過去500年海河流域旱澇變化規律

王文鑫+胡先學

摘要：研究歷史旱澇變化規律對于區域綜合防災減災具有重要的現實意義。以海河流域的旱澇災害文獻記錄和旱澇等級資料為基礎，重建過去500 a區域綜合旱澇指數序列，探討海河流域1470年-2000年旱澇變化的規律。研究發現海河流域旱澇災害的頻發期具有明顯的時段性，呈現出“旱-澇-旱”波動。從16世紀初期開始由洪澇轉向干旱，并于17世紀初期達到頂點；從17世紀中后期開始海河再次進入相對易受洪澇災害影響的時期，其中19世紀初期處在最低值，到20世紀20年代左右，流域再次進入相對干旱的時期，且干旱的嚴重程度逐年增加。同時，研究區存在2.5 a、9.8 a、18.6 a、31.3 a、83.50 a、125.3 a和167.0 a等旱澇周期性過程。

關鍵詞：旱澇變化規律；歷史文獻；周期性；海河流域

中圖分類號：TV213 文獻標識碼：A 文章編號：1672-1683（2017）04-0034-05

Abstract：The study on the variation of historical drought and flood has important practical significance for regional comprehensive disaster prevention and mitigation.In this paper，we used the drought and flood records to reconstruct the comprehensive index series of regional drought and flood over the past 500 years，and analyzed the variation of flood and drought in Haihe River Basin during 1470-2000.This study found that the drought and flood disasters in Haihe River Basin showed obvious periodic fluctuations of "dry-wet- dry".In the 16th century，the drought disasters became increasingly frequent，and reached the peak at the beginning of the 17th century.From the middle and later periods of the 17th century to the 19th Century，Haihe River Basin once again entered into the relatively wet period.Around the 1920s，Haihe River Basin entered into the relatively dry period，and the drought became increasingly severe year by year.Meanwhile，Haihe River Basin showed obvious drought and flood periodicity of 2.5 a，9.8 a，18.6 a，31.3 a，83.5 a，125.3 a，and 167.0 a.

Key words：variation of drought and flood；historical documents；periodicity；Haihe River Basin

文獻資料是研究歷史時期極端天氣事件重要輔助性資料，受到眾多古氣候和環境演變研究人員的關注[1-5]。我國歷史悠久，具有豐富、連續的歷史文獻記錄，這些文獻中包含有大量的古氣候信息，這使我國成為國內外研究者公認的旱澇變化規律研究的理想區域[6-7]。

自20世紀中葉開始，我國水利系統和氣象系統的科技工作者便開始系統地整理古代氣候記錄資料，并取得了豐碩的研究成果。如竺可楨通過整理分析正史、地方志、考古資料、物候觀測和儀器記錄資料等提出了近5000 a來我國氣候變化的規律[8]。此后，國家氣象局組織有關省市和研究機構完成了《中國近五百年旱澇分布圖集》等書籍編纂工作。中國水利水電科學研究院也在整理故宮水利奏折的基礎上出版了“故宮洪澇檔案叢書”。這些工作為我國氣候變化研究人員開展歷史旱澇規律研究，提供了豐富的資料基礎[9-14]。

海河流域是我國人口最為集中的地區，頻繁的水旱災害給流域內的農業生產、人民生活和社會經濟發展帶來嚴重的不利影響。正如盧路等人[15]指出歷史上海河流域水旱災害的重現期大概為3 a一次。為此，歷代統治者對水旱災害尤為關注，因此留存下豐富的歷史文獻記錄。本文以海河流域為研究區通過梳理過去500 a間水旱災害文獻記錄，揭示區域旱澇災害的時間變化特征，以期為今后流域防災減災提供技術支撐。

1 資料與方法

1.1 資料

在系統分析海河流域現存歷史文獻資料完整程度的基礎上，結合《中國近五百年旱澇分布圖集》[16]用19個歷史文獻資料記述詳盡的站點（府、州，或者明清以來重要城市），表現海河流域歷史時期旱澇災害強度空間分布情況（圖1），每個站點數值代表20左右個縣的旱澇災害的強度，按照文獻[16-18]確定的旱澇等級劃分方法，確定19個站點的旱澇等級值。具體方法本文不再贅述。受到地理環境影響。平原地區聚落較多，山區較少，所以海河流域平原地區資料站點密度相對較高，而太行山麓一線以西的站點密度相對較少。

一般來說，時間越久遠存留下來的歷史文獻資料的完備性就越差，社會開發比較晚的地區歷史文獻記錄也比較少，邊疆民族地區保存漢語文獻紀錄也比較少。如海河流域北部的多倫開發時期比較晚、社會經濟欠發達，因此留存資料也較少，直至1900年代開始才有系統的氣候文獻記錄。如圖2展示了海河流域近1000多年19個站點的旱澇等級系列數據的完備程度。可見從1500年以后，海河流域各站點資料逐漸完備，大部分時段流域內一半以上的站點存在災害記錄。因此，利用歷史文獻記錄分析過去500 a的海河流域旱澇災害規律，其結果具有可靠性。

2 海河流域旱澇變化規律

2.1 黃淮海流域旱澇災害時間特征

海河流域旱澇災害頻繁，利用區域旱澇災害綜合指數模型，對海河流域19個站點旱澇等級數據進行歸一化處理，形成海河流域綜合旱澇指數序列（圖3）。圖3給出了海河流域不同時期（明末、清代、民國以來）旱澇變化基本特征、災害頻發時段（時段長度大于10 a，紅線），以及百年尺度下水旱災害的站點頻次統計情況。

在朝代尺度上，近500 a來，僅清代（淺綠色塊）海河流域處在一個相對濕潤的環境，其他時期大多處在相對干旱環境下。明代中后期的旱澇綜合指數值為0.098（旱）、清代的旱澇綜合指數值為-0.073（澇）、民國以來的旱澇綜合指數值為0.127（旱），因此過去500 a間流域旱澇變化趨勢基本呈現出“旱-澇-旱”的過程。其中明末的近100 a間區域的干旱最為嚴重。清代順治朝、康熙朝初年和光緒朝出現了兩次比較長時間的洪澇時期。進入20世紀，海河流域持續偏干旱，僅在19世紀60年代左右出現短暫的偏洪澇期。

百年尺度上（圖4），通過對19各站點中重旱、重澇記錄的統計發現，嚴重干旱嚴與重洪澇在時間上也呈現波動性特點。有嚴重洪澇事件的站點在17世紀和19世紀比較多，嚴重干旱事件的站點數在17世紀達到一個波峰階段，而后（清代）下降，并在過去200 a間穩定上升，且當前仍呈現上升的趨勢。湯仲鑫等人[22]從氣象科學視角，統計海河流域明清（1500年-2000年）以來的特大水旱災害事件的百年尺度分布特征（表1）也驗證“旱-澇-旱”的特點。

發現最長時間的持續干旱出現在明崇禎年間（1637年-1643年）（表2），持續干旱長達7 a，在此嚴重的干旱背景下，白洋淀、梁山泊、安山湖等湖泊逐漸干涸。最長間的持續洪澇年出現在明隆慶年間（1567年-1584年），連續8 a出現嚴重洪澇災害。

2.2 黃淮海流域旱澇災害周期性、趨勢特征

利用經驗模態分解方法對海河流域的旱澇指數序列進行分解（圖5）。imf1-imf7 是經過EMD分解后產生的IMF分量，其震動能量呈現遞減的趨勢，趨勢項rn表示是海河流域綜合旱澇指數剔除了不同時間尺度上的IMF分量后的區域旱澇變化趨勢。由rn可看出，海河流域在16世紀初期開始有洪澇轉向干旱，并于17世紀初期（明末）達到頂點；從17世紀中后期開始，海河再次進入相對易受洪澇災害影響的時期，其中19世紀初期處在谷底狀態，到20世紀20年代（民國初年）左右，流域再次進入相對干旱的時期，且干旱的嚴重程度在近年呈現逐年增加態勢。趨勢項rn的變化特征也印證了前面海河流域存在“旱-澇-旱”的變化特征。

imf1-imf7 等7個imf分量信號的波動具有相對穩定的準周期性，不同時間尺度的準周期振蕩隨時間也呈現或強或弱的非均勻變化。筆者認為這種振蕩強度的非均勻變化反映了大氣內部動力過程和外部強迫共同作用的結果，據此可以通過FFT變換求取平均周期，并將每種尺度信號波動頻率和振幅對原數據總體特征影響程度用方差貢獻率表示出來。通過考察各imf分量振幅（圖5中imf1-imf7的縱坐標數值）和分量方差貢獻率（表3）。結果顯示，imf1、imf2、imf3的方差貢獻率大于10%， imf4、imf5和imf6的方差貢獻率介于1%～10%之間。可見海河流域的綜合旱澇指[JP+1]數的年際變化主要由前3個較高頻震蕩決定（方差貢獻率之和=83.7%）。通過FFT變換推求其平均周期可見（表3），imf1的平均震蕩時長最短為2.5年右，與北方地區降水3年周期過程相近，且振幅變化最大，能量最大，對原序列變化的貢獻最大（46.8%）；imf2的平均震蕩周期為9.8 a左右，與ENSO周期相近；imf3的平均震蕩周期為18.6 a左右；imf4的平均震蕩周期為31.3 a左右，與我國降水變化的年代際特征（30 a）十分接近；imf5的平均周期為125.3 a左右；imf6的平均周期為83.5 a年左右；imf7的平均周期為167.0 a左右。需要注意的是分量imf6（平均周期83.5 a）似乎是從18世紀初期才顯現出來，爾后這分量的波動性頗具規律，這需要后面進一步的研究。

3 結論

本文在系統整理海河流域歷史文獻資料的基礎上，對研究區域旱澇災害的時間、空間變化過程進行了細致的分析，主要研究成果如下。

海河流域旱澇災害的頻發期具有明顯的時段性，宏觀尺度上（朝代）呈現出“旱-澇-旱”波動，表現為明代相對干旱，清代相對濕潤，20世紀來持續干旱；百年尺度上，嚴重干旱嚴重洪澇時間出現也呈現波動特點。海河流域在16世紀初期開始由洪澇轉向干旱，并于17世紀初期達到頂點；從17世紀中后期開始，海河流域再次進入相對易受洪澇災害影響的時期，其中19世紀初期處在谷底狀態，到20世紀20年代左右，海河流域再次轉入相對干旱的時期，且干旱的嚴重程度呈現逐年增加趨勢。此外本區域易發生連年干旱或者連年洪澇的情況。

通過周期性分析發現：研究區域存在2.5 a、9.8 a、18.6 a、31.3 a、83.5 a、125.3 a和167.0 a等周期性過程。此外，83.5 a的周期性過程似乎是從18世紀初期才顯現出來，爾后這分量的波動性頗具規律，可能是18世紀初海河流域出現了一個新的氣候影響機制，對區域產生周期的影響，這需要后面進一步的研究。

參考文獻（References）：

[1] 葛全勝，張丕遠.歷史文獻中氣候信息的評價[J].地理學報，1990，45（1）：22-30.（GE Quan-sheng，ZHANG Pei-yuan.The evaluation on climate information in the historial literatures[J].Acta Geographica Sinica，1990，45（1）：22-30.（in Chinese））