辽河流域洪涝致灾气候阈值研究

刘向培，贾庆宇，佟晓辉，杨剑刃

(1.解放军31457部队，辽宁 沈阳 110027；2. 中国气象局沈阳大气环境研究所，辽宁 沈阳 110166)

1 研究区域

辽河流域位于中国东北地区南部，东、西两侧为低、中山，地势较高，北部为松辽流域分水岭，西、北、东三面群山岗丘呈马蹄形环抱辽河平原，其海拔高度分布及流域内站点分布如图1所示。该区域地处温带大陆性季风气候区，各地气候差异较大，降水年内分配不均匀。冬季经常处于大陆干冷气团控制之下，降水量少；夏季受东南季风影响，并有台风入侵，水汽充沛，6—9月降水量占全年的70%以上，降水集中且常出现暴雨[1]。辽河流域既是我国的工业基地，也是农业基地，2000年辽河流域的地区生产总值3236.87亿元，占整个东北地区的31.5%；辽河流域耕地面积476万hm2，主要农作物是玉米、小麦、水稻等，农业总产值791.88亿元，占东北地区的32%[1]。

图1 1971—2000年辽河流域年平均降水量和洪涝灾害次数空间分布

2 研究资料与方法

2.1 研究资料

气象资料为中国地面气候资料日值数据集(V3.0)的日降水数据，该数据已经通过时间、空间一致性检查、台站极值检查以及人工核查等质量控制。辽河流域地理范围来自国家科技基础条件平台湖泊—流域科学数据中心(http：//lake.geodata.cn)，高程数据来自中国科学院资源环境科学数据中心资源环境数据云平台(http：//resdc.cn)。辽河流域洪涝灾情数据主要来自中国气象数据网的中国暴雨洪涝灾害数据集和中国农业气象灾害资料数据集、《中国气象灾害大典》[2-4]《新中国农业60年统计资料》[5]《辽宁省气象灾害》[6]《内蒙古自治区志(气象志)》[7]等。

2.2 研究方法

理想的致灾气候阈值是采用一个简单有效的方法反映受灾情况[8-9]。本文以日为单位整理1971—2000年流域内各站点洪涝灾害发生日期和对应日期的降水量，分析洪涝灾害的时、空分布特征，对比洪涝灾害日与非灾害日特征量(绝对降水量(Pa，为各站点观测日降水量)和相对降水量(Pr，为某日降水量与研究时间段内当日平均降水量的比值))的差异，根据区域特点选取最优特征量并设计洪涝灾害致灾气候阈值。

洪涝灾害日与非灾害日的特征量存在较明显差异，但仅比较二者的平均值难以细致描述它们之间的差异及其变化规律，同时，由于洪涝灾害的发生受到多种因素影响，如果仅比较洪涝灾害日最小特征量和非灾害日最大特征量，所得结果容易受到洪涝灾害主观判定标准、偶然因素等的影响而产生偏差。本文一方面要求各站点洪涝灾害数据足够多，以确保结果具有统计意义；另一方面要求各站点洪涝灾害数据足够少，以确保结果反映洪涝灾害的临界条件。综合考虑以上两个方面，本文分析洪涝灾害日最小20%特征量与非灾害日最大20%特征量的差异，对比二者判别洪涝灾害的能力。

为便于对比绝对降水量(Pa)和相对降水量(Pr)对洪涝灾害的判别能力，引入差异指数的概念，其中，绝对差异指数(Indr)为洪涝灾害日与非灾害日绝对降水量的差值与该日平均绝对降水量的比值，相对差异指数(Indr)为洪涝灾害日与非灾害日相对降水量的差值与该日平均相对降水量的比值。

3 辽河流域洪涝灾害气候阈值分析

3.1 降水和洪涝灾害的时空分布

辽河流域各地年平均降水量的差异较大，总体上自东南向西北递减。1971—2000年，流域年平均降水的空间分布如图1(a)所示，各站点年降水量平均为621 mm，位于流域东南部的辽宁东部部分地区年平均降水量超过900 mm，其中，宽甸站最大，达到1049 mm，位于流域西北部的内蒙古东南部和辽宁西北部部分地区年平均降水量低于400 mm，其中，开鲁站最小，仅328 mm。

图1(b)为1971—2000年辽河流域洪涝灾害日数的空间分布情况。由图可见，其与年平均降水量的分布较一致，总体上表现为从东南向西北递减，东南部部分区域洪涝灾害日数超过90 d，其中，集安站最多，洪涝灾害日数达到107 d，虽与年平均降水量最大的宽甸站同样位于流域东南部，但有一定偏移。此外，虽然灾害发生较少的站点主要集中在流域西北部，但旅顺站洪涝灾害日数仅为19 d，在区域内最少。

图2反映了1971—2000年辽河流域年平均降水量的变化情况。在研究时段内，辽河流域降水呈波动状变化，各年平均降水量的标准差为96 mm，其中，1985年的降水量最大，为832 mm，1999年的降水量最小，仅为466 mm。图2还反映了1971—2000年辽河流域各站点洪涝灾害总日数的时间变化。研究时段内灾害日数波动较大，年平均洪涝灾害日数为83 d，标准差为50。其中，1976年最少，为26 d，1985年最多，达到278 d。各站点洪涝灾害总日数与年平均降水量的变化较一致，二者之间的相关系数为0.77。在降水较多的年份，洪涝灾害也较多，反之亦然，尤其是在1985年，研究时段内最多的年降水量是导致洪涝灾害发生最多的一个重要原因。在一年之内，辽河流域洪涝灾害最早发生于4月底，最晚发生于10月末(洪涝灾害集中期)，洪涝灾害主要集中于7月和8月，发生于这两个月的洪涝灾害占洪涝灾害总量的85%。

图2 1971—2000年辽河流域年平均降水量和各站点洪涝灾害总日数变化

图3为洪涝灾害集中期各站点不同强度降水发生次数和对应的洪涝灾害总日数，为便于对比，图中没有显示日降水强度<20 mm的数据。由图可见，流域内降水发生次数随着强度的增加而减小，日降水量主要集中在100 mm以下，该强度内降水所占比例超过99%，日降水量在50 mm以下的降水所占比例超过96%。对比图中降水次数与洪涝灾害次数可以发现，二者的分布表现出较明显的差异，辽河流域导致洪涝灾害发生的日降水强度主要集中在20 mm以上，其中，日降水强度在45～50 mm时，发生的洪涝灾害次数最多，占全部洪涝灾害的10%，随着日降水量的增加，发生相应降水的次数及洪涝灾害的次数逐渐减少。

图3 1971—2000年洪涝灾害集中期各站点不同强度降水发生次数和洪涝灾害总日数

3.2 辽河流域洪涝灾害日与非灾害日降水差异的时空分布

降水是导致洪涝灾害发生的直接原因，从不同角度对比洪涝灾害日与非灾害日降水的差异，是确定洪涝灾害致灾气候阈值的基础。

3.2.1 时间变化

图4为1971—2000年辽河流域洪涝灾害日最小20%绝对降水量(Pat20)与非洪涝灾害日最大20%绝对降水量(Paf20)的时间变化情况。Pat20在洪涝灾害集中期表现为两端大中间小的特征，即4月末和10月末较大，7月末和8月初较小，这主要是因为在洪涝灾害集中期的两端，平均降水相对较小，河湖蓄水较少，土壤含水量较小，洪涝灾害的发生多由于强度较大的降水导致，在这些导致洪涝灾害发生的降水中，日降水量相对较小的20%的数值仍相对较大，而7月末和8月初是降水最充沛的时间，河湖中蓄水量较大，前期降水导致土壤含水量相对较高，较小的降水就会导致洪涝灾害的发生。Paf20的时间分布特征与Pat20相反，表现为两端小中间大的特征，即4月末和10月末较小，7月末和8月初较大，这种特征主要是由降水量的时间变化决定的，7月末和8月初降水量较大，非洪涝灾害日的降水量也较大，非洪涝灾害日最大20%降水的数值也就相对较大。

图4 洪涝灾害日最小20%日绝对降水量 (相对降水量)

图5为1971—2000年辽河流域洪涝灾害日最小20%相对降水量(Prt20)与非洪涝灾害日最大20%相对降水量(Prf20)的时间变化情况。在洪涝灾害集中期，Prt20同样表现为两端较大、7月末8月初较小的时间变化特征，与Pat20较一致。Prf20的时间变化表现为洪涝灾害集中期两端大，7月末8月初较小，但是这种变化的幅度很小，Prf20保持在5左右变化。

图5 非灾害日最大20%绝对降水量 (相对降水量)

洪涝灾害日与非灾害日特征量的差异对洪涝灾害的确定有着直接影响。由于Pat20与Paf20差值(Da20)和Prt20与Prf20差值(Dr20)含义不同，为便于对比，本文将洪涝灾害日和非灾害日绝对降水量(相对降水量)的差值与研究时段内该日平均绝对降水量(相对降水量)的比值定义为绝对差异指数Inda(相对差异指数Indr)，剔除Da20和Dr20各自含义的影响，分析二者差异。图6为Inda和Indr的时间变化情况，两指数的变化规律较一致，均为在洪涝灾害集中期两端较大，在7月末8月初较小，差异指数的时间变化情况表明，基于绝对降水量或相对降水量可以设计洪涝灾害气候阈值，对比二者的差异可以发现，总体上绝对差异指数较大，平均为4.0，相对差异指数较小，平均为1.9。这表明针对整个辽河流域，以绝对降水量作为特征量更容易判定洪涝灾害。

图6 绝对差异指数与相对差异指数时间变化

3.2.2 空间分布

图7(a)为Inda的空间分布。虽然，辽河流域西部地区的绝对降水差异Da20较小，但由于该地区降水量少，使得绝对差异指数较大，表明以绝对降水量为特征变量，能够较好地判定洪涝灾害发生与否。在辽河流域东部，在Da20相对较小的同时，降水量相对较大，这导致该地区的Inda的数值小于西部地区。另外，辽河流域东部和西部的Inda具有较明显的差异的同时，总体上Inda均为较大正值，平均为8.8，表明绝对降水量Pa对洪涝灾害的判别能力较好。

图7 洪涝灾害集中期绝对差异指数和相对差异指数空间分布

图7(b)为相对差异指数Indr的空间分布。Indr与Inda的空间分布较一致，总体上表现为辽河流域西部较大而东部较小，但不同的是，Indr在数值上较小，不同站点之间的差异也相对较小，平均仅为0.6，这表明该指数对洪涝灾害的区分能力较弱，尤其是在流域东部地区，指数出现负值，表明如果在该区域以Indr为特征量判别洪涝灾害，会出现错误。出现这种结果的原因在于，辽河流域面积广阔，年内降水量变化较大，尤其在流域东部地区，这种变化更明显，在绝对降水量较少的时间，虽然部分降水的相对量较大，但仍不足以导致洪涝灾害的发生，从而导致误差的出现。

4 洪涝灾害致灾气候阈值的选定及应用

基于上述分析结果，选择绝对降水量作为特征量研究辽河流域洪涝灾害气候阈值。由于研究时段内洪涝灾害数据有限，因此，综合考虑灾害数据的代表性和统计意义、洪涝灾害气候阈值的预警作用及准确率，经过试验，阈值Y的设计如式(1)：

Y=Paf20+(Pat20-Paf20)×0.85

(1)

式中：Paf20为非洪涝灾害日最大20%绝对降水量，mm；Pat20洪涝灾害日最小20%绝对降水量，mm。

其含义是，在非洪涝早灾害日平均最大20%绝对降水量的基础上，增加洪涝灾害日最小20%绝对降水量与非洪涝灾害日最大20%降水量差异的85%作为洪涝灾害气候阈值。图8(a)为阈值的时间变化，与图6较类似，该阈值同样表现为洪涝灾害集中期两端较大，在7月下旬至8月上旬相对较小。图8(b)为的空间分布情况，总体上表现为南部较大，北部较小。将该图与图2中年平均降水量空间分布情况和洪涝灾害日数分布对比可以发现，在辽河流域东部地区的年平均降水量较大，但该区域洪涝灾害阈值较小，这直接导致了该区域洪涝灾害次数较多。

图8 辽河流域洪涝灾害致灾气候阈值时间和空间变化

为检验阈值对洪涝灾害的判别能力，这里基于该阈值对1953年辽河流域洪涝灾害进行分析。1953年辽河流域发生较大范围的洪涝灾害，无论是灾情分布范围，还是受灾程度，都较具有代表性[9]。图9为1953年洪涝灾害日数的空间分布情况及阈值判定灾害日数与实际日数差异的空间分布情况(仅显示了具有完整降水观测站点数据处的灾情)。阈值判定结果能够较好反应灾情的空间分布情况，1953年辽河流域观测站点共发生125 d洪涝灾害，阈值判定结果为138 d，较实际结果多13 d，其中，偏多站点共14个，彰武站的正偏差最大，为3 d，偏少站点共5个，岫岩站的负偏差最大，为2 d，无偏差站点4个。

图9 1953年辽河流域洪涝灾害日数和实际洪涝灾害日数与阈值判定结果差值空间分布

图10为1953年洪涝灾害站点数和阈值判定结果的时间变化。由图可见，阈值判定的洪涝灾害主要集中6月至8月，此间共有130个站发生洪涝灾害，阈值判定结果为125，准确率较高，在6月以前和8月以后，共8个站发生洪涝灾害，但均没有准确判定出来，偏差较大。与图5及图6对比，可以发现在洪涝灾害集中期两端，灾害日与非灾害日的特征量差异较大的同时，这两个时间段阈值判定的结果也较差。这主要是因为在这些时段的灾情数据较少，所得结果的代表性相对较差，进而影响了基于观测结果所得到的阈值的判定能力。

图10 实际洪涝灾害站数和阈值判定结果时间变化

5 结 论

(1)1971—2000年，辽河流域各站点年平均降水量和洪涝灾害日数空间分布不均匀，总体上均自东南向西北递减，年降水量与各站点洪涝灾害总日数之间具有较强的相关性，相关系数为0.77。洪涝灾害最早发生于4月底，最晚发生于10月末，主要集中于7月和8月，日降水强度在45～50 mm时，发生的洪涝灾害次数最多，占全部洪涝灾害的10%。

(2)洪涝灾害日最小20%绝对降水量和相对降水量均表现为4月末和10月末较大，7月末和8月初较小的时间变化特征，非洪涝灾害日最大20%绝对降水量和相对降水量则表现为4月末和10月末较小，7月末和8月初较大，在洪涝灾害日和非灾害日，绝对降水量和相对降水量均有较明显的差异，差值在4月末和10月末较大，7月末和8月初较小。绝对差异指数较相对差异指数更大，表明在辽河流域，以绝对降水量作为特征量更容易判定洪涝灾害。

(3)在非洪涝早灾害日最大20%绝对降水量的基础上，增加洪涝灾害日最小20%绝对降水量与非洪涝灾害日最大20%降水量差值的85%作为洪涝灾害气候阈值判别辽河流域洪涝灾害，具有较高的精度，但判别6月以前和8月以后洪涝灾害的能力较弱。