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洪水成因研究进展
来源:清史所 作者:清史所 点击数:2587 更新时间:2014-12-16

洪水成因研究进展

冯利华

 

【原文出处】《地域研究与开发》(郑州)199801期第8588

【作者简介】冯利华,男,42岁,副教授 浙江师范大学地理系,金华 321004

【内容提要】 近年来,科学家们已把更多的注意力放在洪水遥相关因素的研究上,扩大了洪水成因的研究范围,取得了一定的进展。但由于洪水的影响因素多而复杂,故这些研究往往侧重于单因素分析,洪水成因研究进展缓慢。文章对洪水成因的研究成果、研究进展及存在的问题作了评述和前景展望。

【关 键 词】灾害/洪水成因/遥相关因素 
 
      1 引言
    洪水成因研究是一个古老的课题。自从人类沿河定居,不时受到洪水的干扰和危害以来,人类就一直想认识洪水,并制服洪水。但是,虽然经过几千年的艰苦探索,尤其是近代水文学家、气象学家和天文学家的携手努力,但洪水成因研究进展缓慢。时至今日,洪水仍是影响国计民生的最严重的灾害,所造成的损失占各类灾害损失之首。为此,本文拟对近年来洪水成因的研究成果作一介绍,以供进行进一步的深入和综合研究时作参考。
      2 洪水成因研究概况与进展
    除了冰雪融解、冰坝溃决、山崩阻塞湖溃决和地震溃坝等形成的洪水之外,绝大部分洪水都来自暴雨。因此水文学家首先把注意力转向暴雨的成因。从暴雨的成因来看,产生暴雨的天气尺度系统主要有热带风暴、冷锋、暖锋、静止锋、切变低涡、西风槽、热带东风波扰动以及中尺度热带云团等。但对于特大暴雨来说,往往是几种不同尺度、不同来源(中纬度和低纬度)的运动系统相互作用、上下叠加的结果[1,2]
    随着观测仪器的发展和知识经验的积累,对于产生一次暴雨的天气尺度系统目前已经有了比较清楚的认识。如在199167月江淮流域梅雨型洪水中,中高纬西风带出现阻塞形势,中纬度环流平直,多小槽活动,东北至黄渤海之间有一低槽存在,从而保证中等或偏冷空气频繁南下。副热带高压则强而稳定,副高脊线持续位于1926°N之间, 保证了暖湿气流源源输向江淮流域上空。这样冷暖空气在江淮流域持续交绥,造成梅雨锋暴雨[3]。就梅雨锋暴雨而言,Takahashi研究了梅雨锋低空急流的发展机制[4]Ninomiya分析了梅雨锋暴雨的热力和动力作用[5]等,又取得了一定的进展。
    以上研究揭示了暴雨的直接成因,并可进一步归因于大气环流的异常变化[6]。但是,从暴雨洪水的长期和超长期预报来说, 仅仅认识大气环流的异常变化是不够的,并且它也不是暴雨洪水的初始成因,而只是洪水成因链上的一个中间环节而已。因此,问题的深入促使科学家们从更广阔的空间范围去追根寻源,即从太阳活动、行星运行、宇宙系统和下垫面等因素去探索洪水的成因。近年来这方面的主要研究成果有以下几项。
      2.1 太阳黑子活动
    1840年以来, 长江发生特大洪水的年份主要有1870  1931 1954年,淮河主要有1975年和1991年,黄河主要有1843年,而这些年份都在太阳黑子活动的峰年和谷年及其前后。因此,太阳黑子活动峰年和谷年的变化是形成特大洪水的一个重要原因。郭增建等人认为[7], 在太阳黑子活动峰年,一方面太阳给大气输入的能量增多,以致大气热机动能加强;另一方面,在此时期,地壳因磁致伸缩效应和磁卡效应易于产生变形和松动,地壳内的携热水汽易于泄出,并与大气过程配合,在此情况下易于发生特大洪水。在太阳黑子活动谷年,磁暴减弱,地壳内居里点附近的生热效应降低,此时居里点附近的岩石就会因自发磁致伸缩效应而产生形变,它可触发地壳内一些不稳定地段发生变动,从而有利于发生大地震,使地下热汽逸出,并与大气环流配合,形成特大洪水。
      2.2 太阳质子耀斑
    太阳质子耀斑是一种能辐射出大量高能质子的耀斑。周树荣等人的统计表明[8], 约有81. 3 %76. 1 %的质子耀斑(峰值质子流量≥100pfu)事件发生后的第一个月内,长江中下游和华北地区的雨量明显增加,容易出现洪水。太阳质子耀斑对大气环流的调制作用有两个过程。(1)质子耀斑喷射的高能质子流, 随着磁扇形边界扫过地球而到达地球,造成了地磁扰动。Muldrew指出被扰动的地磁场, 每当地磁活动指数kp增加一个单位时,便使增强的电离层主槽向赤道方向移动约3. 5°[9],从而导致极涡南移,使冷空气频繁南下。(2)较强的质子耀斑喷射的高能质子,能到达地球大气的10km层甚至更下的高度上。由于质子的碰撞,使该高度上的电离度和大气导电率明显增加,从而造成大气环流异常。在夏季日面西部出现大耀斑爆发后的半个月内,西太平洋副热带高压有增强北上的现象(西伸北移)。因此推测,极涡南极造成的冷空气频繁南下和西太平洋副高的西伸北移是太阳质子耀斑事件发生后,长江中下游和华北地区汛期洪水的主要原因。
      2.3 日食
    众所周知,太阳辐射能在地球上呈现不均匀的纬向分布,使两极成为低温冷源,赤道成为高温热源,从而导致了大气环流的运行。赵得秀等人的研究发现[10],日食与洪水具有一定的关系。因为当日食发生时,地球上接受的太阳辐射能减少,从而使大气环流发生异常变化,以致出现洪水。研究表明,大尺度涡旋的动能约为地球一日获得的太阳能量的7/800,不到1/100,这远小于一次日食形成的大气有效位能,所以一次日食可以激发大气长波。大气长波形成的触发作用有热力作用和动力作用,海陆之间的温差是热力作用,而阿尔卑斯山、青藏高原对西风环流的阻挡是动力作用。日食也是一种热力作用,而且是形成洪水的主要因素,因为海陆和地形的作用每年都是不变的,不能形成气候的距平,而日食次数每年不尽相同,最多为五次,最少为两次,这足以使大气环流出现异常变化。
      2.4 近日点交食年
    在近日点,地球受太阳的吸引力最大,公转速度最快,日月食在年头、年尾出现,此种年份称为近日点交食年[11]。在近日点交食年,我国的一些大江大河都发生了特大洪水,如长江特大洪水发生在近日点交食年的年份有18521860187019351945  1954 年等, 黄河有18421843年等,海河有187119171963年等。究其原因,一方面在近日点交食年,日月引潮力引起近日点交食年潮汐,并引起厄尼诺现象;另一方面在近日点地球接受的太阳辐射比在远日点多7%, 赤道暖流把吸收的热量通过黑潮送至我国沿海,且暖流蒸发也较多,增强了太平洋副热带高压的活动能量,进而影响我国水文气象的异常变化,导致特大洪水发生。
      2.5 地球自转速度
    地球自转速度变化包括多种周期变化和不规则变化。研究指出[12],地球自转速度减慢是厄尼诺现象形成的一个重要原因。在地球自转速度大幅度减慢时期,赤道附近的海水或大气获得较多的向东角动量,引起赤道洋流减弱(或引起赤道信风减弱和赤道西风增强,再使赤道洋流减弱),导致东太平洋涌升流得以减弱,从而造成该地区大范围海表温度异常升高。大西洋东部等赤道附近涌升流区的海温升高与东太平洋厄尼诺现象具有同步性,这进一步表明此种地球减慢效应的全球性。地球自转速度的变化直接引起厄尼诺现象,并影响大气环流和气团的分布状况,产生不同尺度的洪水效应。据研究,四川盆地西部的历史洪水大都发生在地球自转速度由慢变快和由快变慢的不规则运动的转折点附近[6]
      2.6 九星会聚
    九星会聚指地球单独处于太阳的一侧,其它行星都在太阳的另一侧,且最外两颗行星的地心张角为最小的现象。据研究[13,6], 近1000年以来,长江流域1153136818701981年的特大洪水都处在九星会聚的前后阶段。近500年以来,黄河流域发生过4次特大洪水,其年份是1482166217611843年,其中除1761年之外,其它三次也都处在九星会聚的附近时期。研究认为,九星于冬半年会聚时,地球单独位于太阳的一侧,太阳系质心处在与地球相反的方向,地球的公转半径必然加大。此种年份的夏半年,地球也运行到太阳的另一侧,而几个巨行星(木星、土星、天王星和海王星)走得很慢,太阳系质心仍偏在太阳这一侧,使地球夏半年公转半径缩短。这就是说,在九星会聚中,地球的冬半年延长,夏半年缩短,以致北半球接受的太阳总辐射减少。这就是九星会聚的力矩效应。这种效应累积若干年,最终导致北半球气候变冷的趋势。相反,如果九星会聚发生在夏半年,那么导致北半球气候变暖的趋势,产生各种气象灾害。
      2.7 天文周期
    根据天文奇点非经典引力效应,以及近几年关于天体引潮力的研究,把黄道面四颗一等恒星先后与太阳、地球运行成三点一直线的四个天文奇点之太阳投影瞬时位相看成一种天文周期[14]。黄道面附近四颗一等亮星和太阳位于地球之两侧,视赤经相等之时为合日,四颗一等亮星和太阳位于地球之一侧,视赤经相差180°冲日。 合日和冲日都是星、日、地三者成直线之时。这种直线关系表现为角冲日、毕合日、北河三合日、轩合日四个天文奇点之太阳投影点先后扫过地球赤道两侧留下的天文位相。研究证实,已知的天文周期与长江流域的旱涝有着较好的统计相关,相关率可达94%。厄尼诺现象也与天文奇点的特异位相有关,如193119541983年出现的厄尼诺现象是近百年来最强的三次,我国长江流域都发生了特大洪水。研究指出,天文奇点出现时,地球受到的天体引潮力达到最大值,同时大气环流也发生异常变化,从而导致洪水灾害。
      2.8 超新星
    研究表明,亮新星能够引起地球上的自然灾害,超新星是比亮新星更为猛烈的天体爆发现象,因而能引起更为严重的自然灾害[15]。超新星产生的宇宙线包括两大部分,一部分是高能光子辐射,另一部分是高能带电粒子流。前者的运行速度等于光速,后者则慢于光速。当超新星辐射中光子能量较高部分的辐射穿越大气层时,导致电离增强区域的高度较低,将在中国引起洪水,其时间将滞后数十年。自公元1500年以来,有历史记载和推测的超新星共出现过7次,根据中国近500年旱涝史料的研究表明,在这7次超新星爆发之后,我国都出现了严重的洪涝期, 其ZZK指数均小于2.55,滞后的时间为2642年不等。
      2.9 火山爆发
    强烈的火山爆发可形成全球性的尘幔。这些尘幔在高层大气中能停留数年之久,它们强烈地反射和散射太阳辐射,因此火山爆发产生一种使地球变冷的效应。历史上赤道地区四次强烈的火山爆发曾引起四川温度偏低,大量凝结核使降水偏多,相当一部分地区出现洪涝灾害[6]。 根据历史洪水资料分析,在火山爆发后的第二年,四川盆地发生较大洪水的概率为85%,在第三年发生较大洪水的概率为79%
    此外,人类活动目前已成为一个不容忽视的因素,它在一定程度上加重了洪涝灾害。如孟加拉国洪水有逐年加重的趋势,在孟加拉国洪水预测国际会议上,认为这与全球环境变化有联系[16]:()全球气温上升使恒河冰雪融水增多;(2)植被破坏后,泥沙流失抬高河床, 降水流失增加洪峰流量;()沿河修建的许多碍水工程降低了河道的泄洪能力。
      3 问题与展望
    从上面的分析可以看到,影响洪水形成的许多因素都是互为因果的,它们组成一个紧密联系的洪水成因链,象大气环流异常变化、厄尼诺现象、地球磁场大面积短暂异常[17]等都是洪水成因链上的一个中间环节。这些影响因素可根据其在成因链上与洪水位置的远近(密切程度)分为两大类:邻相关因素和遥相关因素。邻相关因素与洪水关系密切,易于分析,但预报期一般较短;相反,遥相关因素与洪水的相关程度较低,分析也比较困难,但预报期一般较长。
    从上可知,近年来科学家们已把更多的注意力放在洪水遥相关因素的研究上,扩大了洪水成因的研究领域,取得了一定的进展。但是也应该看到,这些研究往往侧重于单因素分析,而没有注重综合分析。也许这就是单因素分析的结果并不十分理想而未使洪水成因研究取得突破性进展的原因之一。事实上,洪水是各种影响因素综合作用的结果,因此在未来的研究中,应该根据系统分析的观点,对这些影响因素进行全面的综合分析,尤其要注重分析洪水成因链上各个影响因素之间的反馈关系,以及它们对洪水贡献的大小,以期取得洪水成因研究的突破性进展。

【参考文献】

    1 詹道江,邹进上可能最大暴雨与洪水——概念和方法的新发展.水文,19876):23

    2 冯利华,骆高远.钱塘江流域的暴雨洪水特性.热带地理, 1992124):345346

    3 包澄澜,丁俭香. 1991 年江淮流域特大洪涝与厄尼诺自然灾害学报,199211):7583

    4 Takahashi M.A note on 2-dimensional simulations of thelow-levd jet associated with the Baiu front using a nonhy-drostatic convecting model. J Meteor soc. Japan, 1989,( 67) :937948

    5 Ninomiya k.characteristics of the Baiu front as apredominant subtropical  front  in  the  summer  northemhemisphere.J.Meteor Soc.Japan,1984,(62):880894

    6 雷刚旭。 从天文因素与灾害群发的机制过程分析四川盆地西部洪水趋势,大自然探索,1991104):6972

    7 郭增建,秦保燕.黄河巨洪发生时间规律的讨论自然灾害学报,199213):101102

    8 周树荣,徐群.太阳质子耀斑与降雨指数R间的关系.自然灾害学报,199213):9299

    9 Roberts W.O.and R.H. olsom.Rev.Geophys.Spacephys,1973,(3):731

    10 赵得秀,赵文桐.日食形成旱涝的耗散结构理论探讨.灾害学,199163):8993

    11 倪京苑.在近日点交食年我国江河水文气象的异常现象初探.人民长江,1987,(6):4751

    12 任振球.全球变化——地球四大圈异常变化及其天文成因.北京:科学出版社,1990

    13 申曙光.灾害学.北京:中国农业出版社,1994.287293

    14 张人杰,李贞堂.天文周期与长江流域旱涝关系的探讨.灾害学,1988,(1):2427

    15 虞振东.超新星和中国旱涝灾害.灾害学,1989,(4):94 98

    16 孙顺才.孟加拉国洪水:区域与全球环境预测国际会议.地球科学进展,1989,(5):5051

    17 曾小萍.地球磁场大面积短暂异常与灾害性天气相关性初探.自然灾害学报,199212

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