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洪水前兆的初步探讨（冯利华）

://.hwcc.cn 时间： 2002年5月16日 09:01 来源：《灾害学》2000-3

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摘要:根据历史洪水和现有研究,比较系统地分析了各种洪水前兆,可以为洪水预报提供一定的理论依据,同时指出,为了提高预报精度,必须对洪水前兆进行综合分析,去伪存真,最终达到防洪减灾的目的。

主题词:洪水前兆;洪水预报;前兆异常

中图分类号:P338+.6 文献标识码:A 文章编号:1000-811X(2000)01-00210-06

洪水预报,尤其是长期和超长期的洪水预报是一个长期令人困惑的难题。这里一个重要的原因是洪水发生前的征候或迹象即洪水前兆难以认识和掌握。事实上,和地震发生前具有前兆一样,洪水发生前也会出现一些明显的前兆。这些前兆包括洪水形成的影响因素,以及有关的现象。由于它们的出现预示着一个地区将来可能发生洪水,因而都是洪水的前兆信息,对洪水预报具有重要的指示作用〔1〕。为此,本文拟根据历史洪水和现有分析,对洪水前兆作一初步研究,以供商榷。

1 洪水前兆

1.1 太阳黑子活动

太阳黑子活动具有11a的周期变化,而某些流域的洪水与太阳黑子活动具有明显的对应关系。为了分析这种关系,把长江汉口站113a的年最高洪水位按太阳黑子活动11a周期位相进行排列,得到该站年最高洪水位超过警戒水位(26.30m)的各位相的次数(表1)。从表1中可以看到,该站超过警戒水位的年份主要集中在太阳黑子活动的峰年(M年)和谷年(m年)及其前后。为了进一步分析这种关系,把汉口站按11a周期位相排列的平均年最高洪水位绘成图1(其中=(H-1+2H0+H+1)/4,可以更清楚地看到,与太阳黑子活动关系密切。太阳黑子活动还有22a的磁周期变化,这种变化与11a周期的谷年是一一对应的。1998年符合这种对应关系,因此这一年长江流域发生了特大的洪水〔2〕。由此可知,太阳黑子活动的峰谷年变化是长江流域重要的洪水前兆。

1.2 太阳质子耀斑

太阳质子耀斑是一种能辐射高能质子的耀斑,它通过扰动地磁,使极涡南移和西太平洋副高西伸北移,最终导致某些流域的汛期洪水〔3〕。统计表明,约有81.3%的质子耀斑(峰值质子流量≥100pfu)发生后的第一个月内,长江中下游地区雨量明显增加,容易出现洪水。1991年春夏之交,日面上连续两次出现了太阳质子耀斑。第一次出现在5月13～18日,共3个;第二次出现在5月29日～6月15日,共7个,其中6个质子耀斑的射电爆发峰值流量都大于14000sfu,为非爆发时的30倍以上。在这两次质子耀斑后的27天和30天,太湖、淮河流域出现了两次特大暴雨过程,第一次在6月9～17日,第二次在6月28日～7月13日,以致该区发生了严重的洪涝灾害,直接经济损失高达450亿元。

图1 汉口站年最高洪水位与太阳黑子活动的关系

1.3 日食

太阳辐射能在地球上呈现不均匀的纬向分布,使两极成为低温热源,赤道成为高温热源,从而导致大气环流的运行。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减少,从而使大气环流发生异常变化,以致出现洪水〔4〕。1900年以来,发生过两次罕见的日全食。第一次在1955年6月20日,当时恶劣的天气使原先准备进行的科学考察工作全部停止;第二次在13年6月30日,世界上许多地区都出现了异常天气。利用日食对我国各大江河1981～1987年的洪水进行检验性预报,其预报成功率可达84.7%。

1.4 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〔5〕。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,并引起厄尔尼诺现象,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,增强了太平洋副高的活动能量,进而影响我国水文气象的异常变化,导致特大洪水发生。自1860年以来,长江特大洪水发生在近日点交食年的年份有1860、1870、1935、1945、1954和1991年,其中1954年和1870年的洪水为1860年以来的最大值和次大值。

1.5 超新星

超新星是比亮新星更为猛烈的天体爆发现象。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〔6〕。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500a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25～40a不等。

1.6 天文周期

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的太阳投影瞬时位相,看成一种天文周期〔7〕。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。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%。

1.7 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〔8〕。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。因此,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量减少。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,那么就会导致北半球气候变暖的趋势,产生各种气象灾害。近1000a以来,长江流域1153、1368、1870和1981年的特大洪水都处在九星会聚的前后阶段;近500a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年以外,其它3次也都处在九星会聚的附近时期。

1.8 星际引力

在太阳、月球和各大行星对地球的引潮力中,月球的引潮力最大,太阳次之,木星再次〔9〕。虽然它们的引潮力数值很小,但当它们的方位出现冲合时,引潮力将增大,从而引起气潮变化,激发异常天气过程的形成和发展。统计表明,自1153年以来,长江中上游出现过8次特大洪水(1153、1560、1788、1796、1860、1870、1896、1954年),除1560年以外,其余7次特大洪水均发生在木星处于冲合或其邻近方位之时。尤其是1954年夏至前后,正值水星内伏,火星正退,土星退毕,三个星都靠近地球,叠加在一条直线上,以致长江流域这一年出现了百年未遇的特大洪水。

1.9 大气环流异常

大气环流是制约一个地区水文变化的主要因素,大范围的洪涝总是与大范围的大气环流异常联系在一起的。如1991年副热带高压强度偏强,并比常年提早近一个月北跳,副高脊线位置在5月中旬就到达19°～20°N,并一直到7月中旬仍维持在20°～26°N之间;与此同时,亚洲西部的乌拉尔山维持着阻塞高压,使西伯利亚冷空气频繁南下,以致冷暖空气在江淮流域持续交绥,出现了长达56d的梅雨期。该区1954年的大气环流异常也与此类似,以致出现了一次长达4个月之久的由近20次暴雨过程组成的暴雨群降水。

1.10 热带气旋

热带气旋,尤其是热带风暴级以上的热带气旋是我国东南沿海地区最强的暴雨天气系统。日雨量≥200mm的特大暴雨绝大多数是由热带气旋引起的,主要出现在7～9月。热带气旋内水汽充足,气流上升强烈,阵性降水强度大,常造成特大的洪涝灾害,因而是东南沿海地区最明显的洪水前兆。1994年17号强热带风暴袭击了浙江省,受灾人口达1333万人,直接经济损失高达144亿元;15年3号强热带风暴深入河南省中部,林庄站3d最大暴雨量高达1605mm,成为我国大陆上最大的暴雨记录。

1.11 西太平洋暖池

西太平洋暖池指菲律宾东南到印尼的海温≥28℃的区域。统计表明,西太平洋暖池海温的高低,尤其是暖池125m深区海温的高低与江淮流域的旱涝关系密切。当西太平洋暖池的海温较低时,从菲律宾经南海到中印半岛一带对流活动弱,而在日期变更线附近对流活动强,副热带高压强而偏南,并且成条状结构,江淮流域因此降水偏多,容易出现洪涝灾害。过去几十年江淮流域基本上保持这种关系。

1.12 前冬海温距平场

通过分析北太平洋前冬(头年12月～当年3月)海温距平场与长江流域水旱年份的关系,表明在前冬海温距平场上,水旱年份不同,异常前兆也不同,大涝大旱年份的异常前兆更为突出〔10〕。若以N表示海温正距平,L表示海温负距平,那么根据北大平洋海温自西向东的变化情况,可以得到四种海温异常型,即NLNL型(偏涝)LNLN型(偏旱)、NL型(大涝)和LNL型(大旱)。如1953～1954年冬季,黑潮海域强烈增温,从西北太平洋副热带洋面起,沿着暖流方向,一直延伸到日本海均为暖水区,而东北太平洋的广阔海域几乎全为冷水区(NL型),对应的1954年汛期,长江流域出现了百年未遇的特大洪水。

1.13 ENSO现象

ENSO现象是厄尔尼诺现象和南方涛动的总称,它们对全球性的大气环流和海洋状况异常都有重大的影响,最终导致陆地上的洪涝灾害。统计表明,从1949～1998年,已出现过12个厄尔尼诺年,而江淮流域在10个厄尔尼诺同年或次年发生过洪水(包括1998年);在这50a中,浙江金华站年径流量W>50亿m3的年份共有13a,其中9个年份也出现在厄尔尼诺同年或次年,并且1954年和13年的年径流量为系列中的最大值和次大值。

1.14 地球自转速率

地球自转速率变化包括多种周期变化和不规则变化,它主要是通过形成厄尔尼诺现象来影响洪水的〔11〕。在地球自转速率大幅度减慢时期,由于“刹车效应”,海水和大气获得了一个向东的惯性力,从而使自东向西流动的赤道洋流和赤道信风减弱而发生海水增暖的厄尔尼诺现象。据研究,四川盆地西部的历史洪水大都发生在地球自转速率由慢变快和由快变慢的不规则运动的转折点附近〔12〕;江淮流域发生特大洪水的1991年,也正值地球自转速率接近减慢段的终点。

1.15 地极移动

地球自转轴的方向是不断变化的,它包括长期变化、周期变化和其它变化,其中6～7a的周期变化是非常明显的〔13〕。在有利的条件下,地极移动可以使海平面高度上升8～10mm,因而它也能使大气环流发生变化。长江中下游的上海、南京、九江、芜湖和武汉五站5～8月降水距平有7a左右的周期变化;浙江省金华站的年最高洪水位也有6～7a的周期变化。研究认为,在地极移动高振幅年,大气环流出现异常,亚欧大部和太平洋中纬地区经向环流指数增高,于是西风指数降低,相应的副热带高压偏南偏弱,因而长江中下游的降水增多。

1.16 地磁异常

地球磁场在正常月份呈线性分布,其线性相关系数Rz=75～100。当地球磁场出现异常时,Rz值将减小〔14〕。从1990年11月开始,我国出现了以皖南为中心的包括安徽、江苏和浙江在内的大面积地磁异常区。到了1991年1月,异常中心的Rz值下降到-10。5个月后,在这些地区出现了特大的洪涝灾害。因此地磁异常也是一种明显的洪水前兆。

1.17 地震

自然灾害系统之间具有互相触发、因果相循等关系,从而造成灾害现象〔15〕。研究表明,如果在蒙新甘交接地区发生7级以上的大震,那么其后一年内黄河往往会出现特大洪水,这种地震与洪水的对应率可以达到88%以上。研究认为,当蒙新甘交接地区发生大震时,大范围的构造运动使地下携热水汽溢入低层大气,这一方面使大气水汽增加,同时使这里气压变低,诱使西风带上的水汽向这里输送;另一方面,大震后所造成的低压环境可吸引北方的冷空气南下和西太平洋的副高西伸北上,由此在黄河流域形成特大洪水。因此,蒙新甘交接地区的大震活动就成为黄河流域的洪水前兆。

1.18 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。它们能强烈地反射和散射太阳辐射,在大爆发后的几个月到1a之内,直达辐射可减少10%～20%,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。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%〔12〕。

2 结语

洪水是地球上最严重的自然灾害,它所造成的损失占各类灾害总损失之首,但洪水预报至今仍是一个令人困惑的难题。本文根据大量资料,比较系统地分析了各种洪水前兆,可以为洪水预报提供一定的理论依据。作者根据长期的研究工作,对长江流域的洪水前兆曾提出自己的看法,1995年9月浙江省教委批准了作者申请的课题:“1998年前后巨洪预警研究”。其后经过大量的综合分析工作,发表了多篇论文〔2,16〕,并得到了证实。因此,洪水前兆的研究对防洪减灾具有重要的理论意义和实际意义。

洪水前兆是客观存在的,只是目前的认识水平还很有限。因此在利用洪水前兆进行洪水预报时,尤其要注意两点:1对洪水前兆必须进行综合分析,因为洪水是各种影响因素综合作用的结果,当然洪水前兆越多,信号越强,那么洪水量级越大;2对洪水前兆必须进行去伪存真,因为在观测到的大量异常现象中,既包含了洪水前兆信息,也可能包含了一些与洪水无关的其它信息。随着资料的积累和认识的深入,洪水前兆无疑将成为提高洪水预报精度的突破口之一。

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