全球增暖下我国旱涝灾害可能情景的初步研究*，本文主要内容关键词为：旱涝论文,灾害论文,情景论文,我国论文,全球论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
关键词 气候增暖 旱涝灾害 灾害预测
实测温度记录表明：19世纪以来，全球平均气温增加约0.5℃，其中1940年前有明显的增暖趋势，其后30年变化较小，70年代中期后，增暖加快。至1992年，本世纪最暖的6年都出现在1980年后，其中以1990年最暖[1]。1994年夏，热浪袭九洲，酷暑罩全球。印度新德里5月30日气温高达46℃，创50年来最高记录；日本东京7月平均气温达28.3℃，创自1876年来最高记录；奥地利维也纳7月平均温度达29.4℃，为158年来未有；德国7月平均气温达23.5℃，突破自1820年以来记录；保加利亚索非亚8月11日最高气温达38.1℃，为106年来未有；美国6月平均气温达22℃，创61年来最高记录；我国上海7月平均气温达30.4℃，打破百年记录。就连长冬无夏的我国漠河，7月也出现了38℃的高温天气。英国科学家认为，1994年全球气温将比1950年到1980年间的平均气温高出大约0.3℃，可能成为世界上有气温记录以来最炎热的一年①。
追溯过去近百年的温度变化，尽管没有确切理由归结为大气中的CO[,2]变化，但近百年来全球温度上升和CO[,2]增加却是事实。随着人类活动的加剧，大气中CO[,2]及其它温室气体含量仍将会增加，多种气候模式表明，温室气体增加将不可避免地造成全球气候增暖。目前尚难以确定的是：气候增暖可能达到的程度，以及全球增暖对区域气候的影响。由于通常采用的GCM模型的空间分辨率很低，在反映小尺度的变化，特别是模拟次级影响的降水量时，尚有较大的不确定性，不同的模式经常得出不同的结果，甚至在变化方向和量级上都有差异，因而在全球增暖下，我国降水和旱涝灾害的可能情景，已成为当前气候变化与灾害研究者所关心的问题。
研究未来气候包括气候模拟与历史类比。前者建立在物理过程的能量守衡基础上，由于受认识与计算能力限制，尚有较大的不确定性。我国是一个历史悠久的文明古国，历史气候研究是我国的优势和特色。半个世纪前，我国著名历史气候学家竺可桢先生就着手研究我国近500年气候变化，积累了大量宝贵资料，以后在学术界又得到了继承和发展，中国近500年旱涝分布图集就是杰出代表。因此发扬优势，充分利用这些资料，认真探索历史冷暖时期旱涝分布特征，对于研究全球增暖下我国旱涝灾害的可能情景是大有裨益的。
1 资料与方法
探索我国历史冷暖时期旱涝分布特征，首先要确定历史冷暖时期的划分。对于我国近500年冷暖期的划分，学术界已有大量研究奠定了三冷两暖的变化轮廓，这一结论首先是由竺可桢先生提出的[2]。他认为近500年来，我国1470～1520A.D.、1620～1720A.D.、1840～1890A.D.是三个冷冬时期；1550～1600A.D.、1770～1830A.D.是二个暖冬时期。以后张丕远、龚高法、张德二、王绍武、郑景云、郑斯中、陈家其等对我国各地的温度变化都作了深入研究，提出了反映我国各地冷暖变化的划分方案。本研究旨在探索大尺度增暖情况下的旱涝情景，所以冷暖期的划分仍采用对全国具有较大普遍意义的竺氏方案。在确定历史冷暖期划分基础上，研究历史冷暖时期我国大面积旱涝分布特征。我国大面积的历史旱涝资料，来自《中国近500年旱涝分布图集》附表中提供的公元1470年以来，我国120个站点的历史旱涝级，1～5依次为大涝、涝、正常、旱、大旱[2]。
基本的研究方法是计算近500年历史冷暖时期的旱涝等级距平，即根据竺氏方案将近500年归并为增暖、暖、趋冷、冷四种冷暖变化时期（表1），计算上述时期各站点历史旱涝等级与近500年旱涝等级平均值的距平，因为旱涝等级由低到高代表由涝至旱的变化，所以正距平表示趋旱，负距平表示趋涝，距平绝对值越大，旱涝越严重。
表1 近500年冷暖时段划分
Table 1 Cold and warm pcriods in last 500 ycars
冷 增暖
暖
趋冷
1470～1520 1521～1549 1550～1600 1601～1619
1620～1720 1721～1769 1770～1830 1831～1839
1840～1890
近500年旱涝等级资料，在我国边缘地区缺失较为严重，这是难以弥补的。为了提高科学性，最简捷的方法是设置一个资料取舍的阀值，将低于阀值的残缺资料舍去，这样可提高信度，然而研究范围将缩小。如若不作资料取舍，将全部资料投入计算，扰虑的是：这些缺失资料较多的站点投入计算后，对全国旱涝分布大势是否会产生影响。为了检验这一点，研究中先将缺失资料年数占总年数1/3以上的站点舍去后作一计算，以此与投入全部资料的计算作比较。结果表明两者所反映的旱涝分布在大势上并无实质性差异，也即，资料缺失较为严重的站点被投入计算后，对全国旱涝分布大势无影响。因而为了充分利用历史旱涝信息，尽可能地扩大研究范围，本研究将全部资料投入计算，以此得出基本上覆盖全国范围（除西南、西北、东北部分地区）的旱涝情景分析。
值得注意的是：用于以上分析的历史旱涝资料，其丰富程度在全国范围内是不均一的，因而可信度有异。为了如实反映这种差异，最后用以下方法作T检验，确定由上述方法取得的旱涝灾害可能情景在各地的可信程度。
2 计算结果
图1是近500年四种冷暖变化时期我国旱涝等级距平图，正距平为易旱地区，负距平为旱涝地区。由图可见，四种冷暖时期我国旱涝等级距平具有相对集中的分布区，即具有较为明显的易旱易涝分布区，它代表了不同冷暖状况下旱涝分布大势，其中增暖期、暖期我国旱涝分布较为复杂，而冷期、趋冷期则较为单一。在增暖时期我国西北、内蒙古、东北西部、嘉陵江上游、长江下游和华南地区易旱；黄河中下游、山东半岛、长江中游和江南丘陵地区易涝。在暖期，旱涝分布大势几乎与上述相反，我国西北、内蒙古、东北大部分、江淮下游、东南沿海、华南、嘉陵江和汉江上游地区易涝；黄河中下游、山东半岛、长江中游及云贵交界地区易旱。T检验表明，增暖时期黄河中下游，华北平原易涝；东北西部、内蒙古东部、太湖流域杭州湾以南和珠江口易旱达到一定的信度，在暖期黄河中下游易旱；内蒙古、东南沿海、西南地区易涝达到一定的信度（图2）。上述增暖时期平均长度为30～50年，由历史旱涝等级距平反映的增暖期为30～50年以后的稳定暖期间，在旱涝分布大势上的显著差异，是否与海洋对减缓全球增暖的作用，即海洋的热惯性有关[1] ，有待于继续深入研究。
图1 近500年旱涝等级距平图
（左上为增暖期，右上为暖期，左下为趋冷期，右下为冷期）
Fig.1 The departure of flood and drought degree in last 500 years
(Left-up warm;right-up warm;left-down colding:right-down cold)
图2 近500年旱涝等级T检验图
（左图为增暖期，右图为暖期）
Fig.2 The"T" test of dcparture of flood and drought degree in last 500 years
(Left warming;right warm)
为了扩大冷暖对比，以小冰期盛期(1650～1700A.D.)代表冷期，对其后稳定的暖期(1770～1830A.D.)计算旱涝等级差。图3是上述暖期与冷期旱涝等级的差值图。正值表示在气候暖的时期易旱，负值表示易涝。由图可见，在暖的时期，达到90%信度的主要易涝区在东南沿海和西南地区，易旱地区在华北平原南部和黄河中游，这一结论与近500年暖的时期我国旱涝分布大势也相一致。
综上所述，在我国历史暖的时期，东南沿海、西南、内蒙古易涝，而黄河下游易旱，以上旱涝分布大势可以作为在全球增暖下，我国旱涝灾害的可能情景。
图3 小冰期盛期与回暖期旱涝等级差值图
（暖一冷，P＜0.1的集中区）
Fig.3 The difference of flood and drought degree between the extreme little iceage and return warm pcriods
3 可信性论证
3.1 与本世纪实测资料相比
许多研究表明[4～6]，本世纪北半球与我国的年均温大致经历了二冷二暖的变化，其冷期为：1901～1920年、1951～1970年；暖期为1921～1950年；1971年～至今。我国实测气象资料，除少数在百年左右外，大多只有数十年。为分析本世纪冷暖时期的降水变化，借用了屠其亚教授完成的我国及邻近地区62个测站的逐月平均气温和降水量插补资料（年限1881～1988），插补过程中利用了香港、台北以及国外某些达百年以上的实测气象资料，如塔什干、赤塔、阿拉木图、伊尔库茨克、鹿尔岛、长琦、木铺，插补方法为自然正交展开，由于利用了要素空间分布的相关性，具有较高的可信度[7]。
图4是本世纪二暖二冷时期年平均降水量差值图（暖期～冷期）。由图可见，近百年来在气候暖的时期，我国年降水量在西北、东北南部、西南、杭州湾以南以及江南丘陵和长江中上游的部分地区偏多、而黄淮平原、华北平原和黄河中游地区偏少。上述降水量偏多、偏少地区，分别与近500年气候暖的时期的易涝易旱地区基本一致。为扩大对比，对本世纪上半叶较为强烈的一对冷暖时期，即1901～1920年为冷期；1921～1950年为暖期作计算，得出类似结果（图5）。由此可见，近500年暖期的易涝、易旱地区，分别与近百年暖期中降水量偏多、偏少地区亦是基本一致。
图4 本世纪二冷二暖时期年降水量差值（暖—冷）
Fig.4 The difference of precipitation between two cold and two warm periods in this century
图5 本世纪上半叶冷暖时期年降水量差值（暖—冷）
Fig.5 The diference of precipitation between cold and warm periods in the early half of this century
3.2 与气候模拟相比
气候模拟将地球气候系统在三维空间上分成许多“盒式网格”，通过在每个格点对于有限的时间步长求解一系列动量、质量、水量及能量守恒方程组，再现气候的物理过程。目前全球已有十多个主要的模式组，但限于认识，所得结果尚有很大的不确定性。如它们对中国和东亚地区降水的模拟结果表明：到CO[,2]倍增的2050年，夏季降水变幅在-5%～10.6%。每个模式都显示出：夏季降水至少在某些地区要减少，其中只有一个表明降水会大面积减少。图6是中国气象科学研究院根据这些模式综合而成的，公元2050年中国夏季降水变化(%)的最佳估计[7]。由图可见，到下世纪中期，我国大部分地区降水趋于增加，其中增加较多的在东南沿海、西南、西北和内蒙古西部地区，这一范围与近500年气候暖的时期的易涝地区十分相似。两个降水可能减少的地区，即我国中部和最西部地区，与近500年气候暖的时期的易旱地区也大致相当，只是其中最西部地区（喀什）由于资料样本太少，而置信度太低。
图7是中国气象科学研究院根据目前全球最主要的五个气候模型(GFOL、GISS、NCAR、OSU、UKMO)综合而成的CO[,2]倍增情况下，我国夏季降水量变化图[8]，综合时以三个以上模型一致的结果认为可信作为取舍原则。由图可见，根据最主要的五个模型，CO[,2]倍增时，我国黄河中游以南和华北平原地区夏季降水可能减少，这一范围与近500年气候暖的时期的易旱地区十分相似。其降水增加地区，除我国西部因缺乏史料无法比较外，其它地区与近500年暖的时期的易涝地区也大致相当。
图6 GCM模型对2050年中国夏季降水变化(%)最佳估计
Fig.6 The best estimation of summer precipitation change 2050 A.D.by GCM model CFDL,
图7 GFDL、GISS、NCAR、OSU、UKMO模型对CO[,2]倍增时我国夏季降水最佳估计
Fig.7 The best estimation of summer precipitation in China in the case of CO[,2]double by
GISS,NCAR,OSU and UKMO model
综上所述，由旱涝等级距平反映的近500年我国暖的时期的旱涝分布大势，与近百年暖期实测降水分布以及CO[，2]倍增下的气候模拟大体一致。因此认为有一定的客观性，基本是可信的，用以历史类比，可代表在全球增暖下我国旱涝灾害的可能情景。
4 结论
通过对近500年暖的时期，我国大面积旱涝分布的特征分析，提示在全球增暖情况下，我国东南沿海、西南、西北、内蒙古和东北部分地区洪涝灾害可能增加，而黄河中游以南和华北平原干旱可能增加，这一变化特征与本世纪暖期降水分布变化，以及与CO[,2]倍增情况下气候模拟结果基本一致，因而认为基本是可信的。另则由于气候模拟时降水变化的空间分辨率很低，如GCM模型对东亚地区年降水量的模拟与实测资料相比，我国东南地区显得太干燥，而西部地区太湿润，我国降水趋于单一化。因而由旱涝等级距平反映的历史暖的时期旱涝分布在空间上的多样性，可能成为气候模拟的有益补充。当然以上分析只是以降水量的变化为主要依据，气候增暖引起的其它变化，如蒸散量的变化对旱涝灾害的影响等问题有待于深入研究。
*中国科学院资助项目。
注释：
①今夏为如此炎热，中国科学报，1994.9.9.