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《南京大学》 2011年
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江淮下游典型平原水网地区水循环变异的洪涝响应研究

叶正伟  
【摘要】:“变化环境下的水循环研究”是全球水系统计划(GWSP)的核心科学问题,也是当前水文科学的热点问题之一。洪涝是全球最为频繁的自然灾害之一,我国洪涝亦呈高频态势。随着气候变化和人类活动对水循环过程与要素影响的加剧,偏离常态的水循环变异越来越频繁,往往导致极端降水洪涝事件。因而,在变化环境背景下,关于水循环变异对洪涝的影响研究是一个重要的基础科学问题。 里下河平原水网地区位于江淮下游,地处我国南北气候过渡带区域,受季风环流影响显著,降水异常是该地区洪涝的直接致灾因子。近年来,里下河地区洪涝严重,2003年洪涝直接经济损失高达81亿元。因此,探讨该地区水循环变异对洪涝的影响,是一个在理论和实践上都具有重要意义的课题。 本文以低海拔的里下河腹部平原水网地区为研究对象,综合应用GIS技术、时间序列检验、等级分析、小波分析和大气环流场分析等方法,围绕水循环的过程、要素变异及洪涝成灾机制链分析等关键问题,从检测分析、响应过程、影响因子、驱动机制四个层面,分析了降水的多时间尺度变化规律,探讨了洪涝的响应特征,阐明了水循环变异的大气环流配置形势,揭示了洪涝成灾机制。主要研究涉及以下四个方面: (1)降水的多时间尺度变化分析。研究区近50年的年、汛期、时段及梅雨等不同时间尺度的降水量皆呈减少趋势,但变化趋势不显著,这是水循环降水要素变异的宏观背景,且梅雨异常偏多年都出现了严重洪涝。年、汛期降水量的年际波动较大,1970年代显著偏少,且都存在3年、6-8年左右的变化周期。其中,年降水在1966、2003、2005年,汛期降水在1960年代中后期、1970年代初和1980年都出现了降水异常的突变过程。 降水强度上,年降水集中期与集中度皆为减小趋势,1990年代降水集中度偏低,但在1991年变异偏高导致大洪涝。在汛期降水趋于减少的背景下,汛期高等级降水日数呈微弱减少趋势,说明降水更为集中,且中等级降水的贡献率相对较大。基于汛期标准化降水指数的洪涝等级划分可更好的反映洪涝实际,典型丰水年分别代表了梅雨(1980、1991、2003年)、梅雨加台风(1962、1965年)两大洪涝类型。 (2)洪涝水位的响应特征。年最高日均水位较好的响应于降水变异的直接影响,典型丰水年1962、1965、1980年的洪涝由长时段的持续较高水位引发,而1991、2003年则是显著集中的高水位洪涝效应。低、中等级水位日数呈增加趋势,而高等级水位日数为较大减少趋势,说明了近年来洪涝水位趋于升高的事实。尽管汛期降水量趋于减少,但超警戒水位日数均值却自1970年代以后逐渐增加,显示了降水强度异常和人类活动影响的综合水循环变异结果。 最高日均水位、超警戒水位日数与年、汛期降水量呈正相关,汛期降水越集中,高等级水位日数越少,水位越高,且降水的贡献率大小决定水位日数。梅雨降水与水位呈较好的正相关,但具南北空间差异,南部兴化、溱潼、安丰站相关程度较大,而北部射阳镇、盐城和建湖站较小。 汛期2-5年左右重现期的降水即可导致超过2.0m的警戒水位出现,表明短时强降水的直接洪涝效应;而较大重现期的汛期、长时段降水往往导致更高水位,是持续降水的累积效应。30dMax降水是年最高水位的主要水量来源,但水位对3dMax、7dMax、15dMax降水量的显著响应关系更具实践参考价值。 (3)季风驱动下水循环过程变异的大气环流分析。季风驱动是研究区水循环中降水要素异常的主导因素,研究区以弱季风强降水类型最多,其次为强季风强降水类型,且丰水年以弱季风强降水居多。东亚夏季风与汛期降水变化在3、6年左右的共振周期上存在较好的位相对应关系。西太平洋副高强度、面积与汛期降水呈正相关,而其脊线位置、西伸脊点则反之。汛期降水同亚洲区纬向环流呈负相关,而与经向环流略呈正相关,但纬向环流的影响更为显著。弱季风强降水年纬向环流指数偏低、经向环流指数相对较高,而强季风强降水年则反之。弱季风强降水年的亚洲区极涡强度和面积指数皆偏小,这一关系有利于降水偏多,而强季风强降水年二者指数则皆偏大。且ENSO遥相关分析表明,ENSO事件翌年降水偏多者皆为弱季风强降水和强季风弱降水类型,也印证了季风是水循环变异的最重要因子。 大气环流场的综合分析发现,降水变异与季风、西太平洋副高、ENSO等及其相互影响密切关联。降水偏多的大气环流异常配置可概括为两类,其一为:季风偏弱时,西太平洋副高位置偏西偏北,但主体偏南,东亚经向环流呈“+、-、+”位势高度距平,研究区中低层为偏西南风,存在明显的梅雨锋面,利于雨带停留,这一形势降水量总体更为偏多;其二为:季风偏强时,副高位置偏东偏北收缩,东亚经向环流呈“-、-”位势高度距平,研究区低层为西南风距平,中层为偏东南风、高空亦为偏东风,缺少梅雨锋面,这一形势降水偏多程度相对较小。这两类大气环流形势较好的揭示了“季风驱动-水循环变异-降水异常”灾害链的大气环流异常背景。 (4)洪涝成灾机制的综合分析。自然因素上,暴雨降水异常是洪涝的直接致灾因子,“锅底洼”地形是洪涝的孕灾环境大背景,低海拔平原的河网水系格局加剧了洪涝灾情。而人类活动影响上,闸坝建设导致河道淤积致使河道容蓄能力降低,大范围的圩垸围垦导致湖荡萎缩,减弱了河湖水体的调蓄能力,使得洪涝水位趋高。同时,城镇化的不利水文效应也加强了洪涝效应,反映了地表水循环过程变异的影响。结合降水变异的大气环流配置异常分析、自然因素和人类活动影响的综合分析表明,研究区的洪涝成灾机制是大气环流过程异常导致降水变异和地表水循环过程变异双重影响下的“季风驱动-水循环变异-降水异常-洪涝事件”作用链过程。
【学位授予单位】:南京大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:P333.2

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