長江、黃河流域旱澇

規(guī)律和成因分析

——葉篤正、黃榮輝等

長江、黃河流域旱澇特征

長江、黃河兩流域旱澇時空特征的分析研究：

分析旱澇的歷史背景（用千年以上的降水史料和記載）；

分析旱澇變化的階段性和氣候變化的突發(fā)性

（用近百年降水資料和其他氣候資料）；

分析旱澇的年代際、年際和季節(jié)內變化以及空間分布的規(guī)律和特征（用近40年降水詳細資料）；

分析我國旱澇和全球旱澇的關系。過去+現(xiàn)在+未來長江、黃河流域旱澇的氣候背景

1．長江、黃河流域旱澇的經濟影響

長江流域西起西藏、云南，東到江蘇、浙江，包括其支流涉及18個省市，覆蓋約1.8×106km2。

黃河流域經青海至山東的9個省及自治區(qū)，約覆蓋0.8×106km2。

兩流域約占國土面積的1/4強，且流域之內多良田、城鎮(zhèn)，因此，兩流域的旱澇研究對工農業(yè)的發(fā)展有舉足輕重的意義。

研究表明：

旱災多發(fā)生在華北、黃河流域；長江中游、南嶺附近和云貴高原；

澇災主要集中在長江中下游、淮河流域和東南沿海。

長江、黃河流域是我國旱澇災害最嚴重的兩個區(qū)域，而區(qū)域的旱澇災害所造成的糧食減產約占全國由于氣象災害造成的糧食總減產的60％左右。

例如：

＊20世紀長江流域的3次大澇就曾造成巨大的經濟損失（表1.1.1）。影響巨大。

＊黃河流域的洪澇災害也是很頻繁的。

據統(tǒng)計周定王五年(公元前602年)~1938年共2540年期間，黃河決口泛濫的有的543年，即平均約5年決口1次，其中大改道達26次之多。

干旱各種氣候災害造成經濟損失的比例各區(qū)域氣候災害造成糧食減產的比例天氣災害洪澇夏季低溫黃河流域和華北長江流域華北華南西南西北年份受災耕地（106hm2）受災人口（億）降水特征經濟損失（億元）19311954199118.53.714.81.00.21.2超過常年100%超過常年100%以上下游比常年多100%~300%200600~800長江流域洪澇的影響

干旱的影響也十分嚴重。如：1978年長江中下游干旱，受旱農田5.4×106hm2，僅因播種面積的減少，水稻即損失20×l08kg。蓄水量減少100×l08m3以上。新安江水電站發(fā)電量比常年減少60％。1986年黃河流域受旱20×106hm2，成災率達50％以上。糧食減產8％，損失糧食86×l08kg。l972年黃河流域又一個大旱年，僅秋糧就減產39×l08kg。京、津、冀、晉地區(qū)水資源比常年減少200×l08m3。估計造成經濟損100億元（王紹武、黃朝迎等，1993)

因此，加強研究，提高氣候預報水平，對防災、減災有重大意義。2、近千年的旱澇變化分析（史料）重建旱澇的古氣候序列有兩個兩重要的技術問題：

（1）如何把定性的資料定量化；

（2）如何與現(xiàn)代觀測資料同化。旱澇序列的建立：

確定旱澇等級，并確定各級之間的界限。

＊以±25%及±50%為界，分為大澇、澇、正常、旱、大旱（常以1、2、3、4、5表示）。

＊根據概率分級，也分為5級。1級與5級的概率約1/8，其余3級概率分別為l/4。研究表明：上述兩種分級的結果，基本是彼此相容的。

級別旱澇夏季降水距平△R（%）概率（%）（變化范圍）夏季降水距平△R12345澇偏澇正常偏旱旱≥5025~50-25~+25-50~-25≤-50%12.5（10~15）25（20~30）25（30~40）25（20~30）12.5（10~15）≥1.2σ0.3σ~1.2σ

-0.3σ~0.3σ

-1.2σ~-0.3σ≤-1.2σ旱澇級的定義＊有時人們也利用均方差σ分級。但因降水是非正態(tài)分布，不傾向用該種定義。（有人用過，附表中）

旱澇級

1

234

5

旱澇史料記載大水，陸地行舟大水，夏秋淫雨大水，淫雨月內大水，水深數(shù)尺局地澇夏大水局地大水夏旱，秋大水春旱，夏大水局地大旱和大水大旱年無旱澇記載局地大旱年，旱蝗大旱，六月始雨大雨雹蝗局地夏旱局地大旱大旱，七月始雨大旱炎熱大旱，終年無雨史料劃分旱澇級的標準（保定地區(qū)適用）＊

參考保定地區(qū)有降水資料時期的史料，反復調查研究制定型

旱澇特征1a

1b

2345全國澇，以長江為主長江澇，華北、華南旱南澇北旱長江旱，華北、華南澇北澇南旱全國旱旱澇型的特征

＊劃定全國120個站1470~1979年的旱澇級，繪制了500年旱澇圖（中央氣象局氣象科學研究院，1981），對其作EOF分析，并結合其他聚類分析劃分出6種旱澇型。由此得1470~1979年500年全國旱澇型序列。用夏季降水距平百分率補劃出1979年之后旱澇型。1470年之前資料少，把全國劃分10個區(qū)。根據10個區(qū)的旱澇定出950~1469年的旱澇型（方法略）。中世紀暖期（900~1300年）小冰期（1550~1850年）全國澇（1a型）及全國旱(5型)的頻率分別為16.3％及10.5%。即全國性旱澇出現(xiàn)的概率合計約為1/4。兩個流域相反的2型與4型頻率分別為22.5%共及17.0％，合計約為40％。由此可推斷兩個流域旱澇相反的情況略占優(yōu)勢。長江流域干旱指數(shù)（1型=1a+1b）Id=3型頻率/1型頻率

（3型長江旱；1型長江澇）黃河流域干旱指數(shù)Id=2+5型頻率/3+4型頻率（2、5型黃河旱；3、4型黃河澇）近千年兩流域旱澇特征：長江流域有三段干旱時期：

1100~1200年、1450~1550年、1850~1950年。

濕潤期：950~1050年、1250~1450年、1700~1850年。黃河流域干旱時期稍短，不超過50年。

濕潤期較長：

1100~1200年、1250~1450年、1650~1800年。3、近兩千年長江、黃河流域的大旱大澇近2000年長江、黃河流域大旱、大澇的頻次表明：

長江流域大澇多于大旱，黃河流域大旱多于大澇。

20世紀的特點是黃河流域大旱頻率較高，而大澇頻率很低。長江流域大旱大澇的頻率與平均值接近。說明本世紀的氣候持征是黃河流域干旱。需強調的是

長江流域與黃河流域旱澇相反的情況占一定優(yōu)勢。但兩個流域一致的大旱大澇不容忽視。實際上任何時候也不會全國均旱或均澇，總有一些變化相反的地區(qū)。但如果兩大流域同時出現(xiàn)旱或澇，也可籠統(tǒng)地稱為全國性大旱大澇了。

950年之前難于逐年作旱澇型判斷，故只能局限于分析大旱、大澇。表明：

近2000年長江流域大澇多于大旱，黃河流域大旱多于大澇。

20世紀的特點黃河流域大旱頻率較高，而大澇頻率很低。

長江流域大旱大澇的頻率與平均值接近。表明：

近2000年長江流域大澇多于大旱，黃河流域大旱多于大澇。

20世紀的特點黃河流域大旱頻率較高，而大澇頻率很低。

長江流域大旱大澇的頻率與平均值接近。

大旱指數(shù)=大旱次數(shù)/（大旱次數(shù)+大澇次數(shù)）如上所述，全國性旱澇出現(xiàn)的概率合計約為1/4。兩個流域相反的2型與4型頻率合計約為40％。由此可推斷兩個流域旱澇相反的情況略占優(yōu)勢。然而，兩流域均旱或均澇，對經濟的影響更大。所以，對全國性大旱、大澇作些分析也是十分必要的。

據分析，從公元2世紀~20世紀共發(fā)生全國性大旱40次、全國性大澇39次。平均約每個世紀2次大旱，2次大澇。所謂全國性大旱或大澇，通常只是在一個流域發(fā)生大旱或大澇，而另一個流域只是偏旱或偏澇。

圖1.1.7給出4個例子。l972年黃河流域大旱；1835年長江流域旱；1954年長江流域澇；1781年黃河流域澇。4、未來旱澇變化趨勢（利用旱澇型變化的時間序列，推測未來我國旱澇變化的趨勢）表1.1.8說明：

1979~1991年是一個旱澇型1b型集中期，用公元950年以來的旱澇型檔案，看是否在歷史上也曾出現(xiàn)1b型集中期的情況。除最近一次以外，近千年來有11次1b型集中期。即大約平均每個世紀出現(xiàn)一次，而且分布相當均勻。僅11世紀與15世紀出現(xiàn)2次，14世紀未出現(xiàn)，但15世紀有1次出現(xiàn)在世紀初。如果今后仍然保持這種規(guī)律性，則近幾十年內再出現(xiàn)1b型集中期的可能性不大。當然，這是在1b型集中期已結束的前提下得出的結論。目前這個集中期是否已經結束了呢?從表中看，過去的集中期最長可達18-19年，而1979-l991年已經13年。而且過去一個集中期大多只出現(xiàn)5~6年1b型，至多7年。而最近一個集中期中已經出現(xiàn)8年1b型。因此，從統(tǒng)計規(guī)律來看這個集中期可能已經結束了。1b型集中期之后可能是什么情況呢?利用近千年旱澇檔案進行分析。

把表1.1.8中1b型集中期之后的20年，按每5年一個階段進行統(tǒng)計，各種旱澇出現(xiàn)的概率給在表1.1.9。

在第一個5年1b型的概率非常小，4型的概率也很小，1a型與2型的概率較大。表明南方澇的幾率大，全國旱的幾率也高于氣候概率。

事實上，1991年之后1992年為5型（全國旱），1993年為2型，1994年又出現(xiàn)2型（南澇北旱）。說明以上的統(tǒng)計確實有一定意義。第2個5年(6-10年)2型占優(yōu)勢，第3個5年(11-15年)2型與1a型頻率稍高，第4個5年(16-20年)最突出特點是2型占很大優(yōu)勢。由此可以推測，20世紀末到21世紀的第1個l0年，南方多雨(2型)可能是氣候變化的一個主要特色。在這段時期長江流域集中出現(xiàn)洪澇的幾率不高，但黃河流域干旱的幾率仍較大。尤其值得注意的是，由于溫室效應造成的氣候變暖，可能有利于我國江南多雨(Hulmn等，1992)。如果人類活動造成的氣候變化與氣候的自然變化處于同一位相，顯然會使災害加劇，對于這種可能性應給予密切注意。近100年旱澇氣候變化的階段性和突變性

氣候變化往往表現(xiàn)出階段性的特征。由旱澇強度及其出現(xiàn)的頻率等表征的旱澇氣候也有明顯的階段性。氣候從一個階段向另一個階段的轉變過程，有時比較平穩(wěn)、緩慢的，有時迅速，呈現(xiàn)突變的性質。

例如：

從中原4000年來的旱澇指數(shù)序列(Ynn，etal，1991)，黃河中游1500年來的水旱等級序列(陳家其，1982)，中原地區(qū)2000年來的旱澇序列(張，1990)以及據史料整編的500年旱澇等級資料(國家氣象局等，1980)，均可以將旱澇出現(xiàn)的時空變化劃分為若干階段，并且檢測到千年尺度、百年尺度和十年尺度的突變事件。如：

中原地區(qū)大約距今3000年左右(公元前1300~1250B.C.)有一次千年尺度的由濕變干的突變；華北地區(qū)在公元300年前后有一次從多雨期向極端偏旱期的轉變；大約在公元680年前后，華北又重新突然進入多雨期。

1、我國東部的旱澇長期變化趨勢

為了描寫大尺度的旱澇氣候特征，選取中國東部100個測站的資料計算干旱指數(shù)和濕潤指數(shù)。干旱指數(shù)Id＝D/N;濕潤指數(shù)Iw＝W／N

N為總站數(shù);D為由降水資料確定的降水量等級為5和4的站數(shù)；W為由降水資料確定的降水量等級為1和2的站數(shù)。Id和Iw表示的是干旱和濕潤區(qū)的空間范圍。

其中利用雨季(5~9月)總雨量的距平百分率△R/R(％)劃分降水量等級：

等級5，△R/R＜-50％；等級4，-50％≤△R/R≤-25％；等級3，-25％≤△R/R≤25％；等級2，25％≤△R/R≤50％；等級1，△R/R＞50%。

1350mm1050mm

2、降水變率的長期變化趨勢

降水變率指降水的年際變率，月、季內變率的年際變化等多種特征量。在某種意義上來說，降水變率比降水總量更有實際意義。中國東部季節(jié)降水量年際變率的分析顯示：近40年來，降水變率沒有明顯的增加趨勢(程偉，1991)。選取中國243個站1954~1993年10天降水資料記錄，分析年雨量、夏季雨量及其季節(jié)內變率的變化。

降水量減少的總趨勢和季內變率減小的總趨勢，以及70年代中期前后明顯的階段性變化。表明：70年代中期以前，變率大于平均值，70年代中期以后，降水的季內變率明顯小于平均值。

采用10天平均降水量資料，計算的季節(jié)內變率，實際上是反映天氣尺度事件的作用。變率變小，說明70年代中期以后，天氣尺度擾動減弱。從而使平均降水量減少。3、中國東部旱澇氣候變化的突變性為定量客觀地檢測旱澇氣候變化中可能存在的突變現(xiàn)象，在此應用M-K統(tǒng)計檢驗方法(1987)。該方法的優(yōu)點是可以具體正確地確定突變開始的時間。

對1887~1986年中國東部干旱指數(shù)進行M-K檢測顯示：干旱指數(shù)在l922年左右有一次迅速的增長過程，表明我國東部氣候大約在20世紀20年代初，突然從一個相對濕潤的階段進入到一個干旱時期，且似乎一直持續(xù)到現(xiàn)在，這是區(qū)域氣候變化中的一個強信號(符淙斌，1993)。由于M-K檢測方法的局限性，往往只能檢測到一個最強的信號，而可能存在的其它信號不能同時檢測到。

許多研究利用其它方法，檢測到了我國旱澇氣候發(fā)生在其它時期的突變。

60年代是旱澇氣候的另一次突變(嚴中偉等，1990)。中國東部從40~50年代的相對濕潤期進入到一個干旱期。

嚴中偉等分析了這次突變的全球降水分布特征，指出：60年代的變干發(fā)生在包括北非、印度西北部、中國中部和日本等地區(qū)在內的一個廣大的地帶，其南、北兩側各有一條反相變化帶，呈現(xiàn)出行星尺度的帶狀結構。

胡增臻、王紹武、趙宗慈（1993)在分析黃河流域6~8月降水量EOF展開的時間系數(shù)時也發(fā)現(xiàn)了那里在60年代中期有一次降水由偏多轉為偏少的突變。

一些研究指出，70年代末期，中國東部旱澇又有一次由偏多向偏少的轉變。例如，黃河流域7月的降水，從1978~1979年開始明顯減少(胡增臻等，l993)。

綜上所述，幾次旱澇氣候的突變與近百年來我國東部的干旱化趨勢結合起來，可以看到這個干旱化的總趨勢似乎是由幾次突變過程來完成的。每次突變都使干旱程度進一加強。這種在干旱化總進程中的多次振蕩過程的機理是十分有意義的科學問題。4、旱澇變化與全球溫度變化之間的同步性特征

對于旱澇的長期變化趨勢，它的階段性以及階段轉變的突變性的機理還不太清楚，本節(jié)揭示的我國東部旱澇氣候變化與全球平均地面氣溫變化的密切關系可以為我們提供一些可能的思路。

如圖所示兩根曲線的變化趨勢、約30多年的準周期振蕩以及出現(xiàn)在20世紀20年代初的突變，有非常一致的同步性。

1986年前，北半球最暖的30~40年代，也是我國最嚴重的干旱時段。

由圖揭示的北半球陸面迅速增暖發(fā)生在大約1921年，與我國東部干旱指數(shù)突變點1922年幾乎是重合的，且還略偏早一點。說明了區(qū)域氣候對全球增暖的響應。

盡管至今無法回答已觀測到的20世紀以來全球增暖現(xiàn)象是自然變率的表現(xiàn)，還是二氧化碳等溫室氣體濃度增長的結果。但區(qū)域氣候的變化同全球溫度的變化是有著密切關系的。這種全球熱狀況與區(qū)域氣候聯(lián)系的現(xiàn)象和機理值得進一步研究。

全球增暖時大范圍降水分布和大氣環(huán)流特征的分析。20世紀20年代迅速增暖后(1930~1939年)全球緯向平均降水距平的分布廓線(取1940~1979年為氣候平均值)。

該廓線的特點：全球熱帶降水增加，特別是沿兩半球赤道輻合帶的位置；25°N~55°N，特別是40°N附近降水減少；15°S~25°S，南半球副熱帶降水減少。表明：在全球增暖時期，兩半球的哈德萊環(huán)流均有明顯的加強，它們的上升分支位于15°S~25°N

的熱帶地區(qū)，造成那里降水量增加；增強的哈持萊環(huán)流的北半球的下沉分支，正對應那里的干旱帶。中國大陸的大部分地區(qū)正處在這個增強的下沉分支。因此中國的干早化同全球增暖的關系是大尺度大氣環(huán)流對全球增暖響應在區(qū)域內的反應。

當然，實際的旱澇分布不可能像緯圈平均那么簡單。

我國旱澇氣候的長期變化趨勢研究中，旱澇的準周期性振蕩及其突變的機理是一個需要深入研究的課題。嚴中偉等在分析60年代大尺度旱澇形勢突變時對北半球溫度場、高度場、海面溫度場的變化也作了相應的分析，發(fā)現(xiàn)突變時高低緯度溫差加大主要是高緯度降溫幅度比中緯度更大所引起的。但20年代的突變，卻發(fā)生在中高緯度增暖明顯大于低緯的條件下（即南北溫差是減小的）。因此，雖然分析中看到的旱澇氣候突變與溫度場變化之間的聯(lián)系，但仍不能認為突變是由溫度場變化引起的。它們是相互統(tǒng)一的全球溫度場和大氣環(huán)流結構大尺度調整的一種表現(xiàn)。顯然，如果我們進一步認識旱澇氣候階段性轉變，尤其是突變的機理，掌握突變發(fā)生的條件，將對早澇長期預報有重要意義。旱澇的年代際、年際變化

觀測事實表明：

長江、黃河流域的旱澇主要發(fā)生在夏季，主要取決于東亞季風的強弱。東亞季風受印度西南季風、跨赤道氣流、西太平洋副高和中緯度西風帶擾動系統(tǒng)的影響。因此，東亞季風的變化比較復雜，不僅年際變化大，而且季節(jié)內變化也很大。因此，長江、黃河流域的旱澇有很大的年際變化。為搞清長江、黃河流域旱澇的年際變化，必須認識我國夏季降水的年代際變化。為此，選取全國300多個測站195l~1990年旬降水量來討論我國旱澇分布的變化。

1、我國東部地區(qū)夏季降水的年代際變化

（50年代~80年代我國夏季降水距平的變化分析）50年代，華北和流域、和淮河流域、華南和東北中部夏季降水偏多；西北、南嶺以北的江南降水偏少。可以說，50年代全國降水以偏多為主，黃河中下游，江淮，夏季發(fā)生洪澇偏多。60年代，出現(xiàn)與50年代大致相反的降水距平分布，在華北、江淮流域和東北降水從偏多變成偏少。負距平中心位于黃河中游，華北開始出現(xiàn)偏旱現(xiàn)象；而江南夏季降水從偏少變成偏多。70年代，華北北部和黃河中游的降水繼續(xù)減少，干旱趨勢繼續(xù)，并且長江中下游、西南降水由偏多變成偏少；相反，西北的降水由偏少變成偏多。可以說，到了70年代，我國由50年代的多水期變成少水期。

80年代，我國80年代的氣候與70年代相比，發(fā)生了較大變化。華北和華南的降水偏少加劇，干旱趨勢嚴重。但長江中下游和江淮流域的降水由偏少變成偏多，洪澇明顯增多，又由少水期變成多水期。我國降水年代際分布的變化，華南與華北比較一致，而江淮流域與東北北部的變化比較一致，從南到北呈現(xiàn)出一遙相關型，類似一波列的分布。

2、我國各區(qū)域夏季降水的年代際變化我國降水年代