基于情景模擬的長江三角洲極端降水風(fēng)險評價

王 軒，尹占娥，遲瀟瀟

（上海師范大學(xué) 地理系，上海 200234）

基于情景模擬的長江三角洲極端降水風(fēng)險評價

王 軒，尹占娥，遲瀟瀟

（上海師范大學(xué) 地理系，上海 200234）

利用長江三角洲1961—2013年逐日降水資料，采用極值分布、耿貝爾分布和皮爾遜分布等頻率分析方法推算極端降水各重現(xiàn)期概率強度值，設(shè)計五年、十年、百年一遇情景，結(jié)合適合長三角地區(qū)的極端降水閾值和下墊面數(shù)據(jù)，從致災(zāi)因子危險性，典型承災(zāi)體脆弱性和暴露頻率三方面評價了長江三角洲地區(qū)極端降水潛在風(fēng)險。研究發(fā)現(xiàn)：城市化最高的中部地區(qū)脆弱性最高，分布著大量耕地的北部地區(qū)其次，南部地區(qū)由于林地眾多，脆弱性相對較??；各種情景下，隨著重現(xiàn)期的增大，極端降水風(fēng)險顯著提高，整體上來說，南部城市可接受風(fēng)險較高，北部與中部城市可接受風(fēng)險較低。研究方法可為極端降水引發(fā)的雨洪災(zāi)害研究提供新的思路，研究結(jié)果可為長三角城市化過程中土地覆被轉(zhuǎn)變、城市排水管網(wǎng)建設(shè)以及區(qū)域防災(zāi)減災(zāi)計劃提供參考。

極端降水；情景模擬；風(fēng)險評價；長江三角洲

根據(jù)IPCC評估報告顯示，全球氣候正處于持續(xù)變暖期，并由此引發(fā)了一系列的極端氣候事件（IPCC，2007）。氣候變暖通過陸地水循環(huán)影響水資源在時空分布上的重新分配，一旦降水分配不均就容易造成區(qū)域極端降水，而發(fā)生在城市的極端降水常常引起城市內(nèi)澇，危害嚴(yán)重。

國內(nèi)外學(xué)者對極端降水做了大量研究（Cantet et al，2011；Guhathakurta et al，2011；Chen et al，2009； Rusticucci et al，2010；Wan et al，2010；郭雪等，2013；姜德娟等，2011；于文金等，2012）。但是，以往學(xué)者對極端降水的研究大多是從氣象角度出發(fā)，研究結(jié)果趨向于解釋極端降水的危險性，結(jié)合自然災(zāi)害風(fēng)險評估模型的研究還不多見。本文以長江三角洲為例，以市域為評價單元，通過情景模擬結(jié)合歷史降水資料和下墊面資料構(gòu)建了極端降水風(fēng)險評估范式，研究方法可以為極端降水引發(fā)的雨洪災(zāi)害研究提供新的思路。

長江三角洲地處亞歐大陸東岸，受東亞夏季風(fēng)影響，是我國降水量最多、洪澇災(zāi)害最嚴(yán)重的地區(qū)之一。本文的研究區(qū)域長江三角洲包括江蘇、浙江和上海三個行政區(qū)，為了研究方便，根據(jù)地形及城市化程度將研究區(qū)分為長三角北部、中部和南部，如圖1。研究區(qū)面積約為21萬平方公里，位于27°~36°N，116°~123°E ，氣候類型主要為亞熱帶季風(fēng)氣候，全年降水充沛，年均降水量1034~1434 mm，汛期降水尤其頻繁。該區(qū)域水系基本上由長江河口水系、太湖水系和運河水系組成，在氣候變化情景下，隨著城市化進(jìn)程的加快，長三角地區(qū)年降水量的空間差異增大，且大暴雨和短時強降水等極端天氣出現(xiàn)頻率增加，再加上平原河網(wǎng)河道較小，排水不暢，容易造成城市積水和洪澇災(zāi)害。

圖1 研究區(qū)域及基準(zhǔn)氣象站分布Fig.1 Study Area and Distribution of Meteorological Station

1 研究數(shù)據(jù)和方法

1.1 研究數(shù)據(jù)

本研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)有：中國氣象局整編的長江三角洲地區(qū)32個國家基準(zhǔn)站1961—2013年逐日降水資料，極少部分缺測漏測數(shù)據(jù)采用相鄰站點回歸插補得來，不影響本研究結(jié)果；30米分辨率的DEM（2011年），該數(shù)據(jù)來自于美國航天局（NASA）與日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)?。∕ETI）共同推出的最新地球電子地形數(shù)據(jù)（ASTER GDEM）；土地利用數(shù)據(jù)來自于MOD12Q1三級數(shù)據(jù)土地覆蓋類型產(chǎn)品（Land Cover data）。

1.2 研究方法

本文以極端降水危險性、承災(zāi)體的脆弱性以及暴露構(gòu)建風(fēng)險評估模型，見公式1，R表示風(fēng)險，H表示致災(zāi)因子的危險性，V表示承災(zāi)體脆弱性，E表示承災(zāi)體暴露于風(fēng)險中的頻率。需要說明的是，本文中的E表示的是暴露頻率而非暴露要素。

應(yīng)用情景模擬確定極端降水危險性，由于只是方法的探索，所以本文只設(shè)計五年、十年、百年一遇的極端降水情景，其他重現(xiàn)期情景的設(shè)計方法相同。綜合使用極值分布、耿貝爾分布和皮爾遜分布等頻率分析方法計算研究區(qū)極端降水的重現(xiàn)期，求得各種分布下五年、十年、百年一遇極端降水值。由于降雨資料并不完全服從某一頻率分布，且三種重現(xiàn)期計算方法都是基于統(tǒng)計概率的，即使某一方法基于現(xiàn)有數(shù)據(jù)擬合效果較好，也不能得出完全適用的結(jié)論，因此，本文對三種分布方法求得的降水值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，見公式2，x 表示標(biāo)準(zhǔn)化后的降水值，x1、x2、x3分別代表極值分布、耿貝爾分布和皮爾遜分布求出來的各重現(xiàn)期降水值。

以歷史資料確定研究區(qū)極端降水實際暴露頻率，通過去趨勢波動[*]方法確定各站點歷史觀測資料的極端降水閾值，然后統(tǒng)計高于閾值的發(fā)生頻率。由于各站閾值差異較大，為了統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，本文以分區(qū)域?qū)^對頻率進(jìn)行歸一化處理，見公式3，nf表示第i站歸一化后的極端降水頻率，表示該站的極端降水閾值，ti表示該站所在分區(qū)的平均閾值，fi表示該站絕對頻率。利用ArcGIS平臺對歸一化處理后的極端降水頻率插值得到暴露分布圖。

以土地利用圖作為典型下墊面數(shù)據(jù)，通過專家打分法確定各種土地利用類型脆弱性指數(shù)，利用國際上廣泛使用的水文軟件HEC-GeoHMS從DEM中提取水系河網(wǎng)，確定孕災(zāi)環(huán)境敏感性，利用ArcGIS重分類并疊加形成研究區(qū)脆弱性分布圖。最后在ArcGIS平臺利用公式1通過地圖代數(shù)求得長江三角洲極端降水風(fēng)險的空間表達(dá)。

2 研究結(jié)果

2.1 危險性分析

統(tǒng)計研究區(qū)32個站點1961—2013年來的各年最大日降水量，綜合使用頻率分析方法推求3種降水分布下的極端降水強度概率。利用公式2對各站3種分布下五年、十年、百年一遇情景極端降水值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，然后在ArcGIS中進(jìn)行協(xié)同克里金插值，為保證三中情景下降水量在同一級別，采用自然斷點與手動分類法結(jié)合，共分為9類，得到研究區(qū)各情景下極端降水危險性圖（圖2）。從圖2可以看出，在三種情景下南部危險等級空間差異更大，中部和北部內(nèi)部差異不明顯。隨著重現(xiàn)期的增大，極端降水危險性也在提高，五年一遇情景下只有臺州、溫州部分地區(qū)降水量在140 mm以上，十年一遇時，除了中部城市和衢州、麗水部分地區(qū)外，其他城市降水量都在140 mm以上，百年一遇情景下，整個長江三角洲地區(qū)降水量都在170 mm以上，臺州、溫州等地甚至達(dá)到260 mm以上。

2.2 暴露分析

去趨勢波動（DFA）方法可以有效濾去各階趨勢成分，很好地處理非平穩(wěn)數(shù)據(jù)并消除其中的偽相關(guān)現(xiàn)象，檢測非平穩(wěn)時間序列的相關(guān)性，眾多學(xué)者應(yīng)用該方法處理極端降水閾值問題（張斌等，2009；楊萍等，2008）。本文利用DFA法確定極端降水閾值，統(tǒng)計53年來各站點遭遇極端降水的實際頻率，利用公式3進(jìn)行歸一化處理后在ArcGIS平臺插值并重分類得到研究區(qū)極端降水暴露圖（圖3）。從圖3可以看出，依據(jù)歷史資料，中部城市發(fā)生極端降水頻率最高，尤其是上海、蘇州等城市，南部城市只有臺州部分地區(qū)頻率較高，北部高頻率區(qū)最少，各區(qū)域內(nèi)部空間差異普遍較大。雖然前文分析高度城市化的中部地區(qū)危險性相對較小，但是結(jié)合暴露頻率來看，中部城市仍有可能是極端降水風(fēng)險高值區(qū)。

2.3 脆弱性分析

脆弱性分析包括孕災(zāi)環(huán)境敏感性分析，承災(zāi)體應(yīng)對能力以及恢復(fù)力分析（李遠(yuǎn)平等，2014），對于極端降水引發(fā)的洪澇災(zāi)害風(fēng)險來說，下墊面是首要考慮因素。本文選定長江三角洲土地利用類型為主要承災(zāi)體，依據(jù)專家打分法對不同土地利用類型賦以脆弱性等級（表1）；利用專業(yè)水文軟件HEC-GeoHMS基于高精度DEM提取研究區(qū)河網(wǎng)水系，并依據(jù)河網(wǎng)分布做緩沖區(qū)分析，確定孕災(zāi)環(huán)境，然后在ArcGIS中通過地圖代數(shù)得到研究區(qū)脆弱性分布圖（圖4）。從圖4可以看出，北部和中部地區(qū)脆弱性明顯高于南部，因為北部地區(qū)分布著大量耕地，容易受洪澇災(zāi)害影響；中部城市用地更高，不透水面比重為各部分之最，尤其上海浦西地區(qū)高度城市化，遭遇極端降水時極易發(fā)生城市內(nèi)澇，脆弱性最高；南部多為林地與山地，除了部分城市用地脆弱性較高之外，整體上脆弱性相對較小。

圖2 各重現(xiàn)期降水量空間分布Fig.2 Precipitation spatial distribution of different return period

圖3 極端降水暴露頻率Fig.3 Exposure frequency of extreme rainfall

3 風(fēng)險分析與應(yīng)對措施

在前文危險性、暴露與脆弱性的基礎(chǔ)上利用公式1作風(fēng)險分析，基于ArcGIS地圖代數(shù)功能對各因子疊加之后采用自然斷點法重分類得到極端降水風(fēng)險分布圖（圖5）。從圖5可以看出，在五年一遇情景下，極端降水極高風(fēng)險區(qū)主要出現(xiàn)在鹽城、淮安、南通、臺州、溫州等地，城市化高度發(fā)達(dá)的中部地區(qū)幾乎沒有極高風(fēng)險城市，表明在五年一遇降水情景下，對于中部城市來說風(fēng)險基本可以接受；在十年一遇情景下，極高風(fēng)險城市顯著增多，尤其表現(xiàn)在中部城市，如上海、蘇州、無錫、常州、嘉興、湖州等，北部的連云港、宿遷、揚州等城市部分地區(qū)也開始出現(xiàn)極端降水極高風(fēng)險區(qū)；在百年一遇情景下，除了徐州、衢州、麗水等城市的部分地區(qū)外，其他城市都處于極高風(fēng)險之中。以上分析都是基于市級單位的，各市內(nèi)部也存在差異，但是整體上來說，南部地區(qū)可接受風(fēng)險較高，北部與中部較低，這可能與地形及地表覆被有關(guān)。

圖4 典型承災(zāi)體脆弱性分布Fig.4 Vulnerability of typical hazard bearing objects

表1 土地利用與脆弱性等級Table 1 Land use and Vulnerability classif cation

長江三角洲地區(qū)城市化過程迅速，未來城市化勢頭還將增長，伴隨著高速城市化的是河道、池塘、水田等透水面的不斷消失（李國芳等，2013），流域蓄滯洪水能力降低，地表徑流增大，長三角城市群脆弱性增大。在風(fēng)險控制方面，極端降水危險性是大氣候所致，人類能控制的不多，但是可以通過降低下墊面承災(zāi)體脆弱性來降低極端降水引發(fā)的區(qū)域洪澇風(fēng)險。從城市排水角度出發(fā)，降低下墊面脆弱性主要有工程性和非工程型措施。工程性措施主要通過可持續(xù)城市排水系統(tǒng)建設(shè)，排水系統(tǒng)達(dá)標(biāo)改造，提高區(qū)域排水防汛標(biāo)準(zhǔn)，修建調(diào)蓄池，建設(shè)下凹式綠地、植被緩沖帶、河漫灘、人工濕地等來減少雨洪徑流量。非工程性措施主要有加強公眾教育，優(yōu)化雨水資源利用體系，優(yōu)化排水管理體制，完善城市街道清掃制度，重視雨水系統(tǒng)的維護(hù)管理，還可以在城市化土地覆被改變時效仿德國、日本等發(fā)達(dá)國家的稅收、財政補貼等經(jīng)濟杠桿手段。除此之外，各地政府部門在降低城市雨洪風(fēng)險中應(yīng)該發(fā)揮更大的作用，確保在城市化過程中合理開發(fā)利用土地，禁止大量占用河道，通過高精度風(fēng)險評估確定洪澇災(zāi)害高風(fēng)險區(qū)，在高風(fēng)險區(qū)建設(shè)生態(tài)用地或者水上娛樂設(shè)施。

圖5 極端降水綜合風(fēng)險Fig.5 Integrated risk of extreme rainfall

4 結(jié)語

本文利用研究區(qū)1961—2013年逐日降水資料以及下墊面資料，采用三種不同頻率分析方法推算極端降水各重現(xiàn)期概率強度值，設(shè)計五年、十年、百年一遇情景，結(jié)合自然災(zāi)害風(fēng)險評估模型，從致災(zāi)因子危險性，典型承災(zāi)體脆弱性和暴露頻率三方面評價了長江三角洲地區(qū)極端降水潛在風(fēng)險，并針對長三角快速城市化導(dǎo)致下墊面脆弱性增大的問題提出了一些建議對策。主要研究結(jié)論有：

1）在各種重現(xiàn)期下，長江三角洲各地區(qū)危險性空間差異較大，五年一遇降水量在105~165 mm之間，十年一遇降水量在120~190 mm，百年一遇降水量在170~290 mm。

2）從歷史資料來看，研究區(qū)極端降水頻率空間差異較大，中部如上海、蘇州等城市發(fā)生極端降水更為頻繁，南部次之，北部最少。

3）從孕災(zāi)環(huán)境與典型承災(zāi)體應(yīng)對能力角度計算了研究區(qū)脆弱性等級分布，城市化最高的中部地區(qū)脆弱性最高，分布著大量耕地的北部地區(qū)其次，南部地區(qū)由于林地眾多，脆弱性相對較小。

4）各種情景下，隨著重現(xiàn)期的增大，極端降水風(fēng)險顯著提高，整體上來說，南部城市可接受風(fēng)險較高，北部與中部城市可接受風(fēng)險較低。

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Risk Assessment of Extreme Rainfall in the Yangtze River Delta Based on Scenario Simulation

WANG Xuan，YIN Zhan-e，CHI Xiao-xiao
（Shanghai Normal University，Shanghai 200234，China）

Combined with the daily rainfall records during 1961—2013 and underground data in Yangtze River Delta，the methods of Extreme Value，Gumbel and Pearson-Ⅲ distribution were used to calculate extreme rainfall probability value of different return periods，and the probability of extreme rainfall in five years，ten years and one hundred years were designed to analyze the potential risks from the perspectives of Hazard classification，typical bearing Vulnerability and Exposure frequency. The research indicates that the central section which was urbanized most experienced the most serious vulnerability，the northern section which distributed a large number of cultivated land ranked second，the southern section experienced the lowest vulnerability because of the distribution of large amounts of woodland. Based on the three scenarios，as the return period increased，the extreme rainfall risk increased a lot. Significantly speaking，the southern section could withstand higher risks while the northern and central parts accept lower risks. In summary，the methods can be referenced when flood hazard risks，which was induced by the extreme rainfall，were to be analyzed，meanwhile，the results may facilitate the land cover change while urbanization，underground pipe network construction and regional disaster mitigation planning.

Extreme rainfall； scenario simulation； risk assessment； Yangtze River Delta

A

1674-9901（2015）01-0011-06

10.7515/JEE201501002

2014-09-14

國家自然科學(xué)基金資助項目（41371493，41071324，41201550）； 上海市教委科研創(chuàng)新項目（13YZ061）

尹占娥，E-mail：zhaneyin@126.com