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气候变化对千年极端洪水灾害发生的研究

于革  
【摘要】:认识全球变暖是否导致灾害频发,由于人类活动的叠加、反馈,全球增温效应与气候系统自由与强迫振荡引起的温度变化互为交织,成为预测和对策研究中难点之一。本研究以时间长度10倍与人类显著影响全球增温的视野、采用物理机制数值模式对自然和人类系统下的灾害事件进行模拟和对比。位于我国东部季风区的太湖流域,自全新世早期水稻农业文明到20世纪发展为现代工业时代,是我国人类活动作用强烈地区。在这块富庶的长江三角洲地区,历史和近现代不乏重大的极端洪水灾害发生。百年来气象和水文仪器监测记录了1954年和1999年太湖流域发生的洪水分别是自水文站监测以来的100年一遇和200年一遇灾害。历史文献记录了大量洪灾年份,如1823年太湖流域特大降水和特大洪灾。新石器—陶器时期太湖古文化的延续也曾遭受过数次大洪水侵袭而发生过中断。根据历史和地貌资料研究,明清时期大洪水灾害平均6~7年一次,而20世纪70年代以来平均2~3年一次。尽管人类围垦、建坝、土地利用类型等变化造成湖泊水体容量的减少导致了洪水频率增加,但气候变化引起极端降水的增加是一个重要原因。本研究首先对太湖流域过去3000年来湖泊沉积以及磁学、花粉学特征、历史文献洪水与百年来气象、水文器测资料进行分析对比。长江中下游的通江湖泊,所发生的水灾不仅集中了自身流域来水、同时受到更大、更强的长江倒灌洪水。从沉积学角度来看,长江洪水倒灌入湖的沉积物较之湖泊沉积物具有显著差异。根据大量的样品测试和统计,开阔太湖的表层沉积物中值粒径为12—17μm,属于细粉沙级,长江下游在南京—镇江—江阴平水期的中值粒径为20—24μm,为中粉沙级。对太湖沉积、湖相韵律变化并佐以磁性地层分析,与气象和水文器测记录中极端降水和长江下游河段洪水流量对比,发现了太湖沉积-磁学信号捕捉了过去150年来长江下游流量大于85%、并与太湖流域洪水记录一致的12个年份。由此,把连续的沉积记录和磁学信号延展到过去千年,佐以历史记录的洪灾替代指标,构成就较完整的时间序列。为了探究特大洪水发生成因以及气候与人类活动的影响,本研究采用分布式流域水文模型,对以湖泊水位和湖面高度变化为表征的太湖入湖流量、湖泊水量等水文因子,在过去3000年气候因子驱动和边界条件变化下,进行年际尺度上的时间序列模拟和特征时期模拟。此外,进行流域水文极端年份模拟和敏感因子试验,对过去千年以来自然动力为主和过去100年以人类活动为主的两个时间系统,定量诊断气候与人类活动对极端降水和洪灾发生的影响,为防灾减灾规划的制定和预测预警的实施提供科学依据。

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