趙 峰， 畢碩本， 陳昌春， 孫 力， 魯 穎

(南京信息工程大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210044)

關(guān)鍵字：東部沿海；旱澇；Fisher分割；小波分析

引 言

在全球氣候不斷變化的背景下，氣候變化的研究受到了眾多關(guān)注，加強(qiáng)對歷史自然氣候?yàn)?zāi)害研究，改進(jìn)氣候模式，可以此預(yù)測未來氣候變化趨勢。中國季風(fēng)氣候特點(diǎn)顯著且類型多樣，但季風(fēng)氣候的不穩(wěn)定性又使我國成為各種氣象災(zāi)害頻發(fā)的國家之一，旱、澇災(zāi)等氣象氣候?yàn)?zāi)害約占到我國自然災(zāi)害的70%。我國有著豐富的歷史文獻(xiàn)資料，這些資料是重建歷史氣候變化的主要資料來源[1]，其中包含有大量的自然災(zāi)害信息。運(yùn)用現(xiàn)代統(tǒng)計(jì)學(xué)方法和地理信息中的可視化方法結(jié)合研究歷史氣候?yàn)?zāi)害，從數(shù)據(jù)的歸納統(tǒng)計(jì)轉(zhuǎn)變?yōu)樯钊霐?shù)據(jù)挖掘，可將藏匿在數(shù)據(jù)庫中有用的海量信息和知識提取出來。使用數(shù)據(jù)挖掘手段能更加深入地了解氣候?yàn)?zāi)害發(fā)展長期變化趨勢，為防災(zāi)減災(zāi)提供參考，在辨識人類活動對氣候變化影響等方面具有重要意義[2]。

關(guān)于旱澇災(zāi)害國內(nèi)外已有大量研究。Jose等[3]搜集與統(tǒng)計(jì)了歐洲近60年來的主要洪水事件，為歐洲洪水事件的研究提供了大量事實(shí)依據(jù)。Wood等[4]運(yùn)用樹輪資料研究了過去2000年美國的中西部地區(qū)氣候特征。我國自竺可楨從1972年開創(chuàng)利用中國歷史文獻(xiàn)研究氣候變化領(lǐng)域以來，眾多學(xué)者在歷史氣候的研究中取得重大突破。在傳統(tǒng)氣象學(xué)方法研究中，鄭景云[5～6]根據(jù)漢代以來旱澇災(zāi)害資料，重建旱澇等級，并根據(jù)已重建的東部地區(qū)旱澇指數(shù)序列，定義歷史期極端旱澇事件的標(biāo)準(zhǔn)，識別各個區(qū)域重大干旱、洪澇的多發(fā)時(shí)段。還通過對建國前2000a有關(guān)旱澇災(zāi)害的縣治、地方志、各類史書記載以及民國相關(guān)報(bào)紙等資料的整理、分類，分析出了公元101年至1900年間中國東部每200a的干濕分異及演變，討論干濕分異同冷暖變化的對應(yīng)關(guān)系。魏軍[7]通過對歷史文獻(xiàn)資料的收集整理，重建了清代江蘇省冬季逐年溫度等級序列，利用復(fù)小波變換方法對序列進(jìn)行分析。陳瑩[8]利用福建省60個氣象站1960—2006年逐月降水觀測資料，采用標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)、Mann-Kendall檢驗(yàn)等方法，分析了近50年福建省旱澇時(shí)間變化的特征。李新運(yùn)[9]通過對山東省近600年歷史資料的整編，建立了早澇等級序列，提出了數(shù)據(jù)序列災(zāi)變時(shí)間分維數(shù)計(jì)算的方法與步驟，計(jì)算出各區(qū)大旱、偏旱、正常、偏澇、大澇5種級別的序列分維數(shù)，討論了全省旱澇演變的構(gòu)型特征。在數(shù)據(jù)挖掘方法研究分析中，王錚[10]等運(yùn)用模糊動態(tài)聚類法(FCM)對中國旱澇災(zāi)情的突變性進(jìn)行研究。黃靜華[11]運(yùn)用K-means算法對歷史氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類研究，K-means算法在氣象分析中有良好的聚類效果。楊文峰[12]在探討目前氣候躍變方法上引入費(fèi)希爾(Fisher)最優(yōu)分割法，發(fā)現(xiàn)全新的氣候突變的研究方法。運(yùn)用該方法對西北地區(qū)東部的西安、寶雞和漢中3地的旱澇等級序列進(jìn)行氣候躍變研究，得知西北地區(qū)東部旱澇氣候躍變存在局地性和非局地性的特征。李禧亮[13]以江蘇、安徽、浙江和上海旱澇史料為基礎(chǔ)，將數(shù)據(jù)挖掘方法引入旱澇時(shí)空分析中，發(fā)現(xiàn)隱藏在史料中的旱澇空間信息，并使用DBSCA方法，運(yùn)用DBSCAN聚類方法對9個冷暖時(shí)期的站點(diǎn)進(jìn)行聚類分析。

中國東部沿海地區(qū)瀕臨西北太平洋，EL Nino現(xiàn)象與La Nina現(xiàn)象往往嚴(yán)重影響我國沿海地區(qū)的氣候，東部沿海地區(qū)多為平原與丘陵，擁有眾多流域與河網(wǎng)，包括了黃河下游流域、淮河流域、長江下游流域、太湖流域和閩江流域，東亞季風(fēng)影響明顯，伏旱和臺風(fēng)共同影響，在明清時(shí)期，水利條件簡陋，極易發(fā)生旱澇災(zāi)害。歷史自然災(zāi)害的研究對探討當(dāng)前災(zāi)害形成演化規(guī)律、區(qū)域規(guī)劃等有重大意義。

1 研究資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

圖1 研究區(qū)概況圖

我國東部沿海地區(qū)包括山東省、江蘇省、上海市、浙江省及福建省，地處歐亞大陸的東南，氣候變化受東亞夏季風(fēng)控制，降水特征受長江流域和淮河流域影響。在經(jīng)濟(jì)上，東南沿海地區(qū)具有密集的產(chǎn)業(yè)集群，如長三角經(jīng)濟(jì)區(qū)是我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要增長地，頻發(fā)的旱澇災(zāi)害將嚴(yán)重影響到區(qū)域經(jīng)濟(jì)、社會等各方面可持續(xù)發(fā)展。

1.2 研究資料及其處理

本文的研究資料主要來源于張德二主編的《中國三千年氣象記錄總集》[14]。全書通過從全國各地幾十座圖書館收藏的古文獻(xiàn)資料系統(tǒng)中采集出有關(guān)古氣候信息，經(jīng)勘校、考訂后輯集而成。除了《總集》資料外，本文還利用《中國氣象災(zāi)害大典》(山東卷、江蘇卷、浙江卷、福建卷、上海卷)[15-19]、《華東地區(qū)近五百年氣候歷史資料》[20]以及五省市各地區(qū)的方志等資料作了必要的補(bǔ)充，對1644—1911年清代東部沿海地區(qū)旱澇災(zāi)害的文字史料進(jìn)行收集和整理，依照年份對災(zāi)害的屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納、整理、編碼及錄入，通過分類與分項(xiàng)，建立旱澇災(zāi)害原始記錄ACCESS數(shù)據(jù)庫。對研究區(qū)域范圍內(nèi)的47府和1廳，總計(jì)304縣，通過鄭景云等提出的已驗(yàn)證可靠性的受災(zāi)害縣次劃分旱澇等級法[21]，避免以旱澇災(zāi)害的描述確定旱澇等級的人為主觀判斷的影響，東部沿海地區(qū)每年干旱或洪澇災(zāi)害的縣次均不相等，旱澇縣次的多寡反映了旱災(zāi)或澇災(zāi)的受災(zāi)范圍的大小，因此可用逐年旱災(zāi)和澇災(zāi)的逐年縣次變化來間接表示東部沿海地區(qū)降水的變化情況。旱災(zāi)和澇災(zāi)的多年縣次平均值是由東部沿海的多年平均降水量決定的，當(dāng)某年旱災(zāi)或澇災(zāi)縣次高于或低于其平均值時(shí)，表明降水量有所偏離，因此發(fā)生旱災(zāi)或澇災(zāi)。

本文利用逐年旱澇縣次的距平百分率，重建清代中國東部沿海地區(qū)旱澇等級序列。

(1)

(2)

式中的PDi，PFi分別為旱災(zāi)縣次的逐年距平百分率和澇災(zāi)縣次的逐年距平百分率，NDi和NFi分別為逐年旱災(zāi)縣次數(shù)和澇災(zāi)縣次數(shù)，ND和NF分別為NDi和NFi的多年(1644—1911)均值。

PDi大表示該地區(qū)降水偏少，PFi大表示該地區(qū)降水偏多，當(dāng)PDi或PFi小時(shí)表明該地區(qū)降水接近于多年均值，用I表示逐年的旱澇指數(shù)，分7級旱澇等級序列:

PDi?200%I=7大旱200%>PDi?0I=6旱0>PDi?-90%I=5偏旱PDi<-90%或PFi<-90%I=4正常0>PFi≥-90%I=3偏澇200%>PFi≥0I=2澇PFi≥200%I=1大澇

圖2 1644—1911年中國東部沿海地區(qū)旱澇等級序列

例如1676年，東部沿海地區(qū)受澇縣次為66個，則PF1676=143%，旱澇指數(shù)I=2，以此方法得到1644—1911年中國東部沿海地區(qū)旱澇等級序列(圖2)。本文所建立的旱澇等級序列與李禧亮[22]重建的明清時(shí)期蘇浙皖滬干濕序列基本一致。

1.3 研究方法

1.3.1費(fèi)希爾最優(yōu)分割法 把N個樣本序列{Xi}分成k類，尋找一種最優(yōu)方法，使得各種分類數(shù)k中，它的樣本離差之和最小[23]。對平滑后的要素序列y1y2…，yn。采用最優(yōu)分割法及Yamamot法進(jìn)行突變分析。分割的原則是使分割后各段內(nèi)的數(shù)據(jù)較為接近，而段間數(shù)據(jù)差別較大，各段間數(shù)據(jù)的變幅用變差來表示。首先要計(jì)算變差矩陣:

V(NN)=[Vij]

(3)

(4)

其中i=1，2…，n-1，j=2，3…，n，由矩陣V計(jì)算全部二分割相應(yīng)的總變差，找出最小K分割。為了確定各分割點(diǎn)是否達(dá)到躍變條件使用Yamamot法，定義一個信噪比(SNR)：

(5)

其中x1，x2，s1，s2分別為某分割點(diǎn)前后兩段內(nèi)平均值和均方差。當(dāng)J>1。0時(shí)，就定義為突變點(diǎn)；當(dāng)J>2。0時(shí)，認(rèn)為有強(qiáng)的突變。作K分割時(shí)，每一分割點(diǎn)的信噪比J均必須大于1。

1.3.2小波分析 小波分析可以反映出時(shí)間序列的局部變化特征，不僅能夠發(fā)現(xiàn)氣候序列變化的尺度，而且能夠看到氣候序列變化的時(shí)間位置[24]。函數(shù)Ψ(t)為

(6)

(7)

(8)

為連續(xù)小波，Ψ為母小波或者是基本小波，并且它是雙窗函數(shù)，時(shí)間窗和頻率譜。

2 結(jié)果與分析

2.1 旱澇災(zāi)害頻次分析

以世紀(jì)為時(shí)間單位，以每50年為一個時(shí)段，將1644—1911年間268年分為5個時(shí)段，分別為：17世紀(jì)后半葉(1644—1699年)，18世紀(jì)前半葉(1700—1749年),18世紀(jì)后半葉(1750—1799年)，19世紀(jì)前半葉(1800—1849年)，19世紀(jì)后半葉至清代末年(1850—1911年)，以此來統(tǒng)計(jì)不同時(shí)段內(nèi)不同程度旱澇災(zāi)害發(fā)生的頻次和頻率，如圖3所示，在50年尺度上旱澇災(zāi)害的年代際特征。

圖3 清代中國東部沿海地區(qū)旱澇災(zāi)害頻率及多項(xiàng)式擬合曲線

如圖3所示，1850—1911年干旱發(fā)生頻率最高，達(dá)到了41.9%，而1750—1799年干旱頻率最低，為16%；在洪澇發(fā)生頻率中，1644—1699最高為37.5%，1700—1749年與1750—1799年都為最低的20%。由旱澇災(zāi)害頻率顯示東部沿海地區(qū)旱澇災(zāi)害在清代268年間存在明顯的波動。其中，洪澇災(zāi)害的多項(xiàng)式擬合曲線表現(xiàn)出：下降—上升，即后期持續(xù)上升的變化趨勢；干旱災(zāi)害的多項(xiàng)式擬合曲線表現(xiàn)出：上升—下降—上升—下降，即上升和下降交替的變化趨勢。

2.2 旱澇災(zāi)害階段性分析

圖4 清代中國東部地區(qū)旱澇災(zāi)害11年滑動平均和累計(jì)距平曲線圖

為了進(jìn)一步探究清代東部沿海地區(qū)旱澇災(zāi)害的整體變化趨勢，深入了解華東部沿海區(qū)旱澇災(zāi)害的階段性特征，繪制清代東部沿海地區(qū)旱澇災(zāi)害累計(jì)距平曲線和11年滑動平均曲線，如圖4所示。由東部沿海地區(qū)1644—1911年旱澇災(zāi)害11年滑動平均曲線可以看出，東部沿海地區(qū)1644—1911年間旱澇災(zāi)害大致經(jīng)歷了5個階段：1644—1726年旱澇雖有波動，但總體上以旱災(zāi)為主；1728—1762年主要以澇災(zāi)為主；1763—1818年旱災(zāi)發(fā)生為主要，旱澇交替出現(xiàn)；1819—1864年以澇災(zāi)為主，且澇災(zāi)嚴(yán)重；1865—1911年出現(xiàn)了一次明顯的旱澇交替變化，且澇災(zāi)的等級遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于旱災(zāi)。1644—1726年曲線呈波動上升趨勢，說明該時(shí)段內(nèi)旱災(zāi)持續(xù)發(fā)生，且以大旱連旱為主；在1727年出現(xiàn)了一個明顯拐點(diǎn)；后曲線呈下降趨勢，說明該時(shí)段內(nèi)以澇災(zāi)為主，并且一直持續(xù)到了1760年；1812年后曲線持續(xù)下降后又波動變化，反映這個時(shí)段旱澇災(zāi)害頻繁交替出現(xiàn)，直到清代末期。楊傳國等[25]指出清代江淮流域存在兩個明顯的濕潤期，分別在1730—1780年及1820—1920年。與前人結(jié)果對比，與本文所展現(xiàn)的旱澇旱災(zāi)階段性具有良好的一致性。由此可見，東部沿海地區(qū)1644—1911年268年間的旱澇災(zāi)害等級序列存在明顯的階段性變化。

圖5 旱澇等級11年滑動變化曲線及躍變參考點(diǎn)位置

2.3 旱澇災(zāi)害突變分析

選取1644—1911中國東部沿海地區(qū)旱澇等級序列資料，并對序列作了11年滑動平均，探討10年以上時(shí)間尺度的旱澇氣候躍變現(xiàn)象，最后對滑動平均序列進(jìn)行最優(yōu)分割和突變檢驗(yàn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在1686年前后由旱轉(zhuǎn)澇，其中SNR為1.02。在1875年前后發(fā)生突變，由澇轉(zhuǎn)旱，SNR達(dá)到了1.13。龔志強(qiáng)[26]指出了中國近530年干濕變化特征，采用BG算法檢測長江流域旱澇序列1620年前后與1690年前后發(fā)生突變，雖本文因研究區(qū)范圍和選取指標(biāo)不同，結(jié)果雖略有差異，但在此范圍之內(nèi)，與前人結(jié)果較為一致。李霏霏[27]等利用M-K檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)長江下游在1668年發(fā)生突變。

2.4 旱澇災(zāi)害多時(shí)間尺度周期性分析

圖6 1644—1911中國東部沿海地區(qū)旱澇等級序列Morlet小波變換系數(shù)實(shí)部圖

在氣候診斷方法中，小波分析方法不僅可以分析出氣候序列變化的尺度，還能顯示出變化的時(shí)間位置。本文采用了Morlet復(fù)小波函數(shù)對旱澇等級序列進(jìn)行了小波分析。圖6是以1644—1911年歷年的旱澇等級序列Morlet小波變換系數(shù)實(shí)部等值線圖。其中，正值對應(yīng)旱災(zāi),負(fù)值表示澇災(zāi)的發(fā)生。研究發(fā)現(xiàn)，中國東部旱澇等級序列周期變化特征比較明顯的時(shí)間尺度為110～130a、45～55a、28～30a、9～14a。其中28～30a和9～14a特征時(shí)間尺度的周期性變化相對具有全域性，110～130a尺度的周期變化在1670—1790年之間比較明顯，而45～55a尺度的周期變化在1770—1910年之間比較明顯。徐新創(chuàng)等[28]研究發(fā)現(xiàn)長江中下游1470—2000年夏半年主要有30a和18a的周期。在28～30a左右的特征時(shí)間尺度的周期振蕩中，研究區(qū)旱澇災(zāi)害大約經(jīng)歷了18次的干濕交替變化，周期相對穩(wěn)定，且信號強(qiáng)度較強(qiáng)，總體上是由9個干旱時(shí)段和9個洪澇時(shí)段組成。沈錦花[29]對浙江省534年旱澇資料進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)浙江旱澇等級存在30a、50a、70～80a左右時(shí)間尺度上周期振蕩最顯著，其次為10～20a周期振蕩。葛全勝等[30]分析1736年以來長江中下游梅雨變化時(shí)也發(fā)現(xiàn)了20～30a與40a的年際周期。

圖7 1644—1911年東部沿海地區(qū)年旱澇等級序列小波方差

小波方差圖是以小波變換原理為基礎(chǔ)確定小波信號中存在的主要時(shí)間尺度，確定序列對應(yīng)的主要周期。圖6為1644—1911年東部沿海地區(qū)旱澇等級序列的小波方差圖，由圖可見，方差曲線有4個峰值，對應(yīng)著9a，28a，50a，120a左右的主周期，而方差值最高的為28a和50a尺度，則表明這兩個時(shí)間尺度的周期振蕩為最強(qiáng)。楊傳國[31]在重建淮河流域洪旱事件中由小波系數(shù)方差均表明,1470—2010年洪旱事件序列存在25～50a的長周期和7a左右的短周期，與本文研究結(jié)果基本一致。

2.5旱澇等級序列的主周期分析

圖8 1644—1911年東部沿海地區(qū)旱澇等級序列功率譜分析

功率譜分析是把以傅里葉變換當(dāng)作基礎(chǔ)，把時(shí)間序列的總能量分解到各個不同頻率分量去的方法，來確定序列周期的主要頻率，即該序列所隱含的顯著周期[32]。

對重建的1644—1911年東部沿海北地區(qū)旱澇等級序列進(jìn)行功率譜分析，來確定全區(qū)所具有的顯著性周期，由圖8可知：全區(qū)顯著性周期有4個，分別是2a、3～4a、6～7a、28a，其中28a為第一主周期。馮曉黎[33]采用功譜率方法顯示170—2000年長江中下游旱澇周期存在多個譜峰，其中4個周期比較顯著，為別為準(zhǔn)20a(20。8a)、準(zhǔn)10a(7。1a)、準(zhǔn)5a(5。1a)及準(zhǔn)2a(2a)。我們根據(jù)前人的研究成果發(fā)現(xiàn)，這些顯著周期都與太陽黑子的活動周期有一定的一致性，區(qū)域內(nèi)旱澇變化的周期與一些氣候變化周期在一定程度上都有著相同的反映[34,35]。

3 結(jié) 論

通過利用《中國三千年氣象記錄總集》等歷史文獻(xiàn)資料重建了清代1644—1911年中國東部沿海旱澇等級序列，同時(shí)結(jié)合費(fèi)希爾聚類分析和小波變換分析方法，對清代東部沿海山東省、江蘇省、上海市、浙江省及福建省的旱澇特征變化進(jìn)行了研究。通過東部沿海地區(qū)1644—1911年旱澇災(zāi)害11a滑動平均曲線可知，東部沿海地區(qū)1644—1911年間旱澇災(zāi)害大致經(jīng)歷了5個階段。第一階段：1644—1726年總體上以旱災(zāi)為主；第二階段：1728—1762年主要以澇災(zāi)為主；第三階段：1763—1818年旱災(zāi)發(fā)生為主要，旱澇交替出現(xiàn)；第四階段：1819—1864年以澇災(zāi)為主；第五階段：1865—1911年出現(xiàn)了一次明顯的旱澇交替變化，且澇災(zāi)的等級遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于旱災(zāi)。五個階段與前人的研究成果形成補(bǔ)充。采用費(fèi)希爾最優(yōu)分割對其突變特征進(jìn)行分析，在1686年和1875年前后發(fā)生突變，其中SNR分別為1.02和1.13。通過小波分析發(fā)現(xiàn)，重建的旱澇等級序列存在較明顯的周期變化尺度是110～130a、45～55a、28～30a、9～14a，其中28～30a和9～14a特征時(shí)間尺度的周期性變化相對具有全域性。通過小波方差圖發(fā)現(xiàn)，重建的旱澇等級序列的第1主周期為28a。通過功率譜分析，全區(qū)顯著性周期有4個，分別是2a、3～4a、6～7a、28a，其中28a為第一主周期。在周期性的研究中發(fā)現(xiàn)與東亞季風(fēng)和太陽黑子的活動周期有一定的一致性。