唐代陜西黃土高原中南部地區洪澇災害與氣候特征

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, 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, 西安 710061)

全球變暖加劇了氣候系統的不穩定性，與氣候系統密切相關的極端水文災害如洪澇災害成為社會各界關注的焦點[1-2]。中國人口眾多，地域廣闊，氣候類型多樣且氣候變率較大，近年來顯著增加的極端天氣事件導致我國洪災發生頻次增多，對國民經濟發展和社會穩定性形成較大的沖擊性[2-4]，根據《中國水旱災害防御公報2019》統計，1950—2019年中國平均每年因洪澇災害死亡的人數為4 047.29人，造成的經濟損失達1 522.81億元/a[5]。歷史時期區域尺度旱澇災害演變規律是“過去全球變化研究”(PAGES)的重要研究內容[1]。國外學者多從樹木年輪、湖泊和河流沉積物中提取過去洪水事件的信息，對洪水動力學及其觸發機制展開研究[6-7]。中國文化源遠流長，既有樹輪、冰芯、湖泊沉積、石筍等自然證據，也有記載詳實、定年準確、氣候指示意義清楚的史料記錄覆蓋自然證據匱乏區域，是開展過去氣候變化研究的理想場所[1,3-4]。我國學者通過統計分析歷史文獻記錄，對數百年至千年尺度中國東部、西北、西南等區域的旱澇災害時空分布格局與演變特征、極端旱澇事件序列進行了深入的研究[3-4,8-9]，還基于流域尺度參考史料記錄或對比河流洪水沉積剖面對流域不同時期洪水特征、洪災成因及氣候變化背景進行分析[10-12]。以上研究多從宏觀尺度探究過去氣候環境變化規律，對于典型的氣候變化敏感區如夏季風過渡地帶的旱澇災害的時空分布與其氣候背景的研究少有報道[12]。

中國受夏季風影響的區域廣泛，夏季風強度的年循環、年代際變化及其趨勢性突變過程造就了中國旱澇交替的基本氣候特征，也導致了區域重、特大旱澇災害的出現[2-3,12-13]。而夏季風過渡地帶往往處于農牧交錯帶或地表類型以生態過渡區為主，生態環境相對脆弱，水土流失十分嚴重[13]。陜西黃土高原地處夏季風過渡區，該區降水、徑流的年內分配不均且年際變化大，易產生歷時短、強度大的特大暴雨，因其突發性強，破壞性高，引發的洪水災害對該區人民生產生活影響較大[13-15]。唐代是氣候史上的相對暖濕時期，在這種特殊的氣候背景下降水偏多，雨量豐沛[16-17]。唐代290年中洪澇災害年占比接近一半，遠高于其他類型自然災害[17]。陜西黃土高原中南部地區在唐時期臨近政治統治中心，洪災相關的歷史資料較多且記載較為詳細，有利于開展洪澇災害的相關研究[18-21]。本文利用歷史文獻資料，提取該區唐代618—907年的洪澇災害信息，探討唐代研究區洪災時空變化規律及氣候特征，有助于了解氣候過渡帶的洪災對歷史時期氣候變化的響應，對黃土高原地區災害的預防及生態環境建設具有重要的實際意義。

1 研究區域與方法

1.1 研究區概況

本文研究區域為陜西黃土高原中南部地區，該區海拔為1 000～1 600 m，其中耀州區南部的河谷平原區海拔為600～700 m[14]，為全區最低的地段。地理坐標位于34°29′—37°30′N，106°25′—110°36′E，地跨隴縣、千陽縣、麟游縣、永壽縣、長武縣、彬州市、旬邑縣、淳化縣、白水縣、澄城縣、合陽縣、韓城市、宜君縣、印臺區、王益區、耀州區及延安地區，共計22個縣、5個區、2個市。研究范圍內，白于山以南、嶗山以北的延安地區屬于黃土高原丘陵溝壑區，延安地區以南的縣市位于黃土塬溝壑區，區間黃土塬、梁狀丘陵與基巖山地等地形單元交錯分布[14]。陜西黃土高原地處東亞夏季風和中緯度西風的耦合區，干濕條件空間變異性較大，其中部屬于大陸性季風氣候，南部屬于半濕潤性季風氣候，年平均降水量為350～600 mm，自中部向南整體干燥程度減弱，濕潤程度增強[14,19]。

1.2 研究方法

(1) 災害等級法。參考前人洪災的分級方法，結合研究區具體情況，按照洪災范圍大小、降水持續時間長短及洪災的影響程度，把洪澇災害劃分為4個等級(表1)[10,22]，將文獻記錄中定性的描述定量化。

表1 唐代陜西黃土高原中南部地區洪澇災害定級

(2) 趨勢分析法。結合最小二乘法意義下的6次多項式擬合與距平分析探究洪災發生的階段性與趨勢特征[10]。

(3) 小波分析。連續小波變換(CWT)在提取信號特征方面具有優勢，近年來在氣候學相關研究中被廣泛運用[23]。運用連續小波變換對洪澇災害等級序列進行分析，提取等級序列的局部特征以研究不同時間段的周期變化特征。

(4) 濕潤指數法。從概率論統計觀點出發，把研究區域某個時間段內發生的水旱災害次數作為水旱事件的總體，用水旱災害的比值來代表氣候的干濕狀況，能一定程度上消除水旱資料的時空不均勻性[22]，其計算公式如下：

式中：I為濕潤指數,其數值在0～2范圍內;F為某區域某年的水災(洪澇災害)的記載次數;D為相應的旱災記載次數。I=1,是水旱災害相等的年份(包括水旱均無記載的年份)，代表旱澇中等；0

2 數據來源

洪澇災害記錄主要來源于系統的匯編資料包括《中國三千年氣象記錄總集》[18]《中國氣象災害大典(陜西卷)》[19]《中國災害通史·隋唐五代卷》[20]《西北災荒史》[21]及地方史志。依據唐代行政區劃資料把唐代歷史記錄中洪澇災害發生的地點對應于現代行政區劃圖上予以修正，經詳細篩選和統計分析共得到洪澇災害相關數據條目110條。

3 結果與分析

3.1 洪澇災害發生情況

統計中不管洪澇災害年內發生多地、多次均按一次并選取等級最高的記錄計算，以年度為統計單位從110條災害記錄中篩選出研究區唐代洪災相關條目49條，建立洪澇災害等級序列(圖1)，再對以上49條災害條目以10 a為單位進行統計得到洪澇災害發生頻次分布圖(圖2)，結合距平分析可以進一步揭示研究區唐代洪澇災害的階段性特征(圖3)。

圖1 研究區唐代618-907年洪澇災害等級序列

圖2 研究區唐代洪澇災害每10 a頻次分布和六次多項式擬合

圖3 研究區唐代洪澇災害每10 a距平值和6次多項式擬合

由圖2—3可知，陜西黃土高原中南部地區唐代洪澇災害發生頻次整體呈波動下降趨勢。根據頻次變化特征將洪澇災害分為4個階段：第一階段為618—637年，發生洪災8次，平均每2.5 a發生一次，該階段洪災頻次最高且以輕度洪澇為主。期間623—624年出現2 a連澇，628—630年出現3 a連澇，均以輕度和中度洪澇為主。第二階段為638—727年，發生洪災9次，平均每10 a發生一次，災害發生頻次較低，以中度洪澇和大洪澇為主。第三階段為728—847年，發生洪災27次，平均每4.48 a發生一次，為洪災高頻期，以中度洪澇為主。該階段內732—734年出現3 a連澇且均為中度洪澇，828—831年出現4 a連澇且連續2 a為大洪澇災害。第四階段為848—907年，發生洪災5次，平均每12 a發生一次，災害發生頻次最低且以輕度洪澇為主。從整體上來看，唐代研究區618—637年與726—847年洪災距平值主要以正值為主，638—725年與848—907年距平值則以負值為主(圖2)。綜上可知，第一階段與第三階段為洪災高頻期，第二和第四階段為洪災低頻期。

3.2 洪澇災害的周期性

對洪澇災害等級序列進行連續小波變換得到圖4，圖中顏色深淺反映出能量密度的相對變化，黑色粗實線圈內的值表示通過了95%置信水平的紅噪聲檢驗，黑色細實線下方是小波影響錐COI(連續小波變換數據邊緣效應影響較大的區域)。在通過顯著性檢驗的范圍內，652—658年、751—756年、763—771年、840—843年、893—898年具有2～5 a的主震蕩周期；階段710—743年存在5～9 a，20～30 a的周期；階段816—839年具有2～5 a，5～9 a的周期；階段750—836年具有52～80 a的周期。該區唐代洪災等級的2～5 a周期與ENSO的2～8 a周期相對應，推測具有2～5 a周期的時段如652—658年、751—756年及763—771年等時段洪災的發生可能受ENSO信號的調節[24]；52～80 a的周期與PDO的50～70 a的周期相符合[25]，推測750—836年旱澇災害的發生與PDO正負相位可能存在一定關聯[25-26]。

注：右側縱坐標數值代表小波能量，數值越高，能量越強，無單位。圖4 洪澇災害連續小波功率譜

3.3 洪澇災害空間變化特征

研究區唐代洪澇災害的110條相關記錄中23條沒有具體的縣市信息。對于個別縣市區劃范圍同時隸屬多個州的，凡所屬州發生洪災了則算作一次，統計中各縣市一年中發生多次的均按一次且取等級最高的計算。按照我國現行5級行政區劃，經統計分析后得到洪災空間分布圖(圖5)。

圖5 唐代洪澇災害頻次空間分布

總體上研究區中部縣域洪災發生頻次較南部與北部更多。洪災頻次達5次以上的縣域中，甘泉縣(6次)、黃龍縣(6次)、富縣(8次)及洛川縣(8次)平均海拔800～1 400 m，主要分布在嶗山以南的黃土高原溝壑區。子午嶺以南的銅川市地區包括王益區(8次)與印臺區(8次)海拔在960～1 100 m[14]。以上縣域中，甘泉縣、黃陵縣、富縣、黃龍縣分布在北洛河中游地區，塬面相對平坦，便于開展農耕活動，人口與農田分布相對密集，發生的洪澇災害對農戶的生產生活具有較大影響[14]。銅川地區的中部為黃土殘原溝壑區，谷坡陡峭，易于徑流聚集，河流比降大，暴雨易引發河水漲落導致洪災的發生[27]，唐代銅川地區記載的9次洪災中一半以上為大洪澇災害，如公元829年，“4月，同官縣暴水，漂沒居民三百余家?！贝送?，唐代是較大規模興修水利工程的時期，唐前期關內地區修建了大量的水利工程，墾辟農田數量隨之增加導致大量植被遭到破壞，缺乏植被覆蓋的地區對降水匯聚的地表徑流無法有效攔截則更易引發洪災[16]。

4 討 論

4.1 洪澇災害與氣候變化

對研究區唐代旱澇文獻匯編資料及地方史志[18-21]進行梳理與統計可知，濕潤指數年代際波動明顯(圖6)。618—637年濕潤指數均值為1.14，處于氣候較為濕潤的時期。638—727年洪澇與干旱災次比達到1∶3，濕潤指數均值為0.59，表明該階段氣候明顯偏干。728—847年處于旱災較洪災發生更加頻繁的時期，濕潤指數均值為0.84，整體上偏干。848—907年這60 a干濕年代際波動較大，水旱災害都較為頻繁，濕潤指數均值為1.08?？梢钥闯鲅芯繀^在唐代前20 a(618—637年)氣候偏濕，638—837年雖然整體偏干，但648—657年與718—737年有30 a濕潤指數I>1。在838年之后，以約10 a尺度交替進入干濕演替狀態。對比本區唐代濕潤指數序列(圖7D)與中國東部去趨勢干濕指數(圖7A)[28]序列表明：二者變化過程在絕大多數時段高度一致，均以618—630年、718—740年、888—897年氣候相對偏濕，640—700年、750—777年氣候偏干，而二者所揭示的多年代尺度波動趨勢與黃河中下游地區干濕指數序列[29](圖7B)及西安旱澇等級序列50 a滑動平均曲線[30](圖7C)基本對應，整體均呈現出618—700年氣候偏濕，700—907年氣候偏干的特點。

圖6 研究區唐代(618-907年)濕潤指數變化

注：A為中國東部地區標準化干濕指數序列的30 a FFT平滑濾波(根據參考文獻[28]改繪)；B為黃河中上游地區干濕指數(根據參考文獻[29]改繪)；C為西安地區旱澇等級序列50 a滑動平均變化曲線(根據參考文獻[30]改繪)；D為唐代陜西黃土高原中南部地區濕潤指數。圖7 研究區唐代(618-907年)濕潤指數變化與其他地區對比

綜合分析吳宏岐[31]、鄭景云[3,29]、費杰[32]等對于唐代冷暖波動特征的研究，唐代陜西黃土高原中南部地區618—750年氣候偏暖，800—907年偏冷，750—799是氣候由暖轉冷的過渡期。結合本文的洪災階段特征(圖3)及濕潤指數變化特點(圖7)，得到研究區唐代不同階段氣候冷暖干濕特征(表2)[3,29,31-32]。研究表明我國黃土高原南部地區在845年和880年氣候出現了10 a尺度的波動[32]，因而研究區在838—847年與888—897年這兩個階段大洪澇災害的頻繁發生可能與該時期氣候波動頻繁有關[20,32]。表2中大洪澇發生頻次較高的時期氣候均偏濕，648—657年與718—727年為暖濕氣候，838—847年與888—897年為冷濕氣候。唐代較大洪災年份與降水持續時間較長或暴雨這類極端降水事件密切相關[10,17]，如公元840年富縣、黃龍縣，“6月20日鄜州大雨，水溢州城，平地水深丈余，沖毀房舍，淹死人畜。”及公元895年延長、甘泉等縣，“乾寧二年，渭北遇雨60日?！爆F代洪災研究也表明大洪澇及特大洪災的發生與降水量的增加密切相關。據統計，陜西黃土高原中南部地區在1981年、1988年、2003年、2011年、2013年、2014年、2017年這7個年份降水量距平值超過100 mm(數據來源：美國國家海洋和大氣管理局https:∥www.noaa.gov/降水數據再分析資料)，參考《中國氣象災害大典(陜西卷)》[19]及相關資料對現代洪澇年的記錄，可確定以上年份均出現了大洪澇或特大洪澇災害，其中2003年、2013年降水量距平值分別為191，237 mm左右，均為特大洪澇年。

表2 唐代陜西黃土高原中南部地區氣候特征與大洪澇災害

4.2 洪澇災害與夏季風

東亞夏季風邊緣帶在我國東部地區到達的最北位置存在年際、年代際變化，其推進與位置變化決定我國北方地區旱澇降水型分布[33]。黃土高原地區因地處東亞夏季風影響過渡區的典型地帶，對東亞夏季風邊緣最北位置的進退較為敏感，夏季風由南向北推進過程中北邊緣越偏南，黃土高原地區的氣候則呈現出越干燥的特征[33]。我國黃土高原地區的雨季開始時間在夏季風弱的年份提前，在夏季風強的年份推遲，該區旱澇災害的發生與降雨的時間之間具有一定的相關性，因而夏季風強度是影響該區旱澇變化的主要因素[34]。研究認為唐代(公元618—907年)季風強度呈波動下降趨勢(圖8A)[24]，這與研究區唐代洪澇災害發生頻次整體呈波動下降趨勢相吻合(圖8B)，公元860年前后季風強度急劇減弱本區洪災發生頻次下降趨勢明顯，公元850—907年晚唐弱季風期對應本區洪災發生頻次最低的階段[35]，故本區洪災頻次變化受夏季風影響且與季風強度呈現出一定的正相關性。

注：A為萬象洞The WX42B的δ18O(VPDB)記錄(每10 a均值)(根據[35]改繪)；B為陜西黃土高原中南部地區每10 a洪災頻次距平值。圖8 洪澇災害每10 a距平值與萬象洞的WX42B的δ18 O記錄對比

5 結 論

(1) 唐代陜西黃土高原中南部地區洪澇災害發生頻次整體呈波動下降趨勢，可將其劃分為4個階段，第一階段618—637年與第三階段728—847年為洪災高頻期，第二階段638—727年和第四階段848—907年為洪災低頻期。洪災頻次變化受夏季風影響且與夏季風整體變化趨勢具有一致性。

(2) 唐代陜西黃土高原中南部地區洪澇災害等級具有2～5 a，5～9 a，20～30 a及52～80 a的周期。洪災的發生可能受ENSO信號的調節，與PDO正負相位可能存在一定關聯。

(3) 空間分布上來看，研究區洪災發生頻次中部較南北兩側更多，洪災高頻區主要位于嶗山以南的黃土高原溝壑區。

(4) 從氣候特征來看，研究區在唐代前20 a(618—637年)氣候偏濕，638—837年雖然整體偏干，但648—657年與718—737年有30 a氣候偏濕；在838年之后，該區以約10 a尺度進入干濕交替狀態。

(5) 該區唐代較大洪澇災害與降水持續時間較長、暴雨這類極端降水事件及氣候頻繁波動密切相關。