明清時期關中地區干旱災害時空特征及其對小冰期氣候變化響應研究

張蓓蓓, 王 朋, 文彥君, 楊 飛, 雷田旺

(陜西省災害監測與機理模擬重點實驗室/寶雞文理學院 地理與環境學院, 陜西 寶雞 721013)

氣候變化對國家經濟系統的運行和社會系統的發展所產生的意義深遠[1-2]。IPCC第五次評估報告指出未來全球氣候變暖已是事實，面對氣候變暖要積極做出應對措施是人類社會走向可持續發展的有效策略[3]。探討過去氣候變化與社會發展的關系，能為人類社會響應未來氣候變化提供歷史依據[4]。受氣候變化的影響，近百年來人類社會遭受重大自然災害打擊的頻率不斷增大，氣候變化已成為眾多國家社會經濟發展難題，增強對過去以及未來氣候變化規律的認識、降低自然災害對人類社會發展的不利影響已成為學術界研究的核心內容[5-8]。歷史時期干旱災害是中國境內高頻發生的自然災害之一，嚴重影響社會和諧穩定[9]。中國歷史悠久，大量的歷史文獻資料對干旱災害進行了詳實的記錄，這為重建歷史氣候變化及其對歷朝歷代社會影響提供了重要證據。因此，加強對歷史時期干旱災害的研究，能為探索未來氣候變化規律提供新的認知視角。

目前對歷史時期自然災害的研究取得了一定進展。葉柏松等[10]對塔里木河流域近300 a旱澇災害特征進行了分析，認為近300 a來塔里木河流域旱澇災害發生頻率逐漸增加，呈現15 a 的周期性變化；萬紅蓮等[11]分析了寶雞地區明清時期旱澇災害的時空變化特征，認為明清時期寶雞地區旱澇災害的交替發生是對氣候變化的響應。這些研究為重建歷史時期氣候變化作出了巨大貢獻。本文通過搜集明清時期關中地區干旱災害的史料，分析明清時期關中地區干旱災害的時空變化特征及其對小冰期氣候變化的響應，并探討影響該區干旱災害發生的因素。

1　材料與方法

1.1　研究區概況

關中之名始于戰國，地處陜西省中部，一般指關中平原或渭河平原，轄西安、寶雞、咸陽、渭南、銅川五地區。南靠秦嶺，北臨陜北高原，西起寶雞，東臨潼關，東西長約360 km，南北寬30～80 km，地勢西高東低，地形以平原和黃土塬為主。屬溫帶大陸性季風性氣候，受東部季風影響顯著，年降水量為500～800 mm，雨熱同期，光照充足，其優越的地理位置，使其成為重要的糧食產區和社會經濟中心。但該區降水季節變率大，夏秋多雨，冬春少雨，易發生干旱災害。

1.2　數據來源

文中數據來源于《中國氣象災害大典·陜西卷》[12]、《西北災荒史》[13]、《陜西歷史自然災害簡要紀實》[14]等史料。

1.3　分析方法

參考已有研究成果[15-16]，根據史料記載描述，將明清時期關中地區干旱災害劃分為4個等級。輕度旱災(1級)：降水偏少，影響農作物播種和農作物生長，但未造成農業大面積減產，對民眾生活影響不大；中度旱災(2級)：長時間干旱，降水完全不能滿足農作物播種和農作物生長需要，造成糧食減產，民眾生存艱難，需要減輕賦稅；重度旱災(3級)：農作物因旱缺水無法生長，糧食絕收，民眾饑荒，疫病流行，民多流亡餓死，需開倉賑災；特大旱災(4級)：連年旱荒，久旱無雨，無法進行農業生產活動，糧食殆盡，民眾顛沛流離，剝及樹皮，至人相食，死亡遍野。

以明清時期關中地區干旱災害發生頻次為分析對象，利用數理統計方法和Origin 8.5，Matlab等軟件，分析干旱災害時空變化特征。農歷歷法反映我國農業生產，與民眾日常生產活動聯系緊密，干旱災害季節變化以農歷歷法為主要劃分依據。小波分析能夠揭示干旱災害長時間序列的不同時間尺度中周期變化趨勢，利用Matlab軟件中小波分析模塊，選用Morlet小波，分析干旱災害的周期變化。

2　結果與分析

2.1　干旱災害等級變化

按照上述劃分等級統計出不同等級干旱災害發生頻次。圖1顯示，關中地區輕度旱災發生了92次，占比為33.58%，平均每5.9年發生1次；中度旱災發生了124次，占比為45.26%，平均每4.4年發生1次；重度旱災發生了36次，占比為13.14%，平均15年發生1次；特大旱災發生了22次，占比為8.03%，平均每24.7年發生1次。中度旱災和輕度旱災發生頻次高，其造成的受災面積和災害損失小，重度旱災和特大旱災發生頻次較低，但波及范圍廣，造成的災害損失巨大。

圖1明清時期關中地區干旱災害等級序列

2.2　干旱災害季節變化

由圖2可知，明清時期關中地區發生的干旱災害中單季旱發生頻次最高，其次是兩季連旱，三季連旱、四季(全年)連旱發生頻次最低。單季旱中，以夏旱和秋旱為主，分別發生了103次和83次，其次是春旱，發生了53次，冬旱最少，發生32次；兩季連旱中，以夏秋連旱和春夏連旱為主，分別發生了31次、27次，其次是秋冬連旱，發生了16次；三季連旱中，以春夏秋連旱、夏秋冬連旱為主，分別發生了11次、10次；四季連旱僅發生5次。關中地區屬于典型大陸性季風氣候，冬季受蒙古—西伯利亞高壓的控制，夏季受太平洋副熱帶高氣壓控制，降水隨著東部季風變化而變化，降水季節變率大，夏秋多雨，冬春少雨，南部秦嶺山脈對東部季風有阻擋作用，復雜的地形地貌結構，使得干旱災害季節分布差異也更為顯著。

2.3　干旱災害年際變化

明清時期關中地區共有193年發生了干旱災害，共發生了274次，平均每2年發生1次，以20年為間距統計出各階段干旱災害發生的頻次(圖3)，以反映明清時期關中地區干旱災害年際變化特征。根據干旱災害在各時段發生頻次分布不均的特點，將明清時期關中地區干旱災害劃分為6個階段：第一階段1368—1411年，共發生10次，平均4.4年發生1次；第二階段1412—1551年，共發生140次，平均1.6年發生1次；第三階段1552—1611年，共發生60次，平均2.4年發生1次；第四階段1612—1651年，共發生40次，平均1.3年發生1次；第五階段1652—1771年，共發生45次，平均2.7年發生1次；第六階段1772—1911年，共發生77次，平均1.8年發生1次。以20年為間隔統計出明清時期關中地區干旱災害距平變化特征。圖4顯示，第一階段、第三階段和第五階段時期內干旱災害的距平值主要以負值為主，第二階段、第四階段和第六階段時期內干旱災害的距平值主要以正值為主，表明第一階段、第三階段和第五階段為明清時期干旱災害的少發期，第二階段、第四階段和第六階段是明清時期干旱災害的頻發期，明清時期關中地區干旱災害總體趨勢呈現波動變化。

圖2明清時期關中地區干旱災害季節變化

2.4　干旱災害空間變化

統計出明清時期關中轄區內干旱災害的頻次分布，分析干旱災害的空間變化。由圖5可知，明清時期西安市、咸陽市、渭南市、寶雞市、銅川市分別發生了215次、189次、183次、172次和175次干旱災害，占干旱災害總頻次比例依次為78.47%，68.98%，66.79%，62.77%和63.87%。明清時期以西安地區發生的干旱災害次數最多，其他四市次之。

關中屬平原地形，自秦漢以來就是人口和農業集中分布區，對水資源的需求和依賴程度較高。區域內各地氣候差異較小，降水變率變化一致，因此，降水較少的季節受旱地區范圍廣，干旱災害造成的總體受災面積大。由于境內人口密度、農業種植面積分布不均，區域內對水資源需求也存在一定差異。明清時期咸陽市、渭南市、寶雞市、銅川市城市規模較小，對水資源的需求量較低，咸陽、寶雞、渭南位于渭河、涇河、洛河等河流的上游，干旱季節相對下游地區水資源較豐富，干旱災害對其造成影響較小，發生的頻次也相對較低。西安地區作為關中乃至陜西省社會經濟重心區域，總體對水資源需求更大，又位于渭河、涇河等河流的下游階段，旱季河流下游水量減少，加之上游區域開展農業生產活動對水資源的需求，使得下游河流徑流量進一步減少，加劇了西安地區干旱程度。

圖3明清時期關中地區干旱災害年際變化

圖4明清時期關中地區干旱災害距平變化

圖5明清時期關中地區干旱災害空間變化

2.5　干旱災害周期變化

利用Matlab軟件對明清時期關中地區發生干旱災害的頻次進行時間序列的小波分析(圖6)。由小波實部等值線圖可知，明清時期關中地區干旱災害在時間序列上呈現多尺度周期變化特征，主要存在3個震蕩周期，分別是6～14 a，15～25 a，40～50 a。小波方差圖可知，時間尺度上的小波方差值存在3個明顯的峰值，分別是44 a，23 a，8 a。其中，44 a的時間尺度對應最大峰值，表明44 a左右為最強震蕩周期，是明清時期關中地區干旱災害變化的第一主周期；23 a時間尺度對應第二峰值，為第二主周期，8 a時間尺度對應第三峰值，為第三主周期。葛全勝[17]、郝志新[18]等對中國境內旱澇災害格局與過去千年太陽活動的關系進行了研究，認為旱澇災害的發生與太陽活動的周期密切相關。屠泓為等[19]對過去近300 a太陽黑子活動周期進行了分析，認為11 a，51 a為太陽黑子活動優勢周期。竇睿音等[20]分析了旱澇災害與太陽黑子活動周期相關性，認為在9～12 a周期內太陽黑子與關中地區旱澇災害發生有較強的相關性。本文干旱災害的8 a，23 a，44 a周期與太陽黑子活動11 a周期及其周期倍數基本一致，表明明清時期關中地區干旱災害的發生與太陽黑子活動有密切聯系。

2.6　明清時期關中地區干旱災害對小冰期的響應

小冰期在我國又稱之為“明清小冰期”，用來描述“中世紀暖期后全球大范圍內降溫”，冰川面積進一步擴大，地球進入一個寒冷時期，其特點是在全球范圍內出現不同程度的降溫[21-22]。王紹武[23]、張德二[24]等認為中國境內對小冰期氣候變化響應十分強烈，但不同區域間又呈現一定差異。Yang等[25]通過收集歷史文獻、冰心、石筍等有關氣候變化研究資料，將1400—1920年整體低溫時段界定為中國境內的小冰期。盡管國內學者對小冰期起止時間定論存在一定差異，但關于小冰期起止時間為14世紀后半葉至20世紀初葉左右被多數學者接受。葛全勝等[26-27]認為小冰期三大偏冷期大體上出現于15世紀、17世紀和19世紀，而相應的16世紀前半葉和18世紀前半葉為相對偏暖期。朱士光等[28]通過對大量歷史文獻研究，認為關中地區在14世紀后半葉，16世紀中葉、18世紀及19世紀前半葉較為溫暖期，15世紀后半葉、16世紀80年代至17世紀30年代、17世紀后半葉及19世紀后半葉氣候呈現寒冷干燥。17世紀前半葉是小冰期為最寒冷時期。

圖6明清時期關中地區干旱災害小波實部等值線圖和小波方差圖

建立明清時期關中地區干旱災害11 a滑動平均序列，反映不同時間序列干旱災害發生頻次的變化規律。圖7顯示，15世紀初葉到16世紀中葉、17世紀中葉、19世紀后半葉到20世紀初葉干旱災害發生的頻次較高，尤其是17世紀前半葉干旱災害發生頻次最高，而16世紀后半葉、18世紀到19世紀中葉干旱災害發生頻次較低。小冰期作為全球氣候變化事件，其起止時間基本涵蓋明清全部時間，明清時期關中地區干旱災害發生的頻次與小冰期內冷暖次級波動有較好的對應關系，冷期氣候相對干旱，干旱災害發生頻次高，暖期氣候較為暖濕，干旱災害發生頻次低。表明明清時期關中地區干旱災害是對小冰期氣候變化的響應。

圖7明清時期關中地區干旱災害11年滑動平均序列圖

3　討 論

亞洲—太平洋濤動(APO)用來指示亞洲大陸與太平洋之間大氣熱力環流變化差異，該差異會引起亞洲陸地季風環流發生改變，導致亞洲陸地降水增多或減少，易引發旱澇災害[29-30]。趙平等[31]對長江流域1958—2001年夏季降水研究表明，夏季長江流域降水偏少與亞洲—太平洋之間的對流層熱力差異整體趨勢較弱相關性強，同時也指出APO具有顯著的5.5 a周期。周波濤等[32]等對我國東部季風區1951—2005年降雨量研究表明，我國東部季風區降水與春季APO強弱有明顯的正相關性，APO弱，降水偏多，反之偏少。周秀驥等[33]利用降水和溫度等氣象代用資料, 分析了過去1 000年不同冷暖期我國東部地區夏季風區海陸熱力環流差異，認為小冰期APO指數以負值為主，1450—1570年期間APO指數段達到最低值。小冰期APO整體較弱，西太平洋副高勢力減弱，使得季風雨帶移向內陸動力不足，進而使得我國東部季風分區降水差異顯著，呈現出南澇北旱。明清時期關中地區干旱災害集中發生在春、夏季節，1450—1570年APO偏弱期與第二階段(1412—1551年)干旱災害頻發期相對應，干旱災害有8 a，23 a，44 a變化周期，明清時期關中地區干旱災害的發生與小冰期APO整體較弱、季節差異以及5.5 a周期變化有一定關聯性。

4　結 論

(1) 明清時期關中地區有193年發生了干旱災害，共計274次，平均每2 a發生1次，其中輕度旱災、中度旱災、重度旱災、特大旱災分別發生了92次、124次、36次和22次。

(2) 明清時期關中地區干旱災害的季節差異顯著，單季旱中以夏旱和秋旱為主，其次是春旱，冬旱最少；兩季連旱中，以夏秋連旱和春夏連旱為主，其次是秋冬連旱，三季連旱中，以春夏秋連旱、夏秋冬為主，四季連旱最低。年際變化上，干旱災害可劃分為6個階段，第一階段(1368—1411年)、第三階段(1552—1611年)和第五階段(1652—1771年)是干旱災害少發期，第二階段(1412—1551年)、第四階段(1612—1651年)和第六階段(1772—1911年)為干旱災害頻發期。

(3) 明清時期關中地區干旱災害具有一定空間差異，西安、咸陽、渭南、寶雞、銅川五地區分別發生了215次、189次、183次、172次和175次，西安地區發生旱災頻次最多；干旱災害存在8 a，23 a，44 a變化周期，與太陽黑子活動11 a周期及其周期倍數相對應。

(4) 明清時期關中地區干旱災害與小冰期內氣候冷暖次級波動有較好的對應關系，偏冷期氣候冷干，干旱災害發生頻次高，偏暖期氣候暖濕，干旱災害發生頻次低。

參考文獻：

[1]方修琦,蕭凌波,蘇筠,等.中國歷史時期氣候變化對社會發展的影響[J].古地理學報,2017,19(4):729-736.

[2]魏柱燈,方修琦,蘇筠,等.過去2000年氣候變化對中國經濟與社會發展影響研究綜述[J].地球科學進展,2014,29(3):336-343.

[3]沈永平,王國亞. IPCC第一工作組第五次評估報告對全球氣候變化認知的最新科學要點[J].冰川凍土,2013,35(5):1068-1076.

[4]葛全勝,劉浩龍,鄭景云,等.中國過去2000年氣候變化與社會發展[J].自然雜志,2013,35(1):9-21.

[5]周洪建,孫業紅.氣候變化背景下災害移民的政策響應:從“亞太氣候(災害)移民政策響應地區會議”看災害移民政策的調整[J].地球科學進展,2012,27(5):573-580.

[6]秦大河.氣候變化科學與人類可持續發展[J].地理科學進展,2014,33(7):874-883.

[7]高翔.《巴黎協定》與國際減緩氣候變化合作模式的變遷[J].氣候變化研究進展,2016,12(2):83-91.

[8]成愛芳,馮起,張健愷,等.未來氣候情景下氣候變化響應過程研究綜述[J].地理科學,2015,35(1):84-90.

[9]劉毅,楊宇.歷史時期中國重大自然災害時空分異特征[J].地理學報,2012,67(3):291-300.

[10]葉柏松,趙成義,姜逢清,等.近300 a來塔里木河流域旱澇災害特征分析[J].冰川凍土,2014,36(1):173-182.

[11]萬紅蓮,宋海龍,朱嬋嬋,等.明清時期寶雞地區旱澇災害鏈及其對氣候變化的響應[J].地理學報,2017,72(1):27-38.

[12]溫克剛,翟佑安.中國氣象災害大典陜西卷[M].北京:氣象出版社,2005.

[13]袁琳.西北災荒史[M].蘭州:甘肅人民出版社,1994.

[14]王守森.陜西歷史自然災害簡要紀實[M].北京:氣象出版社,2002.

[15]賈鐵飛,施汶妤,鄭辛酉,等.近600年來巢湖流域旱澇災害研究[J].地理科學,2012,32(1):66-73.

[16]侯雨樂,趙景波.清末民國時期臨汾地區旱災變化研究[J].水土保持研究,2017,24(4):384-388.

[17]葛全勝,劉路路,鄭景云,等.過去千年太陽活動異常期的中國東部旱澇格局[J].地理學報,2016,71(5):707-717.

[18]郝志新,耿秀,劉可邦,等.關中平原過去1000年干濕變化特征[J].科學通報,2017,62(21):2399-2406.

[19]屠泓為,李智敏,羅國富,等.太陽黑子活動周期對中國大陸西部不同震級段地震的影響探討與分析[J].地球物理學進展,2009,24(3):879-885.

[20]竇睿音,延軍平.關中平原太陽黑子活動周期與旱澇災害的相關性分析[J].干旱區資源與環境,2013,27(8):76-82.

[21]王蘇民,劉健,周靜.我國小冰期盛期的氣候環境[J].湖泊科學,2003,15(4):369-376.

[22]Grove J M, Switzur R. Glacial geological evidence for the Medieval Warm Period [J]. Climatic Change, 1994,26:143-169.

[23]王紹武.小冰期氣候的研究[J].第四紀研究,1995(3):202-212.

[24]張德二.中國的小冰期氣候及其與全球變化的關系[J].第四紀研究,1991(2):104-112.

[25]Yang B, Braeuning A, Johnson K R, et al. General characteristics of temperature variation in China during the last two millennia[J]. Geophysical Research Letters, 2002, 29(9):38-42.

[26]Ge Quansheng, Zheng Jingyun, Hao Zhixin, et al. Recent advances on reconstruction of climate and extreme events in China for the past 2000 years[J]. Journal of Geographical Sciences, 2016,26(7):827-854.

[27]葛全勝,劉健,方修琦,等.過去2000年冷暖變化的基本特征與主要暖期[J].地理學報,2013,68(5):579-592.

[28]朱士光,王元林,呼林貴.歷史時期關中地區氣候變化的初步研究[J].第四紀研究,1998(1):1-11.

[29]Zhao P, Zhu Y, Zhang R. An Asian-Pacific teleconnection in summer tropospheric temperature and associated Asian climate variability[J]. Climate Dynamics, 2007,29(2/3):293-303.

[30]周秀驥,趙平,劉舸.近千年亞洲—太平洋濤動指數與東亞夏季風變化[J].科學通報,2009,54(20):3144-3146.

[31]趙平,陳軍明,肖棟,等.夏季亞洲—太平洋濤動與大氣環流和季風降水[J].氣象學報,2008,66(5):716-729.

[32]周波濤.亞洲—太平洋濤動與中國東部春季降水[C]∥第27屆中國氣象學會年會副熱帶季風與氣候變化分會場論文集.中國氣象學會,2010.

[33]周秀驥,趙平,劉舸,等.中世紀暖期、小冰期與現代東亞夏季風環流和降水年代—百年尺度變化特征分析[J].科學通報,2011,56(25):2060-2067.