公元1500—2000年印度尼西亞—菲律賓 強(qiáng)火山噴發(fā)對中國中東部旱澇格局的影響*

張琨佳 陳思穎 蘇 筠

1北京師范大學(xué)環(huán)境演變與自然災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100875 2北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部，北京 100875

1 概述

火山活動(dòng)是天氣和氣候變化的重要自然驅(qū)動(dòng)因素。火山噴發(fā)對氣候的影響程度取決于火山的噴發(fā)強(qiáng)度、噴發(fā)物的總量和高度、噴出氣體和火山灰的化學(xué)組成等因素，以及火山噴發(fā)的季節(jié)、位置及其噴發(fā)后大氣層的環(huán)流模式。在中國，已有研究證實(shí)強(qiáng)火山噴發(fā)導(dǎo)致氣候在年際至年代際尺度上產(chǎn)生明顯的波動(dòng)(李靖和張德二，2005;Pengetal.， 2010)。通常認(rèn)為，火山活動(dòng)對氣溫的影響要比對降水的影響明顯得多(張先恭和張富國，1985)。由于影響降水量的氣候系統(tǒng)較為復(fù)雜，并且還有ENSO(El Nio-Southern Oscillation)等其他強(qiáng)因子影響，從中分離出火山活動(dòng)的影響有一定難度，但運(yùn)用時(shí)序疊加分析或數(shù)值模擬的方法，仍舊能夠從降水變化中檢測出火山信號。Gillett等(2004)利用平行氣候模型(parallel climate model,PCM)，結(jié)合觀測數(shù)據(jù)對過去 50年的降水量進(jìn)行分析，指出火山信號不僅能在降水變化中被檢測識別，還能從多種外強(qiáng)迫因子(太陽輻射、溫室氣體等)的共同作用中區(qū)分出來。關(guān)于火山噴發(fā)后的降水異常，基于歷史文獻(xiàn)的統(tǒng)計(jì)研究與數(shù)值模擬的結(jié)果存在較大分歧(李靖和張德二，2005)。

卓志紅等(2015)發(fā)現(xiàn)北半球火山氣溶膠的注入會(huì)導(dǎo)致中國降水持續(xù)2～3年的顯著減少，甚至可能導(dǎo)致中國發(fā)生干旱事件，且注入的氣溶膠量越多，這種干旱效應(yīng)越明顯。Peng等(2010)用氣候模型模擬了過去1000年中國東部夏季降水和強(qiáng)火山爆發(fā)之間的關(guān)系，認(rèn)為火山爆發(fā)當(dāng)年和次年，夏季風(fēng)減弱和熱帶水汽減少造成中國東部的降水明顯減少。此外，也有研究表明，干旱化并不是火山活動(dòng)對亞洲尤其是中國地區(qū)造成的氣候影響的常態(tài)，有些地區(qū)也可能出現(xiàn)濕潤化甚至強(qiáng)降水現(xiàn)象。如1980年St. Helens火山爆發(fā)后，當(dāng)年夏天中國北方地區(qū)遭受干旱，而長江中下游地區(qū)卻經(jīng)歷了近百年來持續(xù)時(shí)間最長的一次梅雨期(徐群，1986)。歷史文獻(xiàn)中的氣候記錄也顯示，火山噴發(fā)后中國的降水空間型可能具有南北差異。李靖等(2005)分析了過去1000年全球6個(gè)緯度區(qū)火山噴發(fā)對中國旱澇的影響，其結(jié)果較為復(fù)雜： 不同強(qiáng)度、不同地區(qū)、不同時(shí)間的火山噴發(fā)對旱澇空間型均有影響，但并不相同，總體而言火山噴發(fā)對中國長江流域和黃河流域的降水影響較明顯。可見，有必要區(qū)分不同區(qū)域的火山噴發(fā)探究其影響。

火山活動(dòng)驅(qū)動(dòng)天氣和氣候變化的途徑主要是將大量火山灰和含硫氣體注入平流層，經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)最終形成火山氣溶膠，改變大氣氣溶膠厚度，影響地球輻射平衡，從而引起氣候的波動(dòng)。由于氣溶膠具擴(kuò)散性質(zhì)，強(qiáng)火山噴發(fā)的氣候影響范圍可達(dá)全球，并能持續(xù)多年。對于溫度而言，火山氣溶膠對太陽直接輻射的削弱意味著地表實(shí)際接受的太陽能量減少，強(qiáng)火山噴發(fā)后地球表層氣溫下降的觀點(diǎn)已得到廣泛認(rèn)可。然而，對于火山噴發(fā)影響降水的機(jī)理，目前仍無一致結(jié)論。就短期效應(yīng)而言，火山活動(dòng)產(chǎn)生大量水汽可能造成局地降水，同時(shí)火山灰使大氣中吸濕性凝結(jié)核增加，對降水的發(fā)生和加強(qiáng)有催化作用(李靖和張德二，2005)。但如果火山灰過多導(dǎo)致凝結(jié)核過飽和，降水量反而可能會(huì)減少(Mass and Portman，1989)。從長期效應(yīng)和全球尺度來看，火山氣溶膠影響地—?dú)廨椛湎到y(tǒng)，間接地作用于大氣環(huán)流形態(tài)，從而可能引起降水量和降水分布的變化(李靖和張德二，2005)。對于亞洲、非洲的季風(fēng)區(qū)，受火山氣溶膠影響，火山噴發(fā)后到達(dá)地面的太陽輻射減少；由于海陸的比熱容差異，陸地降溫幅度比海洋更大。由此導(dǎo)致海陸之間的溫度梯度發(fā)生變化，從而影響季風(fēng)強(qiáng)度與降水量(Robock and Oppenheimer,2003; Ilesetal.， 2013)。Adams等(2003)的研究表明火山活動(dòng)也是引發(fā)El Nino事件的重要原因之一，強(qiáng)火山事件發(fā)生后的冬季，El Nino發(fā)生的幾率增加1倍。仍以1980年的St. Helens火山事件為例，火山爆發(fā)后北半球中緯度平流層至少有2～3個(gè)月為火山噴出的濃硫化氣云所環(huán)繞，導(dǎo)致了當(dāng)年中國長江流域及以北地區(qū)出現(xiàn)6—7月份的太陽直接輻射量小于5月份的現(xiàn)象；相應(yīng)地，西太平洋副高及其北緣的季風(fēng)雨帶在7—8月份異常偏南，導(dǎo)致了當(dāng)年夏天中國出現(xiàn)北旱南澇格局，以及江淮冷夏等反常天氣(徐群，1986)。

在以農(nóng)業(yè)文明為主的古代中國，年際尺度上的旱澇異常通常是引發(fā)糧食歉收、饑荒等社會(huì)經(jīng)濟(jì)破壞的主要原因。而中國氣候條件較為復(fù)雜，火山活動(dòng)引發(fā)的降水空間差異值得深究。在火山噴發(fā)與降水的關(guān)系機(jī)理尚不明晰的情況下，通過歷史時(shí)期長時(shí)段、多案例的統(tǒng)計(jì)分析，有可能逐步了解火山噴發(fā)對區(qū)域降水影響的特點(diǎn)乃至規(guī)律，為火山噴發(fā)與降水響應(yīng)的機(jī)理研究提供參照。

為了探究強(qiáng)火山噴發(fā)是否能夠干擾中國旱澇格局，作者以公元1500—2000年中國旱澇資料為數(shù)據(jù)，通過序列分析、時(shí)序疊加分析等方法，嘗試從旱澇序列中識別印度尼西亞—菲律賓一帶的強(qiáng)火山噴發(fā)信號，分析強(qiáng)火山噴發(fā)后中國旱澇在年際尺度上的時(shí)空變化特征及區(qū)域差異，為應(yīng)對未來火山爆發(fā)后可能出現(xiàn)的降水異常提供參考。

2 數(shù)據(jù)來源與方法

2.1 火山數(shù)據(jù)來源與分析

參考張富國和張先恭(1994)的方案，即考慮環(huán)流形勢與火山噴發(fā)物質(zhì)擴(kuò)散路徑的關(guān)系，可將全球強(qiáng)火山爆發(fā)地點(diǎn)劃分為8個(gè)區(qū)域。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，1500—2000年期間，除了Ⅷ區(qū)(坦桑尼亞—布韋島一帶)，其余7個(gè)區(qū)域均有強(qiáng)火山噴發(fā)(圖 1)。其中Ⅰ區(qū) 52次，Ⅱ區(qū) 48次，Ⅲ區(qū)27次，Ⅳ區(qū) 15次，Ⅴ區(qū) 39次，Ⅵ區(qū) 8次，Ⅶ區(qū) 7次。

Ⅰ區(qū)： 印度尼西亞—菲律賓一帶，Ⅱ區(qū)： 堪察加半島—琉球群島一帶，Ⅲ區(qū)： 冰島—地中海一帶，Ⅳ區(qū)： 阿拉斯加—圣弗蘭西斯科一帶， Ⅴ區(qū)： 墨西哥—秘魯一帶，Ⅵ區(qū)： 阿根廷一帶，Ⅶ： 瓦努阿圖—新西蘭一帶圖 1 公元1500—2000年世界強(qiáng)火山噴發(fā)地點(diǎn)及分區(qū)圖Fig.1 Location and zoning map of large volcanic eruptions during AD 1500-2000

過去500年印度尼西亞—菲律賓一帶(圖1，Ⅰ區(qū))是強(qiáng)火山噴發(fā)次數(shù)最多的區(qū)域，共有52次，所占比例超過同期全球強(qiáng)火山事件總量的四分之一(圖2)。涉及 32座火山，火山位置主要在印度尼西亞、巴布亞新幾內(nèi)亞、菲律賓及其附近海域，屬低緯度地區(qū)，范圍為104.3～155.2°E，9°S～24.6°N。該區(qū)域地處環(huán)太平洋火山帶，是火山最為密集的地區(qū)之一，并且常有較大規(guī)模的強(qiáng)火山事件發(fā)生。與同樣位處中國鄰域的Ⅱ區(qū)相比，Ⅰ區(qū)的火山爆發(fā)規(guī)模更大，有4次VEI為6的噴發(fā)和1次VEI為7的噴發(fā)。位于印度尼西亞的Tambora火山于1812年開始噴發(fā)，1815年活動(dòng)最為劇烈，其VEI等級達(dá)到7，是至今為止有記錄的爆發(fā)指數(shù)最高的火山事件，造成的死亡人數(shù)超過9萬人。1991年的Pinatubo火山爆發(fā)同樣延續(xù)多年，并造成了大規(guī)模影響。強(qiáng)火山噴發(fā)后大量火山氣溶膠進(jìn)入平流層，可在全球較大范圍內(nèi)以較快速度擴(kuò)散。由于Ⅰ區(qū)火山噴發(fā)次數(shù)最多、規(guī)模最大，且位于中國鄰域，因此首先選擇該區(qū)域的強(qiáng)火山噴發(fā)作為外強(qiáng)迫因子，分析強(qiáng)火山噴發(fā)信號是否可以在中國中東部的旱澇序列中被識別出來，該區(qū)的火山噴發(fā)是如何影響中國中東部的旱澇格局的，并選擇1815年的Tambora火山噴發(fā)事件進(jìn)行案例分析。

2.2 旱澇資源來源及分區(qū)

中國過去500年的旱澇資料來自于中國氣象局出版的《中國近五百年旱澇分布圖集》(后文簡稱《圖集》)，該資料由史料輯錄和現(xiàn)代觀測記錄入手，將有關(guān)資料換算成旱澇等級值?！秷D集》覆蓋的時(shí)間范圍是1470—1979年，此后張德二等又先后發(fā)表 2篇論文，分別補(bǔ)充了1980—1992年、1993—2000年的旱澇等級數(shù)據(jù)(張德二和劉傳志，1993；張德二等，2003)。據(jù)此，建立了公元1470—2000年中國120個(gè)站點(diǎn)的旱澇等級序列。旱澇等級值采用5個(gè)等級表示各地的降水情況： 1級為澇，2級為偏澇，3級為正常，4級為偏旱，5級為旱；等級劃定的標(biāo)準(zhǔn)視參考的資料而定。為了減少記錄缺失帶來的影響，作者選擇在整個(gè)記錄時(shí)段旱澇等級值序列完整度不低于80%的站點(diǎn)作為研究的代表站點(diǎn)，并且考慮站點(diǎn)在空間分布上盡可能均勻分布，最終保留45個(gè)代表站點(diǎn)的旱澇等級序列。

為便于分析旱澇分布的空間集聚特征，將45個(gè)代表站點(diǎn)進(jìn)行區(qū)域劃分，劃分標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)中國主要的旱澇空間型的分布特征及區(qū)域范圍。王紹武和趙宗慈(1979)通過對近500年旱澇史料的正交經(jīng)驗(yàn)函數(shù)分析，得到中國典型旱澇空間型，基本概括了中國的降水空間分布特點(diǎn)：

圖 2 公元1500—2000年印度尼西亞—菲律賓的強(qiáng)火山噴發(fā)次數(shù)Fig.2 Statistics of large volcanic eruptions in Indonesia-Philippines during AD 1500-2000

1a型： 全國偏澇，重點(diǎn)在長江流域；

1b型： 長江流域偏澇，華南、華北各有1個(gè)干旱帶；

2型： 華南多雨，華北少雨；

3型： 長江流域少雨，華南、華北各有1個(gè)雨帶；

4型： 華南少雨，華北多雨；

5型： 全國偏旱。

根據(jù)旱澇典型空間型所指示的主要雨帶，可以進(jìn)一步分為華北地區(qū)、長江流域、華南地區(qū)3個(gè)典型區(qū)域。按照3個(gè)區(qū)域的范圍，將45個(gè)代表站點(diǎn)進(jìn)行分區(qū)歸類，其中華北地區(qū)有22個(gè)站點(diǎn)，長江流域有17個(gè)站點(diǎn)，華南地區(qū)有6個(gè)站點(diǎn)(圖 3)。

底圖來源：1︰100萬全國基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫(http://www.webmap.cn)圖 3 公元1500—2000年中國中東部地區(qū) 旱澇代表站點(diǎn)分布及分區(qū)Fig.3 Distribution and zoning of drought-flood typical sites in central and eastern China during AD 1500-2000

在此基礎(chǔ)上，分別計(jì)算1500—2000年華北地區(qū)、長江流域和華南地區(qū)3個(gè)典型區(qū)域代表站點(diǎn)每年旱澇等級值的均值，作為各個(gè)典型區(qū)域當(dāng)年的旱澇等級值。3個(gè)區(qū)域分別以各自過去500年的旱澇等級值的平均值為基準(zhǔn)，計(jì)算每1年的距平值，以此得到3個(gè)地區(qū)的旱澇等級距平序列(圖 4)。

圖 4 公元1500—2000年中國三大典型區(qū)域旱澇等級距平值序列Fig.4 Anomaly sequence of drought-flood value in three typical regions of China during AD 1500-2000

在研究印度尼西亞—菲律賓區(qū)域強(qiáng)火山噴發(fā)的同時(shí)，作者選擇1815年VEI為7的Tambora火山噴發(fā)為案例，探討極強(qiáng)火山噴發(fā)后中國旱澇的空間分布特點(diǎn)。此部分除了以《圖集》為旱澇資料外，還摘錄中國氣候?qū)W家張德二主編的《中國三千年氣象記錄總集》(張德二，1994)中的氣象記錄作為補(bǔ)充資料?！吨袊隁庀笥涗浛偧肥占俗约坠俏淖忠詠?000年間各種有關(guān)氣象的文字記載，包括地方志、紀(jì)傳體史籍等，其中以清代最為詳實(shí)。體例為編年體，空間分辨率可到現(xiàn)今縣級行政單位，可為重建旱澇空間型提供細(xì)節(jié)信息。

2.3 時(shí)序疊加分析法

研究采用火山氣候?qū)W常用的方法——時(shí)序疊加分析法(super epoch analysis)。時(shí)序的分解實(shí)質(zhì)上是設(shè)法去掉趨勢主部，保留隨機(jī)項(xiàng)；在獲得時(shí)序數(shù)據(jù)的隨機(jī)項(xiàng)之后，時(shí)序分析提出了各種模型假設(shè)，分析隨機(jī)項(xiàng)的當(dāng)前值與過去值、后序值之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系。時(shí)序疊加分析法可以將在背景噪音下難以察覺到的火山信號分離出來，過濾掉其他自然外強(qiáng)迫因子(尤其是ENSO)的干擾，從而體現(xiàn)火山活動(dòng)對氣候的影響。該方法首先要確定火山噴發(fā)的關(guān)鍵年，然后將時(shí)間序列劃分為以關(guān)鍵年為中心的子序列，并重新定義關(guān)鍵年前后的年份數(shù)值；而后，對這些子序列進(jìn)行疊加和平均，并作統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)。由此，與火山噴發(fā)關(guān)鍵年相對應(yīng)的氣候效應(yīng)顯現(xiàn)出來，而噪聲則被抵消(李曉東等，1993；Breitenmoseretal.，2011)。文中時(shí)序疊加分析研究分為3部分內(nèi)容。

1)將發(fā)生在印度尼西亞—菲律賓一帶的火山噴發(fā)事件第0年作為疊加分析的“關(guān)鍵年”，分別計(jì)算關(guān)鍵年及其后第1、2、3年各個(gè)站點(diǎn)旱澇等級值的平均值，與關(guān)鍵年前5年平均旱澇值進(jìn)行差值比較，若差值大于0，則說明火山噴發(fā)后該站點(diǎn)變旱，若差值小于0則變澇；同時(shí)分別將關(guān)鍵年及其后第1、2、3年的旱澇等級值序列與關(guān)鍵年前5年的旱澇等級值序列進(jìn)行關(guān)聯(lián)樣本wilcoxon符號秩檢驗(yàn)，如若通過檢驗(yàn)，則說明火山對此站點(diǎn)旱澇的影響顯著。

世界火山年表記錄了每次火山噴發(fā)的具體起止日期，但存在記錄缺失和不確定的情況。考慮到中國大部分地區(qū)屬季風(fēng)性氣候，降水基本集中在夏季，同時(shí)，火山噴發(fā)后硫酸鹽氣溶膠一般在3～6個(gè)月內(nèi)形成并在平流層內(nèi)擴(kuò)散至全球，因此在討論強(qiáng)火山噴發(fā)對中國旱澇分布的0～3年年際影響時(shí)，根據(jù)噴發(fā)時(shí)間不同，“第0年”(即關(guān)鍵年)的界定標(biāo)準(zhǔn)也有所不同。對于1—9月份發(fā)生或者無法考證具體日期的火山事件，噴發(fā)后第0年從噴發(fā)當(dāng)年算起；

表 1 印度尼西亞—菲律賓一帶強(qiáng)火山噴發(fā)后中國中東部站點(diǎn)旱澇變化情況統(tǒng)計(jì)Table1 Statistics for changes in drought and flood at sites in central and eastern China after large volcanic eruptions in Indonesia-Philippines

對于10—12月份發(fā)生的火山事件，按照氣溶膠的形成規(guī)律，其產(chǎn)生的氣候效應(yīng)可能發(fā)生在次年，因此噴發(fā)后第0年則從噴發(fā)次年算起；火山噴發(fā)時(shí)間超過1年的，一般情況下只考慮噴發(fā)第1年的氣候效應(yīng)。若歷史資料明確表明最大噴發(fā)年份不是第0年的，則以歷史記錄的最大噴發(fā)年作為第0年，如1812年開始噴發(fā)的Tambora火山，最大噴發(fā)年份為1815年，則第0年按1815年計(jì)算。

2)根據(jù)華北地區(qū)、長江流域和華南地區(qū)3個(gè)區(qū)域的旱澇等級序列，分別計(jì)算印度尼西亞—菲律賓一帶強(qiáng)火山噴發(fā)事件前后5年，3個(gè)典型區(qū)域每一年的旱澇等級值平均值，并做標(biāo)準(zhǔn)化處理，以柱形圖表示差值大小變化，由此可以比較印度尼西亞—菲律賓一帶強(qiáng)火山噴發(fā)前5年至噴發(fā)后5年中國3個(gè)地區(qū)的旱澇等級值的變化差異。

3)計(jì)算印度西尼亞—菲律賓一帶強(qiáng)火山噴發(fā)后0～3年3個(gè)典型區(qū)域旱澇等級值與過去500年旱澇平均值之間的差值，根據(jù)差值大小確定當(dāng)年相對于長期平均狀態(tài)的旱澇屬性，以此確定中國的旱澇空間型，分析不同強(qiáng)火山噴發(fā)后中國旱澇空間型的差異。

3 結(jié)果與分析

3.1 印度尼西亞—菲律賓一帶強(qiáng)火山噴發(fā)后中國中東部地區(qū)的旱澇年際變化

據(jù)統(tǒng)計(jì)(表1)，1500—2000年印度尼西亞—菲律賓一帶共有52次強(qiáng)火山噴發(fā)，涉及32座火山。就百年尺度來看，16世紀(jì)有4次噴發(fā)，17世紀(jì)有9次，18世紀(jì)有4次噴發(fā)，19世紀(jì)有13次，20世紀(jì)有22次。按照研究方法中對關(guān)鍵年的定義，1500—2000年該區(qū)火山噴發(fā)共有45個(gè)關(guān)鍵年。

火山噴發(fā)關(guān)鍵年(第0年)，45個(gè)站點(diǎn)中偏澇的站點(diǎn)有27個(gè)，偏旱的有17個(gè)(表1)，1個(gè)站點(diǎn)差值為0。偏澇的站點(diǎn)集中在華北地區(qū)和長江流域，偏旱的站點(diǎn)集中在長江流域和華南地區(qū)(圖5-a)。分地區(qū)來看，華北地區(qū)22個(gè)站點(diǎn)中有17個(gè)站點(diǎn)偏澇，其中太原、臨汾、邯鄲和菏澤的旱澇等級值差值絕對值大于0.2，臨沂、榆林、延安和西安的差值絕對值大于0.1；4個(gè)站點(diǎn)偏旱，但變化幅度較小，差值均未超過0.1。長江流域17個(gè)站點(diǎn)中有10個(gè)站點(diǎn)偏澇，其中杭州偏澇幅度最大，已通過置信度為95%的關(guān)聯(lián)樣本顯著性檢驗(yàn)，即關(guān)鍵年前后變化顯著；阜陽、寧波和武漢的旱澇等級值差值絕對值也大于0.2；7個(gè)變旱的站點(diǎn)中，安慶、金華、上饒和江陵的旱澇等級值差值超過0.1，其余站點(diǎn)變化幅度不大；華南地區(qū)的6個(gè)站點(diǎn)均變旱，且前后差值基本都在0.1以上，其中郴州的差值超過了0.3，但在關(guān)聯(lián)樣本檢驗(yàn)中，關(guān)鍵年前后旱澇程度的差異卻并不顯著。

底圖來源：1︰100萬全國基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫(http://www.webmap.cn)圖 5 印度尼西亞—菲律賓一帶強(qiáng)火山噴發(fā)后第0—3年中國中東部地區(qū)各站點(diǎn)旱澇變化情況Fig.5 Changes in the drought-flood grade of the various sites in central and eastern China in the three years after volcanic eruptions in Indonesia-Philippines

火山噴發(fā)后第1年，45個(gè)站點(diǎn)中有30個(gè)偏澇，15個(gè)偏旱，偏澇的占多數(shù)，并且同第0年一樣，主要集中在華北地區(qū)和長江流域(表1，圖5-b)。華北地區(qū)20個(gè)站點(diǎn)偏澇，其中臨汾和西安明顯變澇，通過置信度為95%的關(guān)聯(lián)樣本顯著性檢驗(yàn)，兩站點(diǎn)附近的洛陽、安康、漢中和太原旱澇等級值差值絕對值也在0.2以上；2個(gè)站點(diǎn)偏旱，但變化幅度均較小。長江流域變旱和變澇的站點(diǎn)數(shù)量基本相當(dāng)，17個(gè)站點(diǎn)中有9個(gè)站點(diǎn)偏旱，其中安慶、黃山和金華的旱澇等級值差值在0.2以上；8個(gè)變澇的站點(diǎn)中，上饒變化幅度相比其余站點(diǎn)較大。6個(gè)華南地區(qū)站點(diǎn)中，吉安和贛州變澇，差值絕對值大于0.1；4個(gè)變旱的站點(diǎn)中，郴州和桂林的變化幅度較大，尤其郴州的差值超過0.2，梧州和南寧的變化幅度很小。

a—華北地區(qū)；b—長江流域；c—華南地區(qū)圖 6 強(qiáng)火山噴發(fā)后三大典型區(qū)域旱澇等級值時(shí)序疊加分析結(jié)果Fig.6 Superposed epoch analysis results of the drought-flood grade sequences of three typical regions after large volcanic eruptions in Indonesia-Philippines

火山噴發(fā)后第2年，所有站點(diǎn)中31個(gè)站點(diǎn)偏澇，14個(gè)偏旱，偏澇仍然占多數(shù)(表1，圖5-c)。華北地區(qū)22個(gè)站點(diǎn)中16個(gè)偏澇，其中洛陽的旱澇等級值差值絕對值超過0.4，通過置信度為95%的關(guān)聯(lián)樣本顯著性檢驗(yàn)；太原、邯鄲、榆林、西安和鄖縣的旱澇等級值差值也在-0.2左右；6個(gè)偏旱的站點(diǎn)中，變化幅度較大的是北京、唐山和萊陽，但其差值僅在0.1左右。長江流域17個(gè)站點(diǎn)中，有10個(gè)站點(diǎn)偏澇，其中杭州的變化幅度最大，旱澇等級值差值絕對值超過0.3；阜陽的差值絕對值在0.1以上；7個(gè)站點(diǎn)偏旱的站點(diǎn)中，合肥的旱澇等級值差值超過0.2，揚(yáng)州、江陵和蘇州的差值在0.1左右，其余變化很小。華南地區(qū)僅梧州偏旱，且偏旱的幅度極??；偏澇的站點(diǎn)中，郴州的旱澇等級值差值絕對值將近0.2，其余的差值絕對值未大于0.1。

噴發(fā)后第3年，各站點(diǎn)的旱澇形勢出現(xiàn)了與前幾年不同的變化，45個(gè)站點(diǎn)中31個(gè)站點(diǎn)偏旱，偏澇的站點(diǎn)僅零星分布在華北地區(qū)和長江流域(表1，圖5-d)。華北地區(qū)有14個(gè)站點(diǎn)偏旱，漢中的變化通過置信度為95%的關(guān)聯(lián)樣本顯著性檢驗(yàn)，明顯變旱；德州、西安和安康的旱澇等級值差值在0.2以上，臨汾、菏澤和洛陽的差值也超過了0.1；偏澇的8個(gè)站點(diǎn)除北京外變化幅度均較小。長江流域地區(qū)，17個(gè)站點(diǎn)中有11個(gè)站點(diǎn)偏旱，其中合肥的旱澇等級值差值為0.28，金華、江陵和岳陽的差值超過0.1，但是其余站點(diǎn)的變化幅度并不大；變澇的6個(gè)站點(diǎn)中，蘇州、上海、上饒和長沙的差值絕對值均大于0.1。華南地區(qū)所有站點(diǎn)均變旱，其中吉安和桂林的變化幅度較大，其余站點(diǎn)變化較小。

總的來看，1500—2000年印度尼西亞—菲律賓一帶的強(qiáng)火山噴發(fā)后第0—3年大部分年份偏澇站點(diǎn)個(gè)數(shù)是多于偏旱站點(diǎn)的，在第0—2年偏澇站點(diǎn)越來越多，在第3年突然反轉(zhuǎn)為偏旱站點(diǎn)更多。在所有站點(diǎn)中，變幅最大的站點(diǎn)集中分布于華北地區(qū)西南部，即洛陽、臨汾、安康、西安和漢中，并且這些站點(diǎn)的年際變化趨勢具有同向性，即火山爆發(fā)后第0年至第2年偏澇或向澇的方向逐漸轉(zhuǎn)變，第3年驟然轉(zhuǎn)旱。這與整個(gè)華北地區(qū)乃至全國的總體變化趨勢是一致的。其中，西安和臨汾在第1年通過了置信度為95%的關(guān)聯(lián)樣本顯著性檢驗(yàn)，洛陽和漢中則分別在第2年、第3年通過置信度為95%的關(guān)聯(lián)樣本顯著性檢驗(yàn)，說明印度尼西亞—菲律賓一帶的強(qiáng)火山噴發(fā)對華北地區(qū)西南部的旱澇影響比較顯著。此外，長江流域的杭州也是對該區(qū)火山噴發(fā)比較敏感的站點(diǎn)。

3.2 印度尼西亞—菲律賓一帶強(qiáng)火山噴發(fā)后中國不同區(qū)域旱澇變化對比分析

圖 6展示的是中國華北、長江流域、華南三大典型區(qū)域在印度尼西亞—菲律賓一帶強(qiáng)火山活動(dòng)前后 5年旱澇等級值時(shí)序疊加分析結(jié)果。數(shù)據(jù)已做 z-score 標(biāo)準(zhǔn)化處理，即每一年的數(shù)值表示該年旱澇等級值與前后 5年整體旱澇等級值均值之間相差的標(biāo)準(zhǔn)差個(gè)數(shù)。印度尼西亞—菲律賓一帶強(qiáng)火山噴發(fā)后一段時(shí)間內(nèi)，三大典型區(qū)域的旱澇變化并不完全相同。噴發(fā)前5年，華北和長江流域地區(qū)在小幅度偏旱的趨勢中上下波動(dòng)，華南地區(qū)則以偏澇為主，噴發(fā)后華北、華南地區(qū)分別出現(xiàn)了由旱轉(zhuǎn)澇、由澇轉(zhuǎn)旱的變化，其中華北地區(qū)在噴發(fā)后第1年、華南地區(qū)在噴發(fā)第0年通過了95%置信水平檢驗(yàn)?；鹕絿姲l(fā)對這2個(gè)區(qū)域的影響大概持續(xù)了2～3年，隨后2個(gè)區(qū)域均恢復(fù)了噴發(fā)前的旱澇趨勢。相比之下，長江流域在火山噴發(fā)前后尤其第0—3年內(nèi)，沒有出現(xiàn)明顯的變化?？偟膩碚f，強(qiáng)火山噴發(fā)后，中國各區(qū)域尤其是華北地區(qū)和華南地區(qū)可檢測出較為明顯的變化信號，且變化趨勢多數(shù)與噴發(fā)前的旱澇特征相反，有急轉(zhuǎn)現(xiàn)象出現(xiàn)。

前文主要從時(shí)空變化的角度，著重分析了強(qiáng)火山噴發(fā)前后中國旱澇的變化情況，即噴發(fā)后與噴發(fā)前相比是旱還是澇。而事實(shí)上，盡管有些地區(qū)在噴發(fā)后比噴發(fā)前明顯偏旱或澇，但旱或澇的程度與長時(shí)段的平均狀態(tài)相比，可能也并不屬于嚴(yán)重的旱澇現(xiàn)象。為了解決這個(gè)問題，作者計(jì)算了印度尼西亞—菲律賓一帶強(qiáng)火山噴發(fā)后第0—3年每一年中國3個(gè)區(qū)域旱澇等級距平值的平均值，并做均值比較分析，以此來定義3個(gè)區(qū)域相對于1500—2000年平均狀況的旱澇屬性，并確定各區(qū)強(qiáng)火山噴發(fā)后中國每年的旱澇空間型(表 2)。

表 2 印度尼西亞—菲律賓一帶強(qiáng)火山噴發(fā)后3個(gè)典型區(qū)域的旱澇距平平均值及所對應(yīng)的中國旱澇空間型

Table2 Average drought-flood grade anomalies of three typical regions after large volcanic eruptions in Indonesia-Philippines and the corresponding spatial drought-flood pattern in China

時(shí)間旱澇距平平均值旱澇空間型華北地區(qū)長江流域地區(qū)華南地區(qū)第0年-0.041?0.0330.196??4(華北多雨,華南少雨)第1年-0.098?0.091?0.130?4(華北多雨,華南少雨)第2年-0.026?0.045-0.054?3(華北華南多雨,長江流域偏旱)第3年0.141?0.120?0.0385(全國性的偏旱)

注： 旱澇距平平均值大于0表示相對于整體水平偏旱，小于0表示相對于整體水平偏澇；*表示與時(shí)序疊加分析的旱澇趨勢一致，**表示在一致的基礎(chǔ)上還在均值比較分析中通過了置信度為90%的顯著性檢驗(yàn)；旱澇空間型是參照王紹武和趙宗慈(1979)對中國6種主要旱澇空間型的定義確定。

結(jié)合前文內(nèi)容來看，印度尼西亞—菲律賓強(qiáng)火山噴發(fā)后大部分年份相對于整體水平的旱澇屬性與時(shí)序疊加的結(jié)果相一致，尤其是華北地區(qū)。但是在均值比較分析中，沒有出現(xiàn)可通過置信度為95%的顯著性檢驗(yàn)的情況，僅有第0年的華南地區(qū)旱澇變化通過置信度為90%的顯著性檢驗(yàn)。這說明強(qiáng)火山活動(dòng)所引起的旱澇變化信號雖然可在1500—2000年的整體變化中被識別，但不夠明顯。

在以往的研究中，基于歷史文獻(xiàn)的統(tǒng)計(jì)研究與數(shù)值模擬的結(jié)果存在較大分歧。對于中國地區(qū)，數(shù)值模擬的結(jié)果大多顯示火山噴發(fā)會(huì)引起中國東部降水的減少，甚至可能導(dǎo)致干旱事件(卓志紅，2015；Pengetal.， 2010)。而利用歷史文獻(xiàn)的統(tǒng)計(jì)研究所得到的結(jié)論則更為復(fù)雜，同時(shí)顯示了降水空間格局的細(xì)節(jié)變化。早在20世紀(jì)90年代，張富國和張先恭進(jìn)行火山與降水的關(guān)系研究時(shí)就考慮了火山位置這一影響因素，將全球強(qiáng)火山爆發(fā)地點(diǎn)分為8個(gè)區(qū)域(文中也采用相同的分區(qū)方案)。分析顯示，印尼—菲律賓區(qū)上半年強(qiáng)火山爆發(fā)后當(dāng)年和次年中國夏季易出現(xiàn)南旱北澇，這和文中的研究結(jié)果是一致的(張富國和張先恭，1994)。李靖分析了近500年全球不同緯度區(qū)的火山噴發(fā)對中國旱澇的影響，結(jié)果表明在北半球低緯度的火山噴發(fā)后的第0年至第3年，中國東部地區(qū)出現(xiàn)過3種降水空間型： 南旱北澇、全國少雨和南北澇長江旱(李靖，2005)。這與文中對降水空間型的分析是一致的，但各降水型出現(xiàn)的先后順序有所差別。劉永強(qiáng)等(1993)將強(qiáng)火山活動(dòng)分為低緯和中高緯2種類型，指出低緯火山爆發(fā)當(dāng)年，華北及華南降水就可能出現(xiàn)較大的負(fù)距平，而長江流域降水在次年可能明顯偏多，這與文中華北多雨、華南少雨的空間格局存在一定差異。

3.3 1815年Tambora火山噴發(fā)后中國的旱澇響應(yīng)

1815年4月5日，印度尼西亞松巴哇島的Tambora火山(8.25°S，118°E)發(fā)生強(qiáng)烈噴發(fā)，大面積的火山爆發(fā)直到當(dāng)年7月中旬才停止，規(guī)模之大以至于全球多地氣候有所響應(yīng)(王默存，2005)，如歐洲暴雨成災(zāi)、北美洲出現(xiàn)嚴(yán)寒等。中國多地出現(xiàn)了低溫現(xiàn)象，如嘉慶二十至二十二年云南低溫導(dǎo)致農(nóng)作物大幅歉收(楊煜達(dá)等，2005)，黃渤海海水低溫使得喜冷的黃海鯡旺發(fā)(李玉尚，2009)等。對于中國旱澇的變化，從Tambora火山噴發(fā)后0～3年間(1815—1818年)中國旱澇事件的記錄中來看，大部分年份澇事件的記錄要遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于旱事件的記錄(圖7)。

底圖來源：1︰100萬全國基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫(http://www.webmap.cn)圖 7 印度尼西亞1815年Tambora火山噴發(fā)后第0—3年中國中東部地區(qū)旱澇事件發(fā)生地分布 (數(shù)據(jù)來源于張德二， 1994: 《中國三千年氣象記錄總集》)Fig.7 Distribution map of central and eastern China’s drought and flood events in the three years after the eruption of the Tambora Volcano in 1815 in Indonesia(data source: A collection of meteorological records for the past 3000 years in China by Zhang，1994)

1815年Tambora火山噴發(fā)當(dāng)年，中國降水增多、洪澇事件分布的范圍較廣： 山西南部多地出現(xiàn)多雨，如平陸縣和永濟(jì)縣都出現(xiàn)了“八月陰雨連綿四旬”(1)光緒《平陸縣續(xù)志》卷下雜志；光緒《虞鄉(xiāng)縣志》卷十一藝文。的情況；河南和山東也有多地在夏季發(fā)生“大水”“霖雨”(2)同治《滑縣志》卷十一祥異；嘉慶《密縣志》卷十五祥異；光緒《嶧縣志》卷十五災(zāi)祥；民國《德縣志》卷二紀(jì)事；道光《長清縣志》卷十六祥異。；長江流域以北的安徽、江蘇等地也多有洪澇事件發(fā)生，揚(yáng)州和高郵“秋大水”(3)同治《續(xù)纂揚(yáng)州府志》卷二十四祥異；道光《續(xù)增高郵州志》第六冊災(zāi)祥。，巢湖、和縣、懷遠(yuǎn)和南陵等地均有“大(雨)水”(4)道光《巢縣志》卷十七祥異；光緒《直隸和州志》卷三十七祥異；嘉慶《懷遠(yuǎn)縣志》卷九五行；民國《南陵縣志》卷四十八祥異。的記錄；此外，較少有記錄的四川地區(qū)也在這一年出現(xiàn)了多起洪澇事件，廣漢、彭山和犍為在夏季有“河水泛漲”(5)嘉慶《漢州志》卷四藝文?；蛘摺按笏?6)民國《彭山紀(jì)年》正編；民國二十六年《犍為縣志》卷八雜志。的事件發(fā)生。相比之下，發(fā)生旱事件的地點(diǎn)較為分散，多分布在東南沿?；蛘邇?nèi)陸地區(qū)。浙江和福建境內(nèi)有多起旱事件，其中福建干旱程度更大，晉江夏季“大旱三個(gè)月”(7)道光《晉江縣志》卷七十四祥異。，長樂“春夏不雨，早稻絕收”(8)同治《長樂縣志》卷二祥異。。總體來說，1815年中國華北、長江流域北部以澇事件居多，華南尤其是東南沿海多發(fā)生旱事件(圖7-a)。

1816年，中國北澇南旱的格局更加明顯(圖7-b)。河南、山東交界地區(qū)頻發(fā)澇事件，山東棗莊“春霖雨，自正月至于六月”(9)光緒《嶧縣志》卷十五災(zāi)祥。，河南密縣同樣“春夏霪雨”(10)嘉慶《密縣志》卷十五祥異。，此外新泰、章丘、?？h和郟縣等多地均有明確的夏季“大水”“大雨”(11)光緒增刻乾隆《新泰縣志》卷七災(zāi)祥；道光《章邱縣志》卷一災(zāi)祥；光緒《續(xù)浚縣志》卷三祥異；同治《郟縣志》卷十雜事。記錄，甚至造成嚴(yán)重的澇災(zāi)，使“麥盡黑朽不能食”(12)同治《郟縣志》卷十雜事。

。長江中游地區(qū)湖南、湖北和江西交界處也是澇事件的集中地，其中湖南澇事件多發(fā)生在春夏之交，如平江、湘鄉(xiāng)、耒陽和新寧等地均是“(夏)四月大(雨)水”(13)同治《平江縣志》卷五十祥異；嘉慶《湘鄉(xiāng)縣志》卷十祥異；道光《耒陽縣志》卷二十二祥異；道光《新寧縣志》卷三十一祥異。；江西澇事件也以春夏居多，多有“春大水”“五月大水”(14)同治《崇仁縣志》卷十祥異；嘉慶《彭澤縣志》卷十五祥異；道光《高安縣志》卷二十二祥異。的記錄；而湖北多數(shù)記錄沒有明確的季節(jié)信息，大冶、漢川、鄂州和仙桃等地僅有“大水”(15)同治《大冶縣志》卷八祥異；道光《漢川縣志》祥祲；光緒《武昌縣志》卷十祥異；光緒《沔陽州志》卷一祥異。字樣描述。這一年旱事件的發(fā)生出現(xiàn)了較為明顯的集中現(xiàn)象，基本分布在長江流域以南以及華南地區(qū)，湖南、江西和浙江最多(圖7-b)，且多在夏秋季節(jié)發(fā)生。

1817年，旱澇事件的分布地出現(xiàn)了反轉(zhuǎn)，最明顯的在于旱事件集中分布在華北地區(qū)(圖7-c)。河北多地出現(xiàn)了嚴(yán)重的旱情，靈壽“正月至十月不雨”(16)同治《靈壽縣志》卷三災(zāi)祥。，涿鹿、東光和平山等地“大旱”或者“夏旱”(17)道光《保安州志》卷一祥異；光緒《東光縣志》卷十一祥異；咸豐《平山縣志》卷一災(zāi)祥。，陽原、固安、深縣和武強(qiáng)等地“秋旱”(18)同治《西寧新志》卷一災(zāi)祥；咸豐《固安縣志》卷八藝文；道光《深州直隸州志》卷末禨祥；道光《武強(qiáng)縣志重修》卷十禨祥。；山西多地也有“旱”或者“夏秋旱”(19)光緒《清源鄉(xiāng)志》卷十六祥異；光緒《廣靈縣志》卷一方域；同治《陽城縣志》卷十八災(zāi)祥；光緒《沁水縣志》卷十祥異。的記錄。除了華北地區(qū)旱情較為嚴(yán)重，云南也有多地有旱情記錄，而其他旱事件的發(fā)生地零星地分布在長江流域以北或者華南地區(qū)。澇事件主要發(fā)生在安徽、江蘇一帶和廣西、廣東一帶(圖7-c)，其中安徽和廣西的澇情多發(fā)生在夏季；江蘇的澇情發(fā)生時(shí)間稍晚，以夏秋之交居多，吳江甚至“秋冬之交大雨連旬”(20)道光《分湖小識》卷六災(zāi)祥。；廣東則在農(nóng)歷五月和八月分別有較大范圍的澇情發(fā)生。

1818年旱事件發(fā)生地仍和上一年一樣，多集中在北方地區(qū)，但數(shù)量明顯減少(圖7-d)。河北新樂“被旱成災(zāi)”(21)光緒《重修新樂縣志》卷四賑恤。，定興和正定等地“大旱”(22)光緒《定興縣志》卷十九大事；光緒《正定縣志》卷八災(zāi)祥。。江蘇也有多地發(fā)生旱情，但是程度較輕，記錄多為“小旱”(23)同治《續(xù)纂江寧府志》卷十大事記；光緒《續(xù)纂句容縣志》卷十九祥異。。澇事件發(fā)生地分布范圍較大(圖7-d)，其中河南北部的獲嘉、武陟和修武等地在夏季均有“河決”(24)民國《獲嘉縣志》卷十七祥異；道光《武陟縣志》卷十二祥異；道光《修武縣志》卷四祥異。的現(xiàn)象；湖南多地在春夏之交發(fā)生澇情，道縣甚至“陰雨連綿，自正月至于五月”(25)光緒《道州志》卷十二祥異。；廣東的高要和封開在夏季有“大水”(26)宣統(tǒng)《高要縣志》卷二十五紀(jì)事；道光《封川縣志》卷十前事。發(fā)生，新會(huì)、開平和恩平則在秋季出現(xiàn)“大雨”(27)道光《新會(huì)縣志》卷十四祥異；道光《開平縣志》卷八事紀(jì)；道光《恩平縣志》卷三編年。，但澇情較輕，只是造成“低田歉收”(28)道光《開平縣志》卷八事紀(jì)。，而地勢較高的田地卻因雨水充足而“豐熟”(29)道光《開平縣志》卷八事紀(jì)；道光《恩平縣志》卷三編年。；云南在這一年多地出現(xiàn)“大水”(30)道光增訂乾隆《古越州志》卷一災(zāi)祥；道光《威遠(yuǎn)廳志》卷七祥異；道光《云南通志稿》卷四祥異。，而正是由于雨水充沛，改善了持續(xù)多年的因低溫造成農(nóng)作物歉收的情況，多地出現(xiàn)“大有年”(31)道光《尋甸州志》卷二十六祥異；光緒《騰越廳志稿》卷一祥異；嘉慶《楚雄縣志》卷一祥異。記錄。

總的來說，1815年Tambora火山噴發(fā)后第0—3年，每一年澇事件發(fā)生的范圍均較大，但集中區(qū)域有所不同，1815和1816年主要分布在長江流域及其以北地區(qū)，1817年則是長江流域及其以南地區(qū)，而1818年分布最廣。相對而言，旱事件的發(fā)生范圍較小，1815和1818年較為分散，1816和1817年則較為集中；1815和1816年主要分布在華南地區(qū)，而1817和1818年則以北方居多。就旱澇事件的數(shù)量來說，在噴發(fā)后這幾年中，1816年澇情最嚴(yán)重，1817年旱情最嚴(yán)重。

4 結(jié)論與討論

研究表明，印度尼西亞—菲律賓一帶的強(qiáng)火山噴發(fā)對中國的旱澇格局有一定的影響。強(qiáng)火山噴發(fā)后第0年至第2年，中國中東部各站點(diǎn)的整體變化為偏澇，在第2年的偏澇程度最大，第0—2年偏澇的范圍由華北地區(qū)和長江流域向華南地區(qū)擴(kuò)展。在第3年，整體出現(xiàn)了偏旱的轉(zhuǎn)變，且變化幅度相比其他年份較大。就地區(qū)而言，噴發(fā)后華北、華南地區(qū)分別出現(xiàn)了由旱轉(zhuǎn)澇、由澇轉(zhuǎn)旱的變化?；鹕綄@2個(gè)區(qū)域的影響大概持續(xù)了2～3年，隨后2個(gè)區(qū)域均恢復(fù)了噴發(fā)前的旱澇趨勢。相對于1500—2000年整體旱澇平均水平而言，中國3個(gè)典型區(qū)在該區(qū)強(qiáng)火山噴發(fā)后大部分年份的旱澇屬性與時(shí)序疊加分析的結(jié)果相一致，但旱澇變化的顯著性有限，說明強(qiáng)火山活動(dòng)所引起的旱澇變化信號雖然可在1500—2000年的整體變化中被識別，但不夠明顯。由旱澇屬性所確定的中國各年旱澇空間型特征，也進(jìn)一步反映了強(qiáng)火山噴發(fā)后中國旱澇變化的復(fù)雜性。而1815年Tambora極強(qiáng)火山的案例，顯示了噴發(fā)后第0—3年中國以澇情為主的事實(shí)。

需要指出的是，采用同樣的方法對其他區(qū)域(尤其是噴發(fā)次數(shù)較多且同樣位于中國鄰域的Ⅱ區(qū))的火山噴發(fā)影響也進(jìn)行了分析；針對火山噴發(fā)的某些高頻時(shí)段，數(shù)年內(nèi)出現(xiàn)多次或連續(xù)噴發(fā)的強(qiáng)火山事件，采用高值時(shí)段分析和功率譜分析的方法，證實(shí)了強(qiáng)火山噴發(fā)的累積效應(yīng)確實(shí)可以在年代際尺度上被識別。限于篇幅，該部分的研究工作將另撰文進(jìn)行探討。

論文尚存在一些不足。由于旱澇資料的不完整性，華南地區(qū)的代表站點(diǎn)數(shù)量比其他2個(gè)典型區(qū)域的少，因此對華南地區(qū)旱澇變化特征的描述具有一定局限性。另外，一些問題還欠缺深入探討，例如： 對強(qiáng)火山序列階段性特征及其與旱澇格局的不同影響關(guān)系的分析不足，關(guān)于如何解釋強(qiáng)火山噴發(fā)活動(dòng)的周期性規(guī)律，以及強(qiáng)火山噴發(fā)引起中國不同區(qū)域旱澇變化這一過程的機(jī)理等，在以后的研究中可以進(jìn)一步研討。