初发生频次最低，在3 d以下。

年年有旱、干旱多发期时间延长。1961年以来洞庭湖生态经济区年平均气象干旱日数在11.0(2002年)~165.8 d(2011年)之间，无明显增减趋势，呈现出三段明显的干旱多发期(图1)：1971-1974、1984-1992、2003-2013年，各干旱多发期的持续时间呈明显的攀升态势，2003年以来有5年(2003、2006、2009、2011、2013年)发生了严重干旱灾害，对洞庭湖区生产、生活、生态的用水安全形成了巨大的威胁，如2003年的秋季干旱使得各类型湿地面积萎缩，候鸟越冬栖息地质量下降，10月如约而来的白琵鹭飞走2/3；2009年的干旱导致湖区48万人出现饮水困难。

图1　洞庭湖生态经济区1961-2013年气象干旱日数累积距平曲线图

2.2　暴雨洪涝现状

春夏秋三季均有暴雨洪涝，夏季暴雨洪涝发生频次最高。按任意10 d累积降水≥200 mm统计为一次暴雨洪涝，洞庭湖生态经济区春、夏、秋各季平均暴雨洪涝频次分别为0.22、0.49、0.02次。

96.2%的年份有暴雨洪涝出现，1990年代中后期至21世纪初为暴雨洪涝多发重发期。1961-2002年洞庭湖生态经济区平均年暴雨洪涝频次在0(1985、2009年)～2.56次(2002年)之间，无明显增减趋势，存在二段暴雨洪涝多发期，分别为1966-1969、1995-2004年(图2)，其中1961年以来洞庭湖区发生的5个典型大涝年有4年发生在1990年代中后期至21世纪初，分别是1996、1998、1999、2002年。

图2　洞庭湖生态经济区1961-2013年暴雨洪涝频次累计距平曲线图

3洞庭湖区旱涝加剧气象成因

3.1　洞庭湖区气候背景

气候显著暖。1961-2013年，洞庭湖区年平均气温约升高1.2 ℃，其中最暖的10年均出现在1990年中期之后。

图3　夏季我国主雨带位置的年代际变化(来源于国家气候中心)

雨水资源呈现为“枯-丰-枯”变化。1961年以来，洞庭湖区雨水资源年代际变化特征(10年至数十年周期)十分显著，1960年代至1980年代少雨、1990年代多雨、2000年至现在少雨(图4)。

图4　东亚夏季风强度指数的年代际变化及洞庭湖区降水距平百分率的年代际变化(相对于1981-2010年)

3.2　我国主雨带位置变化的影响

1961年以来我国主雨带经历了先自北向南再自南向北移动的变化过程(图3)，1960年代到1980年代主要雨带位于长江以北地区，洞庭湖区少雨，为干旱多发期；1990年代主要雨带位于长江及以南地区，洞庭湖区多雨，为洪涝多发期；2000年以来雨带又逐渐向北移，洞庭湖区再度少雨，成为又一干旱多发期。在洪涝多发期内易发生特大洪涝灾害(1996、1998年)，干旱多发期内易发生极端干旱(2003、2009、2011年)。

3.3　东亚夏季风、赤道中东太平洋地区海表温度异常的影响

通常强夏季风年，雨带北进速度较快，中国主雨带容易停滞在北方，而出现北涝南旱的局面；反之，弱夏季风年，雨带容易长时间停留在长江流域或者长江以南，南方多雨，容易发生洪涝[25-27]。从图4可以看出，1970年代到1980年代东亚夏季风强度强，雨带位置偏北，洞庭湖区少雨；1990年代东亚夏季风强度弱，雨带位置偏南，洞庭湖区多雨；进入21世纪以来夏季风强度偏强，雨带北移，洞庭湖区再度进入少雨阶段。厄尔尼诺事件的发生发展会导致东亚夏季风减弱，拉尼娜事件的发生发展会导致东亚夏季风增强[28-30]，进而影响到我国主雨带的位置。1960年代至1980年代拉尼娜年多于厄尔尼诺年，我国主雨带位置偏北，洞庭湖区少雨；1990年代厄尔尼诺年多于拉尼娜年，我国主雨带位置偏南，洞庭湖区多雨。

3.4　气候变暖背景下洞庭湖各流域雨水资源向丰枯同步转变

用降水累积距平曲线(图5)分析洞庭湖各流域降水丰枯的空间变化，得出：1990年代之前，洞庭湖区与湘江、资江流域降水丰枯同步，但与长江上游地区、沅水流域、澧水流域降水丰枯变化不同步；1990年代开始，各流域与洞庭湖区降水丰枯变化一致性显著增强，1990年代-21世纪初除澧水流域外其他各流域降水同步偏丰，2003年以来一致性偏枯。

3.5　枯水季节雨水资源减少加重洞庭湖区枯水季节缺水程度

1961年以来长江上游地区秋季降水量显著减少(图6)，湘江、资江、沅水、澧水流域秋季降水也有不同程度减少，影响到洞庭湖区少雨季节上游来水量；而洞庭湖区8-12月降水量、降水日数均呈减少趋势(图6)，出现少雨季节雨更少状况。

4结论及讨论

在洞庭湖区气候显著增暖的背景下，旱涝灾害呈现加剧之势，分析其气象成因得出，我国东部主雨带位置位于长江以北时，洞庭湖区少雨、易旱；反之，洞庭湖区多雨、易涝。东亚夏季风偏强洞庭湖区少雨、易旱，反之多雨、易涝；厄尔尼诺事件的发生发展会导致东亚夏季风减弱、拉尼娜事件的发生发展会导致东亚夏季风增强，洞庭湖区则对应多雨或少雨。洞庭湖各流域雨水资源向丰枯同步转变，易使洞庭湖洪水形成顶托之势或水资源来源枯竭，导致旱涝灾害加重；洞庭湖各流域枯水季节雨水资源减少加重洞庭湖区枯水季节缺水程度。

本文从气象角度讨论了洞庭湖区旱涝灾害加剧的成因，应该注意的是，区域气候变迁、特殊的地理位置、人类对下垫面的改造(包括大型水利工程的建设、水利行政政策推行)等因素也同样决定到洞庭湖水资源、水环境时空分布的差异性及旱涝灾害发生的强度，对上述因素可能产生的影响开展更深入地研究，将有利于提高综合决策的科学性。

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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

作者简介：廖玉芳(1962-)，女，湖南常德人，正研级高级工程师，主要从事气候与气候变化研究.E-mail: lyf13975681873@163.com

基金项目：中国工程院 “我国旱涝事件集合应对战略研究”(2012-ZD-13)；中国气象局气候变化专项“湖南省适应气候变化战略研究”(CCSF 201212)

收稿日期：2015-06-08修回日期：2015-07-31

中图分类号：X43；S42

文献标志码：A

文章编号：1000-811X(2016)01-0029-05

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