中国气候变化与水灾发生频次的时空关系研究(1961-2010)*

孔 锋，刘 凡，王一飞，方 建，吕丽莉1,

(1.中国气象局 气象干部培训学院，北京 100081；2.中国气象局 发展研究中心，北京 100081；3.北京师范大学 地表过程与资源生态国家重点实验室，北京 100875；4.民政部/教育部 减灾与应急管理研究院，北京 100875；5.武汉大学 资源与环境科学学院，湖北 武汉 430079)

中国气候变化与水灾发生频次的时空关系研究(1961-2010)*

孔 锋1,2,3,4，刘 凡3,4，王一飞2，方 建5，吕丽莉1,2

(1.中国气象局 气象干部培训学院，北京 100081；2.中国气象局 发展研究中心，北京 100081；3.北京师范大学 地表过程与资源生态国家重点实验室，北京 100875；4.民政部/教育部 减灾与应急管理研究院，北京 100875；5.武汉大学 资源与环境科学学院，湖北 武汉 430079)

近年来在全球气候变化的背景下，中国多地水灾频发，造成人员伤亡、财产损毁、生态系统破坏。现有的平均态气候分区不能准确反映水灾的时空变化格局。该文筛选了《中国自然灾害报刊数据库》中的县级水灾事件，并基于中国气候变化区划(1961-2010)统计分析了1961-2010年中国水灾的发生频次，以揭示气候变化中不同趋势和波动变化区的水灾发生频次的时空格局。结果表明：在1961-2010年中国暖干趋势带和暖湿趋势带内水灾次数均趋于增多，水灾发生频次与暴雨雨量、雨日和雨强的变化具有一致性。其中，在暖干趋势带内，降水波动减弱区水灾发生次数(1 612次)约是降水波动增强区次数(818次)的2倍；在暖湿趋势带内，降水波动减弱区(512次)约为降水波动增强区(1 377次)水灾次数的1/3。从气候变化背景下中国水灾发生频次的空间变化结果可知，不同的降水变化趋势、波动特征与水灾发生次数间有明显的对应关系，气候的动态变化极可能是区域水灾差异的主要影响因素。

水灾；气候变化；区划；极端降水；时空格局；中国

全球气候变化背景下频发的极端强降水事件造成水灾泛滥，导致多地城市受淹，带来严重的人员伤亡、财产损毁和生态系统破坏，对灾区可持续发展带来深远影响，并成为全球和区域灾害与环境风险的重要因素，越来越受到学术与社会各界的关注[1-4]。

中国是世界上水灾最为频发的国家之一[5-7]。水灾的发生与降水量、降水频率和降水强度之间具有密切的关系，因此关注降水和水灾的关系是十分必要的[8]。对于降水研究方面，愈来愈多的观测事实表明，在全球气候变化背景下，全球变暖使得地表蒸发加剧，导致大气保水能力增加，全球和区域水循环加快，势必造成部分地区降水增多[9-13]。并且在总降水量增大的区域，其强降水事件都极有可能以更大的比例增加[14-17]，即使平均总降水量减少或不变的区域，也还存在着强降水量及降水频次的增加现象[18]。受极端降水事件影响，中国多个地区水灾严重，已经对社会经济发展、生命安全和生态系统等诸多方面造成了巨大的损失和危害[7-8]。 已有的研究结果表明，不断变化的气候可导致极端天气和气候事件在频率、强度、空间范围、持续时间和发生时间上的变化，并能够导致前所未有的极端天气和气候事件；具有高信度的是，与天气和气候灾害有关的经济损失已经增加[6-8]。中国幅员辽阔，地形复杂，各地区的气候控制系统、水文地质环境、土地利用结构和经济发展状况都存在着巨大的差异[19-21]，不同地区对于气候变化的响应大不相同，因此，在进行水灾研究时，需要充分考虑气候变化对不同区域的水灾影响[22-23]。关于中国水灾格局与水灾区划、从宏观上揭示中国水灾时空变化特征和规律方面的研究，已有了不少有意义的结果。例如，有依据中国水灾县域分布，把中国水灾格局被归纳为全国型、分散型、北方型、东部型、东南型和西北-东南型的[5,24]；有选取灾害程度指标和致灾因子指标，以省级行政区为单元把中国划分为东北中强度、北方中轻度等6个不同的水灾区的[6,25]；还有基于降雨、地形、人口密度等因子进行中国水灾风险区划的[7,26]。但是，上述水灾区划工作其核心都是基于稳定气候状态下的水灾区域性差异展开的，并没有反映出气候变化情况下水灾的区域变化，因而在气候变化速率不断加快的今天，其不能很好地满足当前适应气候变化的需要[27-30]。

《中国气候变化区划(1961-2010)》一文中针对气候变化的本质，建立了一套能够诊断气候变化及其影响的区域差异的分类方法[28]，即根据气候变化的变化趋势(上升/下降/无明显变化趋势)和波动特征(增强/减弱/无明显波动特征)可以将气候变化分为9种模态。以此9种模态作为中国气候变化区划的基础，将中国分为5个一级变化趋势带和14个二级波动特征区。气候变化区划则是从气候变化的动态性角度切入，更接近气候变化实际，也更能满足当前适应气候变化的需要。本文正是基于对气候变化区域差异的理解，进行了1961-2010年期间中国水灾发生频次的统计与计算，并结合气候变化下暴雨的变化趋势和波动情况展开了讨论，这些工作有助于加深气候变化对水灾的影响研究，从而更好地帮助我们深入了解水灾的演变过程及其形成机理。

1 数据和方法

1.1 数据来源

本文采用的水灾数据来源于《中国自然灾害数据库》中的中国省级报刊记载自然灾害(1949-2010年)数据[5-6]，该报刊数据库依据中国省级报刊所记录的灾害事件，以县域为基本统计单位，统计了灾害事件的起止时间、地点、灾害类型、范围、灾情和刊物名称，其信息相对较为完善、范围覆盖全国。本文筛选1961-2010年期间中国洪水、涝灾、海潮和水灾这四种类型灾害发生的记录，作为本文水灾的研究对象。本文采用的中国气候变化区划(1961-2010)分区数据来自北京师范大学地表过程与资源生态国家重点实验室(http://www.espre.cn)，利用1961-2010年气温和降水量的变化趋势值、波动特征值定量识别气候变化，并结合中国地形特点，以县级行政区划为单元，进行了中国气候变化区划其区划分区和各区的特征分别如图1和表1所示[28]。

图1 中国气候变化区划图(1961-2010年)[28]

1.2 计算方法

整理从报刊数据库中筛选出的记录，只要发生洪水、涝灾、海潮和水灾中的任意一种灾害，即记为一次水灾事件。根据已有的中国气候变化区划(1961-2010)，统计分析1961-2010年中国不同气候变化分区内水灾的发生频次。同时，结合气候变化区划中各个降水量的趋势变化带和波动特征区，分别对1961-2010年的水灾发生频次进行统计，来分析中国气候变化与水灾发生次数的空间关系。关于中国暴雨雨日、雨量、雨强的年代际时空变化，本文引用了《中国年代际暴雨时空变化格局》中的研究结果，具体详见文献[30]。

2 中国水灾频次变化

2.1 中国水灾发生频次的时间变化

从整体水灾频次上看，由图2中可以看出，在1961-2010年期间，中国的水灾发生次数整体呈增多的趋势(5.7次/年)，且在2000-2010年年代际水灾发生次数明显增多，与1991-2000年间相比，水灾发生总次数增加幅度达64%。其中以2005年水灾最多，全国各省报刊有记录的次数累积达到了1 191次。2005年中国异常高温多雨，全国大部分地区气温接近常年同期或偏高，全国平均气温为1951年以来历史同期最高值，28.9 mm的平均降水量也是1999年以来最多的一年，另有“海棠”、“天鹰”、“麦莎”、“珊瑚”四个强台风先后登陆，带来大量强降水，使得2005年水灾在全国大范围发生。

表1 中国气候变化区划特征及暴雨和水灾特征(1961-2010年)[28]

从分区水灾频次上看，从图1中可以看出14个气候变化二级分区在不同年代的水灾发生次数除藏东南-西南暖湿趋势带内横断山区地岭谷的降水波动增强区(V 2)外，其他13个区内水灾次数均呈现明显的增加趋势，且在2001- 2010年间增加尤为显著。其中，处于西南-华南暖干趋势带内秦岭西部山区-四川盆地的降水波动减弱区(III1)在2001-2010年间水灾发生次数最多，10年期间达到了367次，几乎和1961-2000年水灾次数的总和相当。表1中最后一列给出了中国14个气候变化二级分区在1961-2010年间水灾发生总频次。从各个分区水灾次数统计结果来看，在1961-2010年期间，处于暖干趋势带内的降水波动减弱区(III1)水灾次数最多，50年达667次；而位于暖湿趋势带内的降水波动增强区(V 2)水灾次数最少，为35次，仅为前者的1/19。

已有关于中国年代际暴雨变化的研究结果表明，中国年代际暴雨雨日、雨量和雨强在1951-2010间为持续的增加趋势，且三者在时间和空间上都有显著的相关关系[30]。中国发生的水灾大都由暴雨引起，对比图2和图3可见，水灾频次和暴雨雨日的年代际变化规律一致，在1961-2010年期间均呈现增多的趋势。这从侧面印证了中国水灾的增加，受暴雨事件影响较大。

图2 中国水灾次数年际变化(1961-2010年)注：图中，条形图表示年际水灾总次数，虚线表示年代水灾总次数，“**”表示1971-1980年代数据不完备

图3 中国暴雨雨日年际变化(1961-2010年)

以县为行政单元统计各县在1961-2010年期间的水灾发生次数，根据水灾发生次数空间分布图(图4a)可以看出，中国自然灾害数据库记录的水灾事件主要分布胡焕庸线以东，其中水灾发生超过7次的县多集中在气候变化一级区划的II区和III区。对比中国1961-2010年期间的暴雨雨日空间分布(图4b)，暴雨雨日的高值分布与水灾次数高值区基本吻合。通过反距离加权平均法插值分别得到1961-2010年间中国平均水灾发生次数和中国平均暴雨雨日，二者的空间相关系数为0.14，通过了0.01的显著性检验(n=29 633)。因此进一步说明了中国水灾发生次数的时空变化与暴雨事件的时空变化有着紧密联系。

从受洪水影响的县数来看，在1961-2010年，中国年际和年代际发生水灾的县数整体呈现增加趋势；1961-2010年间报刊数据库记录结果显示每年平均95个县遭受水灾，尤其以1990年代以后增加显著。其中，仅2005年报刊记录的发生水灾的县数就达到了1 175个。将《中国自然灾害数据库》中报刊记载水灾影响县数与《中国统计年鉴》公布的受水灾影响县数相比，虽然二者因统计标准和方法不同在数量上存在一定差异，但是整体的变化趋势一致，均佐证了1961-2010年期间，中国的水灾发生次数呈增加趋势。

2.2 中国水灾发生的空间对比分析

2.2.1 不同降水趋势带的水灾频次分析

根据《中国气候变化区划(1961-2010年)》对气温和降水的分析可知，中国范围内的气温都呈升高趋势，在此基础上结合降水变化趋势，将中国分为暖干趋势带和暖湿趋势带。据此，本文统计分析了暖干和暖湿两大趋势带的水灾频次。从暖干趋势带来看，1961-2010年期间中国暖干趋势带的年际和年代际水灾次数呈上升趋势(3.1次/年)(图6)，尤其在2001-2010年间上升显著，与1991-2000年间相比，水灾发生总次数增加了1 023次，增加幅度达69%。从暖湿趋势带来看，1961-2010年期间水灾次数呈上升趋势(2.6次/年)(图7)，到2001-2010年代水灾频次累计达到了1 118次，与1991-2000年间相比，水灾发生总次数增加了634次，增加幅度达57%。对比暖干趋势带和暖湿趋势带水灾发生频次，在1961-2010年间，除了1991-2000年代以外，暖干趋势带水灾发生频次均明显较暖湿趋势带内水灾发生次数多。其中，暖干趋势带在1961-1970年代和1971-1980年代内的水灾发生次数比暖湿趋势带多出了一倍。

2.2.2 不同降水趋势、波动特征组合下水灾发生频次

首先，在暖干趋势带内，根据降水量的波动特征分为波动增强区和波动减弱区，其水灾发生频次如图8a、图8b所示。在1961-2010年期间，降水波动增强和波动减弱区水灾的发生次数均呈现明显增多的趋势，水灾发生频次的增加幅度分别在2001-2010年代和1991-2000年代最大。从降水波动减弱区来看，2001-2010年代的水灾发生频次较1991-2000年代增加了70%。从降水波动增强区来看，1991-2000年代的水灾发生频次较1981-1990年代增加了78%。从整体空间上来看，在暖干趋势带内，波动减弱区的水灾频次在各个年代都较波动增强区多，其中1981-1990年代波动减弱区内水灾频次约为波动增强区的5.5倍。其次，在暖湿趋势带内，同样根据降水量的波动特征分为波动增强区和波动减弱区，其水灾发生频次如图9a、图9b所示。1961-2010年期间在降水波动增强和波动减弱区水灾的发生次数都呈现出明显增多的趋势，且波动增强区的水灾次数增加幅度更大，从1981-1990年代的76次增加到2001-2010年代的756次，增加幅度达90%。对比波动增强区和波动减弱区来看，波动增强区的水灾频次在各个年代都比波动减弱区多，其中1990年代波动增强区内水灾频次约为波动减弱区的6.7倍。

图4 中国水灾发生频次及暴雨日数空间分布图(1961-2010年)

图5 中国受水灾影响县数年际变化(1961-2010年)

图6 中国暖干趋势带水灾频次年际变化(1961-2010年)

图7 中国暖湿趋势带水灾频次年际变化(1961-2010年)

图8 中国暖干趋势带水灾频次年际变化(1961-2010)

图9 中国暖湿趋势带水灾频次年际变化(1961-2010年)

再次，对比不同降水趋势和波动组合下的1961-2010年期间中国水灾的发生次数(表2)，可以发现：①同时考虑降水趋势与波动，降水趋势下降、波动减弱的区域，其面积仅占全国面积20%的，但水灾发生次数最多，占到了全国水灾次数的37%；其次为降水趋势上升、波动增强区域和降水趋势下降、波动增强区域，分别占全国水灾次数的32%和19%；降水趋势上升、波动减弱区域水灾发生次数最少，占全国水灾次数的12%，该区域面积占整体的5%。②单独考虑降水趋势，全国范围内，降水趋势下降区的总面积占38%，水灾次数占56%，比降水趋势上升区域多12%，可见降水量变少的区域其水灾发生次数不一定变少。③单独考虑降水波动，降水波动减弱、增强区域内，水灾次数相当，波动增强区仅多出2%，说明降水波动对水灾次数整体影响不大。

表2 中国不同降水趋势和波动变化下的水灾频次(1961-2010年)

3 结论与讨论

3.1 结论

综上所述，本文基于中国气候变化区划(1961-2010年)，利用中国自然灾害报刊数据库中的水灾资料，统计了各个气候分区内的水灾次数年代际变化情况。

(1)在时间上，1961-2010期间，除了V 2区以外，其他13个区内无论降水量减少或者增多，其水灾发生频次都呈增加趋势，且各个气候变化二级区划内都是从1981-1990年前后开始显著增加，在2001-2010年增加幅度最大。1961-2010年期间中国水灾发生次数的变化趋势与中国同期暴雨的雨日、雨量、雨强的变化是一致的。

(2)在空间上，暖干和暖湿趋势带内水灾发生次数都呈增加趋势，且暖干趋势带内水灾发生次数较暖湿趋势带多12%。在暖干趋势带内，降水波动减弱区水灾发生次数多；在暖湿趋势带内，降水波动增强区水灾次数发生多。一般认为，降水量下降波动减弱的区域内水灾发生次数会相应减少，但本文对水灾事件的统计结果中，1961-2010年期间，降水量下降、波动减弱的区域水灾次数反而比降水量上升、波动增强的区域多出5%，即降水量变少、水灾发生次数不一定变少。对于暖干趋势带下的降水波动增强区，其降水量减少、降水波动增强，趋于发生干旱事件的可能性更高，故其水灾发生次数较降水波动减弱区要少。相反，对于暖湿趋势带下的降水波动增强区，其降水量增多、降水波动增强，极端降水事件增多，因此水灾事件的发生可能性更高，故其水灾发生次数较降水波动减弱区要多。

3.2 讨论

(1)数据缺测和记录问题。尽管中国自然灾害报刊库资料覆盖范围广、灾害事件记录详细，但仍然存在一定的局限性。一方面，受早年间水灾事件可能存在的缺报漏报现象，使得前期的灾害记录不完备。另一方面，随着报刊媒体的快速发展和灾害事件社会关注度逐日提高的影响，后期的灾害记录详尽，但各个报刊关于水灾的界定方式可能存在差异，因此水灾事件的记录不够精确。因此需要通过多源灾害记录数据库进行对比验证。本文中由于1971-1980年期间灾害报刊数据库的数据不完备，在比较各气候变化区内水灾次数年代变化时，未将该时期数据纳入比较范围。此外，从中国受洪水影响县数的结果也可以看出，1971-1980年的数据质量缺测较多，但是通过对比中国暴雨雨量、雨日和雨强与水灾频次的关系也能印证水灾不断增多，并不影响本文结论的正确性。

(2)区划基本单元问题。本文采用的气候变化变化区划是基于降水量的变化趋势和波动情况进行划分的，而水灾事件的发生大部分是由于暴雨、极端降雨或者其他突发事件引起的。虽然降水波动中包含了部分极端降水的信息，但是其不能完全准确反映极端降水的时空格局。对于某些区域，虽然其年降水量呈减少趋势，但是可能会发生暴雨等极端降雨事件，亦或是降水波动超过该地区的设防水平，从而引发水灾。此外，受到快速受城市化的影响，下垫面中不透水层比例增加，径流系数增大，为水灾的形成提供了条件，水灾次数也有可能增多。

(3)区划的稳定性问题。由于气候变化区划的结果与所选择的时间尺度有很大的关系，即在不同时间尺度下，气候变化区划结果可能表现出较大差异。按照不同的气候变化分区统计水灾，会对水灾的时空变化特征产生很大的差异。本文只采用了1961-2010年中国气候变化整体表现的气候变化分区，那么2010年以后的气候变化是否在这5个一级趋势变化区和14个二级波动特征区表现出相同的趋势变化和波动特征，即现有的中国气候变化区划(1961-2010)的在未来是否具有稳定性，还有待于时间的进一步检验；未来的水灾在现有的气候变化分区表现出何种特征，也有待以时间的进一步检验。

致谢：感谢北京师范大学区域地理实验室提供的《中国自然灾害报刊数据库》。

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Abstract:Severe flooding disasters caused by extreme precipitation events have attracted more and more attention, while the relationship between climate change and extreme precipitation as well as flooding events has become the hottest scientific frontier issue. Flooding disasters in China by heavy rainfall occurred frequently in recent years under the background of global climate change, which has caused terrible harm on economic and social development, life security, ecosystem, etc., brought profound impact on sustainable development of disaster area; become a key factor of global & regional disasters and environmental risk; and been widely concerned by academic circle and all sectors of the society. It should be noticed that the spatial-temporal pattern and change of decadal flooding caused by heavy rainfall in China neither have consistency with temperature rising, nor can be explained reasonably with atmospheric and oceanic climate factors. Here we use climate change regionalization (1961-2010) featured by precipitation tendency and fluctuation to calculate flooding frequency from 1961 to 2010. The result showed that: ①flooding frequency obvious increased both in warm-dry trend zone (WDTZ) and warm-wet trend zone (WWTZ). ②In WDTZ, the flooding frequency in precipitation fluctuation decreasing regions (1 612 times) was two times more than that increasing regions (818 times). ③While in WWTZ, the flooding frequency in precipitation fluctuation decreasing regions (512 times) was one-third of that increasing regions (1 377 times). Heavy rainfall demonstrated the similar spatial-temporal pattern. The results suggested, for the first time to our knowledge, that the dynamic changes of the climate may be the main influencing factors of regional flood difference. Our findings indicate that local anthropogenic processes may shift the regional climate beyond through GHG emissions. Rapidly growing and industrializing cities and nations will need to better control the air pollution, and to anticipate and accommodate these regional climate consequences, if they are to reduce the risk of flooding and waterlogging.

Key words:flood frequency; climate change; regionalization; spatiotemporal relationship; China

Spatial Relationship between Flooding Frequency and Climate Changebased on Climate Change Regionalization in China from 1961 to 2010

KONG Feng1, 2, 3, 4, LIU Fan3, 4, WANG Yifei2, FANG Jian5and LU Lili1, 2

(1.ChinaMeteorologicalAdministrationTrainingCenter,Beijing100081,China; 2.DevelopmentResearchCentre,ChinaMeteorologicalAdministration,Beijing100081,China; 3.StateKeyLaboratoryofEarthSurfaceProcessesandResourceEcology,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China; 4.AcademyofDisasterReductionandEmergencyManagement,MinistryofCivilAffairs&MinistryofEducation,Beijing100875,China; 5.SchoolofResourcesandEnvironmentalScience,WuhanUniversity,Wuhan430079,China)

孔锋，刘凡，王一飞，等. 中国气候变化与水灾发生频次的时空关系研究(1961-2010)[J]. 灾害学，2017，32(4)：35-42. [KONG Feng, LIU Fan, WANG Yifei,et al. Spatial Relationship between Flooding Frequency and Climate Change based on Climate Change Regionalization in China from 1961 to 2010[J]. Journal of Catastrophology，2017，32(4)：35-42.

10.3969/j.issn.1000-811X.2017.04.007.]

X43；P42；S161

A

1000-811X(2017)04-0035-08

2017-03-20

2017-05-08

中国气象局气象软科学重点项目“基于综合风险防范视角的中国及周边国家安全和全球战略研究”(2017[21])；中国气象局气象软科学自主项目“新常态下中国自然灾害风险时空格局和综合防灾减灾工作的现状、趋势、挑战及战略对策范式研究”(2017[36])；中国气象局气象软科学自主项目“中国气象灾害防御能力评估及政策建议”(2017[35]).

孔锋(1986-)，男，山西临汾人，博士，工程师，主要研究方向为自然灾害与环境演变. E-mail: kongfeng0824@foxmail.com

10.3969/j.issn.1000-811X.2017.04.007