張蓓蓓, 王 朋, 文彥君, 楊 飛, 雷田旺

(陜西省災(zāi)害監(jiān)測(cè)與機(jī)理模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/寶雞文理學(xué)院 地理與環(huán)境學(xué)院, 陜西 寶雞 721013)

氣候變化對(duì)國家經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的運(yùn)行和社會(huì)系統(tǒng)的發(fā)展所產(chǎn)生的意義深遠(yuǎn)[1-2]。IPCC第五次評(píng)估報(bào)告指出未來全球氣候變暖已是事實(shí)，面對(duì)氣候變暖要積極做出應(yīng)對(duì)措施是人類社會(huì)走向可持續(xù)發(fā)展的有效策略[3]。探討過去氣候變化與社會(huì)發(fā)展的關(guān)系，能為人類社會(huì)響應(yīng)未來氣候變化提供歷史依據(jù)[4]。受氣候變化的影響，近百年來人類社會(huì)遭受重大自然災(zāi)害打擊的頻率不斷增大，氣候變化已成為眾多國家社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展難題，增強(qiáng)對(duì)過去以及未來氣候變化規(guī)律的認(rèn)識(shí)、降低自然災(zāi)害對(duì)人類社會(huì)發(fā)展的不利影響已成為學(xué)術(shù)界研究的核心內(nèi)容[5-8]。歷史時(shí)期干旱災(zāi)害是中國境內(nèi)高頻發(fā)生的自然災(zāi)害之一，嚴(yán)重影響社會(huì)和諧穩(wěn)定[9]。中國歷史悠久，大量的歷史文獻(xiàn)資料對(duì)干旱災(zāi)害進(jìn)行了詳實(shí)的記錄，這為重建歷史氣候變化及其對(duì)歷朝歷代社會(huì)影響提供了重要證據(jù)。因此，加強(qiáng)對(duì)歷史時(shí)期干旱災(zāi)害的研究，能為探索未來氣候變化規(guī)律提供新的認(rèn)知視角。

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

1　材料與方法

1.1　研究區(qū)概況

關(guān)中之名始于戰(zhàn)國，地處陜西省中部，一般指關(guān)中平原或渭河平原，轄西安、寶雞、咸陽、渭南、銅川五地區(qū)。南靠秦嶺，北臨陜北高原，西起寶雞，東臨潼關(guān)，東西長(zhǎng)約360 km，南北寬30～80 km，地勢(shì)西高東低，地形以平原和黃土塬為主。屬溫帶大陸性季風(fēng)性氣候，受東部季風(fēng)影響顯著，年降水量為500～800 mm，雨熱同期，光照充足，其優(yōu)越的地理位置，使其成為重要的糧食產(chǎn)區(qū)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)中心。但該區(qū)降水季節(jié)變率大，夏秋多雨，冬春少雨，易發(fā)生干旱災(zāi)害。

1.2　數(shù)據(jù)來源

文中數(shù)據(jù)來源于《中國氣象災(zāi)害大典·陜西卷》[12]、《西北災(zāi)荒史》[13]、《陜西歷史自然災(zāi)害簡(jiǎn)要紀(jì)實(shí)》[14]等史料。

1.3　分析方法

參考已有研究成果[15-16]，根據(jù)史料記載描述，將明清時(shí)期關(guān)中地區(qū)干旱災(zāi)害劃分為4個(gè)等級(jí)。輕度旱災(zāi)(1級(jí))：降水偏少，影響農(nóng)作物播種和農(nóng)作物生長(zhǎng)，但未造成農(nóng)業(yè)大面積減產(chǎn)，對(duì)民眾生活影響不大；中度旱災(zāi)(2級(jí))：長(zhǎng)時(shí)間干旱，降水完全不能滿足農(nóng)作物播種和農(nóng)作物生長(zhǎng)需要，造成糧食減產(chǎn)，民眾生存艱難，需要減輕賦稅；重度旱災(zāi)(3級(jí))：農(nóng)作物因旱缺水無法生長(zhǎng)，糧食絕收，民眾饑荒，疫病流行，民多流亡餓死，需開倉賑災(zāi)；特大旱災(zāi)(4級(jí))：連年旱荒，久旱無雨，無法進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)，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(shí)期關(guān)中地區(qū)干旱災(zāi)害發(fā)生頻次為分析對(duì)象，利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法和Origin 8.5，Matlab等軟件，分析干旱災(zāi)害時(shí)空變化特征。農(nóng)歷歷法反映我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，與民眾日常生產(chǎn)活動(dòng)聯(lián)系緊密，干旱災(zāi)害季節(jié)變化以農(nóng)歷歷法為主要?jiǎng)澐忠罁?jù)。小波分析能夠揭示干旱災(zāi)害長(zhǎng)時(shí)間序列的不同時(shí)間尺度中周期變化趨勢(shì)，利用Matlab軟件中小波分析模塊，選用Morlet小波，分析干旱災(zāi)害的周期變化。

2　結(jié)果與分析

2.1　干旱災(zāi)害等級(jí)變化

按照上述劃分等級(jí)統(tǒng)計(jì)出不同等級(jí)干旱災(zāi)害發(fā)生頻次。圖1顯示，關(guān)中地區(qū)輕度旱災(zāi)發(fā)生了92次，占比為33.58%，平均每5.9年發(fā)生1次；中度旱災(zāi)發(fā)生了124次，占比為45.26%，平均每4.4年發(fā)生1次；重度旱災(zāi)發(fā)生了36次，占比為13.14%，平均15年發(fā)生1次；特大旱災(zāi)發(fā)生了22次，占比為8.03%，平均每24.7年發(fā)生1次。中度旱災(zāi)和輕度旱災(zāi)發(fā)生頻次高，其造成的受災(zāi)面積和災(zāi)害損失小，重度旱災(zāi)和特大旱災(zāi)發(fā)生頻次較低，但波及范圍廣，造成的災(zāi)害損失巨大。

圖1明清時(shí)期關(guān)中地區(qū)干旱災(zāi)害等級(jí)序列

2.2　干旱災(zāi)害季節(jié)變化

由圖2可知，明清時(shí)期關(guān)中地區(qū)發(fā)生的干旱災(zāi)害中單季旱發(fā)生頻次最高，其次是兩季連旱，三季連旱、四季(全年)連旱發(fā)生頻次最低。單季旱中，以夏旱和秋旱為主，分別發(fā)生了103次和83次，其次是春旱，發(fā)生了53次，冬旱最少，發(fā)生32次；兩季連旱中，以夏秋連旱和春夏連旱為主，分別發(fā)生了31次、27次，其次是秋冬連旱，發(fā)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(fā)生了11次、10次；四季連旱僅發(fā)生5次。關(guān)中地區(qū)屬于典型大陸性季風(fēng)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(fēng)變化而變化，降水季節(jié)變率大，夏秋多雨，冬春少雨，南部秦嶺山脈對(duì)東部季風(fēng)有阻擋作用，復(fù)雜的地形地貌結(jié)構(gòu)，使得干旱災(zāi)害季節(jié)分布差異也更為顯著。

2.3　干旱災(zāi)害年際變化

明清時(shí)期關(guān)中地區(qū)共有193年發(fā)生了干旱災(zāi)害，共發(fā)生了274次，平均每2年發(fā)生1次，以20年為間距統(tǒng)計(jì)出各階段干旱災(zāi)害發(fā)生的頻次(圖3)，以反映明清時(shí)期關(guān)中地區(qū)干旱災(zāi)害年際變化特征。根據(jù)干旱災(zāi)害在各時(shí)段發(fā)生頻次分布不均的特點(diǎn)，將明清時(shí)期關(guān)中地區(qū)干旱災(zāi)害劃分為6個(gè)階段：第一階段1368—1411年，共發(fā)生10次，平均4.4年發(fā)生1次；第二階段1412—1551年，共發(fā)生140次，平均1.6年發(fā)生1次；第三階段1552—1611年，共發(fā)生60次，平均2.4年發(fā)生1次；第四階段1612—1651年，共發(fā)生40次，平均1.3年發(fā)生1次；第五階段1652—1771年，共發(fā)生45次，平均2.7年發(fā)生1次；第六階段1772—1911年，共發(fā)生77次，平均1.8年發(fā)生1次。以20年為間隔統(tǒng)計(jì)出明清時(shí)期關(guān)中地區(qū)干旱災(zāi)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(shí)期內(nèi)干旱災(zāi)害的距平值主要以負(fù)值為主，第二階段、第四階段和第六階段時(shí)期內(nèi)干旱災(zāi)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(shí)期干旱災(zāi)害的少發(fā)期，第二階段、第四階段和第六階段是明清時(shí)期干旱災(zāi)害的頻發(fā)期，明清時(shí)期關(guān)中地區(qū)干旱災(zāi)害總體趨勢(shì)呈現(xiàn)波動(dòng)變化。

圖2明清時(shí)期關(guān)中地區(qū)干旱災(zāi)害季節(jié)變化

2.4　干旱災(zāi)害空間變化

統(tǒng)計(jì)出明清時(shí)期關(guān)中轄區(qū)內(nèi)干旱災(zāi)害的頻次分布，分析干旱災(zāi)害的空間變化。由圖5可知，明清時(shí)期西安市、咸陽市、渭南市、寶雞市、銅川市分別發(fā)生了215次、189次、183次、172次和175次干旱災(zāi)害，占干旱災(zāi)害總頻次比例依次為78.47%，68.98%，66.79%，62.77%和63.87%。明清時(shí)期以西安地區(qū)發(fā)生的干旱災(zāi)害次數(shù)最多，其他四市次之。

關(guān)中屬平原地形，自秦漢以來就是人口和農(nóng)業(yè)集中分布區(qū)，對(duì)水資源的需求和依賴程度較高。區(qū)域內(nèi)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(jié)受旱地區(qū)范圍廣，干旱災(zāi)害造成的總體受災(zāi)面積大。由于境內(nèi)人口密度、農(nóng)業(yè)種植面積分布不均，區(qū)域內(nèi)對(duì)水資源需求也存在一定差異。明清時(shí)期咸陽市、渭南市、寶雞市、銅川市城市規(guī)模較小，對(duì)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(jié)相對(duì)下游地區(qū)水資源較豐富，干旱災(zāi)害對(duì)其造成影響較小，發(fā)生的頻次也相對(duì)較低。西安地區(qū)作為關(guān)中乃至陜西省社會(huì)經(jīng)濟(jì)重心區(qū)域，總體對(duì)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(qū)域開展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)對(duì)水資源的需求，使得下游河流徑流量進(jìn)一步減少，加劇了西安地區(qū)干旱程度。

圖3明清時(shí)期關(guān)中地區(qū)干旱災(zāi)害年際變化

圖4明清時(shí)期關(guān)中地區(qū)干旱災(zāi)害距平變化

圖5明清時(shí)期關(guān)中地區(qū)干旱災(zāi)害空間變化

2.5　干旱災(zāi)害周期變化

利用Matlab軟件對(duì)明清時(shí)期關(guān)中地區(qū)發(fā)生干旱災(zāi)害的頻次進(jìn)行時(shí)間序列的小波分析(圖6)。由小波實(shí)部等值線圖可知，明清時(shí)期關(guān)中地區(qū)干旱災(zāi)害在時(shí)間序列上呈現(xiàn)多尺度周期變化特征，主要存在3個(gè)震蕩周期，分別是6～14 a，15～25 a，40～50 a。小波方差圖可知，時(shí)間尺度上的小波方差值存在3個(gè)明顯的峰值，分別是44 a，23 a，8 a。其中，44 a的時(shí)間尺度對(duì)應(yīng)最大峰值，表明44 a左右為最強(qiáng)震蕩周期，是明清時(shí)期關(guān)中地區(qū)干旱災(zāi)害變化的第一主周期；23 a時(shí)間尺度對(duì)應(yīng)第二峰值，為第二主周期，8 a時(shí)間尺度對(duì)應(yīng)第三峰值，為第三主周期。葛全勝[17]、郝志新[18]等對(duì)中國境內(nèi)旱澇災(zāi)害格局與過去千年太陽活動(dòng)的關(guān)系進(jìn)行了研究，認(rèn)為旱澇災(zāi)害的發(fā)生與太陽活動(dòng)的周期密切相關(guān)。屠泓為等[19]對(duì)過去近300 a太陽黑子活動(dòng)周期進(jìn)行了分析，認(rèn)為11 a，51 a為太陽黑子活動(dòng)優(yōu)勢(shì)周期。竇睿音等[20]分析了旱澇災(zāi)害與太陽黑子活動(dòng)周期相關(guān)性，認(rèn)為在9～12 a周期內(nèi)太陽黑子與關(guān)中地區(qū)旱澇災(zāi)害發(fā)生有較強(qiáng)的相關(guān)性。本文干旱災(zāi)害的8 a，23 a，44 a周期與太陽黑子活動(dòng)11 a周期及其周期倍數(shù)基本一致，表明明清時(shí)期關(guān)中地區(qū)干旱災(zāi)害的發(fā)生與太陽黑子活動(dòng)有密切聯(lián)系。

2.6　明清時(shí)期關(guān)中地區(qū)干旱災(zāi)害對(duì)小冰期的響應(yīng)

小冰期在我國又稱之為“明清小冰期”，用來描述“中世紀(jì)暖期后全球大范圍內(nèi)降溫”，冰川面積進(jìn)一步擴(kuò)大，地球進(jìn)入一個(gè)寒冷時(shí)期，其特點(diǎn)是在全球范圍內(nèi)出現(xiàn)不同程度的降溫[21-22]。王紹武[23]、張德二[24]等認(rèn)為中國境內(nèi)對(duì)小冰期氣候變化響應(yīng)十分強(qiáng)烈，但不同區(qū)域間又呈現(xiàn)一定差異。Yang等[25]通過收集歷史文獻(xiàn)、冰心、石筍等有關(guān)氣候變化研究資料，將1400—1920年整體低溫時(shí)段界定為中國境內(nèi)的小冰期。盡管國內(nèi)學(xué)者對(duì)小冰期起止時(shí)間定論存在一定差異，但關(guān)于小冰期起止時(shí)間為14世紀(jì)后半葉至20世紀(jì)初葉左右被多數(shù)學(xué)者接受。葛全勝等[26-27]認(rèn)為小冰期三大偏冷期大體上出現(xiàn)于15世紀(jì)、17世紀(jì)和19世紀(jì)，而相應(yīng)的16世紀(jì)前半葉和18世紀(jì)前半葉為相對(duì)偏暖期。朱士光等[28]通過對(duì)大量歷史文獻(xiàn)研究，認(rèn)為關(guān)中地區(qū)在14世紀(jì)后半葉，16世紀(jì)中葉、18世紀(jì)及19世紀(jì)前半葉較為溫暖期，15世紀(jì)后半葉、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)后半葉氣候呈現(xiàn)寒冷干燥。17世紀(jì)前半葉是小冰期為最寒冷時(shí)期。

圖6明清時(shí)期關(guān)中地區(qū)干旱災(zāi)害小波實(shí)部等值線圖和小波方差圖

建立明清時(shí)期關(guān)中地區(qū)干旱災(zāi)害11 a滑動(dòng)平均序列，反映不同時(shí)間序列干旱災(zāi)害發(fā)生頻次的變化規(guī)律。圖7顯示，15世紀(jì)初葉到16世紀(jì)中葉、17世紀(jì)中葉、19世紀(jì)后半葉到20世紀(jì)初葉干旱災(zāi)害發(fā)生的頻次較高，尤其是17世紀(jì)前半葉干旱災(zāi)害發(fā)生頻次最高，而16世紀(jì)后半葉、18世紀(jì)到19世紀(jì)中葉干旱災(zāi)害發(fā)生頻次較低。小冰期作為全球氣候變化事件，其起止時(shí)間基本涵蓋明清全部時(shí)間，明清時(shí)期關(guān)中地區(qū)干旱災(zāi)害發(fā)生的頻次與小冰期內(nèi)冷暖次級(jí)波動(dòng)有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，冷期氣候相對(duì)干旱，干旱災(zāi)害發(fā)生頻次高，暖期氣候較為暖濕，干旱災(zāi)害發(fā)生頻次低。表明明清時(shí)期關(guān)中地區(qū)干旱災(zāi)害是對(duì)小冰期氣候變化的響應(yīng)。

圖7明清時(shí)期關(guān)中地區(qū)干旱災(zāi)害11年滑動(dòng)平均序列圖

3　討 論

亞洲—太平洋濤動(dòng)(APO)用來指示亞洲大陸與太平洋之間大氣熱力環(huán)流變化差異，該差異會(huì)引起亞洲陸地季風(fēng)環(huán)流發(fā)生改變，導(dǎo)致亞洲陸地降水增多或減少，易引發(fā)旱澇災(zāi)害[29-30]。趙平等[31]對(duì)長(zhǎng)江流域1958—2001年夏季降水研究表明，夏季長(zhǎng)江流域降水偏少與亞洲—太平洋之間的對(duì)流層熱力差異整體趨勢(shì)較弱相關(guān)性強(qiáng)，同時(shí)也指出APO具有顯著的5.5 a周期。周波濤等[32]等對(duì)我國東部季風(fēng)區(qū)1951—2005年降雨量研究表明，我國東部季風(fēng)區(qū)降水與春季APO強(qiáng)弱有明顯的正相關(guān)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(qū)夏季風(fēng)區(qū)海陸熱力環(huán)流差異，認(rèn)為小冰期APO指數(shù)以負(fù)值為主，1450—1570年期間APO指數(shù)段達(dá)到最低值。小冰期APO整體較弱，西太平洋副高勢(shì)力減弱，使得季風(fēng)雨帶移向內(nèi)陸動(dòng)力不足，進(jìn)而使得我國東部季風(fēng)分區(qū)降水差異顯著，呈現(xiàn)出南澇北旱。明清時(shí)期關(guān)中地區(qū)干旱災(zāi)害集中發(fā)生在春、夏季節(jié)，1450—1570年APO偏弱期與第二階段(1412—1551年)干旱災(zāi)害頻發(fā)期相對(duì)應(yīng)，干旱災(zāi)害有8 a，23 a，44 a變化周期，明清時(shí)期關(guān)中地區(qū)干旱災(zāi)害的發(fā)生與小冰期APO整體較弱、季節(jié)差異以及5.5 a周期變化有一定關(guān)聯(lián)性。

4　結(jié) 論

(1) 明清時(shí)期關(guān)中地區(qū)有193年發(fā)生了干旱災(zāi)害，共計(jì)274次，平均每2 a發(fā)生1次，其中輕度旱災(zāi)、中度旱災(zāi)、重度旱災(zāi)、特大旱災(zāi)分別發(fā)生了92次、124次、36次和22次。

(2) 明清時(shí)期關(guān)中地區(qū)干旱災(zāi)害的季節(jié)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(zāi)害可劃分為6個(gè)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(zāi)害少發(fā)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(zāi)害頻發(fā)期。

(3) 明清時(shí)期關(guān)中地區(qū)干旱災(zāi)害具有一定空間差異，西安、咸陽、渭南、寶雞、銅川五地區(qū)分別發(fā)生了215次、189次、183次、172次和175次，西安地區(qū)發(fā)生旱災(zāi)頻次最多；干旱災(zāi)害存在8 a，23 a，44 a變化周期，與太陽黑子活動(dòng)11 a周期及其周期倍數(shù)相對(duì)應(yīng)。

(4) 明清時(shí)期關(guān)中地區(qū)干旱災(zāi)害與小冰期內(nèi)氣候冷暖次級(jí)波動(dòng)有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，偏冷期氣候冷干，干旱災(zāi)害發(fā)生頻次高，偏暖期氣候暖濕，干旱災(zāi)害發(fā)生頻次低。

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