衡阳暴雨洪涝特征及对后期农业干旱影响

陈 涛，彭双姿，韩 波，肖 兰，肖美英，李涵茂，唐益民，袁钦飞

(1.衡阳市气象局，湖南 衡阳 421001；2.衡阳市农业气象试验站，湖南 衡阳 421001)

0 引言

洪涝灾害是由于降水量大、降水强度过于集中，使雨水短时无法排出，或者江河、水库水位上涨以及上游来水量过大、下游水库顶托作用而发生溢流、溃坝所导致的灾害[1]。洪涝灾害是中国发生最为频繁、量级最大、影响范围最广的灾害[2]。据不完全统计，全国平均每年有7.3×106hm2农田遭受洪涝灾害，每年经济损失在150～200亿元，占国民生产总值1%～2%，占全年主要自然灾害总损失30%以上[3]。对导致洪涝灾害发生的强降水，相关学者已开展大量研究[4—7]。中国暴雨强度和暴雨天数的空间分布表现为南方高于北方，东部高于西部，1990年代中后期为中国暴雨高发期[8]。郭广芬[9]等对湖北暴雨洪涝致灾指标分析发现，过程降水量能更好地反映持续性降水累积效应的致灾作用，这是因为汛期可能出现连续几天暴雨或特大暴雨，仅用一日降水量定义洪涝等级，一方面使一次洪涝过程被分为了几次，另一方面如果将一次连续几天的暴雨过程分为几次，会降低洪涝灾害的等级。

段德寅等[10]参考4—6月总雨量距平频次≥30%、4—9月≥20%、4—9月间任意10天雨量之和≥200mm,符合其一者作为洪涝标准分析湖南1958—1998年洪涝变化特征：湖南洪涝年的气候频次为39.0%，20世纪90年代洪涝频次显著上升，达到了43.8%。2004年11月湖南省质量技术监督局发布了湖南省气象灾害术语和等级标准[11]，其中就包含对湖南轻度、中度、重度洪涝定义，这为湖南洪涝研究提供了统一的技术标准。

衡阳位于湖南省中南部，湘江中游，东邻株洲、西接永州、邵阳，南接郴州、北靠湘潭，南北长150km，东西宽173km，总面积15310km2。衡阳周围环绕着古老宕层形成的断续环带的岭脊山地，整个地势由西南向东北复合倾斜，由四周向中部降低，构成典型的盆地形势。衡阳盆地西高东低，盆地北面、南面、西面地势较高，东侧的湘江河谷两岸海拔高度均在100m以下，形成盆地向东的出口。衡阳属于亚热带季风湿润气候，四季分明，雨量充沛，年均降水1351mm，为湖南雨水较多地区之一。3—6月为主要降水时段，雨量占全年51.0%，期间常出现山洪、泥石流以及滑坡、崩塌等地质灾害。6月末雨季结束后，受副高控制以长时间高温少雨天气为主。

衡阳具有分布广且聚集的紫色土，总面积1.625×105hm2,其中以衡南、衡阳县面积最大，占其总面积百分之六十左右。紫色土是由紫色页岩为母基发育形成的土壤，其母岩显露、土层浅薄。紫色土颜色呈浅棕色，吸热能力强，夏季地表温度极高，蒸发量大，蓄水保水能量差，是中国南方极具代表性的生态灾难区[12]。雨季结束后衡阳高温少雨，极易涝旱急转，出现夏、秋旱或夏秋连旱频发。

刘兰芳等[13-14]依据区域灾害形成理论,从衡阳孕灾环境、致灾因子、承灾体研究，分析其洪涝灾害特点，根据历史受灾面积特征值来确定灾害等级,运用统计方法和灰色系统理论,对洪涝灾害发生规律进行分析，同时开展了农业洪涝易损性评估。学院派学者对衡阳洪涝更偏重理论性研究，对本地史料性分析有所欠缺。另外衡阳气象灾害是旱涝并重，涝与旱互为反相关，雨季结束时间对后期农业干旱影响十分关键，但这方面研究甚少。因此开展衡阳洪涝历史变迁及旱涝相互影响研究尤为必要，有助于全面了解衡阳洪涝的历史变化特点，对当地政府顺利开展防汛抗旱工作极为有利。

1 资料与方法

1.1 资料来源及分析说明

本文研究资料来源于湖南省气象信息中心。衡阳现有9个国家基准站和基本气象站，其中南岳站为高山站，观测场海拔高度1265.9 m，其高度接近对流层自由大气底部[15]，由于测站高度的特殊性，与其它8个低海拔站(简称低海拔区)气候差异性大[16]。2010年代所有站只有9年数据，平均洪涝数为订正后所得，衡东站建于1967年，1960年代仅4年数据，故不做统计。洪涝周期变化采用小波分析，洪涝对后期干旱影响通过相关系数进行讨论。文章所有分析数据均通过了湖南省气候中心均一性检验。

农作物受(成)面积、种植面积数据来源于历年出版的湖南灾害大典、湖南省农村统计年鉴，时间跨度为1961—2018年。

1.2 洪涝判断标准及统计时间段

洪涝判断采用湖南省标准[11]：任意10d雨量之和≥200mm，如有两段任意10d雨量之和≥200mm，且时间间隔大于15d，则判断为两次洪涝过程；如果两次过程时间间隔小于15d，选降水量最大的一次。

湖南省标准设定洪涝时间范围是每年4—9月，随着社会经济的发展和城市化进程的不断加快，人口、社会、经济要素日趋密集，灾害暴露性显著增加，任何时段出现强降水都可能造成负面影响，故文章把洪涝判断时间扩大为全年。

2 结果分析

2.1 年、年代际洪涝

表1为衡阳不同测点1960—2019年各年代洪涝平均值。低海拔区年均洪涝数为0.37次/a，略小于段德寅统计的全省0.39次/a，这是由于研究对象及时间不尽相同。段德寅统计的是湖南省1958—1998年数据，1990年代，我国洪涝数达到顶峰，自2000年代开始，洪涝发生呈下降趋势。南岳山受山地地形影响，其平均洪涝明显高于低海拔区，为1.38次/a，是低海拔区的3.7倍。从低海拔区洪涝空间分布来看，有中部少，南北多的特点。祁东最少(0.26次/a)，其次是衡阳市(0.29次/a)，南部耒阳洪涝最多(0.49次/a)，其次是北部的衡山(0.47次/a)。

图1为南岳山、低海拔区1960—2010年代平均洪涝变化曲线。两者变化规律相近，为高-低-高-低周期变化。1990年代为洪涝高发期，这与部分学者研究结论相近[17-19]，此时南岳山洪涝频次为2.0次/a，低海拔区为0.53次/a，南岳山是低海拔区的近4倍。南岳山在1980年代洪涝最少，为0.9次/a，低海拔区在1970年代最少，为0.21次/a，南岳山是低海拔区的4.3倍。

从低海拔区各测点数据分析(表1)，1970—1980年代为洪涝偏少期，祁东在1970年代，常宁在1980年代甚至未出现洪涝。洪涝多发时段分布呈离散状，衡山、衡阳市、祁东、常宁出现在1990年代，衡阳县、衡南出现在1960年代，衡东、耒阳出现在2000年代。

表1 衡阳1960—2019年，年代际洪涝

图1 1960-2010年代际洪涝数Fig.1 The number of flood from 1960 to 2010

2.2 洪涝发生频次

图2是低海拔区(图2a)、南岳山(图2b)不同等级洪涝出现频次。低海拔区域轻度洪涝偏多(68.3%)，中度、重度洪涝各占19.7%和12.0%。南岳山轻度、中度、重度洪涝占比分别为47.3%、23.7%、29.0%，南岳山不仅年洪涝数较低海拔区偏多，高等级洪涝更多，南岳山年降水量较低海拔区明显偏多是原因之一。

表2为低海拔区各级洪涝占当地总洪涝之比。衡山、衡东、衡阳县轻度洪涝占比明显高于衡阳中、南部各区域，其占比例均在70%以上，衡东>甚至达到82.6%，衡阳市轻度洪涝占比最小(57.9%)；中度洪涝占比衡南最多(30%)，衡东最少(8.7%)；重度洪涝则是衡阳市占比最多(21.1%)，衡南最少(5.0%)。

标准差分析发现，洪涝等级越低，则各测点之间洪涝数的差别越大，等级越高，测点的洪涝数差别越小。轻度洪涝的标准差为8.432，重度洪涝的标准差为5.909。

图2 低海拔区、南岳山各级洪涝发生频次Fig.2 The occurrence frequency of flood at all levels in low altitude areas and Nanyue Mountain

2.3 洪涝月占比

表3为南岳山、低海拔区各级洪涝的月占比。衡阳洪涝可能发生时段在3—11月，等级越低，时间跨度越大。低海拔区轻度洪涝出现在3—8月、10—11月，6月占比最大(32.0%)；中度洪涝出现在3—8月，6月占比最大(27.8%)；重度洪涝出现在5—8月，但主要集中在6月(45.5%)、7月(40.9%)。 南岳山轻度洪涝出现在4—11月，5、6月占比最大(18.2%)；中度洪涝在3—9月出现，6月占比最大(29.6%)；重度洪涝出现在5—10月，6、8月占比最大(22.7%)。南岳山出现轻度、中度、重度洪涝可能月份分别有8个、7个、6个。无论是南岳山还是低海拔区，各级洪涝在6月的占比均最大，6月对于衡阳防汛十分关键。

表2 低海拔区各级洪涝占比及标准差(%)

表3 南岳山、低海拔区各级洪涝月占比(%)

省标准中洪涝统计时段在4—9月，从全年统计结果来看，低海拔区在3月、10月、11月仍有不同比例的轻、中度洪涝出现，特别是3月中度洪涝占比仍偏高(13.9%)。10—11月南岳山有轻、重度洪涝出现可能。基于洪涝评估的完整性考虑，衡阳洪涝统计时间在3—11月较好。

2.4 洪涝月平均雨量

图3为南岳山及低海拔区月洪涝过程雨量。南岳山9月洪涝雨量最大，为337.9mm，其次是3月为288.6mm，11月洪涝雨量最小，为217.4mm，最大月与最小月雨量差为120.5mm。低海拔区各月洪涝雨量差别不大，最大出现在7月，为280.4mm，11月最小，为212.7mm，月际差为67.7mm。绝大部分月份，南岳山洪涝雨量较低海拔区多，仅7月低海拔区洪涝雨量较南岳山略偏多6.6mm。

图3 低海拔区、南岳山月洪涝平均雨量Fig.3 Monthly average flood rainfall in low altitude areas and Nanyue Mountain

进一步分析发现，月洪涝雨量大小与月内各级洪涝占比有关，重度洪涝占比越大则月洪涝雨量越大，轻度洪涝占比越大，则月洪涝雨量越少。南岳山9月洪涝雨量最大，其重度洪涝数占比最大为63.4%，轻度、中度洪涝占比分别为23.7%和12.9%。11月南岳山仅出现轻度洪涝，中、重度洪涝为零，月洪涝雨量最少；在低海拔区，7月重度洪涝数占当月洪涝56.8%，为各月中重度洪涝占比最大，其月洪涝雨量也最大。11月轻度洪涝数占比100%，月洪涝雨量最少。

2.5 洪涝周期变化

研究表明洪涝的气候变化存在多种时间尺度，在频域中又表现出不同显著性水平的周期振荡。小波分析可将一维气候信号在时间域和频率域中展开，反应出气候信号时频结构的精细变化和局部特征。图4、图5分别为南岳山和低海拔区洪涝小波分析结果：近60a来，南岳山洪涝存在25a、12a左右，6a和2—4a时间尺度的周期信号。2～4a振荡周期信号基本贯穿整个分析时段，在1970—1975年、1980—1985年、1995—1998年、2007—2012年，洪涝2—4a的振荡周期通过了置信水平95%显著性检验；6a左右的振荡周期主要发生在1970—2010年；12a振荡周期出现在1960—1985年；25a振荡周期贯穿整个时段，60a中大约经历了5个多～少周期转换，目前处于洪涝偏多时期。低海拔区的洪涝周期变化与南岳山不同，首先其振荡周期更加复杂，周期信号的时域分布存在着明显的局部变化特征，除25a长周期贯穿整个时域外，其它短振荡周期只是局部出现。2～4a振荡周期出现在2008年以前，6a左右的振荡周期出现在1960—1990年、1970—2003年还出现了10a左右的振荡周期。通过置信水平95%检验的有2a振荡周期在1990—1996年，4a周期在2000—2003年，6a周期在1962—1970年。

图4 南岳山洪涝小波功率谱(a)及实部(b)Fig.4 Wavelet power spectrum (a) and the real part of the wavelet transform coefficient (b) of flood in Nanyue Mountain

2.6 洪涝与农业干旱

衡阳地处衡邵干旱走廊中心位置，旱涝并重是衡阳主要气象灾害特征。洪涝与干旱反相关，这种相关性受过程降水强度、降水出现时间影响较大。为了进一步研究洪涝对后期农业干旱的影响，分别计算1961—2018年3—9月不同月份组合的洪涝频次及衡阳水稻受(成)灾面积与同期种植面积百分比，分别统计相关系数，表4为通过置信水平90%及以上相关性检验组合。

表4 衡阳不同时段洪涝频次与受(成)灾面积百分比相关系数

图5 低海拔区洪涝小波功率谱(a)及实部(b)Fig.5 Wavelet power spectrum (a) and the real part of the wavelet transform coefficient (b) of flood in low altitude areas

结果表明，部分单月及多月份组合的洪涝频次与水稻受(成)灾面积比存在显著性反相关，其中与水稻受灾面积百分率相关性更好。通过99%置信水平显著性检验的有受灾面积百分比与4—7月、4—8月、5—7月洪涝频次反相关，其中与4—7月洪涝频次的反相关性最好(r=-0.381)。通过置信水平98%显著性检验的除以上三个时段外，另有4—6月、5—8月、6—7月和6—8月四个时段，此外3—7月、3—8月、7—8月、5—6月洪涝频次与水稻受灾面积百分比的相关性通过了置信水平90%显著性检验。6月、7月洪涝频次与受灾面积百分比的相关性分别通过90%、95%显著性检验。

鉴于7月降水对衡阳农业的重要影响，将历年7月降水量与当年水稻受灾面积百分率做相关性分析，相关系数为-0.386，达到极显著反相关水平，甚至高于4—7月洪涝频次对后期农业干旱影响。进一步统计历年4—6月、7月降水量，筛选出4—6月降水偏多，7月降水异常偏少的8年，平均水稻受灾面积比值为13.5%，较历年均值偏高3.8%，其中2003年水稻受灾面积比值高达26.8%；出现4—6月降水偏少，7月降水异常偏多有3年，平均受灾面积比值8.57%，低于历年1.14%，这表明7月降水量异常偏多(少)对后期农业干旱影响十分明显。7月是衡阳农业生产的“双枪”期，晚稻移栽，一季稻抽穗，对雨水需求多，8月以后，水稻对水量需求减少，7月降水充沛，后期出现农业干旱频次明显减少。

3 结论及讨论

本文基于湖南省洪涝标准，对衡阳各观测点近60a逐日降水资料统计分析，获得各地洪涝在不同时间尺度上的变化特点，运用小波分析洪涝的周期变化，最后通过相关系数研究，讨论不同时段洪涝对后期农业干旱影响。

(1)衡阳低海拔区洪涝频次为0.37次/a，南岳山为1.38次/a，是低海拔区的近4倍。低海拔区洪涝南北多，中部少，基于衡阳的盆地地形，海拔高度与洪涝频次是否相关，有待进一步研究，实况是海拔高的区域，洪涝频次相对偏多。年代际洪涝经历了高～低～高～低两个周期，1970、1980年代洪涝偏少，偏多主要出现在1990年代，另有部分测站出现在1960、2000年代。

(2)南岳山与低海拔区洪涝存在结构性差异。南岳山中、重度洪涝偏多，占总洪涝的52.7%，低海拔区则以轻度洪涝为主，占68.3%。由于南岳山中、重度洪涝偏多，且洪涝基数相对较大，其年雨量较低海拔区明显偏多。

(3)衡阳洪涝出现在3—11月，洪涝等级越低，时间跨度越大。6月洪涝频次最大，是防汛关键时期。南岳山洪涝雨量9月最大，11月最少。低海拔区7月最大，11月最少。月洪涝雨量多少与轻度、重度洪涝占比有关，重度洪涝占比越大则月洪涝雨量越大，轻度洪涝占比越大则月洪涝雨量越少。

(4)南岳山洪涝存在25a、12a、6a和2—4a时间尺度的周期信号，25a和2—4a振荡周期信号基本贯穿整个分析时段，6a、12a振荡周期只在部分时间出现，2—4a振荡周期在1970—1975年、1980—1985年、1995—1998年、2007—2012年通过95%显著性检验；低海拔区的振荡周期更加复杂，除25a长周期贯穿整个时域外，其它短振荡周期只局部出现。

(5)单月中6、7月，组合月中3至8月多个组合的洪涝频次与受灾面积百分比的相关性通过置信水平90%以上显著性检验，其中与4—7月洪涝频次相关性最好(r=-0.381)，通过置信水平99%显著性检验的组合还有4—8月、5—7月。这些相关显著时段均包含7月，7月洪涝频次的相关性也通过了置信水平95%显著性检验，是单月中最显著的，7月降水对后期干旱影响十分重大，降水充沛，后期干旱几率偏小，反之将增大。