第29卷第9期 地球科学进展 Vol 29 No 9 014年9月 ADVANCES IN EARTH SCIENCE Sep.,2014 方建,杜鹃,徐伟,等.气候变化对洪水灾害影响研究进展叮.地球科学进展,2014,29(9):10854093,doi:10.11867/isn.10014166.2014. 09.1085. [Fang Jian, Du Juan, Xu Wei, et al. Advances in the study of climate change impacts on flood disaster []. Advances in Earth Science, 2014 9(9):10851093,di:10.11867/jisn.10014166.2014.09.1085 气候变化对洪水灾害影响研究进展 方建3,杜鹃23,徐伟23,史培军23”,孔锋13 (1.北京师范大学地表过程与资源生态国家重点实验室,北京100875; 2.北京师范大学环境演变与自然灾害教育部重点实验室,北京100875; 3.北京师范大学民政部一教育部减灾与应急管理研究院,北京100875) 摘要:气候变化背景下包括洪水在内的极端夭气与气候事件频发已引起国际社会的广泛关注,研 究气候变化对洪水灾害的影响既是全面理解气候变化影响的重要内容,也是减轻洪水灾害风险的 实际需要。从气象水文和灾害风险两大领域綜述了气候变化对泆水灾害影响的硏究进展,从反映 洪水灾害系统的雨情、水情和灾情角度,全面总结了当前国内外对极端降水、极端径流和洪水损失 变化及归因研究,梳理了研究方法与研究成果方面的主要进展及存在的问题,并探讨了未来的硏 究方向。指出加强数据积累,完善气候模式与水文模型的耦合,加强承灾体脆弱性及其变化的评 估,综合洪水致灾过程与灾情结果的分析,推动气象水文与灾害风险学科领域的交叉研究应成为未 来研究的重点。 关键词:气候变化影响;洪水灾害变化;极端降水;极端径流;洪水损失 中图分类号:P426.616 文献标志码:A 文章编号:1001-8166(2014)09408549 1引言 害的影响。IPCC2012年发布了极端事件风险管理 特别报告,首次对气候变化对洪水等极端灾害事件 21世纪以来,气候变化所引起的灾害风险增加的影响进行综合评估。与气候系统变化密切相 成为影响全球安全与发展的重大挑战。其中,关的洪水等极端灾害的演变已成为气候变化影响与 洪水灾害是全球发生频率最高、损失最严重的自然适应研究亟待解决的重要课题。 灾害之一。随着气候变化和区域可持续发展科学研 同时,气候变化给区域洪水灾害风险防范带来 究的深入,气候变化对极端水文过程的影响以及在新的挑战,洪水灾害变化的动态评估已成为灾害管 这种影响下洪水灾害的变化受到国际气象、水文及理的现实需求。21世纪以来,在全球气候持续异常 灾害风险等领域学者越来越多的关注。联合国教科的背景下,中国洪涝灾害年均直接经济损失近千亿 文组织国际水文计划( The International Hydrological元,且有逐年上升的趋势的。2007年欧盟委员会发 Programme, UNESCOHP)第二阶段研究将全球变布洪水导则( Floods Directive用以指导欧盟成员国 化定为5个主题之一,并重点关注其对极端水文灾的洪水风险管理,其中明确指出,各成员国在进行风 收稿日期:20144544;修回日期:201447-9 *基金项目:国家自然科学基金创新硏究群体项目“地表过程模型与模拟”(编号:413221001);教育部一国家外国专家局高等学校创新引 智计划项目“北京师范大学综合灾害风险管理创新引智基地”(编号:BO8O08)资助 作者简介:方建(1988,男安徽安庆人,博士研究生,主要从事气候变化及洪水灾害风险研究Emal:jian.fang0@gmail.com *通讯作者:史培军(1959-,男,陕西靖边人,教授,主要从事环境演变、自然灾害与风险管理研究E-mail:spij@bmu.cdu.cr 21994-2015ChinaAcademicJOurnalElectronicpUblishingHouse.Allrightsreservedhttp:/www.cnki.net
第 29 卷 第 9 期 2014 年 9 月 地球科学进展 ADVANCES IN EAＲTH SCIENCE Vol． 29 No． 9 Sep． ，2014 方建，杜鹃，徐伟，等． 气候变化对洪水灾害影响研究进展［J］． 地球科学进展，2014，29( 9) : 1 085-1 093，doi: 10． 11867 /j． issn． 1001-8166． 2014． 09． 1085．［Fang Jian，Du Juan，Xu Wei，et al． Advances in the study of climate change impacts on flood disaster［J］． Advances in Earth Science，2014， 29( 9) : 1 085-1 093，doi: 10． 11867 /j． issn． 1001-8166． 2014． 09． 1085．］ 气候变化对洪水灾害影响研究进展＊? 方 建1，3 ，杜 鹃2，3 ，徐 伟2，3 ，史培军1，2，3* ，孔 锋1，3 ( 1． 北京师范大学 地表过程与资源生态国家重点实验室，北京 100875; 2． 北京师范大学 环境演变与自然灾害教育部重点实验室，北京 100875; 3． 北京师范大学 民政部—教育部减灾与应急管理研究院，北京 100875) 摘 要: 气候变化背景下包括洪水在内的极端天气与气候事件频发已引起国际社会的广泛关注，研 究气候变化对洪水灾害的影响既是全面理解气候变化影响的重要内容，也是减轻洪水灾害风险的 实际需要。从气象水文和灾害风险两大领域综述了气候变化对洪水灾害影响的研究进展，从反映 洪水灾害系统的雨情、水情和灾情角度，全面总结了当前国内外对极端降水、极端径流和洪水损失 的变化及归因研究，梳理了研究方法与研究成果方面的主要进展及存在的问题，并探讨了未来的研 究方向。指出加强数据积累，完善气候模式与水文模型的耦合，加强承灾体脆弱性及其变化的评 估，综合洪水致灾过程与灾情结果的分析，推动气象水文与灾害风险学科领域的交叉研究应成为未 来研究的重点。 关 键 词: 气候变化影响; 洪水灾害变化; 极端降水; 极端径流; 洪水损失 中图分类号: P426． 616 文献标志码: A 文章编号: 1001-8166( 2014) 09-1085-09 1 引 言 21 世纪以来，气候变化所引起的灾害风险增加 已成为影响全球安全与发展的重大挑战［1］。其中， 洪水灾害是全球发生频率最高、损失最严重的自然 灾害之一。随着气候变化和区域可持续发展科学研 究的深入，气候变化对极端水文过程的影响以及在 这种影响下洪水灾害的变化受到国际气象、水文及 灾害风险等领域学者越来越多的关注。联合国教科 文组织国际水文计划( The International Hydrological Programme，UNESCO-IHP) 第二阶段研究将全球变 化定为 5 个主题之一，并重点关注其对极端水文灾 害的影响。IPCC 2012 年发布了极端事件风险管理 特别报告，首次对气候变化对洪水等极端灾害事件 的影响进行综合评估［2］。与气候系统变化密切相 关的洪水等极端灾害的演变已成为气候变化影响与 适应研究亟待解决的重要课题。 同时，气候变化给区域洪水灾害风险防范带来 新的挑战，洪水灾害变化的动态评估已成为灾害管 理的现实需求。21 世纪以来，在全球气候持续异常 的背景下，中国洪涝灾害年均直接经济损失近千亿 元，且有逐年上升的趋势［3］。2007 年欧盟委员会发 布洪水导则( Floods Directive) 用以指导欧盟成员国 的洪水风险管理，其中明确指出，各成员国在进行风 收稿日期: 2014-05-04; 修回日期: 2014-07-29． * 基金项目: 国家自然科学基金创新研究群体项目“地表过程模型与模拟”( 编号: 413221001) ; 教育部—国家外国专家局高等学校创新引 智计划项目“北京师范大学综合灾害风险管理创新引智基地”( 编号: B08008) 资助． 作者简介: 方建( 1988-) ，男，安徽安庆人，博士研究生，主要从事气候变化及洪水灾害风险研究． E-mail: jian． fang10@ gmail． com * 通讯作者: 史培军( 1959-) ，男，陕西靖边人，教授，主要从事环境演变、自然灾害与风险管理研究． E-mail: spj@ bnu． edu． cn *
1086 地球科学进展 第29卷 险评估时必须关注气候变化的影响。 统决定着降雨一径流和汇流过程,影响极端径流 因此,开展气候变化对洪水灾害影响的研究,探(水情)的形成变化;而自然系统的极端现象作用于 索极端水文灾害对气候变化的响应,预估未来洪水社会经济系统,最终产生洪水灾情。 灾害变化,一方面有利于促进对大气一陆表一人类 理论上,气候变化对洪水灾害存在直接和间接 社会多个系统相互作用机制的认识,深化气候变化作用2个方面的可能影响(图1)。从气候系统变化 影响的研究;另一方面对于理解洪水灾害的时空演的直接作用来看,一方面,大气环流系统的异常(如 变,减轻洪水灾害风险,保障社会可持续发展也有着ENSO,季风变化等)对全球大尺度水汽分布和降水 重要意义。 格局带来深远影响。这种大尺度降水格局的变化将 然而,洪水灾害系统高度复杂,土地利用变化、给区域极端降水变化造成一定的影响。另一方 水利工程等非气候要素的混合作用及当前气候变化面,从区域热动力过程来看,大气饱和水汽压与温度 预估较高的不确定性阻碍了气候变化对洪水灾害影之间存在指数增加的关系,在相对湿度不变和全 响的研究,在全球和区域尺度上都难以得到明确一球增温的背景下,蒸散发加强,大气中的水汽总量呈 致的认识3。当前关于气候变化对水文水资源影上升趋势,目前实测和模拟的结果均表明了气候变 响的研究已有较多总结6,与之相比,对极端水文暖背景下水汽含量的这种变化。而大气水汽含 灾害影响的研究显得明显不足。因此,本文从区域量的上升在一定程度上增加了降水的频率和强度。 洪水灾害系统对气候变化响应的角度出发,综述近从气候系统变化长期的间接作用来看,气候变化背 年来国内外在气象水文和灾害风险领域已取得的研景下,地表植被覆盖和土壤的物理性质与结构均会 究进展和存在的问题,以期为更好地明确研究方向、产生一定变化,部分地区水土流失和荒漠化加剧,这 凝炼研究问题、推动洪水灾害风险管理提供参考。种变化将会影响流域的降水一径流过程,带来更大 2气候变化与洪水灾害系统 更快的洪峰流量 综上可以看出,极端降水(雨情)、极端径流(水 IPC第四次报告将气候变化定义为由气候特情)和洪水灾害损失(灾情)是洪水灾害系统最主要 征变量平均值和变率的变化表征的气候状态的改的特征要素,也是气候变化影响最突出的状态变量。 变,包括气候系统的自然变异以及人类活动引起的本文将从这3个方面,从研究方法和研究成果2个 变化。其中,降水和温度是影响洪水灾害系统最角度对当前的相关研究进行总结。 重要的气候特征变量。洪水是一种高度复杂的自然 现象,IPC极端事件特别报告将其定义为“水流从 气候变化 河道或其他水体的正常范围溢漫出来,或者水流在 正常情况下不受淹地区的累积”。在各种形式的 直接影响 间接影 洪水现象中,河道洪水是最主要也是国内外研究最 降水变化温度变化 温度、降水变化 关注的类型,本文也主要针对河道洪水进行叙述。 与作为自然现象的洪水不同,洪水灾害是由致 蒸散发变化 灾因子、孕灾环境、承灾体共同组成的自然环境与人 盆 类社会相互作用产生不利后果的综合系统。其 水汽含量变化 中,极端暴雨和极端径流是致灾因子的外在表现,而 影响暴雨的天气气候系统以及影响径流形成的地 端降水变化端流变化火失变化 形、植被、土壤等要素则构成了洪水灾害的孕灾环 雨情(天气系统)水情(陆表系统)‖灾情(社会系统) 境。在全球气候变化背景下,天气气候系统异常,陆 面水文循环变化等使得区域孕灾环境的稳定性、致 致灾因子 孕灾环境 承灾体 灾因子的危险性均存在不同程度的变化,由此导致 洪水灾害格局发生显著的变化。同时,从形成过程 洪水灾害系统 来看,洪水灾害的形成变化是天气系统、下垫面陆表 系统和人类社会系统相互作用的结果。天气系 图1气候变化对洪水灾害系统的可能影响 统主要影响极端降水(雨情)的变化;下垫面陆表系Fig.1 Potential impacts of climate change on flood disaster 21994-2015ChinaAcademicJOurnalElectronicpUblishingHouse.Allrightsreservedhttp:/www.cnki.net
险评估时必须关注气候变化的影响［4］。 因此，开展气候变化对洪水灾害影响的研究，探 索极端水文灾害对气候变化的响应，预估未来洪水 灾害变化，一方面有利于促进对大气—陆表—人类 社会多个系统相互作用机制的认识，深化气候变化 影响的研究; 另一方面对于理解洪水灾害的时空演 变，减轻洪水灾害风险，保障社会可持续发展也有着 重要意义。 然而，洪水灾害系统高度复杂，土地利用变化、 水利工程等非气候要素的混合作用及当前气候变化 预估较高的不确定性阻碍了气候变化对洪水灾害影 响的研究，在全球和区域尺度上都难以得到明确一 致的认识［2，5］。当前关于气候变化对水文水资源影 响的研究已有较多总结［6，7］，与之相比，对极端水文 灾害影响的研究显得明显不足。因此，本文从区域 洪水灾害系统对气候变化响应的角度出发，综述近 年来国内外在气象水文和灾害风险领域已取得的研 究进展和存在的问题，以期为更好地明确研究方向、 凝炼研究问题、推动洪水灾害风险管理提供参考。 2 气候变化与洪水灾害系统 IPCC 第四次报告将气候变化定义为由气候特 征变量平均值和变率的变化表征的气候状态的改 变，包括气候系统的自然变异以及人类活动引起的 变化［8］。其中，降水和温度是影响洪水灾害系统最 重要的气候特征变量。洪水是一种高度复杂的自然 现象，IPCC 极端事件特别报告将其定义为“水流从 河道或其他水体的正常范围溢漫出来，或者水流在 正常情况下不受淹地区的累积”［2］。在各种形式的 洪水现象中，河道洪水是最主要也是国内外研究最 关注的类型，本文也主要针对河道洪水进行叙述。 与作为自然现象的洪水不同，洪水灾害是由致 灾因子、孕灾环境、承灾体共同组成的自然环境与人 类社会相互作用产生不利后果的综合系统［9］。其 中，极端暴雨和极端径流是致灾因子的外在表现，而 影响暴雨的天气气候系统以及影响径流形成的地 形、植被、土壤等要素则构成了洪水灾害的孕灾环 境。在全球气候变化背景下，天气气候系统异常，陆 面水文循环变化等使得区域孕灾环境的稳定性、致 灾因子的危险性均存在不同程度的变化，由此导致 洪水灾害格局发生显著的变化。同时，从形成过程 来看，洪水灾害的形成变化是天气系统、下垫面陆表 系统和人类社会系统相互作用的结果［5］。天气系 统主要影响极端降水( 雨情) 的变化; 下垫面陆表系 统决定着降雨—径流和汇流过程，影响极端径流 ( 水情) 的形成变化; 而自然系统的极端现象作用于 社会经济系统，最终产生洪水灾情。 理论上，气候变化对洪水灾害存在直接和间接 作用 2 个方面的可能影响( 图 1) 。从气候系统变化 的直接作用来看，一方面，大气环流系统的异常( 如 ENSO，季风变化等) 对全球大尺度水汽分布和降水 格局带来深远影响。这种大尺度降水格局的变化将 给区域极端降水变化造成一定的影响［10］。另一方 面，从区域热动力过程来看，大气饱和水汽压与温度 之间存在指数增加的关系［11］，在相对湿度不变和全 球增温的背景下，蒸散发加强，大气中的水汽总量呈 上升趋势，目前实测和模拟的结果均表明了气候变 暖背景下水汽含量的这种变化［12］。而大气水汽含 量的上升在一定程度上增加了降水的频率和强度。 从气候系统变化长期的间接作用来看，气候变化背 景下，地表植被覆盖和土壤的物理性质与结构均会 产生一定变化，部分地区水土流失和荒漠化加剧，这 种变化将会影响流域的降水—径流过程，带来更大 更快的洪峰流量［13］。 综上可以看出，极端降水( 雨情) 、极端径流( 水 情) 和洪水灾害损失( 灾情) 是洪水灾害系统最主要 的特征要素，也是气候变化影响最突出的状态变量。 本文将从这 3 个方面，从研究方法和研究成果 2 个 角度对当前的相关研究进行总结。 图 1 气候变化对洪水灾害系统的可能影响 Fig． 1 Potential impacts of climate change on flood disaster 1086 地球科学进展 第 29 卷
第9期 方建等:气候变化对洪水灾害影响研究进展 1087 3气候变化下极端降水变化 地区极端降水日数趋于减少;西北地区在20世纪 80年代出现了向暖湿气候转变的突变,极端降水事 气候变化背景下极端降水变化研究主要包含以件呈现明显的增加趋势;华北地区极端降水强度及 下4个方面的内容:①极端降水定义及指标的界定;其频率均存在显著的减少趋势,并在很大程度上导 ②基于实测资料的趋势检验;③基于气候变化情景致了年总降水的下降;西南地区的极端降水日数表 模式预估硏究;④结合历史观测和多模式模拟的现为显著的下降趋势;东南沿海地区及长江流域降 综合评估。 水趋于增多,极端降水日数和降雨强度都有增加趋 极端降水指标的定义主要考虑定量研究的可行势,其中长江中下游变化最为显著;华南地区在20 性、不同地区的可比性和应用的实际意义等因素,主世纪90年代初出现了转湿的突变,极端降水也呈现 要包括基于最大值取样的指标,基于特定阈值的分出增加的趋势-3。从模式预估的角度,相关研究 级绝对指标,基于百分位的相对指标和基于标准差利用不同气候模式在不同情景下预估的结果均表 偏离的相对指标4种类型,其中国际气候变化检测明,未来中国极端降水的强度和频次都存在显著的 与指标专家组( Expert Team for Climate Change De-增加趋势 tection Monitoring and Indices, ETCCDMI)提出的指 经过最近20多年的发展,极端降水变化的研究 标应用最为广泛。基于历史观测资料的变化分取得了较大的进展。随着观测资料的日益丰富和模 析是通过对历史极端降水的时间序列进行趋势诊型方法的逐渐完善,人们对于气候变化下极端降水 断,而后研究其变化情况。常见的趋势检验方法有:的变化趋势和未来演变取得了一定的认识。研究表 回归模型检验,非参数的Sen方法6与Mam-明:与平均降水相比,极端降水对气候变化的响应更 Kendall检验以及基于极值分布的变化分析 加敏感;极端降水的变化呈现出总体趋势性和区域 等。基于情景的模拟预估研究利用不断发展的大气差异性两大特征,总体趋势上,气候变暖有可能导致 环流模式( General Circulation model,GCM)对未来极端降水事件增多,但部分地区受环流系统变化的 不同情景下的降水分布进行模拟,从而预估极端降影响,极端降水也呈现出下降趋势。与此同时,相关 水未来可能的变化。考虑到当前气候模式降水模拟研究仍受到数据序列长度以及模型模拟精度等方面 的高度不确定性,多模式集合预估并结合历史资料的限制圆。当前,如何融合多源数据以得到高质 进行综合硏判成为目前研究极端降水变化的趋势。量、长序列的历史气象资料,如何加强气候模式对局 总结具体的研究成果,在全球尺度上, Alexander地强对流系统的模拟以提高极端降水预估精度成为 等利用全球多源数据和 ETCCDM定义的极端指气候变化对极端降水影响研究的重点和难点。 标,采用非参数 Kendal方法进行趋势分析,结果表 明全球极端降水的多个指标都有增加的趋势,但其4气候变化对极端径流的影响 变化缺乏空间一致性。 Torti等∞利用CMP5中8 由于陆表系统的调节,相比降水,气候变化对径 个全球气候模式预估了未来全球极端降水的变化,流的影响更为复杂。IPCC极端事件特别报告指出, 表明到21世纪末在中高纬度地区极端日降水将显受数据、模型的不确定性及非气候要素干扰的影响, 著増加,而在热带和亚热带地区由于模型难以模拟气候变化下全球及区域极端径流量变化的硏究存在 小尺度的强对流过程,无可靠结果。在区域尺度上,较低信度。气候变化对极端径流影响研究包含3 Benison等利用区域气候模式评估了2071 个核心问题:极端径流量变化趋势检验、极端径流量 2100年欧洲各类极端天气气候的变化,结果表明欧变化的归因和未来情景下的变化预估。 洲中部和北部冬季极端降水将增加,东北部夏季增4.1极端径流变化趋势分析 加;而欧洲南部极端降水冬夏季均将有所减少。 极端径流变化趋势分析是气候变化水文信号诊 针对我国极端降水的变化,学者从多个角度开断及未来变化预估的基础。 Kundzewicz等圆对水 展了广泛的研究,并取得了较为一致的结论。从历文变量变化检测的过程和主要方法进行了较为全面 史观测的角度,20世纪50年代以来,中国平均年日的总结,指出为有效地检测水文变量的变化情况,样 最大降水量没有明显变化趋势,平均强降水日数呈本数据处理和统计检验方法选择是最主要的2个方 不显著的增加趋势,极端降水频次和强度变化均存面(图2)。数据方面,为得到高质量样本序列,应筛 在明显的区域差异;2。从区域来看,东北大部分选具有长期观测序列的站点,检查元数据以排除因 21994-2015ChinaAcademicJOurnalElectronicpUblishingHouse.Allrightsreservedhttp:/www.cnki.net
3 气候变化下极端降水变化 气候变化背景下极端降水变化研究主要包含以 下 4 个方面的内容: ①极端降水定义及指标的界定; ②基于实测资料的趋势检验; ③基于气候变化情景 的模式预估研究; ④结合历史观测和多模式模拟的 综合评估。 极端降水指标的定义主要考虑定量研究的可行 性、不同地区的可比性和应用的实际意义等因素，主 要包括基于最大值取样的指标，基于特定阈值的分 级绝对指标，基于百分位的相对指标和基于标准差 偏离的相对指标 4 种类型，其中国际气候变化检测 与指标专家组( Expert Team for Climate Change Detection Monitoring and Indices，ETCCDMI) 提出的指 标应用最为广泛［14］。基于历史观测资料的变化分 析是通过对历史极端降水的时间序列进行趋势诊 断，而后研究其变化情况。常见的趋势检验方法有: 回归模型检验［15］，非参数的 Sen 方法［16］ 与 MannKendall 检验［17］以及基于极值分布的变化分析［18］ 等。基于情景的模拟预估研究利用不断发展的大气 环流模式( General Circulation Model，GCM) 对未来 不同情景下的降水分布进行模拟，从而预估极端降 水未来可能的变化。考虑到当前气候模式降水模拟 的高度不确定性，多模式集合预估并结合历史资料 进行综合研判成为目前研究极端降水变化的趋势。 总结具体的研究成果，在全球尺度上，Alexander 等［19］利用全球多源数据和 ETCCDMI 定义的极端指 标，采用非参数 Kendall 方法进行趋势分析，结果表 明全球极端降水的多个指标都有增加的趋势，但其 变化缺乏空间一致性。Toreti 等［20］利用 CMIP5 中 8 个全球气候模式预估了未来全球极端降水的变化， 表明到 21 世纪末在中高纬度地区极端日降水将显 著增加，而在热带和亚热带地区由于模型难以模拟 小尺度的强对流过程，无可靠结果。在区域尺度上， Beniston 等［21］ 利用区域气候模式评估了 2071— 2100 年欧洲各类极端天气气候的变化，结果表明欧 洲中部和北部冬季极端降水将增加，东北部夏季增 加; 而欧洲南部极端降水冬夏季均将有所减少。 针对我国极端降水的变化，学者从多个角度开 展了广泛的研究，并取得了较为一致的结论。从历 史观测的角度，20 世纪 50 年代以来，中国平均年日 最大降水量没有明显变化趋势，平均强降水日数呈 不显著的增加趋势，极端降水频次和强度变化均存 在明显的区域差异［15，22］。从区域来看，东北大部分 地区极端降水日数趋于减少; 西北地区在 20 世纪 80 年代出现了向暖湿气候转变的突变，极端降水事 件呈现明显的增加趋势; 华北地区极端降水强度及 其频率均存在显著的减少趋势，并在很大程度上导 致了年总降水的下降; 西南地区的极端降水日数表 现为显著的下降趋势; 东南沿海地区及长江流域降 水趋于增多，极端降水日数和降雨强度都有增加趋 势，其中长江中下游变化最为显著; 华南地区在 20 世纪 90 年代初出现了转湿的突变，极端降水也呈现 出增加的趋势［23 ～ 25］。从模式预估的角度，相关研究 利用不同气候模式在不同情景下预估的结果均表 明，未来中国极端降水的强度和频次都存在显著的 增加趋势［26，27］。 经过最近 20 多年的发展，极端降水变化的研究 取得了较大的进展。随着观测资料的日益丰富和模 型方法的逐渐完善，人们对于气候变化下极端降水 的变化趋势和未来演变取得了一定的认识。研究表 明: 与平均降水相比，极端降水对气候变化的响应更 加敏感; 极端降水的变化呈现出总体趋势性和区域 差异性两大特征，总体趋势上，气候变暖有可能导致 极端降水事件增多，但部分地区受环流系统变化的 影响，极端降水也呈现出下降趋势。与此同时，相关 研究仍受到数据序列长度以及模型模拟精度等方面 的限制［28］。当前，如何融合多源数据以得到高质 量、长序列的历史气象资料，如何加强气候模式对局 地强对流系统的模拟以提高极端降水预估精度成为 气候变化对极端降水影响研究的重点和难点。 4 气候变化对极端径流的影响 由于陆表系统的调节，相比降水，气候变化对径 流的影响更为复杂。IPCC 极端事件特别报告指出， 受数据、模型的不确定性及非气候要素干扰的影响， 气候变化下全球及区域极端径流量变化的研究存在 较低信度［2］。气候变化对极端径流影响研究包含 3 个核心问题: 极端径流量变化趋势检验、极端径流量 变化的归因和未来情景下的变化预估。 4． 1 极端径流变化趋势分析 极端径流变化趋势分析是气候变化水文信号诊 断及未来变化预估的基础。Kundzewicz 等［29］对水 文变量变化检测的过程和主要方法进行了较为全面 的总结，指出为有效地检测水文变量的变化情况，样 本数据处理和统计检验方法选择是最主要的 2 个方 面( 图 2) 。数据方面，为得到高质量样本序列，应筛 选具有长期观测序列的站点，检查元数据以排除因 第 9 期 方 建等: 气候变化对洪水灾害影响研究进展 1087
1088 地球科学进展 第29卷 迁站等带来的数据不一致并采取适当措施对缺测及展了较为广泛的研究,其中部分典型研究总结如表 异常值进行处理。此外,原始水文序列通常在时间1所示。多数研究表明,极端径流量未表现出普遍 上和空间上具有一定相关性,在变化检测前应进行的强烈变化特征,大部分地区未检测出明显的增加 数据的独立性检验,并通过白噪化处理(Pre- hiten-趋势。 ing)、重采样( Block bootstrap)等方法消除序列相关4.2极端径流变化归因研究 和交叉相关的影响。检验方法方面,常用的方法包 极端径流变化的归因研究是在极端径流变化检 括参数化检验和非参数化检验2类。非参数统计检测的基础上,研究导致这种变化的原因,区分出气候 验方法不依赖于数据服从一定概率分布的假定,因要素与非气候要素的贡献份额。其中气候要素包括 而对于非正态分布的水文变量更为适用,它主要包自然气候变异与人类活动导致的气候变化;非气候 括基于秩序列的Mamn- endall检验、 Spearman相关要素包括分洪、筑坝、蓄水等河道工程的直接影响以 检验和基于斜率的Sen估计等。 及土地利用变化改变产汇流的间接影响圆。只有 通过变化归因研究,剔除非气候要素的干预,才能正 数据选与准备极端指标构建统计检验方法选择 确评估气候变化对极端径流的影响。 子列长度 参H水文频率分析 然而,由于非气候要素对流域径流的影响高度 复杂,难以量化,当前极端径流变化的归因研究开展 缺测及异常 年最大超值 「线性同山检验1 等处理 取样取样 得较少。多数研究通过筛选受人类活动干预较少的 Amkm检中小流域作为研究区以规避人类活动非气候要素的 一致性检查 数m相关检 影响∞。部分研究基于极端径流受人类活动干预 独立性检验 化Scm斜率估计 较小的假设,选取异常极端指标以忽略非气候要 素。以上2种假设并不能保证完全排除人类活 图2极端径流变化检验的一般过程及主要统计方法 动的干扰,不能有效地实现极端径流变化的归因 Fg.2 General process and major methods for extreme分析。 arge change detection 在评估气候变化对平均径流影响的研究中,部 分学者对气候要素与非气候要素的区分进行了一定 当前,对于气候变化背景下极端径流的历史变的尝试。相关的研究主要采用4类方法:第一类通 化分析,学者从全球、洲际、国家、流域等不同尺度开过构建水文、气象及人类活动多个要素的序列,采用 表1不同空间尺度不同地区的历史极端径流量变化趋势研究 Table 1 Trend detection studies for historical extreme discharge on different scales 度 方 结论 参考文献 年最大流量 水文频率分析 全球主要流域百年一遇洪水频率有增加趋势 全球尺度全球 年最大流量 Mann-kendall检验195个流域中,27个年最大径流增加:31个 年及季度最大流量 洲际尺度 n趋势检验大部分地区无明显趋势变化 非洲 年最大流量 线性回归趋势分析全区域与逐站点研究均无明显变化 国 年和冬夏季最大流量及超阈白噪化处理 未检测出一致变化趋势,西南部和中部表现 值流量频次 Mann-Kendall检验出上升趋势,东北部变化很小 国家尺度 年最大10天和30天平均流线性回归趋势分析,北部和西部,所有极端径流指标均观测到 英国量,年最大瞬时流量,超阈值 流量频次 Mann-kendall检验 加趋势;东部和南部的低地地区未检测出明35 显变化趋势 长江 年最大流量 线性回归趋势分析,中游极端径流量呈显著增加趋势,水位表现 年最高水 am飞 endall 2检验致的上升趋势 6] 流域尺度 亚马逊河年最大流量 Spearman相关检验,年最大月均流量北部增加,南部减少,中部无 Kendall检验 B7] 21994-2015ChinaAcademicJOurnalElectronicpUblishingHouse.Allrightsreservedhttp:/www.cnki.net
迁站等带来的数据不一致并采取适当措施对缺测及 异常值进行处理。此外，原始水文序列通常在时间 上和空间上具有一定相关性，在变化检测前应进行 数据的独立性检验，并通过白噪化处理( Pre-whitening) 、重采样( Block bootstrap) 等方法消除序列相关 和交叉相关的影响。检验方法方面，常用的方法包 括参数化检验和非参数化检验 2 类。非参数统计检 验方法不依赖于数据服从一定概率分布的假定，因 而对于非正态分布的水文变量更为适用，它主要包 括基于秩序列的 Mann-Kendall 检验、Spearman 相关 检验和基于斜率的 Sen 估计等。 图 2 极端径流变化检验的一般过程及主要统计方法 Fig． 2 General process and major methods for extreme discharge change detection 当前，对于气候变化背景下极端径流的历史变 化分析，学者从全球、洲际、国家、流域等不同尺度开 展了较为广泛的研究，其中部分典型研究总结如表 1 所示。多数研究表明，极端径流量未表现出普遍 的强烈变化特征，大部分地区未检测出明显的增加 趋势。 4． 2 极端径流变化归因研究 极端径流变化的归因研究是在极端径流变化检 测的基础上，研究导致这种变化的原因，区分出气候 要素与非气候要素的贡献份额。其中气候要素包括 自然气候变异与人类活动导致的气候变化; 非气候 要素包括分洪、筑坝、蓄水等河道工程的直接影响以 及土地利用变化改变产汇流的间接影响［38］。只有 通过变化归因研究，剔除非气候要素的干预，才能正 确评估气候变化对极端径流的影响。 然而，由于非气候要素对流域径流的影响高度 复杂，难以量化，当前极端径流变化的归因研究开展 得较少。多数研究通过筛选受人类活动干预较少的 中小流域作为研究区以规避人类活动非气候要素的 影响［39］。部分研究基于极端径流受人类活动干预 较小的假设，选取异常极端指标以忽略非气候要 素［30］。以上 2 种假设并不能保证完全排除人类活 动的干扰，不能有效地实现极端径流变化的归因 分析。 在评估气候变化对平均径流影响的研究中，部 分学者对气候要素与非气候要素的区分进行了一定 的尝试。相关的研究主要采用 4 类方法: 第一类通 过构建水文、气象及人类活动多个要素的序列，采用 表 1 不同空间尺度不同地区的历史极端径流量变化趋势研究 Table 1 Trend detection studies for historical extreme discharge on different scales 尺度 地区 指标 方法 结论 参考文献 全球尺度 全球 年最大流量 水文频率分析 全球主要流域百年一遇洪水频率有增加趋势 ［30］ 年最大流量 Mann-Kendall 检验 195 个流域中，27 个年最大径流增加，31 个 呈现减少趋势，其他无变化 ［31］ 洲际尺度 欧洲 中部 年及季度最大流量 Mann-Kendall， Spearman 趋势检验 大部分地区无明显趋势变化 ［32］ 非洲 年最大流量 线性回归趋势分析 全区域与逐站点研究均无明显变化 ［33］ 国家尺度 德国 年和冬夏季最大流量及超阈 值流量频次 白噪化处理， Mann-Kendall 检验 未检测出一致变化趋势，西南部和中部表现 出上升趋势，东北部变化很小 ［34］ 英国 年最大 10 天和 30 天平均流 量，年最大瞬时流量，超阈值 流量频次 线性回归趋势分析， Mann-Kendall 检验 北部和西部，所有极端径流指标均观测到增 加趋势; 东部和南部的低地地区未检测出明 显变化趋势 ［35］ 流域尺度 长江 年最大流量 年最高水位 线性回归趋势分析， Mann-Kendall 检验 中游极端径流量呈显著增加趋势，水位表现 一致的上升趋势 ［36］ 亚马逊河 年最大流量 Spearman 相 关 检 验， Kendall 检验 年最大月均流量北部增加，南部减少，中部无 变化趋势 ［37］ 1088 地球科学进展 第 29 卷
第9期 方建等:气候变化对洪水灾害影响研究进展 1089 相关分析或多元回归等方法量化各要素的贡献;降尺度各类方法的过程、特点及应用做了较为详细 第二类使用人类对径流干预较小时期的资料来率定的总结,本文不再赘述。水文过程模拟主要利用气 水文模型,再利用率定后模型模拟当期的天然径流候模式输出的结果,通过各类水文模型对降雨一径 量,所得结果与实测流量之差视为人类活动影流及河道汇流过程进行模拟,以得到预估期的径流 响;第三类利用气候模式结合水文模拟及统计检量序列,当前应用较广的水文模型有HBV,SwAT 验硏究自然气候变异及人为气候变化对径流的影ⅤC, TOPMODEL及新安江模型等。径流变化分析 响凹;第四类从“自然一人工”二元水循环模式出主要采用水文频率分析等方法分析参考期与预估期 发,构建包含人类活动要素在内的二元模型进行径的极端径流量的特征变化,多数研究采用基于极值 流综合模拟分析圓。这些尝试给极端径流变化归理论的概率拟合方法估算极端径流量的重现期 因提供了较好的参照,但应用到极端径流变化分析变化 时仍存在一定的局限性。 进入21世纪,受益于全球大气环流模式的发 4.3极端径流变化预估研究 展,极端径流预估的研究不断深入,从全球尺度到局 极端径流变化的预估研究,是在未来气候情景地流域尺度均开展了不同程度的工作(表2)。从研 模拟的基础上,通过气候模式与陆面过程模型的耦究结果来看,绝大多数硏究认为未来极端洪水流量 合,模拟预估未来极端径流量的变化。它是气候变的强度和频率均会呈现增加的趋势,但在不同模式 化对洪水影响的直接表现,其核心为气候模式与陆不同情景下存在一定的差异,预估结果在变化强度 面过程模型的耦合。当前陆表一大气间的双向耦合上仍存在较大不确定性。 还未得到真正有效的实现,多数研究仍集中于单向 综合以上分析可以看出,关于气候变化对极端 耦合。单向耦合的极端径流变化预估硏究主要包括径流的影响,当前仍未形成一致的认识。极端径流 未来气候预估、水文过程模拟和径流变化分析3个量实测资料的变化分析并未检测出一致的显著变化 过程。为解决全球气候模式与流域水文模型尺度不趋势,而多数未来气候情景下的预估硏究则给出了 匹配的问题,气候模式预估结果的空间降尺度成为洪水重现期缩短,极端径流增加的结论。这种不一 必不可少的环节。降尺度方法主要包括基于物理过致性揭示了当前研究存在的问题:一方面,在有限的 程的动力降尺度(区域气候模型)和基于经验关系实测资料中极端事件样本量少、时间序列短对趋势 的统计降尺度。 Maraur等对全球气候模式空间诊断结果有较大影响,统计显著性有待进一步检验 表2不同空间尺度不同地区未来极端径流量变化预估研究 Table 2 Change projection studies for future extreme discharge on different scales 尺度地区 气候情景预估 分分布的频东南亚南亚东亚、非洲东部存考文献 变化分析 CMIP5多个全球模式CaMa-lod汇流Gumb 全球尺度全球集合预估结果 模型 美洪水增加,欧洲东北部、北美中 45] 部洪水频率下降 全球气候模式 Had WaterGAP水资源对数P-型分布欧洲北部洪水增加最显著,南部、 欧洲CM3及 ECHAM4 OPYC3 的频率分析 东南部洪水减少 46 洲际尺度 欧洲区域气候模式1sH1O0尺度广义极值分布的频到21世纪末,除东北及南部,欧 芬兰多个全球及区域模式水文模型WSFS及Cmhd分布的频融雪型洪水减少或维持不变,局 预估结果 水力模型 TUFLOW率分析 部小流域暴雨型洪水增加 48 国家尺度 区域模式REMO和 德国CCLM及统计降尺度 sWIM生态水文 义极值分布的频不同区域模式得出的结果不 预估结果 致,甚至出现相反变化 莱茵河区域气候模式 REMO VIC大尺度水文 义极值分布的频21世纪年最大径流量存在增加 率分析 50] 域尺度 长江区域气候模式LRM大尺度汇流 长江干流极端洪涝发生的可能性 指标描述统计 降低,而汉江流域洪水的可能性 1] ResuM3预估结果模型 增大 21994-2015ChinaAcademicJOurnalElectronicpUblishingHouse.Allrightsreservedhttp:/www.cnki.net
相关分析或多元回归等方法量化各要素的贡献［40］; 第二类使用人类对径流干预较小时期的资料来率定 水文模型，再利用率定后模型模拟当期的天然径流 量，所得结果与实测流量之差视为人类活动影 响［41］; 第三类利用气候模式结合水文模拟及统计检 验研究自然气候变异及人为气候变化对径流的影 响［42］; 第四类从“自然—人工”二元水循环模式出 发，构建包含人类活动要素在内的二元模型进行径 流综合模拟分析［43］。这些尝试给极端径流变化归 因提供了较好的参照，但应用到极端径流变化分析 时仍存在一定的局限性。 4． 3 极端径流变化预估研究 极端径流变化的预估研究，是在未来气候情景 模拟的基础上，通过气候模式与陆面过程模型的耦 合，模拟预估未来极端径流量的变化。它是气候变 化对洪水影响的直接表现，其核心为气候模式与陆 面过程模型的耦合。当前陆表—大气间的双向耦合 还未得到真正有效的实现，多数研究仍集中于单向 耦合。单向耦合的极端径流变化预估研究主要包括 未来气候预估、水文过程模拟和径流变化分析 3 个 过程。为解决全球气候模式与流域水文模型尺度不 匹配的问题，气候模式预估结果的空间降尺度成为 必不可少的环节。降尺度方法主要包括基于物理过 程的动力降尺度( 区域气候模型) 和基于经验关系 的统计降尺度。Maraun 等［44］对全球气候模式空间 降尺度各类方法的过程、特点及应用做了较为详细 的总结，本文不再赘述。水文过程模拟主要利用气 候模式输出的结果，通过各类水文模型对降雨—径 流及河道汇流过程进行模拟，以得到预估期的径流 量序列，当前应用较广的水文模型有 HBV，SWAT， VIC，TOPMODEL 及新安江模型等。径流变化分析 主要采用水文频率分析等方法分析参考期与预估期 的极端径流量的特征变化，多数研究采用基于极值 理论的概率拟合方法估算极端径流量的重现期 变化。 进入 21 世纪，受益于全球大气环流模式的发 展，极端径流预估的研究不断深入，从全球尺度到局 地流域尺度均开展了不同程度的工作( 表 2) 。从研 究结果来看，绝大多数研究认为未来极端洪水流量 的强度和频率均会呈现增加的趋势，但在不同模式 不同情景下存在一定的差异，预估结果在变化强度 上仍存在较大不确定性。 综合以上分析可以看出，关于气候变化对极端 径流的影响，当前仍未形成一致的认识。极端径流 量实测资料的变化分析并未检测出一致的显著变化 趋势，而多数未来气候情景下的预估研究则给出了 洪水重现期缩短，极端径流增加的结论。这种不一 致性揭示了当前研究存在的问题: 一方面，在有限的 实测资料中极端事件样本量少、时间序列短对趋势 诊断结果有较大影响，统计显著性有待进一步检验; 表 2 不同空间尺度不同地区未来极端径流量变化预估研究 Table 2 Change projection studies for future extreme discharge on different scales 尺度 地区 气候情景预估 径流模拟 变化分析 结论 参考文献 全球尺度 全球 CMIP5 多个全球模式 集合预估结果 CaMa-Flood 汇流 模型 Gumbel 分 布 的 频 率分析 东南亚、南亚、东亚、非洲东部、南 美洪水增加，欧洲东北部、北美中 部洪水频率下降 ［45］ 洲际尺度 欧洲 全球 气 候 模 式 HadCM3 及 ECHAM4 / OPYC3 WaterGAP 水 资 源 模型 对 数 P-Ⅲ 型 分 布 的频率分析 欧洲北部洪水增加最显著，南部、 东南部洪水减少 ［46］ 欧洲 区 域 气 候 模 式 HIＲHAM 预估结果 LISFLOOD 大 尺 度 水文模型 广义极值分布的频 率分析 到 21 世纪末，除东北及南部，欧 洲多数河流极端流量增加 ［47］ 国家尺度 芬兰 多个全球及区域模式 预估结果 水文模型 WSFS 及 水力模型 TUFLOW Gumbel 分 布 的 频 率分析 融雪型洪水减少或维持不变，局 部小流域暴雨型洪水增加 ［48］ 德国 区域 模 式 ＲEMO 和 CCLM 及统计降尺度 预估结果 SWIM 生态水文 模型 广义极值分布的频 率分析 不同区域模式得出的结果不一 致，甚至出现相反变化 ［49］ 流域尺度 莱茵河 区域气候模式 ＲEMO 预估结果 VIC 大尺度水文 模型 广义极值分布的频 率分析 21 世纪年最大径流量存在增加 趋势 ［50］ 长江 区 域 气 候 模 式 ＲegCM3 预估结果 LＲM 大 尺 度 汇 流 模型 指标描述统计 长江干流极端洪涝发生的可能性 降低，而汉江流域洪水的可能性 增大 ［51］ 第 9 期 方 建等: 气候变化对洪水灾害影响研究进展 1089