李曉剛，李 敏

(商洛學(xué)院 城鄉(xiāng)規(guī)劃與建筑工程學(xué)院,陜西 商洛 726000)

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商洛地區(qū)1430～2000年旱澇災(zāi)害規(guī)律分析

李曉剛，李 敏

(商洛學(xué)院 城鄉(xiāng)規(guī)劃與建筑工程學(xué)院,陜西 商洛 726000)

摘要：通過搜集和歸納商洛地區(qū)1430～2000年旱澇災(zāi)害的相關(guān)史籍材料，運(yùn)用11年滑動平均、累積距平和小波分析等方法，探究了商洛地區(qū)在這570年間旱澇災(zāi)害的變化規(guī)律。結(jié)果表明：(1)商洛地區(qū)近570年間，發(fā)生旱澇災(zāi)害的年份有340年，占59.6%，平均每1.68年發(fā)生1次旱澇災(zāi)害，商洛地區(qū)的旱澇災(zāi)害發(fā)生頻繁；(2)近570年可分3個明顯的階段：1430～1640年的偏旱階段、1640～1920年的旱澇相對均衡階段、1920～2000年澇災(zāi)較多階段，在此基礎(chǔ)上又可分為7個偏澇或偏旱時期；(3)商洛地區(qū)的旱澇災(zāi)害還有明顯的周期性規(guī)律，主周期為175～205年，并且另外還有77～89年和178～205年周期，基本與太陽活動的80年和178年周期相對應(yīng)，這表明商洛地區(qū)旱澇災(zāi)害的發(fā)生與其之間存在著一定的關(guān)聯(lián)。這對商洛地區(qū)制定相關(guān)的防災(zāi)減災(zāi)措施等具有重要的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：商洛；旱澇災(zāi)害；規(guī)律分析；小波分析

自然災(zāi)害具有種類多、分布廣、頻率高、危害大、損失重等特點(diǎn)，一直以來都對我國社會經(jīng)濟(jì)等各個方面的發(fā)展造成了巨大的影響。其中，在眾多自然災(zāi)害類型中，旱澇災(zāi)害屬于發(fā)生頻率最高、危害最大的自然災(zāi)害[1]，它嚴(yán)重地威脅著人類的生存和發(fā)展。旱澇災(zāi)害的頻繁發(fā)生引起了學(xué)者們的廣泛關(guān)注，因此對旱澇災(zāi)害發(fā)生規(guī)律的研究成為災(zāi)害學(xué)、地理學(xué)的熱點(diǎn)問題之一[2]。陳穎等[3]對北京地區(qū)明清時期的干旱災(zāi)害與氣候事件的研究表明：北京地區(qū)的干旱氣候事件發(fā)生頻率從明代到清代呈現(xiàn)下降趨勢。呂曉虎等[4]對涇河流域的干旱災(zāi)害等相關(guān)方面的研究表明：涇河流域在明朝時期干旱經(jīng)常發(fā)生，平均每2.5年就會發(fā)生1次，并經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)該地區(qū)這一時期旱災(zāi)的發(fā)生與降水量的變化之間有著重要的聯(lián)系。朱亞芬[5]在研究中國東部及北方的旱澇災(zāi)害變化時，提出了1470年以后，我國北方的旱澇災(zāi)害變化情況在不同地區(qū)和不同時期有著很大的差異。我國在水文氣象方面，有著非常豐富的相關(guān)歷史文獻(xiàn)資料，對于旱澇事件出現(xiàn)的季節(jié)、持續(xù)時間的長短、程度及范圍的大小等方面都有著相關(guān)的記載。竺可楨立足于2000多種有關(guān)旱澇情況記載的地方史志及其他歷史資料，在全國不同的地區(qū)建立了100多個站點(diǎn)，并根據(jù)不同站點(diǎn)6～9月的降水量，將旱澇災(zāi)害劃分成5個不同的等級序列來區(qū)分旱澇情況,并以此為基礎(chǔ)編寫出版了《中國近五百年旱澇分布圖集》[6]。這一基礎(chǔ)性的工作為此類研究的后續(xù)發(fā)展提供了有利的條件。

本研究以歷史資料的記載為基礎(chǔ)，探討了商洛地區(qū)570年間旱澇災(zāi)害發(fā)生的等級和時間階段變化規(guī)律，并利用小波分析的方法來探究該地區(qū)旱澇災(zāi)害在時間上的變化規(guī)律，以便為今后該地區(qū)在此類災(zāi)害研究上做出科學(xué)、有效的預(yù)測和防治提供了一定的參考。

1資料與等級劃分

1.1研究區(qū)域概況

商洛市位于陜西省東南部，秦嶺南麓，與鄂、豫兩省交界[7]。地理坐標(biāo)大概位于東經(jīng)108°～111°及北緯33°～34°之間。商洛市東至南陽盆地，西鄰古都西安，其東西長229 km；北接八百里秦川，南到江漢平原，其南北寬138 km，另外，商洛市包括六縣一區(qū)(圖1)，全區(qū)總面積為19292 km2。商洛市界于長江與黃河兩大流域之間的位置，其氣候?yàn)榕瘻貛О霛駶櫄夂?，年平均氣溫?.8～13.9 ℃左右，年平均降水量在710～930 mm之間，且該地區(qū)的降水主要集中在6～9月份，并具有多暴雨且集中的特點(diǎn)。商洛地區(qū)氣候季風(fēng)性較強(qiáng)，水熱變化較大，氣象災(zāi)害頻發(fā)[8]。

圖1　商洛地區(qū)行政區(qū)劃圖

1.2資料來源

本文共收集歸納了《中國氣象災(zāi)害大典(陜西卷)》[9]、《陜西歷史自然災(zāi)害簡要紀(jì)實(shí)》[10]、《中國氣象三千年記錄總集》[11]、《商洛地理志》[12]、《商洛市志》[13]等史料中有關(guān)商洛地區(qū)旱澇災(zāi)害記載的資料，再結(jié)合《中國近五百年來旱澇分布圖集》[7]，整理并得到商洛地區(qū)1430～2000年共570年較完整的旱澇災(zāi)害情況資料。

1.3等級劃分

首先，依據(jù)《中國近五百年旱澇分布圖集》的旱澇災(zāi)害等級劃分方法，結(jié)合商洛地區(qū)1430～1959年旱澇災(zāi)害歷史文獻(xiàn)的文字描述，對該地區(qū)旱澇災(zāi)害加以評定后，具體劃分為5個等級(表1)。然后，對于1960年以后的旱澇災(zāi)害等級，則主要根據(jù)商洛等地年降水量值確定旱澇等級[11](表2)。

表1　商洛地區(qū)1430～1959年旱澇災(zāi)害等級劃分

2研究方法

2.1滑動平均分析

滑動平均法是一種數(shù)據(jù)的處理方法，它是把動態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑和濾波的處理，這樣就可以在一定程度上抑制隨機(jī)誤差的產(chǎn)生，從而使數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)更為精確。根據(jù)旱澇災(zāi)害序列長度，從第2項(xiàng)起，求其11年的滑動平均值，然后按時間順序逐次推進(jìn)，每推進(jìn)一次，就將相鄰的前一項(xiàng)舍去，同時把后續(xù)的相鄰一項(xiàng)加上，再計(jì)算，以此類推，得到一個新的時間序列，并以此為基礎(chǔ)作出相應(yīng)的曲線。對商洛地區(qū)570年旱澇災(zāi)害序列進(jìn)行滑動平均處理，可以更好地反映出其變化趨勢。具體計(jì)算公式為：

Ft=(At-1+At+At+1+…+At+10)/11

(1)

式(1)中：Ft為滑動平均值；At-1～At+10為實(shí)際值。

表2　商洛地區(qū)1960～2000年旱澇災(zāi)害等級劃分

2.2累積距平分析

距平是指某一系列數(shù)值中的其中一個特定的數(shù)值與整個系列數(shù)值平均值的差值，而將其依次累積計(jì)算的值即為累積距平。這種分析方法是一種簡單而時效的直觀方法，主要用來進(jìn)行時間序列變化趨勢的判斷，經(jīng)常被用于氣候與水文分析的時間尺度序列的變化趨勢規(guī)律分析，其公式為：

Ft=(A1+A2+…+At)-(A1+A2+…+At)/t

(2)

式(2)中：Ft為累積距平；A1～At為實(shí)際值。

2.3小波分析

小波分析是指基于傅里葉分析并由此發(fā)展起來的一種有效的信號處理與分析方法，它可以反映出時間序列的局部變化特征，并能夠表示出每一時刻在各時間尺度中的確切位置，這樣就可以更好地進(jìn)行序列隨時間的變化規(guī)律的分析，也能夠更好地反映出序列多時間尺度的變化特征。所以此方法目前被廣泛地應(yīng)用于氣象和水文序列的周期性變化研究中。通過對商洛地區(qū)旱澇災(zāi)害的小波變換處理，可以更好地分析出不同時間尺度旱澇災(zāi)害發(fā)生的頻率及其變化趨勢。小波方差反映了波動的能量隨尺度的分布，可以客觀而有效地確定一個待分析序列中存在的主要周期，方差的峰值處所對應(yīng)的尺度即為該序列的主要周期尺度[14]。

3結(jié)果與分析

3.1旱澇災(zāi)害等級分析

從商洛地區(qū)旱澇災(zāi)害等級序列圖可以看出(圖2)：商洛地區(qū)1430～2000年，旱澇災(zāi)害發(fā)生頻繁，大旱、旱災(zāi)、偏澇、澇災(zāi)等嚴(yán)重災(zāi)害多發(fā)并且交替發(fā)生。特別是1430～1640年以旱災(zāi)為主，1800～1920年的澇災(zāi)頻繁發(fā)生且持續(xù)時間較長。此外，大旱之后必有澇災(zāi)，大澇之后必有旱災(zāi)，如此交替發(fā)生，比如1480～1530年、1620～1680年、1690～1720年等連年大旱之后發(fā)生了非常嚴(yán)重的澇災(zāi)。另外，從整體的時間序列圖看，在這570年內(nèi)，商洛地區(qū)主要以旱災(zāi)為主。

圖2　商洛地區(qū)1430～2000年旱澇災(zāi)害等級序列圖

從商洛地區(qū)1430～2000年旱澇災(zāi)害發(fā)生頻次可以看出(表3)，商洛地區(qū)在近570年間，發(fā)生旱澇災(zāi)害的年份共有340年，約占研究年限總時長的59.6%，平均每1.68年發(fā)生1次旱災(zāi)或澇災(zāi)。其中發(fā)生澇災(zāi)的年份共154年，約占總研究年份的27.0%，平均每3.70年發(fā)生1次；發(fā)生旱災(zāi)的年份共有186年，約占總研究年份的32.6%，平均大概每3.07年發(fā)生1次。就這570年旱澇災(zāi)害的變化情況來看，旱災(zāi)與澇災(zāi)相比，發(fā)生較為頻繁。這與上述旱澇災(zāi)害等級序列圖(圖2)的分析結(jié)果一致?？傮w來說，商洛地區(qū)旱澇災(zāi)害具有多發(fā)性、多旱災(zāi)的特點(diǎn)。

3.211年滑動平均以及累積距平分析

對商洛地區(qū)1430～2000年旱澇災(zāi)害等級滑動平均曲線分析可知(圖3)：近570年間，旱澇災(zāi)害的發(fā)生大致可以分為3個主要階段：1430～1640年主要以旱災(zāi)為主，旱災(zāi)發(fā)生頻繁，并且大旱、連旱情況嚴(yán)重，在這一時期內(nèi)，旱災(zāi)的強(qiáng)度和影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于澇災(zāi)；1640～1920年，旱災(zāi)強(qiáng)度有明顯的減弱趨勢，澇災(zāi)則有加強(qiáng)的趨勢，出現(xiàn)了明顯的旱澇交替現(xiàn)象，總體上處于旱澇災(zāi)害相對均衡的一個狀態(tài)；1920～2000年，澇災(zāi)相對于旱災(zāi)有明顯加強(qiáng)，并且在強(qiáng)度和頻率上都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過旱災(zāi)。

對商洛地區(qū)1430～2000年旱澇災(zāi)害等級進(jìn)行累積距平分析可知(圖3)：商洛地區(qū)近570年間，從1430年起，累積距平曲線一直呈上升趨勢，說明這一時期商洛地區(qū)以連旱、大旱為主；到1640年呈下降趨勢，雖然幅度小，但波動比較激烈，說明這段時期內(nèi)，商洛地區(qū)受旱澇災(zāi)害交替的影響；一直到1920年，然后1920～1930年曲線以下降趨勢為主，說明這一時期商洛地區(qū)的偏澇、澇災(zāi)持續(xù)且影響較大；1930年出現(xiàn)略微的上升，是由澇災(zāi)向旱災(zāi)發(fā)展。另外，除了1640年、1810年及1930年出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn)外，還有1530年、1590年、1920年左右也有明顯的突變。這些突變年又將商洛地區(qū)570年旱澇災(zāi)害的發(fā)生序列分成了7個旱澇階段，即1430～1530年為旱災(zāi)相對較強(qiáng)時期、1530～1590年則為澇災(zāi)相對偏強(qiáng)時期、1590～1640年又為旱災(zāi)相對較強(qiáng)時期、1640～1810年澇災(zāi)相對偏強(qiáng)時期、1810～1920年旱災(zāi)相對較強(qiáng)時期、1920～1930年為明顯澇災(zāi)嚴(yán)重時期、1920年以后又出現(xiàn)旱災(zāi)相對較強(qiáng)的一個趨勢。由此可知，商洛地區(qū)域1430～2000年這570年間旱澇災(zāi)害發(fā)生具有明顯的階段性特征。

圖3　商洛地區(qū)1430～2000年旱澇災(zāi)害滑動平均與累積距平圖

類型頻次所占比例/%澇災(zāi)15427.0正常23040.4旱災(zāi)18632.6

據(jù)朱亞芬[5]對中國東部及北方旱澇演變相關(guān)方面的研究表明：在16～17世紀(jì)上半葉，中國北方干旱時常發(fā)生且影響嚴(yán)重、損失較大，其中以東北南部、黃淮及河套地區(qū)尤甚，這些地區(qū)都曾多次出現(xiàn)長時間、大面積的嚴(yán)重性干旱。而后在18～19世紀(jì)這一時期，河套地區(qū)的旱澇災(zāi)害呈現(xiàn)交替發(fā)生的狀態(tài)，并且其相應(yīng)的變化幅度呈遲緩趨勢。李艷芳[15]、郭瑞[2]等對關(guān)中地區(qū)洪澇災(zāi)害的相關(guān)研究也表明，大概從19世紀(jì)末開始，關(guān)中大部分地區(qū)都處于澇災(zāi)高發(fā)時期，其降水量呈普遍上升的趨勢，從而導(dǎo)致涇洛渭河的水災(zāi)也發(fā)生頻繁。楊凌等[1]對千河流域近570年旱澇災(zāi)害的研究也表明：洛渭河流域在1470～2009年期間旱澇災(zāi)害具有明顯的多發(fā)性、階段性和周期性特征，并且在570年間主要以旱災(zāi)為主。同時，趙景波等[16-17]對明代陜南地區(qū)旱災(zāi)及洪澇時空特征的分析表明：陜南在明朝時期多旱災(zāi)，而且因地形差異，導(dǎo)致該時期的旱災(zāi)主要集中在商洛地區(qū)，漢中地區(qū)則比較少見。這些研究結(jié)果與商洛地區(qū)這570年旱澇災(zāi)害的變化特征有著很大的相似性，這對于今后進(jìn)一步研究商洛地區(qū)的旱澇災(zāi)害變化規(guī)律、及時對該地區(qū)做好相應(yīng)的防災(zāi)減災(zāi)有著非常重要的借鑒意義。

3.3小波分析

利用DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)軟件對商洛地區(qū)570年的等級序列進(jìn)行小波分析，得到Morlet小波變換與小波方差圖，并據(jù)此進(jìn)行了旱澇災(zāi)害周期性分析。

3.3.1小波方差由小波方差曲線圖可以看出(圖4)，商洛地區(qū)570年旱澇災(zāi)害序列具有5個明顯周期，分別是178～205年的主周期以及77～89年周期，275～300年周期，335～350年周期和440～463年周期。其中，主周期178～215年大致與西北地區(qū)168年旱澇災(zāi)害變化的周期以及千河流域旱澇災(zāi)害的主周期177～185年相對應(yīng)。另外，徐振韜等[18]研究表明，太陽活動的平均周期大約為5.5年、11年、22年、80年及178年，而商洛地區(qū)旱澇災(zāi)害變化的77～89年和178～215年周期大致上與80年和178年周期相對應(yīng)，這說明商洛地區(qū)旱澇災(zāi)害的發(fā)生與太陽活動存在著一定的相關(guān)性。

3.3.2小波變換圖為了方便進(jìn)行旱澇災(zāi)害規(guī)律以及周期性分析，在商洛地區(qū)570年旱澇指數(shù)Morlet小波變化圖中(圖5)，偏旱用實(shí)線來表示，且為正值；而虛線則表示偏澇，即為零值和負(fù)值?？梢钥闯觯诟鲿r間尺度上，小波系數(shù)都表現(xiàn)出虛實(shí)線交替的特征。其中，在275～290年周期的時間尺度上，虛實(shí)線交替最為明顯：1430～1450年左右為虛線，偏澇；1450～1530年為實(shí)線，即偏旱；1530～1640偏澇，即虛線，1640～1710年為實(shí)線，即偏旱；1710～1780年為偏澇，為虛線；1780～1810年實(shí)線，即偏旱，1810～1930年為虛線，即偏澇；而1930年以后以實(shí)線為主，即為偏旱。在這一特定的時間尺度上，該地區(qū)旱澇災(zāi)害的階段性、周期性變化與累積距平分析的結(jié)果大致相同。由此可見，商洛地區(qū)1430～2000年570年的旱澇災(zāi)害具有階段性和周期性特征，并且基本可以劃分7個不同的旱澇階段。

圖4　商洛地區(qū)旱澇指數(shù)小波方差曲線圖

在這7個階段中，1450～1530年和1640～1710年左右的偏旱時期同竺可楨先生提出的寒冷冬季時期大致吻合，這表明商洛地區(qū)旱澇災(zāi)害的發(fā)生與氣候冷暖變化具有一定的關(guān)系。另外，朱亞芬[5]認(rèn)為，西北區(qū)16～17世紀(jì)中期，極端干旱頻繁發(fā)生，而到17世紀(jì)后期旱災(zāi)的發(fā)生頻率明顯下降。馬莉等[17]也提出，明代時期陜南地區(qū)多發(fā)生旱災(zāi)，這些規(guī)律性在商洛地區(qū)都有所體現(xiàn)，這說明商洛地區(qū)旱澇災(zāi)害的變化趨勢與氣候及其地域獨(dú)特的背景具有一定的相關(guān)性。

圖5　商洛地區(qū)1430～2000年旱澇指數(shù)

4結(jié)論

(1)商洛地區(qū)旱澇災(zāi)害發(fā)生頻繁。商洛地區(qū)近570年，發(fā)生旱澇災(zāi)害的年份有340年，約占研究年限總時長的59.6%，平均每1.68年發(fā)生1次旱災(zāi)或澇災(zāi)。其中發(fā)生澇災(zāi)的年份共154年，約占總研究年份的27.0%，平均每3.70年發(fā)生1次；發(fā)生旱災(zāi)的年份共有186年，約占總研究年份的32.6%，平均大概每3.07年發(fā)生1次。因此，與澇災(zāi)相對比，在這一歷史時期，商洛地區(qū)的旱災(zāi)相對嚴(yán)重，并且大旱、連旱災(zāi)害發(fā)生頻繁。

(2)運(yùn)用11年滑動平均和累積距平法對商洛1430～2000年旱澇災(zāi)害析表明，商洛地區(qū)旱澇災(zāi)害可明顯分為3個階段：1430～1640年為旱災(zāi)嚴(yán)重階段、1640～1920年為旱澇相對均衡階段、1920～2000年為澇災(zāi)頻發(fā)階段。在此基礎(chǔ)上，又可分為7個明顯的偏旱或偏澇時期，說明商洛地區(qū)的旱澇災(zāi)害具有明顯的階段性特征。

(3)通過小波分析表明，商洛地區(qū)近570年來的旱澇災(zāi)害具有明顯的周期性變化特征。它的主周期為275～290年，而且，其77～89年和178～205年周期基本上大致與太陽活動的80年和178年周期相對應(yīng)，這說明太陽活動對商洛地區(qū)旱澇災(zāi)害的發(fā)生及其變化有著一定的影響。

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(責(zé)任編輯：曾小軍)

Analysis of Change Law of Drought and Flood Disasters from 1430 to 2000 in Shangluo

LI Xiao-gang, LI Min

(College of Urban, Rural Planning and Architectural Engineering, Shangluo University, Shangluo 726000, China)

Abstract：Collecting and classifying the data about drought and flood disasters in Shangluo from 1430 to 2000, and using methods of moving average, accumulative anomaly and wavelet analysis, analyzed the change law of drought and flood disasters in the recent 570 years. The results showed that the occurrence years of droughts and floods were 340, accounting for 59.6%, the average occurred droughts and floods once every 1.68 years in nearly 570 years of Shangluo, droughts and floods occurred frequently in Shangluo. which could be divided into three stages in nearly 570 years of Shangluo, From 1430 to 1640, were partial drought periods, from 1640 to 1920, were comparable balance periods, from 1920 to 2000, were more flooding periods, which could further divide them into seven drought-partial or flood-partial periods. Existed obvious periodic droughts and floods regulation in Shangluo, its main period was about 175～205 years, and existed 77 to 89 years cycle and 178 to 205 years cycle, roughly 80 years and 178 years cycle of solar activity phase correspondence, showed that there existed a certain correlation between the occurrence of drought and flood disasters with the action of the sun. Which had important practical significance for the development of disaster prevention and mitigation measures in Shangluo.

Key words：Shangluo; Droughts and floods; Law analysis; Wavelet analysis

中圖分類號：S761.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1001-8581(2016)02-0101-05

作者簡介：李曉剛(1983─)，男，山西呂梁人，講師，博士，主要研究方向?yàn)榄h(huán)境變遷。

基金項(xiàng)目：國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201411396001)；陜西省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目(15JK1224)；陜西省商洛市科技計(jì)劃項(xiàng)目(SK2014-01-05)；商洛學(xué)院科研項(xiàng)目服務(wù)地方專項(xiàng)資助項(xiàng)目(12SKY-FWDF009)。

收稿日期：2015-08-04