洪水频率和气候变化可能产生的影响研究

［英国］ C.克拉克

1 背景

英国最近遭遇的洪水问题使人们对未来的天气情况产生质疑。C.克拉克博士希望能经过深思熟虑后再做判断。

1953年3月31日，W.科尔摩根博士以防洪为主题向美国俄亥俄州克利夫兰地理学家协会提交了一篇文章，标题为“沉降控制取胜防洪”。文章中指出，需要严加控制洪泛区以避免代价高昂的防洪计划，该文于同年发表在《经济地理》期刊上。大约在2100 a前，针对同样的问题，当时的人们为自己建造了一个湖畔村庄，将一些建筑结构修建在很高的支撑物上。A·布雷德于1892年发现了这个湖畔村庄，其灵感来源于他在瑞士看到的湖边村庄，由此他推断在其家乡格拉斯顿堡(Glastonbury)(位于萨默塞特(Somerset)郡的边缘)附近也会存在着相似的村庄。有些人认为，由于水位上涨，人们不得不遗弃村庄，但是基于当时该地区被罗马人统治并成为其殖民地，这种理论仍需要强有力的证据加以证实。1906年，W·雷蒙德编著的一本介绍萨默塞特郡历史的教科书中有这么一句话:“正如你所知道的一样，这些低洼沼泽地以前是被水淹没的。甚至到冬天的时候，成千上万亩丰盛的草场也经常被洪水淹没。”

最近，针对萨默塞特郡和泰晤士河谷两个地区洪水起因的争论比较激烈。为此，必须更详细地了解情况，以便解释洪水频率的含义;其次，以现状年为背景，来观察降雨记录;最后，运用英格兰中部的标准温度数据，将其转化为降雨深度，进而观察降雨量是如何随时间而发生变化。

2 洪水频率和降雨稀缺性分析

2.1 洪水频率和时间

全国河流流量网络水文站应尽早开始搜集洪水事件资料，以便可以搜集到与其相关的详细信息。通常情况下，许多年才会发生一次中等规模的洪水，同时也会被记录下来。随着时间的推移，洪水记录会不断地被打破，偶尔也会测量到一个大的洪水事件。有时候，测量设备被损坏，数据会丢失，按照1960年颁布实施的水资源法，为了评估干旱时期的供水能力，许多老的水文站被用于测量低流量。如今，这些较老的水文站已经完全不适用于测量大洪水。

搜集完一个长系列的资料后，例如30 a，将每年最高流量按照从大到小的顺序进行排列，然后给出一个降雨重现期，它是指在很长时期内重新发生类似事件的多年平均数。例如，10 a一遇洪水表示在任何1 a里发生洪水的概率为10%。以林肯郡劳斯郡的路德(Lud)河为例，它拥有44 a的数据资料。利用特殊方格纸绘制结果，以便估计稀缺性洪水事件。1999年，P.R.瑞赫查(P.R Rakhecha)博士与作者为了估计印度的最大降雨量，首次发表了重现期范围。该范围非常类似于1801年卡尔高斯研究结果提出的正态分布范围。分析结果表明，一百万年一遇的洪水，每秒大约可以排泄65 m3的流量。不幸的是，1920年5月29日，一场灾难性的洪水导致23人死亡并造成严重的破坏和损失。而就在几年前，A.L.V.阿雷利亚诺和作者预测这次洪水的洪峰流量为160 m3/s，最终，预测值比洪水产生的实际结果高出30 m3/s。

因此，如果没有更丰富的数据资料，洪水频率分析对稀缺事件的预测并不十分可靠，特别是大坝工程设计师，针对可能发生的最大洪水设计了一个溢流结构——溢洪道。过于低估可能发生的最大洪水，有可能造成洪水溢坝并引起大坝破坏。

对于这一令人失望但又具有重要性的结果，归其原因是由于自然界中存在一些非随机事件。可以使用轮盘法的原则对其进行调查，也就是众所周知的以摩纳哥的赌博之都命名的蒙特卡罗分析法。

你所需要的是一个完善的、拥有连续10000 a数据资料的洪水样本，然后根据公式(N+1)/M，为每年的洪水记录设定一个稀缺事件，其中，N表示10000，M表示事件的等级次序，可在任意时间长度重复取样。发生稀缺性洪水事件用重现期表示，其相关概率以百分比表示。因此，200 a一遇的洪水在任意一年发生的概率为0.5%。通过将150～250 a和350～450 a间的洪水事件进行比较，有助于解释自然界有时候洪水事件比较频繁，有时候又比较稀缺的原因。

通过分析，可以得出以下结论:

(1)即使增加40 a的测量数据，也很难实现对稀缺性洪水事件的估计。

(2)对观察结果进行方程拟合，有可能严重低估洪水频率。

(3)洪水并不是随时间经常性发生，因此长时间记录是很有必要的，但这仅适用于英国的极少数河流。

(4)历史洪水信息，即使是一个洪水位，对实际预测稀缺性洪水事件，尤其是可能发生的最大洪水事件的预测，至关重要。

2.2 降雨稀缺性的综合分析

之前，在某个网站上登载过一篇文章，标题为“萨默塞特郡2013～2014年的洪水”，文中对2013年11月和12月的洪水数据做了简要的分析。目前，2014年1月份的数据已经搜集到位，考虑到洪水时间，有必要对2013年12月和2014年1月的数据进行分析。1766年以来，英格兰和威尔士12月份和1月份连续2个月的最大降雨深度分别如下:

(1)1876年，降雨深度为341 mm;

(2)1929年，降雨深度为304 mm;

(3)1993年，降雨深度为303 mm;

(4)1994年，降雨深度为301 mm;

(5)1914年，降雨深度为299 mm;

(6)1959年，降雨深度为290 mm;

(7)1868年，降雨深度为287 mm;

(8)2013年，降雨深度为286 mm;

(9)1833年，降雨深度为279 mm。

即使这样，仍然缺少事实根据可以确定2013年12月和2014年1月的降雨深度是最高纪录。使用1983年的一个方程式，并运用蒙特卡罗方法对其进行测试，即可以得出，2013～2014年的降雨重现期为32 a。运用所有的数据资料，最小值降雨深度为200 mm，进行频率分析。从频率分析结果可以看出两个重要的事实。首先，2013～2014年的降雨并不稀缺。其次，预计500 a一遇的降雨深度为360 mm左右，比2013～2014年增加了25%。随着时间的推移，记录将不断被打破。

3 气候变化对降雨的影响

如果说洪水频率分析是水文学中一颗璀璨的明珠，那么，对气候学家来说，全球气候模型就相当于天体和权杖。正如大家所看到的一样，洪水频率分析集聚了数据的可用性及事件非随机性。

假设气候变化可以引起更多的降雨，尤其是在2013年12月～2014年1月期间。1766年以来，英格兰中部的年平均气温已经上升了1℃左右。该假设有可能会进一步阐明，温度越高，空气中的水分将会越多，从而可能导致更多的降雨。

对前45个最高的12月份和1月份的数据进行求和，并与当时的平均温度进行关联。结果表明，尽管比较离散，但在概率水平为1%时，相关系数为0.42(变化范围为 －1.0 ～1.0)，其相关性还是比较显著的。

由此看来，温度的上升可能会导致降雨量的增加。但是，必须弄清楚这种影响是怎么随时间发生变化的，从而可以为假设提供一个更明确的答案。希望随着时间的推移，温度升高时降雨量会增加，更重要的是，近期也符合这种规律。当概率水平为5%时，相关系数为－0.34，是显著相关的。但是，从已有数据资料来看，降雨量与温度并不是呈现正相关，而是降雨量越多温度反而越低，显然这与之前的假设是相违背的。

对于该假设可以通过其他方式进行检验。采用系列资料中第一个75 a和最后一个75 a的温度和降雨深度，将其进行比较。结果显示，1766～1841年，平均降雨深度为920 mm，平均温度为9.2℃，可是降水量却为19.5 mm;1938～2013年，平均降雨深度为930 mm，平均温度为10.1℃，可是降水量为21.1 mm。

如果大气层中的水分增加8%，那么年平均降雨量就会增加1%。因此，降雨量并非像假设中所预期的那样，会随着空气中水分的变化而发生显著的变化。

通过扩大分析范围以使其包含任意连续的2个月，这样可以针对近期雨季的情况给出更详细的说明。从英格兰和威尔士任意连续2个月最大降雨量汇总结果可以看出，2013～2014年在系列中位居第21位。

人们认为，大约从1960年以后，人类活动对气候造成的影响已经产生了全球性的影响。经过分别对1960年前后排名靠前的7a降雨量进行求和，可以得出1960年前后分别为39和74。由此可以看出，1960年前的降雨量比1960年后的要多。

因此，至少可以通过4种计算方法来否定之前的假设:气候变化在某种程度上与近期湿润的天气情况有关。

科学是一门不断产生疑问，并经过长时间认真工作、多次失败和极少数成功后获得的学问。期待在未来40 a后，针对文章中提出的问题，将会拥有更加清晰的答案。