洪水頻率和氣候變化可能產(chǎn)生的影響研究

［英國］ C.克拉克

1 背景

英國最近遭遇的洪水問題使人們對未來的天氣情況產(chǎn)生質(zhì)疑。C.克拉克博士希望能經(jīng)過深思熟慮后再做判斷。

1953年3月31日，W.科爾摩根博士以防洪為主題向美國俄亥俄州克利夫蘭地理學(xué)家協(xié)會(huì)提交了一篇文章，標(biāo)題為“沉降控制取勝防洪”。文章中指出，需要嚴(yán)加控制洪泛區(qū)以避免代價(jià)高昂的防洪計(jì)劃，該文于同年發(fā)表在《經(jīng)濟(jì)地理》期刊上。大約在2100 a前，針對同樣的問題，當(dāng)時(shí)的人們?yōu)樽约航ㄔ炝艘粋€(gè)湖畔村莊，將一些建筑結(jié)構(gòu)修建在很高的支撐物上。A·布雷德于1892年發(fā)現(xiàn)了這個(gè)湖畔村莊，其靈感來源于他在瑞士看到的湖邊村莊，由此他推斷在其家鄉(xiāng)格拉斯頓堡(Glastonbury)(位于薩默塞特(Somerset)郡的邊緣)附近也會(huì)存在著相似的村莊。有些人認(rèn)為，由于水位上漲，人們不得不遺棄村莊，但是基于當(dāng)時(shí)該地區(qū)被羅馬人統(tǒng)治并成為其殖民地，這種理論仍需要強(qiáng)有力的證據(jù)加以證實(shí)。1906年，W·雷蒙德編著的一本介紹薩默塞特郡歷史的教科書中有這么一句話:“正如你所知道的一樣，這些低洼沼澤地以前是被水淹沒的。甚至到冬天的時(shí)候，成千上萬畝豐盛的草場也經(jīng)常被洪水淹沒。”

最近，針對薩默塞特郡和泰晤士河谷兩個(gè)地區(qū)洪水起因的爭論比較激烈。為此，必須更詳細(xì)地了解情況，以便解釋洪水頻率的含義;其次，以現(xiàn)狀年為背景，來觀察降雨記錄;最后，運(yùn)用英格蘭中部的標(biāo)準(zhǔn)溫度數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)化為降雨深度，進(jìn)而觀察降雨量是如何隨時(shí)間而發(fā)生變化。

2 洪水頻率和降雨稀缺性分析

2.1 洪水頻率和時(shí)間

全國河流流量網(wǎng)絡(luò)水文站應(yīng)盡早開始搜集洪水事件資料，以便可以搜集到與其相關(guān)的詳細(xì)信息。通常情況下，許多年才會(huì)發(fā)生一次中等規(guī)模的洪水，同時(shí)也會(huì)被記錄下來。隨著時(shí)間的推移，洪水記錄會(huì)不斷地被打破，偶爾也會(huì)測量到一個(gè)大的洪水事件。有時(shí)候，測量設(shè)備被損壞，數(shù)據(jù)會(huì)丟失，按照1960年頒布實(shí)施的水資源法，為了評估干旱時(shí)期的供水能力，許多老的水文站被用于測量低流量。如今，這些較老的水文站已經(jīng)完全不適用于測量大洪水。

搜集完一個(gè)長系列的資料后，例如30 a，將每年最高流量按照從大到小的順序進(jìn)行排列，然后給出一個(gè)降雨重現(xiàn)期，它是指在很長時(shí)期內(nèi)重新發(fā)生類似事件的多年平均數(shù)。例如，10 a一遇洪水表示在任何1 a里發(fā)生洪水的概率為10%。以林肯郡勞斯郡的路德(Lud)河為例，它擁有44 a的數(shù)據(jù)資料。利用特殊方格紙繪制結(jié)果，以便估計(jì)稀缺性洪水事件。1999年，P.R.瑞赫查(P.R Rakhecha)博士與作者為了估計(jì)印度的最大降雨量，首次發(fā)表了重現(xiàn)期范圍。該范圍非常類似于1801年卡爾高斯研究結(jié)果提出的正態(tài)分布范圍。分析結(jié)果表明，一百萬年一遇的洪水，每秒大約可以排泄65 m3的流量。不幸的是，1920年5月29日，一場災(zāi)難性的洪水導(dǎo)致23人死亡并造成嚴(yán)重的破壞和損失。而就在幾年前，A.L.V.阿雷利亞諾和作者預(yù)測這次洪水的洪峰流量為160 m3/s，最終，預(yù)測值比洪水產(chǎn)生的實(shí)際結(jié)果高出30 m3/s。

因此，如果沒有更豐富的數(shù)據(jù)資料，洪水頻率分析對稀缺事件的預(yù)測并不十分可靠，特別是大壩工程設(shè)計(jì)師，針對可能發(fā)生的最大洪水設(shè)計(jì)了一個(gè)溢流結(jié)構(gòu)——溢洪道。過于低估可能發(fā)生的最大洪水，有可能造成洪水溢壩并引起大壩破壞。

對于這一令人失望但又具有重要性的結(jié)果，歸其原因是由于自然界中存在一些非隨機(jī)事件。可以使用輪盤法的原則對其進(jìn)行調(diào)查，也就是眾所周知的以摩納哥的賭博之都命名的蒙特卡羅分析法。

你所需要的是一個(gè)完善的、擁有連續(xù)10000 a數(shù)據(jù)資料的洪水樣本，然后根據(jù)公式(N+1)/M，為每年的洪水記錄設(shè)定一個(gè)稀缺事件，其中，N表示10000，M表示事件的等級次序，可在任意時(shí)間長度重復(fù)取樣。發(fā)生稀缺性洪水事件用重現(xiàn)期表示，其相關(guān)概率以百分比表示。因此，200 a一遇的洪水在任意一年發(fā)生的概率為0.5%。通過將150～250 a和350～450 a間的洪水事件進(jìn)行比較，有助于解釋自然界有時(shí)候洪水事件比較頻繁，有時(shí)候又比較稀缺的原因。

通過分析，可以得出以下結(jié)論:

(1)即使增加40 a的測量數(shù)據(jù)，也很難實(shí)現(xiàn)對稀缺性洪水事件的估計(jì)。

(2)對觀察結(jié)果進(jìn)行方程擬合，有可能嚴(yán)重低估洪水頻率。

(3)洪水并不是隨時(shí)間經(jīng)常性發(fā)生，因此長時(shí)間記錄是很有必要的，但這僅適用于英國的極少數(shù)河流。

(4)歷史洪水信息，即使是一個(gè)洪水位，對實(shí)際預(yù)測稀缺性洪水事件，尤其是可能發(fā)生的最大洪水事件的預(yù)測，至關(guān)重要。

2.2 降雨稀缺性的綜合分析

之前，在某個(gè)網(wǎng)站上登載過一篇文章，標(biāo)題為“薩默塞特郡2013～2014年的洪水”，文中對2013年11月和12月的洪水?dāng)?shù)據(jù)做了簡要的分析。目前，2014年1月份的數(shù)據(jù)已經(jīng)搜集到位，考慮到洪水時(shí)間，有必要對2013年12月和2014年1月的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。1766年以來，英格蘭和威爾士12月份和1月份連續(xù)2個(gè)月的最大降雨深度分別如下:

(1)1876年，降雨深度為341 mm;

(2)1929年，降雨深度為304 mm;

(3)1993年，降雨深度為303 mm;

(4)1994年，降雨深度為301 mm;

(5)1914年，降雨深度為299 mm;

(6)1959年，降雨深度為290 mm;

(7)1868年，降雨深度為287 mm;

(8)2013年，降雨深度為286 mm;

(9)1833年，降雨深度為279 mm。

即使這樣，仍然缺少事實(shí)根據(jù)可以確定2013年12月和2014年1月的降雨深度是最高紀(jì)錄。使用1983年的一個(gè)方程式，并運(yùn)用蒙特卡羅方法對其進(jìn)行測試，即可以得出，2013～2014年的降雨重現(xiàn)期為32 a。運(yùn)用所有的數(shù)據(jù)資料，最小值降雨深度為200 mm，進(jìn)行頻率分析。從頻率分析結(jié)果可以看出兩個(gè)重要的事實(shí)。首先，2013～2014年的降雨并不稀缺。其次，預(yù)計(jì)500 a一遇的降雨深度為360 mm左右，比2013～2014年增加了25%。隨著時(shí)間的推移，記錄將不斷被打破。

3 氣候變化對降雨的影響

如果說洪水頻率分析是水文學(xué)中一顆璀璨的明珠，那么，對氣候?qū)W家來說，全球氣候模型就相當(dāng)于天體和權(quán)杖。正如大家所看到的一樣，洪水頻率分析集聚了數(shù)據(jù)的可用性及事件非隨機(jī)性。

假設(shè)氣候變化可以引起更多的降雨，尤其是在2013年12月～2014年1月期間。1766年以來，英格蘭中部的年平均氣溫已經(jīng)上升了1℃左右。該假設(shè)有可能會(huì)進(jìn)一步闡明，溫度越高，空氣中的水分將會(huì)越多，從而可能導(dǎo)致更多的降雨。

對前45個(gè)最高的12月份和1月份的數(shù)據(jù)進(jìn)行求和，并與當(dāng)時(shí)的平均溫度進(jìn)行關(guān)聯(lián)。結(jié)果表明，盡管比較離散，但在概率水平為1%時(shí)，相關(guān)系數(shù)為0.42(變化范圍為 －1.0 ～1.0)，其相關(guān)性還是比較顯著的。

由此看來，溫度的上升可能會(huì)導(dǎo)致降雨量的增加。但是，必須弄清楚這種影響是怎么隨時(shí)間發(fā)生變化的，從而可以為假設(shè)提供一個(gè)更明確的答案。希望隨著時(shí)間的推移，溫度升高時(shí)降雨量會(huì)增加，更重要的是，近期也符合這種規(guī)律。當(dāng)概率水平為5%時(shí)，相關(guān)系數(shù)為－0.34，是顯著相關(guān)的。但是，從已有數(shù)據(jù)資料來看，降雨量與溫度并不是呈現(xiàn)正相關(guān)，而是降雨量越多溫度反而越低，顯然這與之前的假設(shè)是相違背的。

對于該假設(shè)可以通過其他方式進(jìn)行檢驗(yàn)。采用系列資料中第一個(gè)75 a和最后一個(gè)75 a的溫度和降雨深度，將其進(jìn)行比較。結(jié)果顯示，1766～1841年，平均降雨深度為920 mm，平均溫度為9.2℃，可是降水量卻為19.5 mm;1938～2013年，平均降雨深度為930 mm，平均溫度為10.1℃，可是降水量為21.1 mm。

如果大氣層中的水分增加8%，那么年平均降雨量就會(huì)增加1%。因此，降雨量并非像假設(shè)中所預(yù)期的那樣，會(huì)隨著空氣中水分的變化而發(fā)生顯著的變化。

通過擴(kuò)大分析范圍以使其包含任意連續(xù)的2個(gè)月，這樣可以針對近期雨季的情況給出更詳細(xì)的說明。從英格蘭和威爾士任意連續(xù)2個(gè)月最大降雨量匯總結(jié)果可以看出，2013～2014年在系列中位居第21位。

人們認(rèn)為，大約從1960年以后，人類活動(dòng)對氣候造成的影響已經(jīng)產(chǎn)生了全球性的影響。經(jīng)過分別對1960年前后排名靠前的7a降雨量進(jìn)行求和，可以得出1960年前后分別為39和74。由此可以看出，1960年前的降雨量比1960年后的要多。

因此，至少可以通過4種計(jì)算方法來否定之前的假設(shè):氣候變化在某種程度上與近期濕潤的天氣情況有關(guān)。

科學(xué)是一門不斷產(chǎn)生疑問，并經(jīng)過長時(shí)間認(rèn)真工作、多次失敗和極少數(shù)成功后獲得的學(xué)問。期待在未來40 a后，針對文章中提出的問題，將會(huì)擁有更加清晰的答案。