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海河流域近500年旱涝演变规律分析

严小林 张建云 鲍振鑫 王国庆 关铁生

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海河流域近500年旱涝演变规律分析

    作者简介: 严小林(1987—),女,湖南娄底人,博士研究生,主要从事流域水文模拟与水文气象研究。E-mail:yanxl5566@126.com.
  • 基金项目: 国家重点研发计划资助项目(2017YFA0605002,2017YFA0605004,2016YFA0601501);国家自然科学基金资助项目(51779145,41830863,51879162)
  • 中图分类号: TV11

Evolution of drought and flood in the Haihe Rvier Basin for the last 500 years

  • 摘要: 研究海河流域近500年旱涝演变规律能为流域防汛抗旱、防灾减灾提供科学依据。基于海河流域内1470—2000年间11个序列较完整站点的旱涝等级数据,采用小波分析、功率谱分析以及经验正交分解方法对海河流域旱涝时空演变规律进行了分析研究,结果表明:(1)海河流域1470—2000年期间经历了干旱(1470—1644年)-湿润(1645—1898年)-干旱(1899—2000年)的旱涝转换;(2)1470—2000年流域旱涝呈现出2~7年、10.4年(为什么这个有小数???)、19年、22年和25年左右的周期性变化特征,其中10.4和22年周期变化显著;(3)EOF第一模态表现为全流域性的干旱或洪涝,其方差贡献率为44%;第二模态为流域自西向东涝-旱-涝(或旱-涝-旱)的分布特征,其方差贡献率为12%。
  • 图  1  海河流域概况及基本站点

    Figure  1.  Basic infomation of Haihe River Basin

    图  2  1470—2000年海河流域旱涝等级序列

    Figure  2.  Time series of dryness/wetness grade from 1470 to 2000, in the Haihe River Basin

    图  3  海河流域旱涝等级序列距平累积曲线

    Figure  3.  Anomaly cumulative curve of dryness/wetness grade time series

    图  4  海河流域旱涝等级序列功率谱分析

    Figure  4.  Power spectrum analysis of dryness/wetness grade time series

    图  5  海河流域10滑动平均旱涝等级cmor2-1小波系数实部分布

    (红实线:正值,旱;蓝虚线:负值,涝;黑实线:0线;阴影区:通过显著性水平0.1的红噪声检验区)

    Figure  5.  Real distribution of Morlet wavelet coefficient based on 10-year moving average dryness/wetness grade series

    (Red solid lines show positive values, indicating droughts; blue dashed lines show negative values, indicating waterloggings; black solid lines shows zero. Shadow areas are the 90% confidence spectrum for a red-noise process)

    图  6  海河流域10年滑动平均旱涝等级序列功率谱分析

    Figure  6.  Power spectrum anaylsis of 10-year moving average dryness/wetness grade series

    图  7  海河流域旱涝等级EOF分析的第一、二模态

    Figure  7.  The top two modes of EOF analysis

    表  1  海河流域各旱涝等级百年发生次数统计

    Table  1.   Statistics of 100-year occurrences of drought/flood in the Haihe River Basin

    时段流域旱涝发生年数/a严重洪涝年份严重干旱年份
    偏涝正常偏旱涝+偏涝旱+偏旱
    1470—1500年041971481484年
    1501—1600年2265219128201553年, 1569年1560年
    1601—1700年6165022622281604年, 1607年, 1626年,
    1652年, 1653年, 1668年
    1601年, 1615年
    1639—1641年, 1689年
    1701—1800年2246112126131725年, 1761年1743年
    1801—1900年6224723228251801年, 1822年, 1853年,
    1871年, 1890年, 1894年
    1877年, 1900年
    1901—2000年1214827322301917年1920年, 1965年, 1997年
    合计1711327711014130124
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    表  2  海河流域各站点近500年旱涝等级统计参数

    Table  2.   Statistics of dryness/wetness grade series of 11 stations during the past 500 years

    站点均值标准差变异系数偏态系数发生频率/%
    123451+24+5
    天津2.891.030.350.078.4726.1838.9820.535.8434.6526.37
    沧州2.911.250.380.0910.1728.0630.3223.168.2938.2331.45
    德州3.011.570.42−0.0213.7523.1625.0524.4813.5636.9138.04
    唐山2.931.110.360.029.2324.8636.5322.606.7834.0929.38
    北京3.081.190.36−0.138.8520.3434.4627.129.2329.1936.35
    保定2.991.140.36−0.1210.1719.7738.4224.297.3429.9431.64
    石家庄3.011.310.38−0.0310.7322.0332.9623.7310.5532.7734.27
    邯郸3.071.240.36−0.108.8522.7930.7028.069.6031.6437.66
    安阳3.081.210.36−0.018.6619.0240.1120.3411.8627.6832.20
    大同3.111.480.39−0.1512.2418.4629.3825.9913.9430.7039.92
    长治3.171.350.37−0.179.2319.5929.9427.8713.3728.8141.24
    平均3.021.260.37−0.0510.0322.2133.3524.3810.0332.2434.41
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-06-03

海河流域近500年旱涝演变规律分析

    作者简介: 严小林(1987—),女,湖南娄底人,博士研究生,主要从事流域水文模拟与水文气象研究。E-mail:yanxl5566@126.com
  • 1. 南京水利科学研究院 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏 南京 210029
  • 2. 水利部应对气候变化研究中心,江苏 南京 210029

摘要: 研究海河流域近500年旱涝演变规律能为流域防汛抗旱、防灾减灾提供科学依据。基于海河流域内1470—2000年间11个序列较完整站点的旱涝等级数据,采用小波分析、功率谱分析以及经验正交分解方法对海河流域旱涝时空演变规律进行了分析研究,结果表明:(1)海河流域1470—2000年期间经历了干旱(1470—1644年)-湿润(1645—1898年)-干旱(1899—2000年)的旱涝转换;(2)1470—2000年流域旱涝呈现出2~7年、10.4年(为什么这个有小数???)、19年、22年和25年左右的周期性变化特征,其中10.4和22年周期变化显著;(3)EOF第一模态表现为全流域性的干旱或洪涝,其方差贡献率为44%;第二模态为流域自西向东涝-旱-涝(或旱-涝-旱)的分布特征,其方差贡献率为12%。

English Abstract

  • 中国是一个旱涝灾害频发的国家,旱涝演变规律的分析研究能为区域防汛抗旱、防灾减灾提供科学依据。近几十年,随着水利监测网的建立及科学技术的进步,众多专家学者开展了中国旱涝规律的分析研究。但旱涝演变受到气候变迁、下垫面条件改变等的影响,同时流域/区域尺度的旱涝属小概率极端事件,需要从长系列样本中研究其演变规律。因此,有必要在几百年、甚至上千年的历史时期内考察研究旱涝的演变规律。由于器测时间较短,历史时期旱涝的演变特征缺乏观测资料,常用的代用资料主要有历史文献、树木年轮、孢粉、湖泊沉积、冰芯、石笋等。随着人类文明的发展,在近几百年的时间尺度上,出现了较为丰富的史料记载,这些记载对旱涝的描述较直观且详细,因而研究者多利用历史文献资料重构近几百年的旱涝序列,进而研究旱涝的演变规律。

    中国有关旱涝记载可追溯至大禹治水时代,但由于较久远时期资料数据缺漏或过于简略,很难用于系统研究。明清以来的史料较为丰富,对水旱灾害记载较为详实,为旱涝研究提供了良好的数据基础。如中央气象局气象科学研究院主编了1470—1979年《中国近五百年旱涝分布图集》,后又续补延至2000年[1-3],被国内外学者们广泛地应用于科学研究和实际业务诸多方面[4-6],研究成果主要集中在不同地区和流域,主要从极端事件、趋势、周期以及空间分型等角度展开。

    本文采用《中国近五百年年旱涝分布图集》及其续补提供的海河流域内11个序列较完整的站点的旱涝等级数据,采用小波分析、功率谱分析以及经验正交分解方法对1470—2000年期间流域旱涝的时空演变规律进行了分析研究。

    • 海河流域地处中国北方(112°~120°E,35°~43°N之间),流域总面积32万km2,占全国总面积的3.3%。流域西北高东南低,包括高原、山地和平原3种地貌类型,山地与平原几乎直接相交,丘陵过渡地区较少。海河流域处于中国干旱和湿润气候的过渡地带,属于温带东亚季风气候区。流域1956—2000年多年平均降水量535 mm,年平均气温9.6 ℃,年平均陆面蒸发及水面蒸发量分别为470和1 100 mm。海河流域降水量空间分布呈较明显的地带性差异,年际变化大且年内分配不均。流域水资源短缺,人均、亩均水资源量仅为276和213 m3,分别为全国平均水平的13%和15%[7]。受气候地形等因素影响,流域内旱涝多发。

    • 图1为《中国近500年旱涝分布图集》及其续补提供的海河流域内1470—2000年期间旱涝等级序列较完整的11个站点,每一个站点代表现行行政区划(或历史时期)1~2个地区的范围。旱涝情况由5个等级表示,分别为1级-涝、2级-偏涝、3级-正常、4级-偏旱、5级-旱。其中,1470—1950年旱涝等级由地方志等史料记载评定,主要考虑春、夏、秋三季旱情、雨情的出现时间、范围、严重程度,同时也兼顾各级出现频率,1951—2000年旱涝等级沿用历史资料旱涝等级的各级出现频率,根据6—9月降水量确定。流域内部分站点存在资料缺失,其中安阳站缺失年份最多,占序列总长度比例为6.2%。缺失序列由历年旱涝等级分布图读取补齐。

      图  1  海河流域概况及基本站点

      Figure 1.  Basic infomation of Haihe River Basin

    • 小波分析是量化非稳态、不连续时间序列的有效工具[8]。在地学中,各种气象因子、水文过程均可视为随时间有周期性变化的信号,因此可用小波分析方法分析其时间格局。自1993年首次引入到水文学研究[9]后,小波分析方法在时间序列分析、随机模拟和水文预报预测等方面取得了一定的研究成果[10-11]。功率谱密度是指单位频率内的信号能量,小波功率谱服从χ2分布特征[12]。本文采用Morlet连续小波变换及功率谱方法对海河流域干旱演变进行周期分析,并用软件Redfit38进行了红噪声检验。

    • EOF分析方法目前在地球科学特别是大气科学中被广泛运用[13-14]。EOF分析使用特征技术,正交分解气象要素场得到不随时间变化的空间函数部分(特征向量或模态)和只依赖时间变化的时间函数部分(主分量),分解后模态的解释方差愈大,对总方差的贡献愈大,提取原变量场变化的信息越多。分解出的空间模态是否具有物理意义或是无意义的噪音,需要通过统计检验判别。本文采用North等[15]提出的特征值误差范围进行显著性检验。

    • 基于1470—2000年旱涝等级序列,从两方面研究了海河流域近500年旱涝演变规律,一是序列的时间演变规律,包括频率统计、旱涝阶段划分和周期性分析;二是流域旱涝空间分布特征,包括各站点的统计规律和旱涝空间分布格局。

    • 对流域内11个站点旱涝等级取平均得到流域平均旱涝等级序列(见图2)。从图2可以发现:①海河流域近500年旱涝指数平均值为3.02,基本不存在上升或下降趋势;②流域旱涝指数最大值为5,出现在1615年,最小值1.09出现在1801年;③海河流域易出现大规模干旱或洪涝,如1615年发生全流域严重干旱,1801年全流域洪涝;④流域旱涝发生具有持续性,如明崇祯年间(1637—1643年)持续大旱,1883—1896年持续涝。

      图  2  1470—2000年海河流域旱涝等级序列

      Figure 2.  Time series of dryness/wetness grade from 1470 to 2000, in the Haihe River Basin

      为确定流域500年旱涝转换时间,明确各旱涝阶段发生的时段,对流域平均旱涝指数序列进行了累积距平(此处是“累积距平”,后文和图3中均变为“距平累积”,应统一名称???)计算(见图3)。累积距平曲线上升表示距平值增加,干旱发生或继续。距平曲线下降则表示距平值减小,洪涝发生或继续。曲线拐点表示出现旱涝转折或突变。从海河流域旱涝等级序列距平累积曲线可以看出海河流域在1644年和1898年附近出现了旱涝的明显转变,流域经历了干旱(1470—1644年)-湿润(1645—1898年)-干旱(1899—2000年)的大致转变。

      图  3  海河流域旱涝等级序列距平累积曲线

      Figure 3.  Anomaly cumulative curve of dryness/wetness grade time series

      为真实反映流域旱涝情况,保持资料一致性,将流域旱涝等级[16]定为:<1.5,涝;[1.5, 2.5),偏涝;[2.5, 3.5),正常;[3.5, 4.5),偏旱;≥4.5,旱。在此基础上统计海河流域近500年旱涝发生情况见表1。从表1可见:①总体而言,海河流域旱涝频发,旱涝出现频率为2年一遇;②从频数和强度看,1470—2000年期间海河流域洪涝较干旱严重,16,18和19世纪流域洪涝的年数略多于干旱年数,其中17和19世纪涝情尤为严重;③17世纪流域性大洪水和大干旱频繁发生,其年数高达12年;④20世纪旱情严重,发生旱/偏旱年数达到30%;⑤17和19世纪是严重洪涝发生最多的两个世纪,而17世纪与20世纪海河流域多发严重干旱。

      表 1  海河流域各旱涝等级百年发生次数统计

      Table 1.  Statistics of 100-year occurrences of drought/flood in the Haihe River Basin

      时段流域旱涝发生年数/a严重洪涝年份严重干旱年份
      偏涝正常偏旱涝+偏涝旱+偏旱
      1470—1500年041971481484年
      1501—1600年2265219128201553年, 1569年1560年
      1601—1700年6165022622281604年, 1607年, 1626年,
      1652年, 1653年, 1668年
      1601年, 1615年
      1639—1641年, 1689年
      1701—1800年2246112126131725年, 1761年1743年
      1801—1900年6224723228251801年, 1822年, 1853年,
      1871年, 1890年, 1894年
      1877年, 1900年
      1901—2000年1214827322301917年1920年, 1965年, 1997年
      合计1711327711014130124
    • 分别对500年旱涝等级的逐年序列和10年滑动平均序列进行周期分析,以研究流域旱涝演变的年际和年代际变化。

      逐年旱涝指数序列的功率谱分析结果(图4)表明:在95%显著性水平检验下(显著性水平一般取值为0.01,0.05,0.1,0.15和0.20等,此处95%和下文的90%的显著性水平是否有误???),海河流域1470—2000年旱涝指数序列存在2个主要周期,分别为10.4年和2~7年左右周期;在90%显著性水平检验下,存在一个31年左右的年代际尺度周期。

      图  4  海河流域旱涝等级序列功率谱分析

      Figure 4.  Power spectrum analysis of dryness/wetness grade time series

      对流域10年滑动平均旱涝指数作复morlet小波变换,得到小波系数实部分布图(见图5),可以分析旱涝序列的时频局部结构。通过小波变化系数图分析流域旱涝序列的多时间尺度变化特征:①从100~200年尺度上看,周期振荡显著,其中17世纪以来150~200年尺度上的周期发育明显,100~130年尺度的周期变化在19世纪中叶前表现明显;②在小尺度上,30和50年左右周期明显,同时存在着不同尺度交错出现的现象,更小时间尺度的16~20年左右周期主要出现在1510—1670年和1810—1930年这2个时段内,不具备全域性;③1620—1660年期间出现大的正负中心,说明该时段内流域出现重大旱涝灾害,1770—1790年则极少发生极端旱涝事件。

      图  5  海河流域10滑动平均旱涝等级cmor2-1小波系数实部分布

      Figure 5.  Real distribution of Morlet wavelet coefficient based on 10-year moving average dryness/wetness grade series

      流域旱涝年代际演变的主要周期可由功率谱分析及红噪声检验结果确定,见图56,从图中可见:①通过90%显著性检验的周期包括37年、22~33年、16~19年、13~14年左右周期,其中19,22和25年左右周期通过了99%的显著性检验;②小波分析结果验证了这一周期分析结果,红噪声检验的阴影区主要出现在13~37年的时间尺度内,其中23~29年左右时间尺度上出现阴影区最大值,这一周期在17世纪表现最为突出。

      图  6  海河流域10年滑动平均旱涝等级序列功率谱分析

      Figure 6.  Power spectrum anaylsis of 10-year moving average dryness/wetness grade series

    • 统计了流域内11个站点531年内旱涝等级统计参数、各级旱涝的发生频率以及干旱、洪涝的频率(见表2)。各站点统计参数表明:唐山、天津、保定、沧州旱涝等级均值小于3,其中保定略低于3,其他7个站点均大于3,而长治地区均值最大;天津方差最小,旱涝发生的变幅小,德州旱涝频发,方差最大;变差系数(表2中使用了“变异系数”,应统一名称???)与方差具有相同的空间分布。分析站点旱涝等级发生情况可以发现:大同、长治以及德州地区13%以上年份发生干旱,发生偏旱和旱的年数达到38%以上;大同、德州发生涝的年份最多,但发生涝和偏涝频率最大的是沧州、德州、天津和唐山;长治和大同地区旱和偏旱年明显多于涝和偏涝年的总和,天津地区涝和偏涝年份明显多于旱与偏旱年份;德州地区涝与旱均较严重,平均1.3年发生干旱或洪涝。

      表 2  海河流域各站点近500年旱涝等级统计参数

      Table 2.  Statistics of dryness/wetness grade series of 11 stations during the past 500 years

      站点均值标准差变异系数偏态系数发生频率/%
      123451+24+5
      天津2.891.030.350.078.4726.1838.9820.535.8434.6526.37
      沧州2.911.250.380.0910.1728.0630.3223.168.2938.2331.45
      德州3.011.570.42−0.0213.7523.1625.0524.4813.5636.9138.04
      唐山2.931.110.360.029.2324.8636.5322.606.7834.0929.38
      北京3.081.190.36−0.138.8520.3434.4627.129.2329.1936.35
      保定2.991.140.36−0.1210.1719.7738.4224.297.3429.9431.64
      石家庄3.011.310.38−0.0310.7322.0332.9623.7310.5532.7734.27
      邯郸3.071.240.36−0.108.8522.7930.7028.069.6031.6437.66
      安阳3.081.210.36−0.018.6619.0240.1120.3411.8627.6832.20
      大同3.111.480.39−0.1512.2418.4629.3825.9913.9430.7039.92
      长治3.171.350.37−0.179.2319.5929.9427.8713.3728.8141.24
      平均3.021.260.37−0.0510.0322.2133.3524.3810.0332.2434.41

      综合考虑流域内年降水量及温度分布、下垫面、地形以及河流水系可知,大同、长治地区位于太行山区,多年平均降水量少,干旱多发;德州地区多位于徒骇马颊河流域,南邻黄河大堤,属黄河冲击平原,地形西南高而东北低,同时由于蒸发量远大于降水量干旱多发,低洼地区地下水位高、排涝困难,因而洪涝频发[17];海河为扇形水系,各河顺地势流向最低的天津附近入海,天津洪涝情况严重而旱情较轻;同理,唐山地区代表滦河出山口以下及冀东沿海,雨量丰沛,洪涝较为严重。

    • 采用EOF分析方法得到海河流域旱涝空间分布格局。其中,EOF分析的前4个模态通过了North显著性检验,其累积贡献率为70%。图7为EOF分析的前2个模态,从图7中可以发现:EOF第一模态表现为全流域性的干旱或洪涝,其中保定-石家庄-邢台-邯郸-安阳呈现出较高的一致性,该模态的方差贡献率为44%;第二模态呈现出一种经向分布。在西向东,流域呈现出涝-旱-涝(或旱-涝-旱)的分布特征,该模态的相对贡献率为12%。由于整个流域属于同一气候区,第一模态表现出的全流域一致干旱(洪涝)模式是合理的,这也是流域近500年旱涝的主要空间分布格局。第二模态与多年平均降水的空间分布,具有相似的特征,特别是位于流域西部和东北部的两个中心区(雨区)分布,说明干旱受到降水影响,降水是干旱的直接影响因子。

      图  7  海河流域旱涝等级EOF分析的第一、二模态

      Figure 7.  The top two modes of EOF analysis

    • 本文基于海河流域1470—2000年旱涝等级序列,采用小波分析和EOF分析等方法,分析了海河流域近500年旱涝的时空演变规律,为流域防汛抗旱、防灾减灾,以及气候变化背景下旱涝情势预测提供了科学依据。主要结论如下:

      (1)海河流域1470—2000年期间经历了干旱(1470—1644年)-湿润(1645—1898年)-干旱(1899—2000年)的旱涝转换,从频数和强度看,1470—2000年期间海河流域洪涝较干旱严重,16,18和19世纪流域洪涝的年数略多于干旱年数,17世纪流域性大洪水和大干旱频繁发生,其年数高达12年。

      (2)由小波分析、功率谱分析和红噪声检验结果表明,1470—2000年海河流域旱涝呈现出2~7年、10.4年、19年、22年和25年左右的周期性变化特征,其中10.4和22年周期变化显著。

      (3)流域内各站点的旱涝情况与降水量温度分布、下垫面情况和河流水系有关,EOF分析结果表明海河流域旱涝空间分布的第一模态表现为全流域性的干旱或洪涝,其方差贡献率为44%;第二模态为流域自西向东涝-旱-涝(或旱-涝-旱)的分布特征,其方差贡献率为12%。

参考文献 (17)

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