清朝時期渭南地區(qū)洪澇災(zāi)害特征研究

王 朋， 張蓓蓓， 王苗苗， 武悅萱

(寶雞文理學(xué)院 地理與環(huán)境學(xué)院 陜西省災(zāi)害監(jiān)測與機理模擬重點實驗室， 陜西 寶雞 721013)

1 研究背景

全球氣候變暖和頻發(fā)極端氣象災(zāi)害所帶來的問題受到國內(nèi)外眾多學(xué)者關(guān)注。氣候變暖使全球降水時空分布格局發(fā)生變化，同時也提高了旱澇災(zāi)害事件發(fā)生的頻率[1-2]。由于人類頻繁的活動，加快了未來氣候變化速率，極端天氣事件所引發(fā)的自然災(zāi)害對人類構(gòu)成危險的可能性會持續(xù)增加[3-4]。當(dāng)前氣候系統(tǒng)是過去自然環(huán)境變化和人類活動累積的結(jié)果，探究過去氣候變化成因和規(guī)律能為人類了解未來氣候變化提供有益依據(jù)[5]。

洪澇災(zāi)害是歷史時期中國東部季風(fēng)區(qū)高頻發(fā)生的自然災(zāi)害之一，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和社會發(fā)展造成巨大損失[6-8]。我國有豐富的史料對洪澇災(zāi)害進行了詳實記載，國內(nèi)學(xué)者通過這些資料研究歷史氣候變化也取得了一定進展。武瑋婷等[9]研究表明清代廣西地區(qū)洪澇災(zāi)害集中發(fā)生在清代前期和末期，空間分布上存在較大差異。孫金嶺等[10]利用Morlet小波分析法對清代民國時期河西走廊地區(qū)洪澇災(zāi)害進行了分析，分析表明該地區(qū)洪澇災(zāi)害階段性明顯，且存在多尺度周期變化。楚純潔等[11]研究表明宋元時期開封地區(qū)洪澇災(zāi)害頻發(fā)且集中在夏秋季節(jié)，這與氣候干濕變化有較好的對應(yīng)關(guān)系。畢碩本等[12]利用旱澇災(zāi)害史料研究了西北地區(qū)東部1470-1912年降水量的變化特征，證明了用史料研究歷史氣候變化的可靠性。

上述研究為揭示歷史時期區(qū)域氣候變化做出了重大貢獻，為研究未來氣候變化亦有較好的指導(dǎo)意義。目前有關(guān)歷史時期旱澇災(zāi)害研究較多，對較短時期小區(qū)域尺度洪澇災(zāi)害研究較少。本研究通過收集渭南地區(qū)洪澇災(zāi)害史料，研究清朝時期渭南地區(qū)洪澇災(zāi)害等級趨勢、時空特征和周期變化，并探討洪澇災(zāi)害與太陽黑子活動、ENSO活動的關(guān)系，以期為研究該地區(qū)未來洪澇災(zāi)害的變化規(guī)律及其成因提供參考。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 研究區(qū)概況

渭南位于108°50′～110°38′E和34°13′～35°52′N之間，地處關(guān)中平原東部，東瀕黃河，西與西安、咸陽相接，南依秦嶺與商洛為界，北靠橋山與延安、銅川接壤，東西寬149.7 km，南北長182.3 km，以渭河為軸線，形成南北兩山、兩塬和中部平川五大地貌，地勢南北高，中間低，東西開闊，呈仰瓦狀，海拔介于330～2 645 m之間。境內(nèi)有黃河、渭河、洛河等河流經(jīng)過，屬暖溫帶半濕潤半干旱季風(fēng)氣候，夏秋多雨，冬春少雨，四季分明，光照充足，耕作歷史悠久，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)易受洪澇災(zāi)害影響。

2.2 數(shù)據(jù)來源及研究方法

清朝起止時間是1644-1911年，文中數(shù)據(jù)主要來源于《中國氣象災(zāi)害大典·陜西卷》[13]、《西北災(zāi)荒史》[14]、《清代黃河流域洪澇檔案史料》[15]以及渭南市縣志等。利用滑動平均、最小二乘、小波分析等方法對清朝時期渭南地區(qū)洪澇災(zāi)害特征進行了研究。

2.3 洪澇災(zāi)害等級劃分

依據(jù)《中華人民共和國水利行業(yè)標準(SL579-2012)：洪澇災(zāi)情評估標準》[16]中的相關(guān)內(nèi)容將洪澇災(zāi)害劃分為輕度澇災(zāi)、中度澇災(zāi)、重度澇災(zāi)和特大澇災(zāi)4級。

輕度澇災(zāi)(1級)：降雨較多導(dǎo)致地勢低洼地區(qū)被淹沒，對區(qū)域范圍的農(nóng)作物生長造成不利影響，但未造成農(nóng)作物大面積減產(chǎn)，對人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)活動影響不大。如同治十年(1871年)，8月中旬，周至大雨弗止，渭水南徒縣北城下。9月中旬至10月初間陰雨連綿，傷害禾稼。

中度澇災(zāi)(2級)：降雨過多致使河水泛漲，淹沒沿河農(nóng)田，農(nóng)作物因雨水過多浸泡潰爛造成較大面積減產(chǎn)，民房部分受損。如清嘉慶十一年(1806年)，5月4、5日，鳳縣因大雨傾注，山水驟發(fā)，居民不能遷避，房屋多有沖塌。

重度澇災(zāi)(3級)：降雨量大且時間長，江河湖水暴漲，淹沒農(nóng)田地畝面積甚廣，農(nóng)作物大面積減產(chǎn)，大量民房被水沖毀，有人口淹斃。如清康熙元年(1662年)，秋9月，咸陽、西安等處雨連綿不止，官民舍多圮，沃壤化為巨浸，人畜溺死者甚重。

特大澇災(zāi)(4級)：江河決堤，淹沒村莊，水沖入城內(nèi)，商賈居民被溺死無數(shù)，大量房屋受損傾倒，農(nóng)作物收成無望，人們?nèi)鄙偈澄?，無法維持日常生活。如清康熙十九年(1680年)，6月25日，潼關(guān)潼河大水，漂溺城內(nèi)居民，死者兩千三百余人，淹沒廬舍無數(shù)。

3 結(jié)果分析

3.1 洪澇災(zāi)害等級變化

依據(jù)上述洪澇災(zāi)害等級劃分標準，統(tǒng)計出不同等級洪澇災(zāi)害發(fā)生的頻次,見圖1。由圖1可以看出，清朝時期渭南地區(qū)共發(fā)生87次洪澇災(zāi)害，平均3 a發(fā)生1次，其中輕度澇災(zāi)發(fā)生35次，占比40.23%，平均7.7 a發(fā)生1次，集中發(fā)生在18世紀后半葉到19世紀后半葉；中度澇災(zāi)發(fā)生28次，占比32.18%，平均9.6 a發(fā)生1次，集中發(fā)生在18世紀后半葉和19世紀后半葉；重度澇災(zāi)發(fā)生18次，占比20.69%，平均15 a發(fā)生1次，主要發(fā)生在18世紀后半葉；特大澇災(zāi)發(fā)生6次，占比6.9%，平均44.7 a發(fā)生1次，主要發(fā)生在17世紀后半葉和19世紀后半葉。

圖1 清朝時期渭南地區(qū)洪澇災(zāi)害等級序列

3.2 洪澇災(zāi)害季節(jié)變化

洪澇災(zāi)害季節(jié)變化以農(nóng)歷歷法季節(jié)劃分為依據(jù)。統(tǒng)計結(jié)果顯示，清朝渭南地區(qū)洪澇災(zāi)害季節(jié)差異顯著。單季澇災(zāi)中，夏季和秋季發(fā)生頻次最高，分別發(fā)生37、48次，其次是春季，發(fā)生2次，兩季澇災(zāi)中，以夏秋季連澇為主，共發(fā)生10次。渭南地區(qū)屬于暖溫帶半濕潤半干旱季風(fēng)氣候，冬季受大陸高壓控制，盛行西北風(fēng)，氣流干冷，降水較少。夏季受海洋低壓影響，盛行東南季風(fēng)，氣流暖濕，降雨較多。

受東部季風(fēng)雨帶影響，渭南地區(qū)降水集中在夏秋季節(jié)。境內(nèi)有黃河、渭河、洛河等河流經(jīng)過，夏秋集中的降雨易發(fā)生洪澇災(zāi)害。

3.3 洪澇災(zāi)害年際變化

以10 a為間隔，建立清朝時期渭南地區(qū)洪澇災(zāi)害年際變化序列，見圖2。圖2顯示，依據(jù)不同時期洪澇災(zāi)害發(fā)生頻次，可將清朝時期渭南地區(qū)洪澇災(zāi)害劃分為5個階段。1644-1681年為第1階段，共發(fā)生12次，平均3.2 a發(fā)生1次；1682-1731年為第2階段，共發(fā)生4次，平均12.5 a年發(fā)生1次；1732-1821年為第3階段，共發(fā)生37次，平均2.8 a發(fā)生1次；1822-1881年為第4階段，共發(fā)生14次，平均4.3 a發(fā)生1次；1882-1911年為第5階段，共發(fā)生20次，平均1.5 a發(fā)生1次。

以10年為間隔，建立清朝時期渭南地區(qū)洪澇災(zāi)害距平變化序列，見圖3。圖3顯示，第3階段和第5階段的距平值以正值為主，第1階段正負距平值均較小，第2階段和第4階段距平值以負值為主，表明第3階段和第5階段為洪澇災(zāi)害頻發(fā)期，第1階段為次頻發(fā)期，第2階段和第4階段為洪澇災(zāi)害少發(fā)期。

圖2 清朝時期渭南地區(qū)洪澇災(zāi)害年際變化序列

圖3 清朝時期渭南地區(qū)洪澇災(zāi)害距平變化序列

3.4 洪澇災(zāi)害周期變化

小波分析能夠較好地揭示地學(xué)中(干旱、洪澇)自然災(zāi)害長時間序列多種變化周期和不同時間尺度中的變化趨勢。利用Matlab軟件中小波分析模塊，選用Morlet小波，分析清朝時期渭南地區(qū)洪澇災(zāi)害不同時間尺度下的變化周期。由清朝時期渭南地區(qū)小波實部等值線圖(圖4)和小波方差圖(圖5)可知，渭南地區(qū)洪澇災(zāi)害存在8～15、23～34 a兩類時間尺度上的顯著變化周期，其中23～34 a周期對應(yīng)的峰值是30 a，方差系數(shù)值最大，為第1主周期，23～34 a周期對應(yīng)的峰值是11 a，方差系數(shù)值次之，為第2主周期。清朝時期渭南地區(qū)洪澇災(zāi)害存在11、30 a主要變化周期。

3.5 清朝時期渭南地區(qū)洪澇災(zāi)害對氣候變化響應(yīng)

Lamb[17]研究表明小冰期持續(xù)的時間范圍從15世紀初到19世紀末，1550-1700年是最為寒冷時期，該時期氣候寒冷干燥，降水減少。IPCC第四次評估報告指出北半球過去千年氣候變化中20世紀中后期(最后幾十年表現(xiàn)最為顯著)是過去1300年內(nèi)最為溫暖的時期[18]。姚檀棟等[19]研究顯示17世紀和19世紀氣候寒冷干燥，降水量不足190mm，18世紀氣候變暖降水量增加到210 mm，20世紀以后氣溫迅速回升，降水量達到小冰期內(nèi)最大值280 mm，小冰期內(nèi)存在兩個次級干燥期，分別是1570-1690年, 1830-1880年。邵雪梅等[20]研究表明1742-1780年、1840-1915降水偏多，1634-1741年、1781-1839年降水偏少，其中1700-1720年期間降水最少。

圖4 清朝時期渭南地區(qū)洪澇災(zāi)害小波實部圖

圖5 清朝時期渭南地區(qū)洪澇災(zāi)害小波方差圖

圖6 清朝時期渭南地區(qū)洪澇災(zāi)害11 a滑動平均圖

利用滑動平均建立清朝時期渭南地區(qū)洪澇災(zāi)害11 a滑動平均序列，見圖6。由圖6可知，洪澇災(zāi)害集中發(fā)生在18世紀30年代到19世紀20年代以及19世紀后半葉到20世紀初，其次是19世紀中葉。17世紀40年代到18世紀20年代為洪澇災(zāi)害少發(fā)期，整個洪澇災(zāi)害滑動平均變化序列中呈現(xiàn)1682-1687年、1714-1725年、1828年低值期。清代時期渭南地區(qū)洪澇災(zāi)害時間變化序列與Lamb、古里雅冰芯、德令哈樹輪以及IPCC等對這一時期氣候冷暖交替變化研究有較好的對應(yīng)關(guān)系，即洪澇災(zāi)害少發(fā)期，氣候干燥，降水較少；洪澇災(zāi)害頻發(fā)期，氣候暖濕，降水增多。

3.6 清朝時期渭南地區(qū)洪澇災(zāi)害最小二乘法擬合

以10年為單位統(tǒng)計出清朝時期渭南地區(qū)洪澇災(zāi)害頻次，利用最小二乘法原理和Matlab軟件，對清朝時期渭南地區(qū)洪澇災(zāi)害進行6次多項式擬合，見圖7。

圖7 清朝時期渭南地區(qū)洪澇災(zāi)害頻次擬合曲線

由圖7可知，渭南地區(qū)在清朝不同時期洪澇災(zāi)害分布不均，整體呈現(xiàn)波動變化。

4 討 論

4.1 太陽黑子活動對洪澇災(zāi)害影響

太陽活動主要包括黑子、耀斑和太陽風(fēng)，其中黑子相對數(shù)變化是用來衡量太陽活動強弱的重要指標，太陽活動強弱以及周期變化會對地球氣候產(chǎn)生一定影響。李旺等[21]利用SIDC 提供的太陽黑子數(shù)據(jù)和小波功率譜分析法對1700-2012年太陽黑子活動的長周期和短周期進行了分析，認為太陽黑子活動有11.04和 111.6 a顯著周期。葛全勝等[22]探討了過去千年太陽活動異常期與中國東部過去千年旱澇格局的相關(guān)性，認為中國東部地區(qū)旱澇災(zāi)害時空差異與太陽活動極大期、極小期有較強的相關(guān)性，1845-1873年是太陽輻射高值期，中國東部則整體偏澇。竇睿音等[23]對關(guān)中地區(qū)1960-2010年降水指數(shù)與太陽黑子活動周期相關(guān)性進行了分析，認為太陽黑子與關(guān)中地區(qū)旱澇指數(shù)在 9～12 a周期有較好的對應(yīng)關(guān)系。郝志新等[24]根據(jù)史料對旱澇災(zāi)害的記載分析了過去千年關(guān)中地區(qū)干濕變化，認為過去千年關(guān)中地區(qū)干濕呈現(xiàn)10 、30 、70 、100 a變化周期，氣候干旱與太陽活動極大期相對應(yīng)。本研究結(jié)果表明清朝時期渭南地區(qū)洪澇災(zāi)害具有11、30 a周期，與上述研究成果有較好對應(yīng)關(guān)系，表明太陽活動對渭南地區(qū)洪澇災(zāi)害發(fā)生有一定影響。

4.2 ENSO對洪澇災(zāi)害的影響

ENSO是指南太平洋與印度洋地區(qū)之間海平面氣壓反相關(guān)系，ENSO發(fā)生會引起全球性的氣候異常。ENSO通過影響東亞地區(qū)季風(fēng)環(huán)流，使得海陸氣壓差異發(fā)生變化，進而對中國境內(nèi)降水產(chǎn)生一定影響。金祖輝等[25]認為中國東部夏、冬季降水時空特征與ENSO循環(huán)關(guān)系密切，ENSO發(fā)展年我國東部夏季降水偏少。趙強等[26]對ENSO發(fā)展、衰減階段與陜西地區(qū)夏季降水變化特征進行了研究，認為ENSO衰減、La Nina發(fā)展階段，陜西夏季降水偏多，ENSO發(fā)展、La Nina衰減階段，陜西夏季降水偏少。李芬等[27]分析了山西地區(qū)1958-2013年降水與ENSO的關(guān)系，研究表明La Nina年，山西地區(qū)秋、冬季降水偏多，春、夏偏少；ENSO年，春季降水偏多，夏、秋和冬減少。清朝時期渭南地區(qū)洪澇災(zāi)害集中發(fā)生在夏季和秋季，這與ENSO異常活動所導(dǎo)致氣候變化有密切關(guān)系。

5 結(jié) 論

(1)清朝時期渭南地區(qū)共發(fā)生了87次洪澇災(zāi)害，平均每3 a發(fā)生1次，其中輕度澇災(zāi)發(fā)生了35次，中度澇災(zāi)發(fā)生了28次，重度澇災(zāi)發(fā)生了18次，特大澇災(zāi)發(fā)生了6次。

(2)清朝渭南地區(qū)洪澇災(zāi)害季節(jié)差異顯著，單季澇災(zāi)中，夏季和秋季節(jié)發(fā)生頻次最高，分別發(fā)生了37、48次，兩季澇災(zāi)中以夏秋季連澇為主，共發(fā)生了10次。

(3)清朝時期渭南地區(qū)洪澇災(zāi)害依據(jù)其不同時期發(fā)生的頻次可以劃分為5個階段，第3階段(1732-1821年)和第5階段(1882-1911年)為洪澇災(zāi)害的頻發(fā)期，第1階段(1644-1681年)為洪澇災(zāi)害的次頻發(fā)期，第2階段(1682-1731年)和第4階段(1822-1881年)為洪澇災(zāi)害的少發(fā)期，洪澇災(zāi)害存在11、30 a顯著變化周期。

(4)清朝時期渭南地區(qū)洪澇災(zāi)害是對氣候變化的響應(yīng)，洪澇災(zāi)害少發(fā)期，氣候干燥，降水較少，洪澇災(zāi)害頻發(fā)期，氣候暖濕，降水增多。對清朝時期渭南地區(qū)洪澇災(zāi)害進行六次多項式擬合，擬合發(fā)現(xiàn)不同時期洪澇災(zāi)害分布不均，整體呈波動變化。