21世纪以来,气候变化所引起的灾害风险增加已成为影响全球安全与发展的重大挑战^{[ 1]}。其中,洪水灾害是全球发生频率最高、损失最严重的自然灾害之一。随着气候变化和区域可持续发展科学研究的深入,气候变化对极端水文过程的影响以及在这种影响下洪水灾害的变化受到国际气象、水文及灾害风险等领域学者越来越多的关注。联合国教科文组织国际水文计划(The International Hydrological Programme, UNESCO-IHP)第二阶段研究将全球变化定为5个主题之一,并重点关注其对极端水文灾害的影响。IPCC 2012年发布了极端事件风险管理特别报告,首次对气候变化对洪水等极端灾害事件的影响进行综合评估^{[ 2]}。与气候系统变化密切相关的洪水等极端灾害的演变已成为气候变化影响与适应研究亟待解决的重要课题。

同时,气候变化给区域洪水灾害风险防范带来新的挑战,洪水灾害变化的动态评估已成为灾害管理的现实需求。21世纪以来,在全球气候持续异常的背景下,中国洪涝灾害年均直接经济损失近千亿元,且有逐年上升的趋势^{[ 3]}。2007年欧盟委员会发布洪水导则(Floods Directive)用以指导欧盟成员国的洪水风险管理,其中明确指出,各成员国在进行风险评估时必须关注气候变化的影响^{[ 4]}。

因此,开展气候变化对洪水灾害影响的研究,探索极端水文灾害对气候变化的响应,预估未来洪水灾害变化,一方面有利于促进对大气—陆表—人类社会多个系统相互作用机制的认识,深化气候变化影响的研究;另一方面对于理解洪水灾害的时空演变,减轻洪水灾害风险,保障社会可持续发展也有着重要意义。

然而,洪水灾害系统高度复杂,土地利用变化、水利工程等非气候要素的混合作用及当前气候变化预估较高的不确定性阻碍了气候变化对洪水灾害影响的研究,在全球和区域尺度上都难以得到明确一致的认识^{[ 2, 5]}。当前关于气候变化对水文水资源影响的研究已有较多总结^{[ 6, 7]},与之相比,对极端水文灾害影响的研究显得明显不足。因此,本文从区域洪水灾害系统对气候变化响应的角度出发,综述近年来国内外在气象水文和灾害风险领域已取得的研究进展和存在的问题,以期为更好地明确研究方向、凝炼研究问题、推动洪水灾害风险管理提供参考。

IPCC第四次报告将气候变化定义为由气候特征变量平均值和变率的变化表征的气候状态的改变,包括气候系统的自然变异以及人类活动引起的变化^{[ 8]}。其中,降水和温度是影响洪水灾害系统最重要的气候特征变量。洪水是一种高度复杂的自然现象,IPCC 极端事件特别报告将其定义为“水流从河道或其他水体的正常范围溢漫出来,或者水流在正常情况下不受淹地区的累积”^{[ 2]}。在各种形式的洪水现象中,河道洪水是最主要也是国内外研究最关注的类型,本文也主要针对河道洪水进行叙述。

与作为自然现象的洪水不同,洪水灾害是由致灾因子、孕灾环境、承灾体共同组成的自然环境与人类社会相互作用产生不利后果的综合系统^{[ 9]}。其中,极端暴雨和极端径流是致灾因子的外在表现,而影响暴雨的天气气候系统以及影响径流形成的地形、植被、土壤等要素则构成了洪水灾害的孕灾环境。在全球气候变化背景下,天气气候系统异常,陆面水文循环变化等使得区域孕灾环境的稳定性、致灾因子的危险性均存在不同程度的变化,由此导致洪水灾害格局发生显著的变化。同时,从形成过程来看,洪水灾害的形成变化是天气系统、下垫面陆表系统和人类社会系统相互作用的结果^{[ 5]}。天气系统主要影响极端降水(雨情)的变化;下垫面陆表系统决定着降雨—径流和汇流过程,影响极端径流(水情)的形成变化;而自然系统的极端现象作用于社会经济系统,最终产生洪水灾情。

理论上,气候变化对洪水灾害存在直接和间接作用2个方面的可能影响(图1)。从气候系统变化的直接作用来看,一方面,大气环流系统的异常(如ENSO,季风变化等)对全球大尺度水汽分布和降水格局带来深远影响。这种大尺度降水格局的变化将给区域极端降水变化造成一定的影响^{[ 10]}。另一方面,从区域热动力过程来看,大气饱和水汽压与温度之间存在指数增加的关系^{[ 11]},在相对湿度不变和全球增温的背景下,蒸散发加强,大气中的水汽总量呈上升趋势,目前实测和模拟的结果均表明了气候变暖背景下水汽含量的这种变化^{[ 12]}。而大气水汽含量的上升在一定程度上增加了降水的频率和强度。从气候系统变化长期的间接作用来看,气候变化背景下,地表植被覆盖和土壤的物理性质与结构均会产生一定变化,部分地区水土流失和荒漠化加剧,这种变化将会影响流域的降水—径流过程,带来更大更快的洪峰流量^{[ 13]}。

综上可以看出,极端降水(雨情),极端径流(水情)和洪水灾害损失(灾情)是洪水灾害系统最主要的特征要素,也是气候变化影响最突出的状态变量。本文将从这3个方面,从研究方法和研究成果2个角度对当前的相关研究进行总结。

图1

Fig. 1

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	图1 气候变化对洪水灾害系统的可能影响Fig. 1 Potential impacts of climate change on flood disaster

气候变化背景下极端降水变化研究主要包含以下4个方面的内容:①极端降水定义及指标的界定;②基于实测资料的趋势检验;③基于气候变化情景的模式预估研究;④结合历史观测和多模式模拟的综合评估。

极端降水指标的定义主要考虑定量研究的可行性、不同地区的可比性和应用的实际意义等因素,主要包括基于最大值取样的指标,基于特定阈值的分级绝对指标,基于百分位的相对指标和基于标准差偏离的相对指标4种类型,其中国际气候变化检测与指标专家组(Expert Team for Climate Change Detection Monitoring and Indices, ETCCDMI)提出的指标应用最为广泛^{[ 14]}。基于历史观测资料的变化分析通过对历史极端降水的时间序列进行趋势诊断,研究其变化情况。常见的趋势检验方法有:回归模型检验^{[ 15]},非参数的Sen方法^{[ 16]}与Mann-Kendall检验^{[ 17]}以及基于极值分布的变化分析^{[ 18]}等。基于情景的模拟预估研究利用不断发展的大气环流模式(General Circulation Model, GCM)对未来不同情景下的降水分布进行模拟,从而预估极端降水未来可能的变化。考虑到当前气候模式降水模拟的高度不确定性,多模式集合预估并结合历史资料进行综合研判成为目前研究极端降水变化的趋势。

总结具体的研究成果,在全球尺度上,Alexander等^{[ 19]}利用全球多源数据和ETCCDMI定义的极端指标,采用非参数Kendall方法进行趋势分析,结果表明全球极端降水的多个指标都有增加的趋势,但其变化缺乏空间一致性。Toreti 等^{[ 20]}利用CMIP5中8个全球气候模式预估了未来全球极端降水的变化,表明到21世纪末在中高纬度地区极端日降水将显著增加,而在热带和亚热带地区由于模型难以模拟小尺度的强对流过程,无可靠结果。在区域尺度上,Beniston等^{[ 21]}利用区域气候模式评估了2071-2100年欧洲各类极端天气气候的变化,结果表明欧洲中部和北部冬季极端降水将增加,东北部夏季增加;而欧洲南部极端降水冬夏季均将有所减少。

针对我国极端降水的变化,学者从多个角度开展了广泛的研究,并取得了较为一致的结论。从历史观测的角度,20世纪50年代以来,中国平均年日最大降水量没有明显变化趋势,平均强降水日数呈不显著的增加趋势,极端降水频次和强度变化均存在明显的区域差异^{[ 15, 22]}。从区域来看,东北大部分地区极端降水日数趋于减少;西北地区在20世纪80年代出现了向暖湿气候转变的突变,极端降水事件呈现明显的增加趋势;华北地区极端降水强度及其频率均存在显著的减少趋势,并在很大程度上导致了年总降水的下降;西南地区的极端降水日数表现为显著的下降趋势;东南沿海地区及长江流域降水趋于增多,极端降水日数和降雨强度都有增加趋势,其中长江中下游变化最为显著;华南地区在20世纪90年代初出现了转湿的突变,极端降水也呈现出增加的趋势^{[ 23~ 25]}。从模式预估的角度,相关研究利用不同气候模式在不同情景下预估的结果均表明,未来中国极端降水的强度和频次都存在显著的增加趋势^{[ 26, 27]}。

经过最近20多年的发展,极端降水变化的研究取得了较大的进展。随着观测资料的日益丰富和模型方法的逐渐完善,人们对于气候变化下极端降水的变化趋势和未来演变取得了一定的认识。研究表明:与平均降水相比,极端降水对气候变化的响应更加敏感;极端降水的变化呈现出总体趋势性和区域差异性两大特征,总体趋势上,气候变暖有可能导致极端降水事件增多,但部分地区受环流系统变化的影响,极端降水也呈现出下降趋势。与此同时,相关研究仍受到数据序列长度以及模型模拟精度等方面的限制^{[ 28]}。当前,如何融合多源数据以得到高质量、长序列的历史气象资料,如何加强气候模式对局地强对流系统的模拟以提高极端降水预估精度成为气候变化对极端降水影响研究的重点和难点。

由于陆表系统的调节,相比降水,气候变化对径流的影响更为复杂。IPCC极端事件特别报告指出,受数据、模型的不确定性及非气候要素干扰的影响,气候变化下全球及区域极端径流量变化的研究存在较低信度^{[ 2]}。气候变化对极端径流影响研究包含3个核心问题:极端径流量变化趋势检验、极端径流量变化的归因和未来情景下的变化预估。

4.1 极端径流变化趋势分析

极端径流变化趋势分析是气候变化水文信号诊断及未来变化预估的基础。Kundzewicz 等^{[ 29]}对水文变量变化检测的过程和主要方法进行了较为全面的总结,指出为有效地检测水文变量的变化情况,样本数据处理和统计检验方法选择是最主要的2个方面(图2)。数据方面,为得到高质量样本序列,应筛选具有长期观测序列的站点,应检查元数据以排除因迁站等带来的数据不一致并采取适当措施对缺测及异常值进行处理。此外,原始水文序列通常在时间上和空间上具有一定相关性,在变化检测前应进行数据的独立性检验,并通过白噪化处理(Pre-whitening)、重采样(Block bootstrap)等方法消除序列相关和交叉相关的影响。检验方法方面,常用的方法包括参数化检验和非参数化检验2类。非参数统计检验方法不依赖于数据服从一定概率分布的假定,因而对于非正态分布的水文变量更为适用,它主要包括基于秩序列的Mann-Kendall 检验、Spearman相关检验和基于斜率的Sen估计等。

图2

Fig. 2

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	图2 极端径流变化检验的一般过程及主要统计方法Fig. 2 General process and major methods for extreme discharge change detection

当前,对于气候变化背景下极端径流的历史变化分析,学者从全球、洲际、国家、流域等不同尺度开展了较为广泛的研究,其中部分典型研究总结如表1所示。多数研究表明,极端径流量未表现出普遍的强烈变化特征,大部分地区未检测出明显的增加趋势。

表1

Table1

表1(Table1)

表1 不同空间尺度不同地区的历史极端径流量变化趋势研究 Table1 Trend detection studies for historical extreme discharge on different scales 尺度 地区 指标 方法 结论 来源 全球尺度 全球 年最大流量 水文频率分析 全球主要流域百年一遇洪水频率有增加趋势 文献[30] 年最大流量 Mann-Kendall检验 195个流域中,27个年最大径流增加,31个呈现减少趋势,其他无变化 文献[31] 洲际尺度 欧洲 中部 年及季度最大流量 Mann-Kendall, Spearman趋势检验 大部分地区无明显趋势变化 文献[32] 非洲 年最大流量 线性回归趋势分析 全区域与逐站点研究均无明显变化 文献[33] 国家尺度 德国 年和冬夏季最大流量及超阈值流量频次 白噪化处理, Mann-Kendall检验 未检测出一致变化趋势,西南部和中部表现出上升趋势,东北部变化很小 文献[34] 英国 年最大10/30日平均流量,年最大瞬时流量,超阈值流量频次 线性回归趋势分析,Mann-Kendall检验 北部和西部,所有极端径流指标均观测到增加趋势;东部和南部的低地地区未检测出明显变化趋势 文献[35] 流域尺度 长江 年最大流量 年最高水位 线性回归趋势分析,Mann-Kendall检验 中游极端径流量呈显著增加趋势,水位表现一致的上升趋势 文献[36] 亚马逊河 年最大流量 Spearman相关检验,Kendall检验 年最大月均流量北部增加,南部减少,中部无变化趋势 文献[37]

表1 不同空间尺度不同地区的历史极端径流量变化趋势研究 Table1 Trend detection studies for historical extreme discharge on different scales

4.3 极端径流变化预估研究

极端径流变化的预估研究,是在未来气候情景模拟的基础上,通过气候模式与陆面过程模型的耦合,模拟预估未来极端径流量的变化。它是气候变化对洪水影响的直接表现,其核心为气候模式与陆面过程模型的耦合。当前陆表—大气间的双向耦合还未得到真正有效的实现,多数研究仍集中于单向耦合。单向耦合的极端径流变化预估研究主要包括未来气候预估,水文过程模拟和径流变化分析3个过程。为解决全球气候模式与流域水文模型尺度不匹配的问题,气候模式预估结果的空间降尺度成为必不可少的环节。降尺度方法主要包括基于物理过程的动力降尺度(区域气候模型)和基于经验关系的统计降尺度。Maraun等^{[ 44]}对全球气候模式空间降尺度各类方法的过程、特点及应用做了较为详细的总结,本文不再赘述。水文过程模拟主要利用气候模式输出的结果,通过各类水文模型对降雨-径流及河道汇流过程进行模拟,以得到预估期的径流量序列,当前应用较广的水文模型有HBV,SWAT,VIC,TOPMODEL及新安江模型等。径流变化分析主要采用水文频率分析等方法分析参考期与预估期的极端径流量的特征变化,多数研究采用基于极值理论的概率拟合方法估算极端径流量的重现期变化。

进入21世纪,受益于全球大气环流模式的发展,极端径流预估的研究不断深入,从全球尺度到局地流域尺度均开展了不同程度的工作(表2)。从研究结果来看,绝大多数研究认为未来极端洪水流量的强度和频率均会呈现增加的趋势,但在不同模式不同情景下存在一定的差异,预估结果在变化强度上仍存在较大不确定性。

表2

Table2

表2(Table2)

表2 不同空间尺度不同地区未来极端径流量变化预估研究 Table2 Change projection studies for future extreme discharge on different scales 尺度 地区 气候情景预估 径流模拟 变化分析 结论 来源 全球尺度 全球 CMIP5多个全球模式集合预估结果 CaMa-Flood汇流模型 Gumbel分布的频率分析 东南亚、南亚、东亚、非洲东部、南美洪水增加,欧洲东北部、北美中部洪水频率下降 文献[45] 洲际尺度 欧洲 全球气候模式HadCM3及ECHAM4/OPYC3 WaterGAP水资源模型 对数P-Ⅲ型分布的频率分析 欧洲北部洪水增加最显著,南部、东南部洪水减少 文献[46] 欧洲 区域气候模式HIRHAM预估结果 LISFLOOD大尺度水文模型 广义极值分布的频率分析 到21世纪末,除东北及南部,欧洲多数河流极端流量增加 文献[47] 国家尺度 芬兰 多个全球及区域模式预估结果 水文模型WSFS及水力模型TUFLOW Gumbel分布的频率分析 融雪型洪水减少或维持不变,局部小流域暴雨型洪水增加 文献[48] 德国 区域模式REMO和CCLM及统计降尺度预估结果 SWIM生态水文模型 广义极值分布的频率分析 不同区域模式得出的结果不一致,甚至出现相反变化 文献[49] 流域尺度 莱茵河 区域气候模式REMO预估结果 VIC大尺度水文模型 广义极值分布的频率分析 21世纪年最大径流量存在增加趋势 文献[50] 长江 区域气候模式RegCM3预估结果 LRM大尺度汇流模型 指标描述统计 长江干流极端洪涝发生的可能性降低,而汉江流域洪水的可能性增大 文献[51]

表2 不同空间尺度不同地区未来极端径流量变化预估研究 Table2 Change projection studies for future extreme discharge on different scales

综合以上分析可以看出,关于气候变化对极端径流的影响,当前仍未形成一致的认识。极端径流量实测资料的变化分析并未检测出一致的显著变化趋势,而多数未来气候情景下的预估研究则给出了洪水重现期缩短,极端径流增加的结论。这种不一致性揭示了当前研究存在的问题:一方面,在有限的实测资料中极端事件样本量少、时间序列短对趋势诊断结果有较大影响,统计显著性有待进一步检验;同时,人类活动对河流径流的直接和间接影响混淆了气候变化的水文信号,从径流序列中定量区分气候变化要素和人类活动非气候要素的贡献应成为研究气候变化对极端径流影响的前提工作。另一方面,当前气候模式对降水尤其是极端强降水的模拟精度仍有待进一步提高;各类降尺度方法在保留原GCM结果不确定性的同时,进一步引入了新的误差;各类水文模型在参数率定等方面也还存在一定的不确定性;所有这些环节的误差累积放大了最终径流预估结果的不确定性,如何通过模型的改进及各个环节间更好的耦合以提高预估结果的信度应成为未来研究的重点。

围绕气候变化对洪水灾害影响的主题,灾害风险领域的学者多从洪水灾害损失形成与变化的角度开展气候变化信号检测与影响评估,相关研究主要集中在2个方面:洪水灾害损失归因研究和未来洪水灾害损失评估研究。

灾害损失归因研究最早源自Pielke等^{[ 52]}对美国飓风灾害损失的评估,其实质是历史灾害损失的归一化处理。该处理过程从历史灾害损失记录中剔除通胀、承灾体财富增加等要素的影响,从而将不同时期的损失调整到同一社会经济水平下,再进一步从归一化损失序列的变化中检测气候变化信号。Barredo^{[ 53]}利用1970—2006年欧洲洪水灾害记录,通过通胀变化调整,购买力平价以及人口与人均GDP变化调整等处理消除社会财富水平变化对洪水灾害损失变化的影响,结果未检测出明显的变化趋势,由此得出承灾体资产增加是欧洲洪水灾害损失增加最主要原因的结论。Neumayer等^{[ 54]}采用类似方法分析了全球自然灾害损失的变化,同时提出了基于相对损失率的归一化方法,以消除承灾体时间和空间2个维度上差异带来的影响。结果在归一化的损失中同样未能检测出明显的变化。

以上灾情归一化处理与归因分析为气候变化对洪水灾害影响的研究提供了新的思路,但同时也存在一些尚未解决的问题。首先,承灾体资产变化仍缺乏准确有效的度量指标,无论是应用较广的GDP指标还是较为详细的房屋资产指标均不能全面反映可能受洪水影响的财产价值。其次,更为重要的是,随着防灾减灾投入的增加,区域脆弱性的变化对洪水灾害损失有着显著的影响,但当前对于脆弱性的变化仍缺乏有效的评估,灾情的归一化处理中并未考虑承灾体脆弱性因素,最终归一化损失并不能直接代表气候变化的影响,因此不能针对气候变化对洪水灾情影响给出严密的结论。

未来洪水灾害损失评估是在极端径流量预估基础上,通过基于地形及洪水演进的GIS分析模拟未来洪水的淹没范围与水深,并结合淹没区的人口、经济等承灾体分布以及水深-损失脆弱性曲线,估算未来洪水可能影响的人口、财产及可能造成的绝对损失。Hirabayashi 等^{[ 45]}利用CMIP5 多个GCMs的结果,耦合CaMa-Flood水文水动力模型,估算了全球百年一遇洪水在未来可能影响的人口,结果表明21世纪末极端洪水影响的人口将有几倍到十几倍的增加。Feyen 等^{[ 55]}利用未来欧洲洪水径流预估结果,通过基于地形的平面近似方法模拟淹没范围与淹没水深,再结合各个国家的水深-损失曲线和土地利用分布,计算未来可能的经济损失。结果表明未来西欧大部分地区洪水损失增加,欧洲东北部洪水损失下降。T Linde 等^{[ 56]}综合土地利用变化预测与气候变化预估结果,利用Damage Scanner损失评估模型估算了2030年莱茵河流域可能的洪水经济损失,发现年平均损失将会增加54% ~230%。研究未来气候情景下洪水损失情况能直观揭示气候变化对洪水灾害的影响,有效地实现了气象水文与灾害风险领域研究的衔接,是当前及未来研究的发展方向。但它同样受到气候变化预估及洪水模拟多重不确定性的影响。

当前,气候变化对洪水灾害影响研究可归纳为气候变化对洪水致灾的影响和洪水成害影响2个方面,前者主要集中于气象水文领域,后者主要是灾害风险领域关注的热点。

洪水致灾影响的研究从全球变暖对降水和径流影响的物理机制出发,着眼于极端降水和极端径流的变化诊断及未来预估,以降水量和径流量等指标的变化分析推断洪水灾害致灾因子的变化。受制于数据的局限和模型的不确定性,当前研究仍未能形成一致的认识。多数模型预估的研究结果表明未来极端事件有增加趋势,但在历史资料的诊断中(尤其是极端径流量)未能找到足够证据支持这一结论。

洪水成害影响的研究主要围绕洪水灾害损失,从历史损失变化的归因中区分气候要素与非气候的社会经济要素,并进一步检测气候变化信号。当前的研究结论为归一化后损失未表现出明显的变化趋势,但由于未能有效考虑脆弱性变化的影响,也不能准确地评估气候变化的影响。

综上,为更好地推动气候变化对洪水灾害影响的研究,未来应重点关注以下4个方面的问题:

(1) 科学数据是气候变化研究的基础^{[ 57]},应加强长时间序列高质量的降水、径流和灾情数据的积累和多源资料融合,对于极端水文灾害,尤其需要关注高时空分辨率数据的获取与积累。

(2) 在气候模式与陆面过程耦合方面,首先需要进一步完善降尺度方法,在提高数据资料的空间分辨率同时,减少降尺度带来的不确定性;其次,应深化对陆表—大气间相互作用复杂反馈机制的理解,推动陆气过程双向耦合模拟的研究,以降低极端降水和极端径流预估的不确定性。

(3) 在洪水灾情归因方面,应加强对承灾体脆弱性及其动态变化的研究,从致灾因子危险性、承灾体暴露量与脆弱性的综合框架出发理解洪水灾害损失变化,通过发展综合脆弱性指标或曲线^{[ 58]},实现气候变化对洪水灾害损失影响的定量评估。

(4) 气候变化对洪水灾害影响的研究涉及多个系统的多个要素,为更好地理解该问题,应加强不同学科领域的交叉融合。气象水文领域,降水、径流的极端指标并不一定引发造成损失的洪水灾害,基于单纯极端指标的研究并不能反映洪水灾害真正的变化情况;灾害风险领域的研究依赖灾情的统计分析,无法揭示洪水灾害形成变化的物理过程与机制。对于未来研究,在历史变化分析方面,应全面考虑洪水形成机制的差异,水利工程、土地利用变化等人类活动干预及社会脆弱性变化的影响,从多要素综合分析的角度认识降水、径流量及灾情等特征要素的变化;在未来预估方面,气候变化情景下的未来洪水灾害损失评估研究从降水—径流—淹没—损失的综合模拟的角度出发,更加全面地整合洪水致灾和成害2个方面的内容,应成为未来研究的主要方向。