上海市极端降水的气候变化响应及风险评估

摘要

全球气候变暖引起的降水问题已经成为众多学科领域的研究热点，而城市不仅是全球气候变化的敏感响应地区，同时很大程度上也影响和贡献于全球气候变化。上海作为长江三角洲经济带的核心城市，其地理、气候、社会、经济特征共同决定了上海市长时间序列的降水变化带来的问题更加复杂，影响更加巨大。
　　本文的研究资料涵盖了气象数据、基础地理数据、水文数据、大气环流数据、IPCC预测数据，以及一系列实地调研测量数据等，在经过严格的质量控制、数据标准化与数据预处理之后确保了研究数据的真实性与可靠性。基于Matlab、Office、ArcGIS等平台，选取降水指标，综合运用累积距平、滑动平均、线性倾向估计、去趋势波动（DFA）、百分位、频率分析、统计降尺度和GIS空间分析等方法从多时间尺度研究上海市长时间序列和未来气候情景下的降水变化特征，同时基于极端降水这一特殊降水事件对上海市造成的影响，利用阈值定义与情景模拟方法，从气候统计与风险评估的角度识别了上海市极端降水阈值，并研究了极端降水的变化特征、危险性等级以及风险评估。研究结果既可以丰富、充实和发展城市灾害风险评估理论方法体系，也可以为上海市水资源利用与管理、城市水灾害防灾减灾提供借鉴和参考。主要研究结论有：
　　1）上海市各站点季节降水存在较大差异，市区春季、冬季降水少于郊区，夏季、秋季降水多于郊区，且距市区越远，差异越显著；季节降水变化方面，春季、秋季降水呈不显著下降趋势，夏季、冬季降水呈明显的增强趋势，但是各区域，尤其是城郊变化幅度存在较大数值差异，以徐家汇站为基准，闵行、宝山变化幅度相似，青浦、松江、金山变化幅度相似，崇明、嘉定、奉贤、南汇变化比较相似。
　　2）上海市各量级降水变化存在明显的地域差异，暴雨量级以下降水指标方面，南汇、奉贤、金山、松江等地距平正负转换的时间都出现在1970s，徐家汇站在1990s，其他站点在1980s，但是距平值大小幅度上各站没有表现出明显的地域连续性；暴雨量级降水指标方面，嘉定站在1970s开始出现距平由负转正，宝山、徐家汇、奉贤、松江、金山、崇明、南汇等地在1980s开始出现距平由负转正，嘉定、青浦、闵行等地直到1990s才开始出现距平转换，距平值极值上，徐家汇站达到115.9mm，其次为青浦站94.1mm，金山站75.4mm，其他站点极值在正负60mm之内；暴雨量级以上指标方面，徐家汇站2000s之前一直是负距平，之后为正距平，且极值达到84.8mm，其他站点大多每隔10年出现正负距平转换，值在40mm之内。
　　3）上海市未来降水较之基准期都是增加的，但是在未来3个不同时期降水的增加幅度却呈下降趋势，2020s增加幅度最大，2050s增加幅度次之，2080s增加幅度最小。未来上海市东南沿海地区，如南汇、金山等地在2070年左右发生了降水总量减少的突变，且突变显著；上海市其他地区在2011-2030年之间降水总量呈增加趋势，随后10年短暂下降，之后又有10年的短暂增长，但降水变化趋势都不显著，直到2060年左右出现了降水总量显著减少的突变。
　　4）DFA法计算的极端降水频次分布在33-56d之间，空间差异较大，百分位法计算的极端降水频次分布在63-69d之间，空间差异不大，高值区主要集中在青浦、金山等地，郊区极端降水起伏大于市区，市区徐家汇站1990年之前表现为降水偏少，之后显著偏多，郊区站点降水偏多偏少年份比较复杂；极端降水总量都在波动中呈增长趋势，5年滑动降水量年递增率在11.2-28.3mm/（10a）之间，变化幅度从市区向近郊区再向远郊区逐渐变小。
　　5）历史时期，上海市50年一遇15分钟最大积水深度在120mm左右，100年一遇时，最大积水深度在150mm左右，且积水较深的地区主要分布在黄浦江东岸的外环线以内区域；另外，整体上黄浦江以东以及崇明岛的积水深度大于黄浦江以西的区域。
　　6）21世纪中期时，上海市50年一遇15分钟最大积水深度在140mm左右，100年一遇时最大积水深度在160mm左右，比之历史时期都有所增加，且空间集中程度也更加密集；另外，积水深度次高等级的空间分布也发生了改变，历史时期主要分布在浦东东部，但是21世纪中期时主要在崇明岛以及黄浦江东岸沿线分布。
　　7）21世纪末期时，上海市50年一遇15分钟最大积水深度在140mm左右，100年一遇时最大积水深度在160mm左右，积水深度空间分布上更加集中，外环线以内黄浦江东岸的高等级积水区域进一步扩大，积水深度次高等级的区域分布是沿黄浦江东岸分布，但是区域进一步扩大。
　　8）从上海市动态风险分析结果来看，历史情景下，50年一遇时，高风险区域主要集中在崇明岛南部、长兴岛、横沙岛以及浦东北部，黄浦江以西大部分地区都处于低或较低等级下；100年一遇时，高风险区域扩大至崇明岛和浦东全部，另外，奉贤、嘉定、松江、金山部分地区也出现高风险区域，市区和闵行等地仍然处于较低风险等级下。21世纪中期时，高风险区域与历史时期存在较大差别，50年一遇情景下，高风险区域主要分布于崇明岛及金山区西南部，100年一遇时，范围扩大至崇明三岛、浦东北部、金山及松江等地；另外，100年一遇时，黄浦江以东大部分地区处于较高风险等级下，而黄浦江以西地区变化不大，仍然处于中或较低风险等级。21世纪末期时，上海市极端降水风险分布和历史时期比较相似，但是处于高风险等级的区域有所减少，尤其表现在崇明岛地区，同时，上海市处于较高风险等级的区域有所增加，另外，黄浦江以西地区风险较历史时期进一步减小，为三个时期最小。

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第1章绪论

1.1研究背景与意义

1.2降水问题研究现状

1.3研究区域、数据与方法

1.4研究目的与内容

第2章上海市历史降水时空特征

2.1季节降水变化特征

2.2年际降水变化特征

2.3年代际降水空间变化

2.4极端降水研究

第3章气候变化下上海市降水情景预估

3.1统计降尺度（SDSM）模型建立

3.2未来降水变化特征

第4章极端降水情景分析

4.1降水强度频率分析

4.2降水径流模型

4.3上海市排水系统现状

4.4城市地形模型

4.5极端降水情景设计

第5章上海市极端降水风险分析

5.1危险性分析

5.2脆弱性分析

5.3风险分析

第6章研究结论与展望

6.1研究结论

6.2研究不足与展望

6.3研究创新点

参考文献

附录（图）

附录（表）

攻读学位期间取得的研究成果

致谢