云南近620年旱澇災(zāi)害的時(shí)間變化特征*

王黎明, 劉甜甜, 馬順容, 牛潔, 張文翔

(云南師范大學(xué) 旅游與地理科學(xué)學(xué)院,高原地理過(guò)程與環(huán)境變化云南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,云南 昆明 650500)

西南地區(qū)是我國(guó)旱澇災(zāi)害最為頻發(fā)的地區(qū)之一，范圍大且持續(xù)長(zhǎng)的十年際旱澇災(zāi)害嚴(yán)重影響著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展[1].我國(guó)自明代以來(lái)，保存了大量較為完整的旱災(zāi)與水災(zāi)史料記錄，為準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)與研究百年尺度上旱澇災(zāi)害的變化提供了可能性.據(jù)此，前人通過(guò)對(duì)我國(guó)各氣象站點(diǎn)降水?dāng)?shù)據(jù)以及旱災(zāi)與水災(zāi)的史料分析，結(jié)合旱澇等級(jí)評(píng)定法，定量化研究了我國(guó)近500年的旱澇災(zāi)害特征[2].

就云南地區(qū)而言，已有研究根據(jù)氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)與旱澇評(píng)定等級(jí)分析了云南近100年的旱澇等級(jí)序列[3]，并結(jié)合重標(biāo)極差(R/S)分析法對(duì)云南地區(qū)未來(lái)旱澇災(zāi)害發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)估[4]，還利用標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(SPEI)與徑流干旱指數(shù)(SDI)等指數(shù)分析了云南部分區(qū)域在短時(shí)間尺度上的干旱變化規(guī)律[5].然而，由于我國(guó)氣象站點(diǎn)記錄的數(shù)據(jù)時(shí)間較短，同時(shí)一年中云南可能存在旱災(zāi)與水災(zāi)[6]，而傳統(tǒng)評(píng)定方法也可能對(duì)研究結(jié)果產(chǎn)生一定的影響[7].據(jù)此，通過(guò)對(duì)云南地區(qū)近620年旱澇災(zāi)害史料數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，分析了云南地區(qū)旱災(zāi)與水災(zāi)的時(shí)間變化特征，并結(jié)合湖泊沉積研究成果探討了旱澇災(zāi)害的主要影響因素和影響機(jī)制，以期進(jìn)一步探究在百年尺度上氣候變化與旱澇災(zāi)害間的耦合機(jī)制，為區(qū)域旱澇等氣象災(zāi)害預(yù)防提供一定的科學(xué)依據(jù).

1 研究區(qū)域概況

云南地處我國(guó)西南地區(qū)，以高原和山地為主.由于常年受西南季風(fēng)和東南季風(fēng)控制，雨季(每年5-10月)的降雨量約占全年的80%以上，并表現(xiàn)出由南向北遞減的趨勢(shì)[8-10].同時(shí)，由于在云南地區(qū)的西部存在獨(dú)特的南北走向縱向山系與河谷，并對(duì)印度洋水汽具有明顯的經(jīng)向阻隔與緯向通道作用[11]，而哀牢山對(duì)東南季風(fēng)也具有明顯的經(jīng)向阻隔作用[12].因此，以云嶺-哀牢山為界的東西地區(qū)在降雨等氣象條件上有顯著差異性[13-14].

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

通過(guò)對(duì)現(xiàn)代自然災(zāi)害類著作[2,15-16]以及云南地方志[17-18]和正史[19-20]等歷史文獻(xiàn)中旱災(zāi)與水災(zāi)的記錄，并結(jié)合前人相關(guān)的研究數(shù)據(jù)，獲得了云南地區(qū)近620年(1381-2000年)旱災(zāi)與水災(zāi)的記錄數(shù)據(jù)，其中有旱災(zāi)記錄的年份為342年，有水災(zāi)記錄的年份為431年.云嶺-哀牢山以東地區(qū)有縣(市)85個(gè)，受旱災(zāi)記錄的年份為330年，水災(zāi)413年；云嶺-哀牢山以西地區(qū)有縣(市)44個(gè)，受旱災(zāi)記錄的年份為121年，水災(zāi)211年.

2.2 分析方法

由于研究區(qū)常在一年中同時(shí)受旱災(zāi)和水災(zāi)的影響，而利用旱澇分級(jí)模式較難準(zhǔn)確的表述其旱澇同年的狀況[21].因此，為避免大范圍的旱澇同年導(dǎo)致在旱澇分級(jí)時(shí)所帶來(lái)的誤差和不確定性，文章通過(guò)對(duì)旱澇災(zāi)害發(fā)生區(qū)域的逐一統(tǒng)計(jì)，并結(jié)合受旱災(zāi)與水災(zāi)影響的區(qū)域比例，以確定該年的主要?dú)庀鬄?zāi)害類型[22].如受旱災(zāi)區(qū)域∶水災(zāi)區(qū)域>1，則以旱災(zāi)為主；反之，以水災(zāi)為主(比值<1).

利用距平值累計(jì)的方法確定旱災(zāi)與水災(zāi)的變化階段.該方法在計(jì)算時(shí)即假設(shè)存在N個(gè)元素的時(shí)間序列{xi，i=1，2，3，…，N}，第i個(gè)點(diǎn)的距平值累計(jì)的計(jì)算公式為：

(1)

滑動(dòng)t檢驗(yàn)用于確定距平值累計(jì)變化的突變點(diǎn)，其算法即在有N個(gè)元素的時(shí)間序列{xi，i=1，2，3，…，N}中選擇某一點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)，基準(zhǔn)點(diǎn)前后2個(gè)子序列為x1和x2，元素個(gè)數(shù)分別為N1和N2(一般N1=N2)，計(jì)算公式為：

(2)

其中：

(3)

公式中x1和x2為兩樣本平均值；N1和N2為兩樣本容量；s12和s22則是兩樣本的方差.其中，t服從N1+N2-2的分布，如果均值差異t超過(guò)顯著性水平α，則認(rèn)為發(fā)生突變.

3 結(jié)果與討論

3.1 云南地區(qū)旱澇災(zāi)害的變化

云南全域近620年，受不同程度旱災(zāi)影響的年份共342年，發(fā)生頻率為1.81年/次；而受不同程度的水災(zāi)影響有431年，頻率為1.44年/次.從受旱災(zāi)與水災(zāi)影響的區(qū)域來(lái)看，受不同程度的旱災(zāi)與水災(zāi)影響的縣(市)均呈波動(dòng)增加的趨勢(shì)，尤其是在1820年以來(lái). 其中，1988年受旱災(zāi)影響的范圍最大，為73縣(市)(圖1b)； 而1822年受水災(zāi)影響的范圍最大，為77縣(市)(圖1a).

圖1 云南近620年旱澇災(zāi)害的逐年縣(市)統(tǒng)計(jì)

a.距平值累計(jì)；b.滑動(dòng)t檢驗(yàn)

通過(guò)對(duì)云南近620年旱災(zāi)與水災(zāi)數(shù)據(jù)的距平值累計(jì)的計(jì)算發(fā)現(xiàn)，明顯存在5個(gè)下降階段和4個(gè)上升階段(圖2a)，而滑動(dòng)t檢驗(yàn)(P<0.01)也記錄了1546年、1644年、1746年、1765年、1849年、1867年、1961年及1984年等8個(gè)突變點(diǎn).據(jù)此，云南近620年旱澇災(zāi)害的變化階段即可分為9個(gè)階段，其中1381—1546年、1645—1746年、1766—1849年、1868—1961年和1985—2000年等5個(gè)階段以水災(zāi)為主；而1547—1644年、1747—1765年、1850—1867年和1962—1984年等 4個(gè)以旱災(zāi)為主的階段.

3.2 云嶺-哀牢山以東、以西地區(qū)的旱澇災(zāi)害變化特征

降水作為影響旱災(zāi)與水災(zāi)的主要因素，其變化特征受水汽來(lái)源影響較大，而云嶺—哀牢山以東、以西的地形差異深刻地影響著區(qū)域內(nèi)的環(huán)流模式與水汽輸送[23].因此，試圖以云嶺—哀牢山一線作為界線，分析以東、以西兩個(gè)區(qū)域近620年旱澇災(zāi)害的變化趨勢(shì)與階段性特征，以探討區(qū)域?qū)夂蜃兓鸟詈蠙C(jī)制.

圖3 云嶺-哀牢山東西區(qū)域近620年旱澇災(zāi)害縣(市)統(tǒng)計(jì)

a.云嶺-哀牢山以東距平值累計(jì)；b.云嶺-哀牢山以西距平值累計(jì)；c.云嶺哀牢山以東滑動(dòng)t檢驗(yàn)；d.云嶺-哀牢山以西滑動(dòng)t檢驗(yàn)

圖3顯示：在云嶺-哀牢山以東和以西地區(qū)，受不同程度水災(zāi)和旱災(zāi)的影響區(qū)域均呈增加的趨勢(shì).其中，云嶺-哀牢山以東地區(qū)在1943年受不同程度旱災(zāi)影響的區(qū)域最廣，共53縣(市)； 1822年受不同程度水災(zāi)影響區(qū)域最廣，共60縣(市)；而在以西地區(qū)，受不同程度旱災(zāi)的影響范圍最廣的年份是1982年，計(jì)23縣(市)；受不同程度水災(zāi)影響的范圍最廣的年份是1979年，計(jì)29縣(市).

距平值累計(jì)與滑動(dòng)t檢驗(yàn)(見(jiàn)圖4)(P<0.01)顯示了云嶺-哀牢山以東、以西地區(qū)旱澇災(zāi)害的變化階段.在云嶺-哀牢山以東地區(qū)，旱災(zāi)集中于1548—1622年、1751—1760年、1843—1886年和1962—1979年，水災(zāi)集中于1381—1547年、1623—1750年、1761—1842年、1887—1961年和1980—2000年(圖4a，圖4c)；而在以西地區(qū)，旱災(zāi)集中于1541—1747年、1855—1864年和1952—1970年，水災(zāi)集中于1381—1540年、1748—1854年、1865—1951年和1971—2000年(圖4b，圖4d).

3.3 云嶺-哀牢山東西區(qū)域旱澇災(zāi)害的對(duì)比分析

對(duì)比云嶺-哀牢山以東、以西地區(qū)受旱澇災(zāi)害影響的縣(市)數(shù)發(fā)現(xiàn)，620年以來(lái)云嶺-哀牢山以東地區(qū)受旱災(zāi)和水災(zāi)影響分別為2 050和3 176縣(市)，明顯高于以西地區(qū)的531和1 000縣(市)，同時(shí)以東地區(qū)旱澇災(zāi)害快速增加的時(shí)間點(diǎn)比以西地區(qū)早(圖3)，且受旱澇災(zāi)害影響的縣(市)占總縣(市)的比例也高于以西地區(qū).此外，明清以來(lái)以東地區(qū)比以西地區(qū)更深刻地受到人類活動(dòng)的影響[24-25].因此，更深刻的人類活動(dòng)與大的旱澇災(zāi)害比例是影響云嶺-哀牢山以東地區(qū)旱澇災(zāi)害的變化特征和云南全域更相近的可能性因素.

a.水災(zāi)比例的變化；b.旱災(zāi)比例的變化

同時(shí)，為了清楚的認(rèn)識(shí)云南及云嶺-哀牢山以東、以西地區(qū)的旱澇災(zāi)害與人類活動(dòng)、環(huán)境變化的關(guān)系，利用已有的云南人口變化[26]和云嶺-哀牢山以東、以西地區(qū)的湖泊記錄等相關(guān)研究成果[27-32]，并結(jié)合區(qū)域旱澇災(zāi)害的變化特征從以下方面展開(kāi)分析和討論.

對(duì)于云南全域來(lái)講，受旱澇災(zāi)害影響的縣(市)(圖6a)變化趨勢(shì)和云南人口數(shù)量(圖6b)的變化趨勢(shì)具有相似性，兩者均在1820年后開(kāi)始出現(xiàn)快速增長(zhǎng).快速的人口增長(zhǎng)帶來(lái)人類活動(dòng)的加劇，并伴隨著森林的砍伐與土地的退化，并導(dǎo)致旱澇災(zāi)害的形成[33-34].因此，云南地區(qū)在1820年后受旱澇災(zāi)害影響的范圍逐漸擴(kuò)大可能與快速的人口增長(zhǎng)有關(guān).

a.云南旱災(zāi)與水災(zāi)；b.云南人口數(shù)；c.以東地區(qū)距平值累計(jì)；d.洱海Rb/Sr；e.撫仙湖C/N；f.瀘沽湖磁化率；g.星云湖δ18O；h.以西地區(qū)距平值累計(jì)；i.天才湖Fe/Mn；j.騰沖青海湖粒度；k.天才湖磁化率；l.騰沖青海湖δ13C

在云嶺-哀牢山以東，星云湖δ18O(圖6g)顯示了在1820年以前與距平值累計(jì)(圖6c)變化趨勢(shì)的相似性，主要體現(xiàn)在以水災(zāi)為主的階段主要集中于δ18O偏負(fù)的階段，這說(shuō)明降水變化對(duì)旱澇災(zāi)害的影響.然而1820年以后旱澇災(zāi)害的變化并不與星云湖δ18O的變化相同，而撫仙湖所記錄的C/N(圖6e)與距平值累計(jì)顯示了該區(qū)域水災(zāi)主要集中在C/N上升的階段，旱災(zāi)相反.這主要和水災(zāi)所帶來(lái)更多的外源輸入有關(guān).因此，該區(qū)域旱澇災(zāi)害的變化主要受環(huán)境變化與人類活動(dòng)的影響，時(shí)間節(jié)點(diǎn)在1820年.此外，旱澇災(zāi)害在瀘沽湖磁化率(圖6f)的記錄中表征并不明顯，這可能和該時(shí)期弱風(fēng)化作用(圖6d)及滇西北相對(duì)滇中地區(qū)較小的人類活動(dòng)影響有關(guān).

而對(duì)于云嶺-哀牢山以西，對(duì)比發(fā)現(xiàn)旱澇災(zāi)害的變化(圖6h)在騰沖青海和天才湖的記錄(圖6i)當(dāng)中均能很好地表現(xiàn)出來(lái).結(jié)合云嶺-哀牢山以西旱澇災(zāi)害的變化與天才湖的湖泊環(huán)境記錄，發(fā)現(xiàn)水災(zāi)集中于湖泊處于高水位(圖6i)、質(zhì)量磁化率(圖6k)位于高值的階段，反之亦然.但在1850年以后磁化率并不隨湖泊水位升降而變化，這表明人類活動(dòng)已經(jīng)明顯地影響到該區(qū)域旱澇災(zāi)害的變化.此外620年以來(lái)騰沖青海粒度(圖6j)，δ13C(圖6l)的變化趨勢(shì)也與該地區(qū)旱澇災(zāi)害的變化在趨勢(shì)上更具有一致性.因此，該區(qū)域在1850年以后旱澇災(zāi)害的變化不僅受控于環(huán)境的變化，人類活動(dòng)也是一個(gè)重要的影響因素.

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)云南近620年旱澇災(zāi)害的變化趨勢(shì)與階段性特征的研究，對(duì)比分析了云嶺-哀牢山以東、以西地區(qū)旱澇災(zāi)害的變化與湖泊記錄，結(jié)果表明：

(1)云南近620年受旱澇災(zāi)害影響的縣(市)呈現(xiàn)出逐漸增多的趨勢(shì)，特別是在1820年以來(lái)，且受水災(zāi)影響的縣(市)多于旱災(zāi)，同時(shí)也具有明顯的階段性特征.

(2)近620年云嶺-哀牢山以東地區(qū)旱澇災(zāi)害的變化特征更接近于云南全域旱澇災(zāi)害的變化特征，這與該地區(qū)更深刻地受到人類活動(dòng)影響以及大的旱澇災(zāi)害比例有關(guān).

(3)云嶺-哀牢山以東、以西地區(qū)的湖泊沉積記錄表明：區(qū)域內(nèi)近620年旱澇災(zāi)害的變化受氣候變化與人類活動(dòng)的共同影響，特別是在19世紀(jì)以來(lái)由于人類活動(dòng)影響的加劇，區(qū)域內(nèi)的旱澇災(zāi)害也隨之愈發(fā)頻繁.

致謝：感謝史正濤教授在文章撰寫(xiě)過(guò)程中提出的寶貴意見(jiàn)和建議.