陜西黃土高原中南部地區清代洪澇災害與氣候變化特征

劉樂，岳大鵬*，趙景波，2，趙艷

（1.陜西師范大學地理科學與旅游學院，陜西 西安 710119； 2.中國科學院地球環境研究所黃土與第四紀地質國家重點實驗室，陜西 西安 710061）

在氣候持續變暖趨勢下，旱災、洪災等氣候災害事件趨多趨強，對區域糧食生產、供水安全、生態環境建設等產生重要影響［1-2］。陜西黃土高原地區北接風沙高原區，南連關中平原區，以黃土地貌為主，中部和南部分別屬于黃土丘陵溝壑區和黃土塬溝壑區，區內塬、梁、峁等地貌發育典型［3-4］。陜西黃土高原中南部地區位于東亞夏季風和中緯度西風的耦合區，表現為以半干旱為主的大陸性季風氣候，既是我國氣候敏感地帶又是關鍵生態脆弱區，對全球氣候變化的響應較為突出［3-5］。該區降水量主要集中在夏、秋2 季，洪澇災害受降水量的影響具有明顯的季節分布特征［3-4，6］。受夏季副熱帶高壓的西伸北抬與西風帶的低值系統共同作用影響，陜西黃土高原中部地區易出現范圍較廣的暴雨和嚴重的洪澇災害［3，6］。7 月下旬至8 月，副熱帶高壓進一步北抬，在海上生成的臺風或熱帶低壓沿副高南側西進，受臺風外圍暖濕氣流與東風波的影響，陜西黃土高原南部出現暴雨與洪澇災害［3，6］。秋季連陰雨過程主要出現在9 和10 月，因常伴有暴雨天氣，導致陜西黃土高原中南部地區出現暴雨與洪澇災害［3，7］。該區洪澇災害具有突發性強、發生頻次較高、可造成較大經濟損失的特點［2，8］，洪水加劇了水土流失和生態環境惡化，影響整個黃土高原地區社會經濟的健康發展［3，8］，故針對該區洪澇災害的相關研究對黃土高原地區防災減災和生態建設具有一定的現實意義［1-2，8］。

已有對陜西黃土高原歷史時期洪澇災害方面的研究多從子流域入手，以歷史文獻或古洪水沉積物為依據，結合趨勢分析法、經驗正交函數（empirical orthogonal function，EOF）及旋轉經驗正交函數（rotated empirical orthogonal function，REOF）等分析方法，研究洪澇災害的等級、空間分布、大洪水流量及其氣候特征［9-13］，這些成果為理解氣候變化對洪災的影響提供了借鑒素材。然而，迄今為止對于陜西黃土高原中南部地區等黃土地貌發育較為典型的地理單元的洪災研究，以及洪災對氣候變化響應的探討較為少見。清代歷史檔案中含有高分辨率的、與環境變化相關的時間記載，其對該時期氣候研究具有重要的參考價值［14-15］。本文根據清代豐富的歷史文獻資料記載，科學分析清代陜西黃土高原中南部地區洪澇災害的時間分布、空間分布及其氣候特征，采用交叉小波變換將建立的洪澇災害等級序列與厄爾尼諾事件序列、太陽黑子數序列進行對比分析，探究相關致災因子，可為黃土高原這一特殊區域歷史時期的氣候變化研究提供有益參考。

1 研究區概況

研究區位于陜西省黃土高原中南部地區，包括延安市（含2 個市轄區、10 個縣、代管1 個縣級市），寶雞市的隴縣、千陽縣、麟游縣，咸陽市的永壽縣、長武縣、彬縣、旬邑縣、淳化縣，渭南市的白水縣、澄城縣、合陽縣、韓城市，銅川市的宜君縣、印臺區、王益區、耀州區，共22 個縣，5 個市轄區，2 個縣級市。位于34°29′N～37°30′N，106°25′E～110°36′E，研究區面積約占陜西省總面積的1/3［3］。延安市屬高原大陸性季風氣候，年平均氣溫在7.7～10.6℃，暴雨天氣主要出現在盛夏至初秋，年平均降水量為550 mm；延安南界以南大部分，屬暖溫帶半濕潤季風氣候，相比延安市氣候更加溫和，暴雨天氣主要出現在夏、秋2 季，年平均氣溫為12～14℃，年平均降水量為500～700 mm［3-4］。

2 資料與研究方法

以現代匯編資料，包括《中國三千年氣象記錄總集》［16］、《西北災荒史》［17］、《中國災害通史清代卷》［18］、《陜西歷史自然災害簡要紀實》［19］、《中國氣象災害大典陜西卷》［6］及地方志中對于陜西黃土高原中南部地區洪澇災害的歷史記載為依據，通過資料間的相互印證，確保災害條目的準確性，最終統計得到研究區清代（1644—1912 年）洪澇災害相關記載124 條，其中68 條出自《中國三千年氣象記錄總集》［16］，54 條出自《西北災荒史》［17］，2 條出自《中國氣象災害大典陜西卷》［6］。1644—1912 年，厄爾尼諾事件序列數據參照《近500 年的厄爾尼諾事件》［20］，當年發生厄爾尼諾事件記為“1”，未發生則記為“0”。用太陽黑子數量化太陽活動，太陽黑子數序列來源于太陽影響數據分析中心（http：//wwwbis.sidc.be/silso/datafiles）提供的1700—1912 年太陽黑子數。

根據歷史文獻對洪澇災害的定性描述，采用災害等級法［9-10］，按照受災范圍、降水持續時間和受災程度，將洪澇災害劃分為4 個等級（表1），定量化研究洪澇災害的發生規律。采用最小二乘法意義下的六次多項式擬合與距平分析法研究洪澇災害的階段性特征［9］。采用Morlet 小波分析對洪澇災害等級序列的震蕩特性與存在的顯著周期進行研究，準確判斷其振動最強的周期［14，21］。交叉小波變換（cross wavelet transform，XWT）是結合小波變換與交叉譜分析的信號分析技術，從多時間尺度研究洪澇災害與其影響因子的相互關系，本文通過交叉小波變換揭示不同周期尺度上兩序列間的時頻相位關系［22］。

表1 陜西黃土高原中南部地區清代洪澇災害等級劃分標準Table1 Criterion of flood disaster grade in Qing dynasty in the middle south of Loess Plateau in Shaanxi

3 結果與分析

3.1 清代洪澇災害的時間分布特征

3.1.1 清代洪澇災害發生頻次的階段性特征

洪澇災害發生頻次采用年次法進行統計，即不管洪澇災害年內發生多地、多次均按1 次記，并以最高等級為準［9-10］。從研究區清代124 條洪災記載中，篩選出84 條，以10 a 為單位統計各時間段洪澇災害發生頻次。為了進一步研究10 a 尺度下洪澇災害的變化趨勢，對洪災發生頻次進行最小二乘法意義下的六次多項式擬合，將每10 a 發生洪澇災害的頻次與其平均頻次做差，得到距平值，結果如圖1 所示?？傮w來看，洪澇災害發生頻次呈波動增加趨勢，從1881 年開始洪澇災害發生頻次呈顯著增加趨勢。根據洪澇災害隨時間的變化特征，將研究區清代洪澇災害劃分為5 個階段。第1 階段（1644—1690 年）、第3 階段（1801—1840 年）、第5 階段（1881—1912 年）分別平均2.76、2.35 以及1.39 a 發生1 次洪澇災害，這3個階段洪澇災害頻發且連澇現象十分突出，共發生3年連澇4 次，5 年連澇1 次，9 年連澇1 次；第2 階段（1691—1800 年）和第4 階段（1841—1880 年）分別平均6.11、4.44 a 發生1 次洪澇災害，發生頻次相對較低，第2 階段中1711—1720、1761—1770 及1781—1790 年有30 a 未出現洪澇災害相關記載。第1、3、5階段3 個洪澇災害高頻期的距平值以正值為主，第2、4 階段2 個洪澇災害低頻期的距平值以負值為主。

圖1 研究區清代洪澇災害每10 年頻次及距平值變化Fig.1 10-year interval frequency variation and anomaly analysis of flood disasters in Qing dynasty in the study area

3.1.2 清代洪澇災害等級序列

研究區清代洪澇災害等級序列如圖2 所示。可知，中度洪澇和大洪澇出現頻次最多，占總數的比例分別為52.38%、26.19%；輕度洪澇次之，占比為19.05%；特大洪澇最少，占比為2.38%。結合上文劃分的5 個階段，輕度洪澇主要集中出現在1691—1800 和1801—1840 年；中度洪澇和大洪澇除在1841—1880 年發生頻次較低外，在其余階段相差不大；特大洪澇集中出現在1644—1690 年。

圖2 研究區清代洪澇災害等級序列Fig.2 Sequence of flood disaster grade in Qing dynasty in the study area

3.1.3 洪澇災害等級序列的周期性特征

Morlet 小波分析結果如圖3 所示。洪澇災害等級序列的周期性明顯，存在3，8，17 及61 a 左右的準周期。3 a 周期的循環規律不明顯、不連續。8 a 周期在1793 年之后呈明顯的循環規律，存在13 個震蕩核，表現為少-多-少-多的周期變化。17 a 和61 a 周期基本貫穿于整個研究階段，周期最為明顯。17 a周期存在13 個震蕩核，表現為多-少-多-少的周期變化。61 a 周期存在4 個震蕩核，表現為多-少-多-少的周期變化。在7～17 a 周期上，1910—1912 年等值線未完全閉合，表明此后該周期尺度的洪澇災害仍有發生的趨勢［21，23］。

圖3 Morlet 小波系數實部等值線Fig.3 Contour lines of the real part of Morlet wavelet coefficients

3.2 清代洪澇災害的空間分布特征

以縣域為單位統計洪澇災害的分布情況。針對一條記錄明確包含多個縣域的，所涉及縣域各記1次；同一縣域一年內發生多次洪澇災害的記1次且取最高等級［21，23］。通過分析研究區清代124 條洪澇災害相關記載，統計得到清代洪澇災害發生頻次空間分布圖（圖4）。

圖4 研究區清代洪澇災害發生頻次空間分布Fig.4 Spatial distribution of flood disasters frequency in study area in Qing dynasty

研究區清代洪澇災害空間分布具有明顯的不均衡性，并表現出沿水系發展的特點。洪澇災害發生頻次超過9 次的縣域主要分布在研究區東北部，以清澗河流域中下游和延河流域中下游地區最為頻繁，其中延川縣（15 次）、子長市（14 次）及安塞區（11 次）主要位于黃土梁狀梁峁狀丘陵溝壑區，地形整體上由西北向東南傾斜，地表海拔為900～1 400 m，地勢起伏相對較大，境內部分梁峁在150～300 m 起伏，坡陡、溝谷切割較深，歷史時期森林覆蓋率相對較低、土壤植被吸水截流少［3］，受夏季風影響該區域夏、秋2季降水集中且強度較大，極易促進地表徑流且沿溝坡地形迅速下泄，導致區域受災程度增加［3，6，8］。

洪澇災害發生頻次介于5～9 次的縣域集中分布在研究區的中部和西南部，以涇河流域中游與北洛河流域中游地區居多。其中富縣、洛川縣及黃陵縣主要位于黃土塬地區，海拔一般在1 200 m 以下，農業生產條件較優越，且農業用地較為集中［3］，洪澇災害對當地農業生產生活影響較大，如公元1753 年富縣，“夏雨頗勤，黃、洛諸河及溪澗之水不無漲溢，六月二十二及十四、六等日，沿河低洼地畝，間有被水遇浸濕或雨后被沖?！贝送猓闈碁暮Ω甙l區如延川縣（15 次）及韓城市（14 次）縣域東境位于黃河支流匯入處，地勢相對低平、聚落較為密集，遇暴雨與連陰雨時河流水位猛漲、泄洪不暢，易發生中度以上洪澇災害［3，4，7］，如公元1756 年韓城市，“霖潦暴漲，山水驟入，奔騰噴薄，石梁舊址摧剝幾近。”

4 討 論

4.1 洪澇災害的氣候特征

參照葛全勝等［15］對中國中東部冷暖階段的劃分、姚檀棟等［24］在敦德冰巖芯中記錄的冷暖期階段、郝志新等［25］對中國過去千年冷暖與干濕格局變化的研究成果、ZHENG 等［26］對中國東部地區過去1500 a 干濕變化的重建結果、何則等［27］重建的中國西北地區的氣候干濕序列（1470—2008 年）以及韓健夫等［5］對中國黃土高原過去千年干濕變化的重建結果，結合研究區洪澇災害的階段性特征，得到陜西黃土高原中南部地區清代不同時段的氣候特征與洪澇災害發生頻次對照表（表2）。

表2 陜西黃土高原中南部地區清代氣候特征與洪澇災害發生頻次對照［5，15，24-27］Table 2 Comparison of climatic characteristics and flood disasters frequency in Qing dynasty in the middle south of Loess Plateau in Shaanxi

研究區清代的氣候以寒冷期為主，因處于寒冷期中的相對溫濕期，氣候表現出一定的冷暖波動［15，25-26］，在1700、1800 及1900 年分別出現了3 次氣候冷暖更替［15，24-26］。氣候冷暖的異常波動使得降水量年內、年際分配不均衡，極端暴雨洪水及大洪澇發生頻次增加［28］。研究區在1801—1820 和1901—1912 年分別平均每2 a、每1.2 a 發生1 次洪澇災害，其中大洪澇分別平均每10 a、每4 a 發生1 次，與氣候平穩期相比，洪澇災害發生頻次增加，尤其大洪澇發生頻次顯著提升，而1901—1912 年間氣候處于相對暖濕期［5，24，27］，該期間洪澇災害的頻繁發生也是對氣候變暖變濕的響應。在氣候冷濕條件下，1801—1900 年平均每2.56 a 發生1 次洪澇災害，大洪澇平均每10 a 發生1 次，相比之下，氣候暖干條件下洪澇災害發生頻次明顯減少，如1701—1720 年僅出現1次中等洪澇災害記載。綜上，氣候變暖變濕有利于大洪澇及特大洪澇災害的發生，這與已有研究結果［9，23，28］保持一致。除此之外，結果表明，氣候冷濕條件下大洪澇及特大洪澇災害發生頻次也較高。如公元1662 年淳化縣，“六月，大雨至七月，凡六十日，全省皆然，涇渭漲溢，絕渡十日，淹沒甚眾”；公元1840 年千陽縣，“九月連日大雨，城鄉墻宅多被坍塌，黃里任性窯塌，損人口數；馮坊居民窯塌，損人數十口；乾樹子窯塌，損人數十口。”上述2 次歷史記載中損失較大的洪澇災害都是在氣候相對冷濕的條件下發生的，這表明在氣候偏濕條件下，降水量明顯增加，大洪澇及特大洪澇災害發生頻次增加［9，21，28］。

4.2 洪澇災害的關聯因子分析

4.2.1 洪澇災害與厄爾尼諾事件、太陽活動的關系

有研究認為，厄爾尼諾事件與旱澇災害關系密切，厄爾尼諾發生當年陜西地區降水量減少，發生次年陜西地區降水量偏多［29］。NINO W 海區（0° N～10° N、140° E～180° E）的厄爾尼諾指數與陜北地區降水量呈明顯相關性，當該海區海溫異常偏高時，陜北地區易發生雨澇災害［2］。太陽活動是影響年代至百年尺度旱澇發生的重要因子［30］，有研究得到黃土高原涇河中游旱澇災害的發生在10 a 尺度上與太陽活動同步［12］；在太陽活動道頓極小期（1795—1823年），我國西北、東部地區多偏澇［30］，本研究區正處于洪澇災害高頻期。本文將洪澇災害等級序列分別與歷史時期的厄爾尼諾事件序列（1644—1912年）［20］、太陽黑子數序列（1700—1912 年）進行交叉小波變換，以探討洪澇災害與厄爾尼諾事件、太陽活動2 個氣候因子在不同時間尺度上的相關性，如圖5所示。其中，細黑曲線代表影響錐線邊界，該曲線以內為有效譜值區；粗黑線范圍以內的區域通過了α=0.05 顯著性水平下的噪聲標準譜檢驗，表示2 個序列相關性顯著；圖中箭頭“→”代表2 個序列變化相位相同（呈正相關），箭頭“←”代表2 個序列變化相位相反（呈負相關），箭頭“↑”代表2 個序列后者先于前者相位270°，箭頭“↓”代表2 個序列后者先于前者相位90°。

由圖5（a）可知，在2～5 a 周期尺度上洪澇災害等級序列與厄爾尼諾事件序列相關性顯著，1678—1689、1748—1762 以及1877—1890 年洪澇災害等級序列與厄爾尼諾事件序列呈負相關，1819—1837年，厄爾尼諾事件序列超前洪澇災害等級序列一個周期，二者呈正相關。在9～12 a 周期尺度上存在一個顯著相關能量區，1799—1816 年二者表現為顯著負相關。在56～70 a 周期尺度上亦存在一個顯著相關能量區，1733—1824 年厄爾尼諾事件序列超前洪澇災害等級序列1/4 個周期。由圖5（b）可知，洪災等級序列與太陽黑子數序列在8～14 a 的周期尺度上相關性最明顯，且在該周期尺度上，1723—1751、1814—1830 及1855—1889 年二者呈顯著負相關；1790—1809 年太陽黑子數序列超前洪澇災害等級序列1/4 個周期；1828—1841 與1887—1896 年太陽黑子數序列超前洪澇災害等級序列3/4 個周期。

圖5 洪澇災害等級序列與厄爾尼諾事件序列和太陽黑子數序列的交叉小波變換（XWT）Fig.5 Cross wavelet transform（XWT）of flood disasters grade sequence with El Nino events sequence and sunspots sequence

4.2.2 夏季風對洪澇災害的影響

東亞夏季風為我國東部地區大范圍降水提供主要水汽來源，其強度和推進位置發生改變會對我國東部地區的氣候變化造成影響［31］。當東亞夏季風較強時，我國夏季雨帶位置偏北，陜西省降水量則呈現北部地區降水偏多、南部偏少的特點［32］，陜西黃土高原中部地區因降水連續時間長、強度大極易引發洪澇災害［3，32］。東亞夏季風的水汽輸送帶是我國東部地區夏季極端暴雨和大洪澇的制造者［31］，當其與東亞中高緯大氣環流配合將季風水汽輸送至西北地區東部時，該地區將出現大暴雨天氣，易引發洪澇災害［31］，如1977 年7 月5—6 日延安發生的特大洪水就說明了這種情況。陜西黃土高原中南部地區位于夏季風過渡區，對東亞夏季風北邊緣的推進變化響應劇烈［5，33］，我國黃土高原半干旱區的干燥度指數與季風邊緣的負相關最為明顯［33］。對比萬象洞WX42B 的δ18O 記錄分析結果［34］（圖6），研究區自1690 年開始，洪澇災害高、低頻期與夏季風存在較明顯的正相關關系，1644—1690，1801—1840 及1881—1912 年3 個洪澇災害高頻期受夏季風的影響。1881—1912 年大洪澇的發生頻次在5 個階段中最高，該階段內1894—1898 年出現5 年連澇，1901—1912 年出現9 年連澇，這與夏季風在19 世紀晚期處于降水增強期［34］存在一定聯系。

圖6 洪澇災害低、高頻期與萬象洞WX42B 的δ18O 記錄（根據文獻［34］改會）對比Fig.6 Comparison of low and high frequency periods of flood disasters in the study area with the record of δ18O in Wanxiang cave WX42B

5 結 論

研究區域尺度洪澇災害歷史時期的時空分布以及氣候變化特征，對于重建高分辨的古氣候序列以及深入了解全球氣候變化的區域響應具有重要意義。通過對陜西黃土高原中南部地區清代洪澇災害的時間分布、空間分布、氣候特征及成因進行研究，得到如下結論：

（1）洪澇災害分為5 個階段。第1 階段（1644—1690年）、第3階段（1801—1840年）和第5階段（1881—1912 年）為洪澇災害高頻期；第2 階段（1691—1800年）和第4 階段（1841—1880 年）為洪澇災害低頻期。該區清代洪澇災害發生頻次總體呈波動增加趨勢。3 個洪澇災害高頻期受夏季風的影響，1881—1912年洪澇災害發生頻次呈顯著增加趨勢，這與19 世紀晚期夏季風活動加強有關。

（2）從災害等級看，研究區以中度洪澇和大洪澇為主，大洪澇及特大洪澇在氣候轉型期發生頻次相對較高。除此之外，在氣候偏濕條件下，降水量明顯增加也會造成大洪澇及特大洪澇發生頻次增加。

（3）清代洪澇災害空間分布不均衡性突出，并表現出沿水系發展的特點。研究區的東北部、中部及西南部的縣市洪澇災害發生頻次相對較高，其中清澗河流域與延河流域中下游地區的縣市發生頻次最高。

（4）清代洪澇災害發生存在3、8、17 及61 a 的準周期。交叉小波變換顯示，該區洪澇災害等級序列在2～5、9～12 及56～70 a 周期尺度上與厄爾尼諾事件序列存在顯著相關性，在8～14 a 周期尺度上與太陽黑子數序列相關性明顯。