洪水成因研究进展.pdf

1、洪 水 成 因 研 究 进 展冯 利 华 (浙 江 师 范 大 学 地 理 系 , 金 华 321004)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

2、 景 展 望 。关 键 词 灾 害 ; 洪 水 成 因 ; 遥 相 关 因 素中 图 分 类 号 X431 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

3、 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 ,

4、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

5、识 。 如 在 1991 年 6 7 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 19 26N 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

6、 而言 , T akahash i 研 究 了 梅 雨 锋 低 空 急 流 的 发 展机 制 4 。 N inom iya 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

7、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 动自 1840 年 以 来 , 长 江 发 生 特 大 洪 水 的 年 份主 要 有 1870, 1931 和 1954 年 , 淮 河 主 要 有 1975年 和 1991 年 , 黄 河 主 要 有 1

8、843 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 ,第 17 卷 第 1 期1998 年 3 月地 域 研 究 与 开 发A R EAL R ESEA RCH AND D EV ELO PM EN TV o l. 17

9、N o. 1M ar. 1998 冯 利 华 , 男 , 42 岁 , 副 教 授来 稿 日 期 : 1997- 02- 23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

10、 , 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%和 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 ,

11、 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 。M u ldrew 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

12、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

13、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 ,

14、 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

15、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

16、 生 在 近 日 点 交 食 年 的 年 份 有 1852,1860, 1870, 1935, 1945, 1954 年 等 , 黄 河 有1842, 1843 年 等 , 海 河 有 1871, 1917, 1963 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

17、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

18、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

19、 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68 地 域 研 究 与 开 发 第 17 卷地 心 张 角 为 最 小 的 现 象 。 据 研 究 13, 6 , 近 1000年 以 来 , 长 江 流 域 1153, 1368, 1870 和 1981 年的 特 大 洪

20、 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 1482, 1662, 1761 和 1843 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

21、 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 ,

22、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

23、 太 阳 位 于 地 球 之 一 侧 , 视 赤 经 相 差180 为 “ 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

24、 关 , 如1931, 1954 和 1983 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

25、 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 ,

26、 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 26 42 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

27、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

28、国 洪水 预 测 国 际 会 议 上 , 认 为 这 与 全 球 环 境 变 化 有联 系 16 : (1) 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 ; (3) 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

29、 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 。78第 1 期 冯

30、利 华 : 洪 水 成 因 研 究 进 展从 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

31、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 , 1987 (6): 2 32 冯 利 华 , 骆 高 远 .

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37、 un iversity , J inhua 321004)Abstract In recen t years scien tists have cen tered their atten tion on study of facto rs of re2mo te relation of flood. R ange in study of flood cau ses have been en larged, and certain advancesob tained. Bu t, so to say, the advances are very slow becau se influence facto rs of flood are m anyand comp licated, and these studies often laid emphasis on analysis of single facto r.Key words disaster; flood cau se; facto r of remo te relation88 地 域 研 究 与 开 发 第 17 卷