明清時期渭南地區(qū)旱災(zāi)的多尺度變化特征及其對氣候變化的響應(yīng)

郁耀闖，王長燕*，龔蘭蘭，衛(wèi)旭東，馬佳俊，王林剛

(1.寶雞文理學(xué)院 地理與環(huán)境學(xué)院，陜西 寶雞 721013；2.陜西省災(zāi)害監(jiān)測與機理模擬實驗室，陜西 寶雞 721013)

1 引言

旱災(zāi)是我國和世界上歷史時期以來頻繁發(fā)生的主要自然災(zāi)害之一[1]，已對全球的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、社會經(jīng)濟和政治等造成了嚴(yán)重的影響和危害[2-3]。在全球變暖背景下，區(qū)域干旱災(zāi)害風(fēng)險呈增加趨勢[4-5]。因此，理解區(qū)域干旱災(zāi)害的發(fā)生機制及其與氣候變化的關(guān)系對災(zāi)害風(fēng)險管理和氣候變化適應(yīng)與減緩措施的制定是非常重要的。

渭南地區(qū)位于黃河中游，陜西省關(guān)中平原東部，是典型的季風(fēng)邊緣區(qū)，受季風(fēng)活動影響，該區(qū)氣候類型屬暖溫帶半濕潤半干旱季風(fēng)氣候，區(qū)域降水空間變率較大，容易發(fā)生干旱災(zāi)害。國內(nèi)學(xué)者對我國西北[6]、關(guān)中[7]和寶雞地區(qū)[8]等區(qū)域旱澇災(zāi)害的時空分布特征和重建進(jìn)行了大量研究，得出了區(qū)域旱澇災(zāi)害在時間尺度上存在著周期規(guī)律等的重要認(rèn)識，但對區(qū)域干旱災(zāi)害在時間尺度上的多尺度變化特征及其與氣候變化關(guān)系的研究還鮮見報道，這不利于揭示區(qū)域干旱災(zāi)害的發(fā)生機制及其與氣候變化的聯(lián)系。

本研究選取我國明清小冰期(1368～1911年)作為主要研究時段，以位于季風(fēng)邊緣區(qū)的渭南地區(qū)為研究案例區(qū)，搜集整理明清時期渭南地區(qū)的歷史文獻(xiàn)資料，利用集合經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解(EEMD)等方法，探討該時期渭南地區(qū)旱災(zāi)的多尺度變化特征及其與氣候變化的關(guān)系，以期為區(qū)域干旱災(zāi)害的預(yù)測和防治提供參考依據(jù)。

2 研究區(qū)域與研究方法

2.1 研究區(qū)概況

渭南位于黃河中游，地處關(guān)中平原陜西省東部，位于東經(jīng)108°58′～110°35′，北緯34°13′～35°52′之間，面積1.3×104km2，2019年末總?cè)丝?27.81萬人[9]。目前，轄臨渭、華州2個區(qū)，有潼關(guān)、大荔、合陽、澄城、白水、蒲城、富平7個縣，代管韓城、華陰2個省轄市(圖1)。地形上南依秦嶺，北靠黃龍山和橋山，南北高，中間低，東西開闊，呈仰瓦狀。海拔在330～2645 m，屬暖溫帶半濕潤半干旱季風(fēng)氣候。轄區(qū)內(nèi)各地全年平均氣溫12.7～15.6 ℃，區(qū)域降水時空分布差異較大，全年降水量390.7～592.2 mm，區(qū)域年降水變率較大，容易發(fā)生旱澇災(zāi)害。

圖1 渭南政區(qū)圖

2.2 數(shù)據(jù)來源與方法

本文的干旱災(zāi)害數(shù)據(jù)主要來源于《中國三千年氣象記錄總集》[10]、《中國氣象災(zāi)害大典·陜西卷》[11]和渭南志等歷史文獻(xiàn)資料。

鑒于歷史文獻(xiàn)資料來源的龐雜性、記錄的主觀性和空間地點的難以定量性，本研究采用區(qū)域旱災(zāi)空間分布代表區(qū)域旱災(zāi)規(guī)模的方法來進(jìn)行旱災(zāi)的統(tǒng)計分析[12]。對于某個區(qū)域而言，通常選取10個具有代表性的地點進(jìn)行統(tǒng)計分析[12]。例如，若本年度該區(qū)域只有一個點發(fā)生旱災(zāi)則記為1，那么10個地點的平均值為0.1；若有2個點發(fā)生旱災(zāi)，則記為2，10個地點的平均值為0.2，……，以此類推，沒有旱災(zāi)記載的年份則記為0。平均值大于0.3可視為區(qū)域內(nèi)旱災(zāi)空間規(guī)模較大[12]。利用上述方法，對明清時期渭南地區(qū)的渭南、潼關(guān)、大荔、合陽、澄城、白水、蒲城、富平、華陰和華縣等10個縣(圖1)的旱災(zāi)記錄進(jìn)行統(tǒng)計分析。采用集合經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解 (EEMD)和Morlet小波函數(shù)的方法對該區(qū)的旱災(zāi)頻次序列進(jìn)行多尺度周期分解[13]。

3 結(jié)果與分析

3.1 渭南地區(qū)旱災(zāi)的規(guī)模、頻次和階段性

明清時期的544 a間，渭南地區(qū)10個地點共有旱災(zāi)記錄1749次，占321.5%，其中，以全區(qū)域(10個點)旱災(zāi)記錄頻次的空間規(guī)模為主，10個點的旱災(zāi)記錄共有154次，占區(qū)域旱災(zāi)記錄總數(shù)的88.1%，5～9個點的旱災(zāi)記錄有24次，占區(qū)域旱災(zāi)記錄總數(shù)的10.6%，4個點以下的旱災(zāi)記錄共有53次，占區(qū)域旱災(zāi)記錄總數(shù)的1.3%。

由圖2可知，在14世紀(jì)中期、15世紀(jì)70年代末期至16世紀(jì)60年代、17世紀(jì)30年代末期、18世紀(jì)20年代初期至19世紀(jì)前半葉和19世紀(jì)70年代末期渭南地區(qū)旱災(zāi)發(fā)生較為頻繁，多為全區(qū)域(10個點)的特大旱災(zāi)，如1637～1643年的明朝崇禎大旱、1719～1723年的清朝康雍奇災(zāi)和1875～1879年的光緒丁戊奇荒等歷史極端干旱事件在渭南地區(qū)均有較好記錄。

明清時期渭南地區(qū)旱災(zāi)總體上表現(xiàn)為先下降后上升的變化趨勢(圖2)。由圖2中的11 a滑動平均曲線可以看出，渭南地區(qū)旱災(zāi)具有3個明顯不同的變化階段，其中，1368～1486年和1684～1911年為該區(qū)域旱災(zāi)的增加階段，增加幅度分別為146.7%和11.0%；1487～1683年為該區(qū)域旱災(zāi)的減少階段，減少幅度為65%。

圖2 明清時期渭南地區(qū)旱災(zāi)頻次序列

3.2 渭南地區(qū)旱災(zāi)的多尺度變化特征

集合經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解(EEMD)所得各IMF分量序列主要指示各分量在不同時間尺度上的周期信號，IMF 各分量振幅的大小分別代表相應(yīng)周期振蕩信號的強弱程度，振幅越大表明相應(yīng)時間尺度上周期震蕩信號越強；反之，則表明相應(yīng)時間尺度上周期震蕩信號越弱[14]。EEMD 分解明清時期渭南地區(qū)旱災(zāi)頻次序列共得到9個IMF分量，分別表示該區(qū)旱災(zāi)頻次序列在不同的年際、年代際和百年際尺度上的周期變化，具體如下。

(1)在年際尺度上，IMF1、IMF2和IMF3的平均周期分別為準(zhǔn)3 a、準(zhǔn)6 a和準(zhǔn)8 a周期，方差貢獻(xiàn)率分別為43.6%、12.9%和8.45%，說明這3個周期信號對明清時期渭南地區(qū)旱災(zāi)的影響較大，其中，IMF1 分量在1414～1474年、1480～1569年、1599～1649年、1686～1734年、1747～1814年和1846～1900年波動的振幅較大，說明該周期信號在這6個階段震蕩較為強烈，對渭南地區(qū)旱災(zāi)發(fā)生的影響較大；該周期震蕩信號在1385～1413年和1649～1685年波動的振幅較小，說明該周期信號在這2個階段震蕩較弱，對渭南地區(qū)旱災(zāi)發(fā)生的影響較小。IMF2 分量的振幅在1508～1568年和1853～1895年波動較大，說明該周期信號在這2個階段對該區(qū)旱災(zāi)發(fā)生的影響較大；該周期震蕩信號在1389～1412年、1437～1452年、1653～1687年和1802～1831年波動的振幅較小，說明該周期信號在這4個階段震蕩較弱，對旱災(zāi)發(fā)生的影響較小。IMF3 分量的振幅在1417～1435年、1479～1508年、1583～1628年、1691～1721年、1748～1785年和1836～1900年波動較大，說明該周期信號在這6個時期對旱災(zāi)發(fā)生的影響較大；該周期震蕩信號在1392～1410年、1439～1454年和1647～1682年波動的振幅較小，說明該周期信號在這3個階段震蕩較弱，對旱災(zāi)發(fā)生的影響較小。

(2)在年代際尺度上，IMF4、IMF5和IMF6的平均周期分別為準(zhǔn)17 a、準(zhǔn)28 a和準(zhǔn)84 a周期，方差貢獻(xiàn)率分別為4.92%、3.21%和3.04%，說明這3個周期信號與明清時期渭南地區(qū)的干旱災(zāi)害存在著某種關(guān)聯(lián)，其中，IMF4 分量在1476～1508年、1555～1602年和1735～1749年波動的振幅較大，說明該周期信號在這3個階段震蕩較為強烈，對旱災(zāi)發(fā)生的影響較大；該周期震蕩信號在1397～1463年、1649～1685年和1856～1911年波動的振幅較小，說明該周期信號在這3個階段震蕩較弱，對旱災(zāi)的發(fā)生影響較小。IMF5 分量的周期信號在1529～1640年波動的振幅較大，除此之外，在其他時段該周期信號振幅均較小，說明該周期信號可能只在1529～1640年間對渭南地區(qū)旱災(zāi)產(chǎn)生影響。IMF6 分量的周期信號在1368～1446年和1635～1692年波動的振幅較大，在其他時段振幅均較小，說明該周期信號在這2個時期對旱災(zāi)的發(fā)生影響較大。

(3)在百年際尺度上，IMF7和IMF8的平均周期分別為準(zhǔn)181 a和準(zhǔn)363 a周期，方差貢獻(xiàn)率分別為2.20%和0.43%，總體來看，這2個分量的周期信號振幅均較小，說明百年際尺度周期信號對明清時期渭南地區(qū)旱災(zāi)的影響相對較小。

(4)RES為趨勢項，主要指示明清時期渭南地區(qū)旱災(zāi)在近544 a的波動趨勢，從RES曲線的趨勢可以看出(圖3)，渭南地區(qū)在近544 a的旱災(zāi)變化趨勢呈先降低后增加的趨勢，降低和增加的時間拐點出現(xiàn)在1685年前后。

圖3 明清時期渭南地區(qū)旱災(zāi)頻次序列的集合經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解結(jié)果

3.3 明清時期渭南地區(qū)旱災(zāi)對氣候變化的響應(yīng)

區(qū)域旱澇災(zāi)害與氣候變化具有明顯的相關(guān)關(guān)系[8,15]。干旱災(zāi)害發(fā)生時，氣候通常較為寒冷干燥，降水較少；洪澇災(zāi)害發(fā)生時，氣候通常較為溫暖濕潤，降水較多。葛全勝等[15]研究表明：在區(qū)域尺度上，過去2000 a以來溫度和干濕變化對降水產(chǎn)生了重要影響，明清時期尤為顯著。在該時期，北半球已經(jīng)進(jìn)入寒冷階段，但受區(qū)域位置、地理環(huán)境和季風(fēng)活動強弱變化等影響，我國氣候變化呈現(xiàn)出了不穩(wěn)定的狀態(tài)，從而導(dǎo)致該時期旱澇災(zāi)害在全國范圍內(nèi)表現(xiàn)出了明顯的區(qū)域差異性。14世紀(jì)后半葉至20世紀(jì)初，全球氣候變化處于“小冰期”階段，此時，我國氣候較為干冷[16-17]，并且在小尺度范圍內(nèi)存在區(qū)域差異，區(qū)域尺度上氣候寒冷期降水較少，往往導(dǎo)致旱災(zāi)發(fā)生較為頻繁[16-18]。王紹武等[19]研究表明，明清小冰期我國氣候變化響應(yīng)比較強烈，并存在較大區(qū)域差異。葛全勝等[15,20]認(rèn)為15世紀(jì)、17世紀(jì)和19世紀(jì)為小冰期中比較偏冷的3個時期，在這3個時期內(nèi)旱災(zāi)發(fā)生較為頻繁。朱士光等[16]研究認(rèn)為，15世紀(jì)后期、16世紀(jì)80年代至17世紀(jì)30年代、17世紀(jì)后半葉及19世紀(jì)后半葉關(guān)中地區(qū)氣候寒冷干燥。萬紅蓮等[8]研究表明，明清時期寶雞地區(qū)旱澇災(zāi)害的交替出現(xiàn)是對該時期關(guān)中地區(qū)氣候冷暖干濕交替變化和全球氣候變化的響應(yīng)。Yu等[12]研究認(rèn)為，氣候溫暖時期太陽活動較為頻繁，涇河中游地區(qū)旱澇災(zāi)害多發(fā)；反之，旱澇災(zāi)害發(fā)生較少。由此可見，區(qū)域旱澇災(zāi)害的發(fā)生與氣候變化存在著一定關(guān)聯(lián)。

從渭南地區(qū)干旱災(zāi)害頻次的11 a滑動平均曲線來看(圖2)，15世紀(jì)中葉、15世紀(jì)70年代末期至16世紀(jì)60年代、17世紀(jì)前半葉、18世紀(jì)初期至19世紀(jì)前半葉和19世紀(jì)后半葉渭南地區(qū)旱災(zāi)發(fā)生次數(shù)較多，尤其是17、18世紀(jì)前半葉和19世紀(jì)后半葉該區(qū)干旱災(zāi)害發(fā)生頻次較高，而17世紀(jì)中期至18世紀(jì)初期該區(qū)干旱災(zāi)害發(fā)生頻率較低，這可能與該時期太陽活動的減弱有關(guān)[12]。渭南地區(qū)旱災(zāi)頻次序列與我國同時期冬季溫度的變化總體上較為一致，與該時期北半球溫度的變化基本同向，但不完全同步(圖4)，這可能與渭南地區(qū)所處的地理位置、自然環(huán)境、季風(fēng)活動強弱和海氣震蕩脅迫等因素有關(guān)。旱災(zāi)的發(fā)生主要取決于區(qū)域降水量的多少和降水的集中程度，而降水量的多寡往往會受到區(qū)域氣溫高低的影響[16]。當(dāng)氣溫較高時，區(qū)域氣候波動較大，降水減少，往往會導(dǎo)致旱災(zāi)發(fā)生。明清時期渭南地區(qū)旱災(zāi)發(fā)生的頻次序列與小冰期氣候的冷暖波動具有較好的對應(yīng)關(guān)系，氣候溫暖時期，太陽活動相對較為頻繁，旱災(zāi)發(fā)生相對較多，這一認(rèn)識與葛全勝[15,20]和Yu等[12]研究結(jié)果較為一致，說明渭南地區(qū)明清時期旱災(zāi)的發(fā)生是對全球氣候變化的響應(yīng)(圖4)。

圖4 渭南地區(qū)旱災(zāi)頻次序列與太陽活動[21-23]、重建溫度[24,25]、ENSO[26]和PDO[27]的比較

4 討論

太陽活動是發(fā)生在太陽大氣層和對流層中的各種復(fù)雜物理過程，也是引起地球系統(tǒng)氣候變化的主要能量來源[28]。太陽活動的強弱變化會引起大氣中溫度的升高或降低，導(dǎo)致大氣環(huán)流模式的改變，從而影響區(qū)域降水空間分布的多寡，進(jìn)而導(dǎo)致區(qū)域旱澇災(zāi)害的發(fā)生[12,29]。太陽黑子數(shù)和太陽總輻照是表征太陽活動水平強弱的2個重要參數(shù)[30]。Le Mou?l等[31]研究表明，太陽黑子活動主要通過熱帶和副熱帶太平洋地區(qū)海氣耦合交互機制來影響全球溫度和降水的變化。葛全勝等[29]研究認(rèn)為，當(dāng)太陽輻射處于高值期時, 我國關(guān)中平原等地降水偏少，旱災(zāi)多發(fā)。Li等[32]得出了太陽黑子活動具有11和112 a顯著周期的重要認(rèn)識。郝志新等[7]研究認(rèn)為，關(guān)中地區(qū)960～2010年干濕變化的準(zhǔn)10 a周期與太陽活動相對應(yīng)。本研究中，集合經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解(EEMD)得到的IMF3分量中的10.4 a和11.6 a周期與太陽黑子活動的11年顯著周期較為接近，說明該區(qū)干旱災(zāi)害的發(fā)生可能受到太陽活動的影響，也為太陽活動影響旱災(zāi)發(fā)生提供了有力證據(jù)，該研究結(jié)果與趙新華等[32-33]的研究結(jié)果較為一致。

集合經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解(EEMD)和功率譜分析表明：明清時期渭南地區(qū)旱災(zāi)頻次序列中具有準(zhǔn)3 a、準(zhǔn)6 a和準(zhǔn)8 a的年際變化周期，這與厄爾尼諾(ENSO)的2～8 a周期[34]具有較好的對應(yīng)關(guān)系，說明ENSO可能是影響該區(qū)明清時期旱災(zāi)發(fā)生年際尺度變化的重要原因之一，同時也說明赤道太平洋海表溫度可能對該時期渭南地區(qū)的降水模式產(chǎn)生了重要影響，進(jìn)而導(dǎo)致該區(qū)旱災(zāi)的發(fā)生。前人關(guān)于厄爾尼諾對我國季風(fēng)區(qū)降水模式的影響進(jìn)行了大量的研究[35-36]，認(rèn)為ENSO對全球和東亞地區(qū)年際氣候變化產(chǎn)生了重要的影響，本研究結(jié)果也印證了這一觀點。如圖4所示，當(dāng)ENSO處于暖相位時，渭南地區(qū)的旱災(zāi)發(fā)生較為頻繁，但由于目前ENSO指數(shù)重建和旱災(zāi)頻次序列重建還存在著很大的不確定性，因此，ENSO指數(shù)和旱災(zāi)頻次序列的定量關(guān)系還難以確定。

太平洋年代際振蕩(PDO)是北太平洋海溫年代際循環(huán)變化的一種海洋現(xiàn)象，通常具有20～30 a的變化周期[37]，不僅對北美乃至整個北半球大氣環(huán)流產(chǎn)生重要影響[37]，還可以通過調(diào)制厄爾尼諾事件來間接影響區(qū)域氣候變化[38]，進(jìn)而導(dǎo)致旱澇災(zāi)害的發(fā)生。與厄爾尼諾類似，太平洋年代際振蕩通過海洋表面溫度的高低變化影響著全球和東亞地區(qū)年代際尺度上的氣候變化。Yang等[39]研究表明，當(dāng)PDO處于暖位相時，華北對應(yīng)高溫、少雨和干旱時段，長江中下游多雨；反之亦然。裴琳等[40]研究表明，1600～2012年來中國東部旱澇變率與PDO序列之間具有顯著的正相關(guān)關(guān)系，PDO的冷、暖位相分別對應(yīng)著華北地區(qū)的偏旱和偏澇。郝志新等[7]研究認(rèn)為，PDO與關(guān)中平原的干濕變化從長時間尺度來看存在著不穩(wěn)定性。本研究中，集合經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解(EEMD)表明：明清時期渭南地區(qū)旱災(zāi)頻次序列IMF分量中具有的準(zhǔn)17 a和28 a的變化周期與PDO的20～30 a周期較為接近，說明PDO可能是影響該區(qū)明清時期旱災(zāi)發(fā)生年代際尺度變化的因素。如圖4所示，當(dāng)PDO處于暖相位時，渭南地區(qū)旱災(zāi)發(fā)生比較頻繁，這一認(rèn)識與Yang等[39]的認(rèn)識較為一致，與裴琳等[40]的認(rèn)識相悖。綜合可知，太平洋年代際振蕩與區(qū)域干旱災(zāi)害(或干濕變化)的關(guān)系還存在著很大的不確定性，二者的定量關(guān)系還有待于進(jìn)一步探討。

5 結(jié)論

(1) 明清時期渭南地區(qū)旱災(zāi)總體上表現(xiàn)為先下降后上升的變化趨勢，以全區(qū)域的特大旱災(zāi)為主，大致可分為1368～1486年、1487～1683年和1684～1911年3個明顯不同的變化階段，明朝崇禎大旱、清朝康雍奇災(zāi)和光緒丁戊奇荒等歷史時期重大旱災(zāi)事件在渭南地區(qū)均有較好記錄。

(2)渭南地區(qū)旱災(zāi)在時間尺度上存在著顯著的準(zhǔn)3 a、準(zhǔn)6 a和準(zhǔn)8 a的年際周期，準(zhǔn)11 a、準(zhǔn)17 a、準(zhǔn)28 a和準(zhǔn)84 a的年代際周期和準(zhǔn)181 a和準(zhǔn)363 a的百年際周期，分別與厄爾尼諾的2～8 a周期、太陽活動的11 a周期和太平洋年代際振蕩的20～30 a周期相對應(yīng)，說明厄爾尼諾、太陽活動和太平洋年代際振蕩可能是導(dǎo)致該區(qū)旱災(zāi)發(fā)生的重要原因。

(3)明清時期渭南地區(qū)旱災(zāi)的年際、年代際和百年際尺度周期分別可以解釋旱災(zāi)方差變量的64.95%、11.17%和2.63%，說明該區(qū)旱災(zāi)在年際尺度上的振蕩信號可能要強于在年代際和百年際尺度上的振蕩信號。

(4)渭南地區(qū)旱災(zāi)頻次序列與我國同時期冬季溫度的變化序列總體上較為一致，與該時期的北半球溫度變化基本同向，但不同步，說明該區(qū)旱災(zāi)的發(fā)生是對全球氣候變化的響應(yīng)。