遼河流域洪澇致災氣候閾值研究

劉向培，賈慶宇，佟曉輝，楊劍刃

(1.解放軍31457部隊，遼寧 沈陽 110027；2. 中國氣象局沈陽大氣環境研究所，遼寧 沈陽 110166)

1 研究區域

遼河流域位于中國東北地區南部，東、西兩側為低、中山，地勢較高，北部為松遼流域分水嶺，西、北、東三面群山崗丘呈馬蹄形環抱遼河平原，其海拔高度分布及流域內站點分布如圖1所示。該區域地處溫帶大陸性季風氣候區，各地氣候差異較大，降水年內分配不均勻。冬季經常處于大陸干冷氣團控制之下，降水量少；夏季受東南季風影響，并有臺風入侵，水汽充沛，6—9月降水量占全年的70%以上，降水集中且常出現暴雨[1]。遼河流域既是我國的工業基地，也是農業基地，2000年遼河流域的地區生產總值3236.87億元，占整個東北地區的31.5%；遼河流域耕地面積476萬hm2，主要農作物是玉米、小麥、水稻等，農業總產值791.88億元，占東北地區的32%[1]。

圖1 1971—2000年遼河流域年平均降水量和洪澇災害次數空間分布

2 研究資料與方法

2.1 研究資料

氣象資料為中國地面氣候資料日值數據集(V3.0)的日降水數據，該數據已經通過時間、空間一致性檢查、臺站極值檢查以及人工核查等質量控制。遼河流域地理范圍來自國家科技基礎條件平臺湖泊—流域科學數據中心(http：//lake.geodata.cn)，高程數據來自中國科學院資源環境科學數據中心資源環境數據云平臺(http：//resdc.cn)。遼河流域洪澇災情數據主要來自中國氣象數據網的中國暴雨洪澇災害數據集和中國農業氣象災害資料數據集、《中國氣象災害大典》[2-4]《新中國農業60年統計資料》[5]《遼寧省氣象災害》[6]《內蒙古自治區志(氣象志)》[7]等。

2.2 研究方法

理想的致災氣候閾值是采用一個簡單有效的方法反映受災情況[8-9]。本文以日為單位整理1971—2000年流域內各站點洪澇災害發生日期和對應日期的降水量，分析洪澇災害的時、空分布特征，對比洪澇災害日與非災害日特征量(絕對降水量(Pa，為各站點觀測日降水量)和相對降水量(Pr，為某日降水量與研究時間段內當日平均降水量的比值))的差異，根據區域特點選取最優特征量并設計洪澇災害致災氣候閾值。

洪澇災害日與非災害日的特征量存在較明顯差異，但僅比較二者的平均值難以細致描述它們之間的差異及其變化規律，同時，由于洪澇災害的發生受到多種因素影響，如果僅比較洪澇災害日最小特征量和非災害日最大特征量，所得結果容易受到洪澇災害主觀判定標準、偶然因素等的影響而產生偏差。本文一方面要求各站點洪澇災害數據足夠多，以確保結果具有統計意義；另一方面要求各站點洪澇災害數據足夠少，以確保結果反映洪澇災害的臨界條件。綜合考慮以上兩個方面，本文分析洪澇災害日最小20%特征量與非災害日最大20%特征量的差異，對比二者判別洪澇災害的能力。

為便于對比絕對降水量(Pa)和相對降水量(Pr)對洪澇災害的判別能力，引入差異指數的概念，其中，絕對差異指數(Indr)為洪澇災害日與非災害日絕對降水量的差值與該日平均絕對降水量的比值，相對差異指數(Indr)為洪澇災害日與非災害日相對降水量的差值與該日平均相對降水量的比值。

3 遼河流域洪澇災害氣候閾值分析

3.1 降水和洪澇災害的時空分布

遼河流域各地年平均降水量的差異較大，總體上自東南向西北遞減。1971—2000年，流域年平均降水的空間分布如圖1(a)所示，各站點年降水量平均為621 mm，位于流域東南部的遼寧東部部分地區年平均降水量超過900 mm，其中，寬甸站最大，達到1049 mm，位于流域西北部的內蒙古東南部和遼寧西北部部分地區年平均降水量低于400 mm，其中，開魯站最小，僅328 mm。

圖1(b)為1971—2000年遼河流域洪澇災害日數的空間分布情況。由圖可見，其與年平均降水量的分布較一致，總體上表現為從東南向西北遞減，東南部部分區域洪澇災害日數超過90 d，其中，集安站最多，洪澇災害日數達到107 d，雖與年平均降水量最大的寬甸站同樣位于流域東南部，但有一定偏移。此外，雖然災害發生較少的站點主要集中在流域西北部，但旅順站洪澇災害日數僅為19 d，在區域內最少。

圖2反映了1971—2000年遼河流域年平均降水量的變化情況。在研究時段內，遼河流域降水呈波動狀變化，各年平均降水量的標準差為96 mm，其中，1985年的降水量最大，為832 mm，1999年的降水量最小，僅為466 mm。圖2還反映了1971—2000年遼河流域各站點洪澇災害總日數的時間變化。研究時段內災害日數波動較大，年平均洪澇災害日數為83 d，標準差為50。其中，1976年最少，為26 d，1985年最多，達到278 d。各站點洪澇災害總日數與年平均降水量的變化較一致，二者之間的相關系數為0.77。在降水較多的年份，洪澇災害也較多，反之亦然，尤其是在1985年，研究時段內最多的年降水量是導致洪澇災害發生最多的一個重要原因。在一年之內，遼河流域洪澇災害最早發生于4月底，最晚發生于10月末(洪澇災害集中期)，洪澇災害主要集中于7月和8月，發生于這兩個月的洪澇災害占洪澇災害總量的85%。

圖2 1971—2000年遼河流域年平均降水量和各站點洪澇災害總日數變化

圖3為洪澇災害集中期各站點不同強度降水發生次數和對應的洪澇災害總日數，為便于對比，圖中沒有顯示日降水強度<20 mm的數據。由圖可見，流域內降水發生次數隨著強度的增加而減小，日降水量主要集中在100 mm以下，該強度內降水所占比例超過99%，日降水量在50 mm以下的降水所占比例超過96%。對比圖中降水次數與洪澇災害次數可以發現，二者的分布表現出較明顯的差異，遼河流域導致洪澇災害發生的日降水強度主要集中在20 mm以上，其中，日降水強度在45～50 mm時，發生的洪澇災害次數最多，占全部洪澇災害的10%，隨著日降水量的增加，發生相應降水的次數及洪澇災害的次數逐漸減少。

圖3 1971—2000年洪澇災害集中期各站點不同強度降水發生次數和洪澇災害總日數

3.2 遼河流域洪澇災害日與非災害日降水差異的時空分布

降水是導致洪澇災害發生的直接原因，從不同角度對比洪澇災害日與非災害日降水的差異，是確定洪澇災害致災氣候閾值的基礎。

3.2.1 時間變化

圖4為1971—2000年遼河流域洪澇災害日最小20%絕對降水量(Pat20)與非洪澇災害日最大20%絕對降水量(Paf20)的時間變化情況。Pat20在洪澇災害集中期表現為兩端大中間小的特征，即4月末和10月末較大，7月末和8月初較小，這主要是因為在洪澇災害集中期的兩端，平均降水相對較小，河湖蓄水較少，土壤含水量較小，洪澇災害的發生多由于強度較大的降水導致，在這些導致洪澇災害發生的降水中，日降水量相對較小的20%的數值仍相對較大，而7月末和8月初是降水最充沛的時間，河湖中蓄水量較大，前期降水導致土壤含水量相對較高，較小的降水就會導致洪澇災害的發生。Paf20的時間分布特征與Pat20相反，表現為兩端小中間大的特征，即4月末和10月末較小，7月末和8月初較大，這種特征主要是由降水量的時間變化決定的，7月末和8月初降水量較大，非洪澇災害日的降水量也較大，非洪澇災害日最大20%降水的數值也就相對較大。

圖4 洪澇災害日最小20%日絕對降水量 (相對降水量)

圖5為1971—2000年遼河流域洪澇災害日最小20%相對降水量(Prt20)與非洪澇災害日最大20%相對降水量(Prf20)的時間變化情況。在洪澇災害集中期，Prt20同樣表現為兩端較大、7月末8月初較小的時間變化特征，與Pat20較一致。Prf20的時間變化表現為洪澇災害集中期兩端大，7月末8月初較小，但是這種變化的幅度很小，Prf20保持在5左右變化。

圖5 非災害日最大20%絕對降水量 (相對降水量)

洪澇災害日與非災害日特征量的差異對洪澇災害的確定有著直接影響。由于Pat20與Paf20差值(Da20)和Prt20與Prf20差值(Dr20)含義不同，為便于對比，本文將洪澇災害日和非災害日絕對降水量(相對降水量)的差值與研究時段內該日平均絕對降水量(相對降水量)的比值定義為絕對差異指數Inda(相對差異指數Indr)，剔除Da20和Dr20各自含義的影響，分析二者差異。圖6為Inda和Indr的時間變化情況，兩指數的變化規律較一致，均為在洪澇災害集中期兩端較大，在7月末8月初較小，差異指數的時間變化情況表明，基于絕對降水量或相對降水量可以設計洪澇災害氣候閾值，對比二者的差異可以發現，總體上絕對差異指數較大，平均為4.0，相對差異指數較小，平均為1.9。這表明針對整個遼河流域，以絕對降水量作為特征量更容易判定洪澇災害。

圖6 絕對差異指數與相對差異指數時間變化

3.2.2 空間分布

圖7(a)為Inda的空間分布。雖然，遼河流域西部地區的絕對降水差異Da20較小，但由于該地區降水量少，使得絕對差異指數較大，表明以絕對降水量為特征變量，能夠較好地判定洪澇災害發生與否。在遼河流域東部，在Da20相對較小的同時，降水量相對較大，這導致該地區的Inda的數值小于西部地區。另外，遼河流域東部和西部的Inda具有較明顯的差異的同時，總體上Inda均為較大正值，平均為8.8，表明絕對降水量Pa對洪澇災害的判別能力較好。

圖7 洪澇災害集中期絕對差異指數和相對差異指數空間分布

圖7(b)為相對差異指數Indr的空間分布。Indr與Inda的空間分布較一致，總體上表現為遼河流域西部較大而東部較小，但不同的是，Indr在數值上較小，不同站點之間的差異也相對較小，平均僅為0.6，這表明該指數對洪澇災害的區分能力較弱，尤其是在流域東部地區，指數出現負值，表明如果在該區域以Indr為特征量判別洪澇災害，會出現錯誤。出現這種結果的原因在于，遼河流域面積廣闊，年內降水量變化較大，尤其在流域東部地區，這種變化更明顯，在絕對降水量較少的時間，雖然部分降水的相對量較大，但仍不足以導致洪澇災害的發生，從而導致誤差的出現。

4 洪澇災害致災氣候閾值的選定及應用

基于上述分析結果，選擇絕對降水量作為特征量研究遼河流域洪澇災害氣候閾值。由于研究時段內洪澇災害數據有限，因此，綜合考慮災害數據的代表性和統計意義、洪澇災害氣候閾值的預警作用及準確率，經過試驗，閾值Y的設計如式(1)：

Y=Paf20+(Pat20-Paf20)×0.85

(1)

式中：Paf20為非洪澇災害日最大20%絕對降水量，mm；Pat20洪澇災害日最小20%絕對降水量，mm。

其含義是，在非洪澇早災害日平均最大20%絕對降水量的基礎上，增加洪澇災害日最小20%絕對降水量與非洪澇災害日最大20%降水量差異的85%作為洪澇災害氣候閾值。圖8(a)為閾值的時間變化，與圖6較類似，該閾值同樣表現為洪澇災害集中期兩端較大，在7月下旬至8月上旬相對較小。圖8(b)為的空間分布情況，總體上表現為南部較大，北部較小。將該圖與圖2中年平均降水量空間分布情況和洪澇災害日數分布對比可以發現，在遼河流域東部地區的年平均降水量較大，但該區域洪澇災害閾值較小，這直接導致了該區域洪澇災害次數較多。

圖8 遼河流域洪澇災害致災氣候閾值時間和空間變化

為檢驗閾值對洪澇災害的判別能力，這里基于該閾值對1953年遼河流域洪澇災害進行分析。1953年遼河流域發生較大范圍的洪澇災害，無論是災情分布范圍，還是受災程度，都較具有代表性[9]。圖9為1953年洪澇災害日數的空間分布情況及閾值判定災害日數與實際日數差異的空間分布情況(僅顯示了具有完整降水觀測站點數據處的災情)。閾值判定結果能夠較好反應災情的空間分布情況，1953年遼河流域觀測站點共發生125 d洪澇災害，閾值判定結果為138 d，較實際結果多13 d，其中，偏多站點共14個，彰武站的正偏差最大，為3 d，偏少站點共5個，岫巖站的負偏差最大，為2 d，無偏差站點4個。

圖9 1953年遼河流域洪澇災害日數和實際洪澇災害日數與閾值判定結果差值空間分布

圖10為1953年洪澇災害站點數和閾值判定結果的時間變化。由圖可見，閾值判定的洪澇災害主要集中6月至8月，此間共有130個站發生洪澇災害，閾值判定結果為125，準確率較高，在6月以前和8月以后，共8個站發生洪澇災害，但均沒有準確判定出來，偏差較大。與圖5及圖6對比，可以發現在洪澇災害集中期兩端，災害日與非災害日的特征量差異較大的同時，這兩個時間段閾值判定的結果也較差。這主要是因為在這些時段的災情數據較少，所得結果的代表性相對較差，進而影響了基于觀測結果所得到的閾值的判定能力。

圖10 實際洪澇災害站數和閾值判定結果時間變化

5 結 論

(1)1971—2000年，遼河流域各站點年平均降水量和洪澇災害日數空間分布不均勻，總體上均自東南向西北遞減，年降水量與各站點洪澇災害總日數之間具有較強的相關性，相關系數為0.77。洪澇災害最早發生于4月底，最晚發生于10月末，主要集中于7月和8月，日降水強度在45～50 mm時，發生的洪澇災害次數最多，占全部洪澇災害的10%。

(2)洪澇災害日最小20%絕對降水量和相對降水量均表現為4月末和10月末較大，7月末和8月初較小的時間變化特征，非洪澇災害日最大20%絕對降水量和相對降水量則表現為4月末和10月末較小，7月末和8月初較大，在洪澇災害日和非災害日，絕對降水量和相對降水量均有較明顯的差異，差值在4月末和10月末較大，7月末和8月初較小。絕對差異指數較相對差異指數更大，表明在遼河流域，以絕對降水量作為特征量更容易判定洪澇災害。

(3)在非洪澇早災害日最大20%絕對降水量的基礎上，增加洪澇災害日最小20%絕對降水量與非洪澇災害日最大20%降水量差值的85%作為洪澇災害氣候閾值判別遼河流域洪澇災害，具有較高的精度，但判別6月以前和8月以后洪澇災害的能力較弱。