鄂爾多斯高原西部清代洪澇災害與氣候事件特征

趙景波, 周 岳, 李如意， 祁子云

(1.陜西師范大學 旅游與環(huán)境學院, 陜西 西安 710062;

2.中國科學院 地球環(huán)境研究所 黃土與第四紀地質國家重點實驗室, 陜西 西安 710075)

鄂爾多斯高原西部清代洪澇災害與氣候事件特征

趙景波1,2, 周 岳1, 李如意1， 祁子云1

(1.陜西師范大學 旅游與環(huán)境學院, 陜西 西安 710062;

2.中國科學院 地球環(huán)境研究所 黃土與第四紀地質國家重點實驗室, 陜西 西安 710075)

摘要：[目的] 揭示鄂爾多斯高原西部清代洪澇災害發(fā)生規(guī)律和等級。[方法] 根據(jù)歷史文獻統(tǒng)計分析，并應用小波分析等方法開展研究。[結果] 鄂爾多斯高原西部清代發(fā)生洪澇災害89次，平均每3 a發(fā)生1次。鄂爾多斯高原西部清代洪澇災害可分為5個階段，第1階段在1644—1733年，第2階段在1734—1783年，第3階段在1784—1813年，第4階段在1814—1863年，第5階段在1864—1912年。第1，3，5階段是洪澇災害低發(fā)階段，第2，4階段是高發(fā)階段。在該區(qū)清代發(fā)生洪澇災害89次中，輕度災害占24.7%，中度災害占65.2%，重度災害占10.1%。[結論] 該區(qū)清代水澇災害變化主要有65，32，17，10和3～4 a的周期。該區(qū)清代洪澇災害的發(fā)生主要是年降水增加和年內(nèi)降水集中造成的。鄂爾多斯高原西部清代出現(xiàn)了2次濕潤氣候事件，分別出現(xiàn)在1774—1783和1814—1823年。

關鍵詞：鄂爾多斯高原； 洪澇災害； 等級； 周期； 氣候事件

在中國西北和華北的農(nóng)業(yè)氣象災害中，洪災一般僅次于旱災[1]，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)危害很大。洪澇災害的發(fā)生包括兩個方面，一是發(fā)生洪水,二是形成災害。受季風氣候影響,西北和華北地區(qū)降水主要集中在夏秋季的7—9月。雖然中國西北和華北地區(qū)降水量總體較少，但由于受降水季節(jié)分配不均和年際降水量變化的影響，有時發(fā)生長時間的連陰雨、連續(xù)暴雨或大范圍暴雨,這時常常會造成洪水災害[2-4]。中國學者根據(jù)歷史文獻資料對西北等地歷史時期洪澇災害進行過很多研究,取得了許多重要成果[5-8]。現(xiàn)已認識到，北方的洪水災害成因多與年降水量增加有關，洪水發(fā)生具有周期性，通常將洪水災害分為3～4個等級[5-7]。國外由于缺少歷史文獻的記載，主要是根據(jù)河流沉積物來研究歷史時期洪水事件及其與氣候變化的關系。到目前為止，還沒有對鄂爾多斯高原地區(qū)清代洪澇災害發(fā)生研究成果的發(fā)表。本文根據(jù)鄂爾多斯高原西部地區(qū)的歷史文獻資料，研究該區(qū)洪澇災害的等級序列、頻次變化、季節(jié)變化、發(fā)生規(guī)律、氣候事件和氣候變化，以期為該地區(qū)洪澇災害的防治和減少洪澇災害造成的損失提供參考依據(jù)。

1研究區(qū)概況

鄂爾多斯高原地區(qū)位于北緯37°38′—40°52′，東經(jīng)106°27′—111°28′，北、西、東三面為黃河環(huán)繞，南邊接黃土高原，面積約為1.2×105km2[9-10]。鄂爾多斯高原地勢西部高于東南部，中西部高，四周低，全區(qū)海拔高度相差很大，西部海拔高達1 500～2 000 m，東部海拔最低地區(qū)僅為850 m。西部屬棕鈣土半荒漠地帶，光能資源豐富，晝夜溫差大。鄂爾多斯高原位于溫帶季風區(qū)西緣，溫帶大陸性氣候顯著，夏季東南季風明顯，冬季氣候寒冷干燥。年均溫為6～8 ℃，年均降水量為150～500 mm，主要集中在7—9月[9-10]，西部地區(qū)年降水量最少，為190～350 mm，東部地區(qū)為300～400 mm。鄂爾多斯高原春季降水較少，風速大而頻繁，高原大部分地區(qū)年蒸發(fā)量為2 000～3 200 mm[9-10]。該高原處在中國東南和西南季風共同影響的邊緣帶，是一個典型的環(huán)境過渡帶。

本文研究的地區(qū)劃分大致是以鄂爾多斯高原中部為界，分為東部和西部，為獲得能夠表明該區(qū)洪澇災害變化的資料，本文研究地區(qū)包括鄂爾多斯高原西部和西部邊緣外圍附近地區(qū)，具體包括內(nèi)蒙烏審旗、鄂托克前旗、鄂托克旗、烏拉特前旗、五原、杭錦旗、杭錦后旗、磴口、烏海市、烏達、海南、烏拉特前旗、巴彥淖爾市、平羅縣、賀蘭縣、靖邊縣，定邊縣、石嘴山市、吳忠市、青銅峽市、中寧縣、永寧縣、靈武市、鹽池縣、同心縣。

2資料來源與方法

2.1　資料來源

本文所使用的洪澇災害資料來源于《中國三千年氣象記錄總集》[5]《中國災害通史》[6]《西北災荒史》[11]《中國氣象災害大典(陜西卷)》[12]《中國氣象災害大典(內(nèi)蒙古卷)》[13]《中國氣象災害大典(寧夏卷)》[14 ]以及地方志[15]等歷史文獻資料。由于資料記載的水澇災害、霜雪災害、雹災采用編年體，而且往往只記載著當年是否發(fā)生災情，因此本文在進行資料整理統(tǒng)計時不區(qū)分年內(nèi)水澇災害次數(shù)，一年中有多次災害的均按一次計算。本文一律采用陽歷公元紀年法，春季為陽歷2—4月，夏季為陽歷5—7月，秋季為陽歷8—10月，冬季為陽歷11—次年1月。

2.2　小波分析法

小波分析(wavelet analysis)[16]是發(fā)展于20世紀80年代初的一種信號在時間—頻率的分析方法。小波分析法研究不同尺度(周期)隨時間的變化情況，能通過平移和伸縮進行多分辨率分析，能聚焦到分析對象的任意細節(jié)。小波變換不僅能夠得出周期序列變化尺度，還可以給出變化的時間位置，它還具有數(shù)學意義上的突變點診斷能力。洪澇災害時常以不同的周期變化，表現(xiàn)出多種時間尺度的特征。因此，應用小波分析方法的平移和伸縮等運算功能可對災害信號、時間序列進行多尺度細量化分析。小波分析方法已成為研究自然災害長期變化十分重要的工具，為進一步進行自然災害預報奠定基礎。本文采用Morlet小波分析方法對鄂爾多斯高原洪澇災害發(fā)生周期進行了研究，分析鄂爾多斯高原歷史時期災害時間序列多尺度變化特征及其突變特征。

2.3　災害等級劃分標準

本文根據(jù)歷史文獻資料中所記載的災情類比確定災害等級，將描述洪澇災害的語言記載進行統(tǒng)一的量化和分級，即依據(jù)災害危害程度、影響程度、持續(xù)時間等，同時參照前人分級方法[2-3,5-6]，將鄂爾多斯高原的洪澇災害劃分為以下3個等級(表1)。

3結果與分析

3.1　鄂爾多斯高原清代水澇災害等級

統(tǒng)計結果(圖1)表明：鄂爾多斯高原西部清代發(fā)生洪澇災害89次，Ⅰ級輕度災害22次，占24.7%；Ⅱ級中度災害58次，占65.2%；Ⅲ級重度災害9次，占10.1%。由此表明，鄂爾多斯高原西部清代以中度洪澇災害為主，其次是輕度澇災，最少的是重度澇災。

圖1　鄂爾多斯高原西部清代洪澇災害等級

表1　鄂爾多斯高原洪澇災害等級劃分

3.2　鄂爾多斯高原西部洪澇災害發(fā)生頻次

根據(jù)歷史文獻資料[5-6,11-15]，以10 a為單位統(tǒng)計并作出鄂爾多斯高原西部清代洪澇災害發(fā)生頻次的階段性變化圖(圖2)。由圖2可知，鄂爾多斯高原西部清代洪澇災害發(fā)生頻次變化可劃分為5個階段。第1階段在1644—1733年，發(fā)生洪澇災害6次，平均每15 a發(fā)生1次，災害頻次最低。第2階段在1734—1783年，發(fā)生洪澇災害36次，平均每1.4 a發(fā)生1次，災害頻次最高。第3階段在1784—1813年，發(fā)生洪澇災害10次，平均每3 a發(fā)生1次。第4階段在1814—1863年，發(fā)生洪澇災害28次，平均每1.8 a發(fā)生1次。第5階段在1864—1912年，發(fā)生洪澇災害6次，平均每8.2 a發(fā)生1次。在第2階段的1734—1783年，中度災害27次，占該階段總災害的75%。由此可知，第1，3，5階段是洪澇災害低發(fā)階段，第2，4階段是高發(fā)階段?？傮w來看，鄂爾多斯高原西部清代中期是洪澇災害的高發(fā)期，早晚期是洪澇災害低發(fā)期，這與洪澇災害等級顯示的中期災害等級高，早期與晚期等級低(圖1)是一致的。由6次多項式擬合曲線(圖2)可看出早期階段與晚期階段災害發(fā)生較少，中期階段災害發(fā)生較多。

注：年份序號代表的時段分別為：1.1644—1653年； 2.1664—1673年； 3.1684—1693年； 4.1704—1713年； 5.1724—1733年； 6.1744—1753年； 7.1764—1773年； 8.1784—1793年； 9.1804—1813年； 10.1824—1833年； 11.1844—1853年； 12.1864—1873年； 13.1884—1893年； 14.1904—1912年。下同。

圖2鄂爾多斯高原西部清代洪澇災害10 a間隔發(fā)生頻次年代統(tǒng)計和6次多項式擬合

為了清晰地揭示清代鄂爾多斯高原洪澇災害發(fā)生的階段性特征和變化趨勢，以10 a為單位，統(tǒng)計并作出鄂爾多斯高原西部清代洪澇災害發(fā)生頻次的距平值變化圖(圖3)。圖3顯示第1，3，5階段災害距平值主要為負值，第2，4階段的距平值均為正值，表明高原西部清代早期與晚期是洪澇災害低發(fā)期，清代中期是洪澇災害高發(fā)期。

圖3　鄂爾多斯高原西部清代每10 a洪澇災害頻次距平值變化

3.3　洪澇災害周期分析

影響較低、規(guī)模較小的災害是短期的天氣過程造成的，而影響嚴重、規(guī)模較大的災害與大尺度氣候變化密切相關，氣候變化存在著一定的周期性，這也造成了洪澇災害具有周期性。為了可以明顯看出鄂爾多斯高原西部清代洪澇災害發(fā)生周期變化特點，我們采用Morlet小波分析法對清代鄂爾多斯高原的洪澇災害發(fā)生的時間序列進行深入的分析。圖4為小波變換的小波系數(shù)，小波系數(shù)實部為正時，表示洪澇災害發(fā)生頻次多，為負時表明洪澇災害發(fā)生頻次少。從圖4看到，洪澇災害在多種尺度下存在著不同的變化，災害變化結構復雜，小尺度短周期與大尺度長周期相互嵌套。在18世紀40年代中期之前，65，32，17,10和3～4 a的周期震蕩特別明顯，這些為主要的周期。在18世紀40年代中期至20世紀10年代初期，明顯的主要周期有60～62，30～32，10～15和2～5 a。從大尺度范圍看，清代鄂爾多斯高原西部洪澇災害發(fā)生頻次的周期震蕩呈現(xiàn)出高、低、高、低、高、低、高的變化特征，即在大尺度范圍洪澇災害的高發(fā)期呈現(xiàn)出間歇性。

圖4　鄂爾多斯高原清代洪澇災害變化的小波分析

3.4　鄂爾多斯高原西部洪澇災害季節(jié)變化

根據(jù)歷史文獻資料[5-6,11-16]，對洪澇災害進行季節(jié)統(tǒng)計，統(tǒng)計結果(表2)，由表2可以看出，鄂爾多斯高原清代發(fā)生的89次洪澇災害中，春季5次，夏季22次，秋季31次，其余次數(shù)無月份記載。由此可知，鄂爾多斯高原清代西部水澇災害高發(fā)季節(jié)為秋季，其次為夏季，再次為春季，冬季無洪澇災害發(fā)生。

表2　鄂爾多斯高原西部清代洪澇災害的季節(jié)分布

4討 論

4.1　鄂爾多斯高原西部洪澇災害成因

洪澇災害主要是由降水量增多和降水量分配不均等自然因素引起[17]。鄂爾多斯高原屬于溫帶大陸性氣候，全年平均降水量150～500 mm，主要集中在7—9月。鄂爾多斯高原處在中國的秋雨區(qū)，秋季降水量相當多。鄂爾多斯高原洪澇災害可分為以下3種類型。

(1) 年降水量增加引起的洪水。由于該區(qū)受到東亞季風邊緣的影響，印度洋和太平洋水汽的影響較弱，所以該區(qū)降水量少。但印度洋和太平洋氣團有時發(fā)生異常強的活動，也會將大量水汽輸送到該區(qū)，造成該區(qū)年降水量顯著增加。年降水量的增加表現(xiàn)為降水過程較長，出現(xiàn)持續(xù)性降水和暴雨，常導致河水暴漲，造成作物受損、廬舍淹沒、人畜傷亡等損害。該類型洪澇災害一般持續(xù)時間長，涉及范圍廣，損失嚴重。如清順治16 a，靖邊，6月6日，大雨競日，河水溢漲入城，壞垣舍，沒禾稼[13]。由于該區(qū)植被稀疏，地表裸露，一旦出現(xiàn)超強暴雨，往往形成特大洪水，造成損失嚴重的洪災。這種洪水主要表現(xiàn)為久雨型，也有暴雨型。根據(jù)《中國氣象災害大典(內(nèi)蒙古卷)》[13]記載1959年7月，內(nèi)蒙古中西部地區(qū)多次出現(xiàn)大雨、暴雨，暴雨次數(shù)多于常年，并造成嚴重經(jīng)濟損失。由此可知，降水集中形成大雨、暴雨是造成此類水澇災害的原因。氣象記錄表明，該區(qū)1959年降水量顯著增加。

(2) 年內(nèi)降水量分配不均造成的洪水。這種洪水發(fā)生年降水量沒有增加，但年內(nèi)降水量異常集中，在短暫幾天出現(xiàn)大量降水，因而出現(xiàn)洪澇災害。這種洪澇災害發(fā)生過程短，范圍小，常常造成較小規(guī)模的洪澇災害。這種洪水一般是暴雨型洪水。

(3) 凌汛型，這種洪澇災害與年降水量的增減關系不大，主要是流冰雍塞河道，使冰水猛烈上漲，漫出河堤，而形成洪水災害。如公元1927年3月，臨河永濟渠因冰汛水暴漲決堤，“冰泛勢如萬馬爭馳，水直撲縣城，西門市房三百余楹盡付東流，損失巨甚”。1963年臨河結成冰壩，發(fā)生決口，烏拉特前旗、杭錦旗多個鄉(xiāng)被水淹，倒塌房屋189間，沖走糧食2.57×105kg，水淹農(nóng)田1 260 hm2，經(jīng)濟損失近百元。

4.2　鄂爾多斯高原西部洪澇災害與濕潤氣候事件

鄂爾多斯高原西部清代洪澇災害發(fā)生頻率最高、強度最大的時期是清代中期公元1774—1783和1814—1823年，這2個階段中每10 a分別發(fā)生9次洪澇災害，中度災害占的比重最大。根據(jù)歷史文獻資料[5,11]記載，公元1779年，靈武縣6，7月因雨水過多，水勢異漲，致護城堤岸防風沖塌數(shù)十丈。公元1783年，鹽池，9月秋霖過多，收成未免歉薄。公元1820年，平羅縣被水七堡，四縣間有坍塌房屋，淹死牲畜之戶[5,11]。由此可見，該階段洪澇災害對人民生活產(chǎn)生了嚴重的影響。因此，本文將鄂爾多斯高原西部清代公元1774—1783，1814—1823年，作為2次相對濕潤氣候事件。由于該區(qū)的降水增多是夏季風帶來的，所以相對濕潤氣候事件指示了夏季風加強的活動。夏季風加強的活動會帶來更多的降水，這會使得旱災發(fā)生減少。據(jù)歷史文獻資料，在這兩次濕潤氣候事件持續(xù)的20 a間，極少有旱災發(fā)生，也指示當時氣候較為濕潤。

4.3　鄂爾多斯高原西部歷史文獻記錄的洪澇災害可靠性分析

根據(jù)清代對氣象災害記錄與其他歷史時期對比得知，清代對氣象災害的記錄比較早，時期完整且詳細，因此這一時期的氣象災害記錄一般是較為完整和可信的。根據(jù)對比得知，鄂爾多斯高原清代早期、晚期洪澇災害發(fā)生較少和中期洪澇災害發(fā)生較多的階段性變化與甘肅平?jīng)龅貐^(qū)的旱澇指數(shù)[17]和涇河流域洪水序列變化[18]的研究結果基本一致，表明鄂爾多斯高原清代早期、晚期洪澇災害少和中期洪澇災害多的變化特點是可信的。總上所述，在我們所確定的兩個濕潤氣候事件發(fā)生期間，干旱災害很少發(fā)生，表明鄂爾多斯高原西部清代歷史文獻記錄反應了當時旱澇災害的實際變化。

5結 論

(1) 鄂爾多斯高原西部清代發(fā)生洪澇災害89次，平均每3 a發(fā)生1次。鄂爾多斯高原西部清代洪澇災害可分為5個階段，第1階段在1644—1733年，發(fā)生水澇災害6次，平均每15 a發(fā)生1次。第2階段在1734—1783年，發(fā)生洪澇災害36次，平均每1.4 a發(fā)生1次。第3階段在1784—1813年，發(fā)生洪澇災害10次，平均每3 a發(fā)生1次。第4階段在1814—1863年，發(fā)生洪澇災害28次，平均每1.8 a發(fā)生1次。第5階段在1864—1912年，發(fā)生洪澇災害6次，平均每8.2 a發(fā)生1次。第1，3，5階段是洪澇災害低發(fā)階段，第2，4階段是高發(fā)階段?？傮w來看，該區(qū)清代中期洪澇災害發(fā)生頻次較早期和晚期顯著多。

(2) 在鄂爾多斯高原西部清代發(fā)生的89次洪澇災害中，Ⅰ級輕度災害22次，占24.7%；Ⅱ級中度災害58次，占65.2%；Ⅲ級重度災害9次，占10.1%，且主要發(fā)生在清代中期。等級比例表明鄂爾多斯高原西部清代以中度洪澇災害為主。

(3) 鄂爾多斯高原西部清代洪澇災害變化周期在不同時段略有不同，主要有65，32，17，10和3～4 a的周期。

(4) 鄂爾多斯高原西部清代洪澇災害分3種類型，即年降水增加型、年內(nèi)降水集中型和凌汛型。年降水量增多和年內(nèi)降水集中是形成洪澇災害的主要原因，該區(qū)清代危害大和分布廣的洪澇災害是夏季風達到這一地區(qū)引起年降水量明顯增加造成的。

(5) 洪澇災害發(fā)生頻次和強度分析顯示，鄂爾多斯高原西部清代出現(xiàn)了2次濕潤氣候事件，分別出現(xiàn)在1774—1783和1814—1823年。在濕潤氣候事件發(fā)生期間，年降水量明顯增多。

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Characteristics of Flood Disaster and Climate Events in Western Ordos Plateau in Qing Dynasty

ZHAO Jingbo1,2, ZHOU Yue1, LI Ruyi1, QI Ziyun1

(1.CollegeofTourismandEnvironmentalScience,ShaanxiNormalUniversity,

Xi’an,Shaanxi710062,China; 2.StateKeyLaboratoryofLoess,andQuaternaryGeology,

EnvironmentalInstituteofEarth,ChineseAcademyofSciences,Xian,Shaanxi710075,China)

Abstract：[Objective] To reveal the rules and grade of west Ordos plateau flood disasters in Qing dynasty. [Methods] The method of historical literature analysis and wavelet analysis method were used to research relevant problem. [Results] The study concluded that the western Ordos Plateau flood disasters during the Qing Dynasty happened 89 times and occurred averagely 0.34 times per year. Flood disasters in the western Ordos Plateau during Qing Dynasty could be divided into 5 stages, from 1644 to 1733 was the Ⅰ stage, from 1734 to 1783 was the Ⅱ stage, from 1784 to 1813 was the Ⅲ stage, from 1814 to 1863 was the Ⅳ stage, and from 1864 to 1912 was the Ⅴ stage. The Ⅰ, Ⅲ and Ⅴ stage belonged to low stage, the Ⅱ and Ⅳ stage belonged to high stage. In the area during Qing Dynasty, 89 times flood disaster occurred, and the mild disasters accounted for 24.7%, moderate disasters accounted for 65.2%, severe disasters accounted for 10.1%.[Conclusion] The cycles of flooding disaster occurrences during Qing Dynasty of the Western Ordos Plateau is 65 a, 32 a, 17 a, 10 a and 3 a to 4 a, respectively. The occurrence of floods in this area is mainly due to the increasing annual precipitation and the concentration of annual precipitation. There are 2 humid climate events appeared in the Western Ordos Plateau during the Qing Dynasty, from 1774 to1783 and from 1814 to 1823.

Keywords:Ordos Plateau; flood disasters; scale; cycle; climatic events

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)01-0344-05

中圖分類號：K901.9

收稿日期：2013-12-16修回日期：2014-01-18

資助項目：國家社會科學基金重大項目“鄂爾多斯高原歷史地理研究”(11&ZD097)； 中國科學院黃土與第四紀地質國家重點實驗室項目(SKLLQG121428)

第一作者：趙景波(1953—),男(漢族),山東省滕州市人，博士，教授,博士生導師,主要從事環(huán)境科學與第四紀研究。E-mail:zhaojb@snnu.edu.cn。