1644-2009年黄河中游旱涝序列重建与特征诊断，本文主要内容关键词为：旱涝论文,黄河论文,中游论文,序列论文,特征论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
DOI：10.11821/dlyj201309001
修订日期：2013-06-15
1 引言
当今全球气候系统是过去环境自然变化的累积结果，要了解气候当前特征和今后变化趋势，须清楚气候从古至今的变化过程。因而，历史气候研究是国际“气候变率与可预报性(CLIVAR)”计划的一项重要内容[1]。利用连续史料重建历史气候变化序列有着重要意义。中国是具有悠久历史和文化传统的文明古国，拥有丰富的史料文献，历史气候相关信息记载丰富且连续性好，在开展历史气候研究领域里具有独特优势，即这些资料为重建中国历史气候状况及其演变过程提供了较大可能性[2-3]。
近年来，借用史料特别是清代档案重建历史时期气候变化研究，已有较多成果问世，如葛全胜、郑景云、郝志新等对雨雪分寸等较高分辨率资料的处理取得了较大突破，建立了近300年来长江下游梅雨活动及黄河中下游降水量等一系列基础性气候变化序列[4-7]。然而，雨雪分寸资料记录在空间分辨率上差别很大。整体而言，华北、长江中下游资料的数量和连续性比较好，与之相比，黄河上、中游区域则普遍较差，致使采用史料重建高分辨率降水量的工作较难进行，而主要是针对旱涝等级变化的讨论，如《中国近五百年旱涝分布图集》及其后续重建研究[8-11]。其中涉及黄河中游的站点只有平凉、天水、榆林、延安、西安、太原、临汾、长治8个，1个代表区相当于现代1-2个地级政区范围甚至更大，重建空间分辨率比较笼统，若与现代观测站点进行匹配分析空间差异，上述的8个点显然不能满足要求。
基于此，本文依据现代气象观测基站选取成例，参考清代黄河中游县级政区历史沿革，及其各县区现存文献资料详细程度，在以往旱涝重建代表站点数量基础上增加为18个，试图提高清代以来黄河中游旱涝等级序列重建的空间解析度，使其能更详细地反映该区过去366年来旱涝变化规律和时空分布特征，同时对探讨黄河中下游灾害形成的气候背景、灾害对农业生产、防洪抗洪等方面研究亦有着重要意义。
2 旱涝序列重建的代表站点选取
本文研究范围包括黄河中游干流、窟野、无定、汾、洛、泾、渭、伊洛等流域，涵盖清代甘肃、陕西、山西、河南4省中44个府187个厅、州、县(图1)，县域政区、县治等根据复旦大学、哈佛大学CHGIS-V4.0层数据改绘(网址http://yugong.fudan.edu.cn/Chgisii/chgis_Data_Download/index.asp)。该区属暖温带半湿润气候区，降水特征表现为季节性强、变率大，旱涝灾害频繁，中游的连旱、暴雨等气象灾害直接或间接对下游产生极大影响，造成严重的生命、财产等损失。为了把握旱涝长期演变规律，学界对开展该流域旱涝灾害及旱涝序列重建等相关研究一直颇为重视[12-15]。
图1 研究区和代表站点的空间分布
Fig.1 Study area and spatial distribution of the stations
本研究选取黄河中游现有的45个气象站点中18个站点(空间分辨率为752个基准地面气象观测站)，将研究区分为18个小区，依据我国2004年全国县级行政区划标准，每个小区平均所含县区约10个左右(表1、图1)。从选取的代表站点所处空间位置来看，符合均匀分布原则，可基本体现出黄河中游旱涝空间分异特征。
3 资料处理及研究方法
3.1 资料及处理
本文使用的研究资料有史料和器测数据两部分。其中，史料包括清代档案(奏折、上谕等)和地方志，主要有中国第一历史档案馆主编的清代历朝上谕档、水利电力部水管司科技司、水利水电科学院编的《清代黄河流域洪涝档案史料》[16]；水利部黄河水利委员会从故宫整理的黄河流域水情、灾情、雨雪等奏折①。地方志所载气候信息的整编资料包括：《甘肃省近五百年气候历史资料》②、《陕西省自然灾害史料》③、《山西省自然灾害大典》[17]、《河南省历代旱涝等水文气候史料》④、《中国三千年气象记录总集》[18]。另外，《行水金鉴》、《续行水金鉴》[19]、《再续行水金鉴》[20]等汇编了当时有关河工档案抄册、《清实录》、《东华录》、《清会典事例》等政府编修文献档案，以及刊行的治河大臣奏议、专著、地方志及《京报》、《申报》等，其中包括有关黄河流域大量旱涝水情等资料。从资料的整体情况来看，档案中提供了全流域旱涝基本情况，时空分辨率相对清晰，时间有些能精确到日，空间分辨率甚至到达县级以下。地方志在旱涝记载上相对模糊，时间分辨率没有档案高，但可反映各州县灾情程度和赈灾等信息，有效地补充了灾情的空间分布信息。
在对旱涝的时空信息整理过程中，据表1对各站点进行了统计，认为同一代表区内各县旱涝记载都具有代表性。基于此，各代表站点的旱涝状况，可根据区内各县所含各类史料记载的旱涝进行判定，从而整理出每个代表站点旱涝状况的系统记载。其中，环县站存在旱涝记载年份缺值较多：分别是1673-1677年、1679-1682年、1686-1688年、1748-1752年、1772-1782年等。对此作如下处理：首先，凡记载连续中断年数≤3年，视为年景正常评为3级(史料对旱涝记载惯例一般是“记异不记常”)；若缺失年数＞3年，且无资料插补，则存疑不评级；其次，根据缺失记载的站点所在区域相应年份的整体天气状况(如雨带推移)进行旱涝判定。
器测数据包括：1919-1950年降水数据，取自水利部黄河水利委员会整理刊印的黄河流域水文资料⑤；1951-2009年降水资料取自中国752个基本、基准地面气象观测站及自动站；1951年以来日值数据集中甘肃、陕西、山西、河南所对应18个站点的逐日降水量。
3.2 旱涝等级划分及重建方法
利用历史资料重建旱涝变化，其中最棘手的问题是确定旱涝事件频次、程度及其标准，以往旱涝资料量化方法大致有4种：比值法、湿润指数法、差值法、旱涝等级法。其中，旱涝等级法经诸多研究实践证明是处理定性描述记载的一种比较理想方法[21-23]。故本文参考以往历史旱涝序列重建的思路与标准[2，8]，采用旱涝等级法对黄河中游旱涝序列进行重建，将旱涝等级分成5级，1―5级分别代表旱、偏旱、正常、偏涝、涝。各站点旱涝级别表示站点所代表区域的降水异常程度，旱涝等级值则依据史料记载评定；有降水量记录的年份(1919-2009年)，主要依据当地雨季的实测降水量确定，划分标准分为依据史料评定和实测雨量评定两种。
需要说明的是：(1)以往对各站点降水量主要统计5-9月，但黄河中游常见秋雨，其主要降水时间一般会推迟至10月，故本文统计每个站点5-10月的降水量。(2)由于降水存在区域差异，整个黄河中游旱涝状况不宜用其中某一代表站点旱涝等级数值表示。尽管已考虑站点选取的空间均匀分布原则，但就各区相比而言，仍存在东南部站点比西北部站点稠密，故进一步采用面积加权法[2，4]消除误差。全区旱涝等级判定标准，是各代表站点旱涝等级面积加权的算术平均值，将其作为旱涝等级总指数θ，面积加权计算公式如下：
3.3 旱涝特征分析方法
旱涝周期判定采用小波分析方法。由于气候系统属于多时间、多尺度系统，用常规方法虽可判断出气候变化的大致周期，但不能揭示多层次复杂结构。因旱涝变化起伏信号与小波系数的变化趋势基本一致，本文采用小波分析(wavelet analysis)判定旱涝周期。小波分析实质上是以一簇函数去表示或逼近一个信号或函数，通过一个基本小波函数的平移和伸缩实现，经小波变换将一维信号f(t)转换为时间、尺度二维空间，将尺度a转换为与之对应的中心频率，即将时间、尺度空间转化为时、频空间。故与常规方法相比，小波分析在时域和频域上同时具有良好的局部辨析能力，可判定时间序列周期变化的局部特征(某一频段对应的时间信息，或某一时段的频域信息)，能更清楚地看到各周期随时间变化的详细情况，在气候分析中得到广泛的应用[25―29]。在对具体问题分析时，究竟如何选择小波函数，在学术界并未取得共识，至今仍是一个开放课题[30]。在旱涝周期变化判定中，Morlet复小波变换可消除实小波变换系数判定产生的虚假振荡，分析结果更准确，且其时频局部化能力强，在实际中得到较多应用[31]。故本文选用Morlet复小波分析旱涝周期变化。
旱涝突变检测利用滑动t-检验分析方法。气候突变是气候从一种稳定状态跃变为另一种稳定状态的现象，这种不连续变化现象即为“突变”。从统计学角度讲，可通过考察统计特征值(均值、方差等)变化来定义突变，检测气候突变的常用方法有滑动t-检验法(Moving t-test technique，MTT)、克莱姆(Cramer)法、曼-肯德尔(Mann-Kendall)法、山本法(Yamamoto)等[32]。其中Cramer、Yamamoto、MTT等方法原理相同，但Yamamoto与Mann-Kendall等只能检测时间序列中一次突变，Cramer法对基准状态的选择人为性较强，当气候从一个状态跳跃到与基准状态的相似状态时，突变则不能被检测出来[33]。故本文采用滑动t-检验法进行旱涝突变检测。
4 旱涝序列重建结果及分析
4.1 各站点旱涝序列
据上述方法重建了清代以来366年黄河中游旱涝序列，结果见图2。
4.2 旱涝特征分析
4.2.1 旱涝空间分异特征 将各代表区旱涝发生频次、频率分布分别进行了统计(表2、图3)。综合分析图3、4，可大致看出过去366年黄河中游旱涝空间分布表现出以下2个基本特征：
(1)从各站点旱涝空间分异来看，西北部河曲、榆林、环县、延安等站旱、偏旱(1、2级)发生频次高于涝、偏涝(5、4级)，东南部西安、洛阳、开封等站情况则相反。
(2)就整个黄河中游区而言，旱涝状况显示出西北旱、东南涝的整体空间分异特征。涝年(5级)发生频率多于旱年(1级)，分别为9.75%、9.11%，平均每9-10年发生1次；偏旱(2级)发生频次高于偏涝(4级)，平均分别为23.27%、21.58%，每2-3年发生1次。
4.2.2 旱涝的周期性 采用Morlet小波对黄河中游区旱涝周期变化特征进行了诊断(图5)，图中横坐标为时间序列，纵坐标为时间尺度，等值曲线为旱涝等级的小波系数实部值，等值线的闭合中心对应于降水丰欠中心(即旱涝中心)，正值表示涝，负值表示旱，中心值大小反映波动振荡强度。据图5显示，整个黄河中游旱涝变化过程中存在多时间尺度特征，主要有20-35年、60-80年、110-120年等3类主要尺度周期变化。其中，在20-35年尺度上出现了旱涝交替14次震荡，几乎占据整个研究时段，其周期变化表现得比较稳定；在60年左右尺度上出现了准6次震荡，主要发生于1890年代之前；在110-128年尺度上出现了准4次震荡，主要发生在1920年以前；另外，在80-90年尺度上出现了准2次震荡，主要发生于1920年代之后。
黄河中游具有多时段、多尺度旱涝周期变化特征，反映该区旱涝周期变化的复杂性。为更准确判断出以上3种尺度具体周期，绘制小波周期频率图(图6)，明显看出存在3个峰值，周期频率由高到低依次对应着21年、70年、114年。其中，最大峰值对应着21年时间尺度，则21年旱涝震荡最强，可认为是旱涝变化的第一主周期；70年和114年时间尺度分别对应第2、3个峰值，为第二、三主周期。由此说明，上述3个周期的波动控制着整个时间内的变化特征。
图2 1644-2009年黄河中游18个站点旱涝等级变化序列(水平梯度线为旱涝等级序列，曲线为11年低通滤波结果)
Fig.2 Droughts and floods grade sequence changes of 18 stations in the middle Yellow River from 1644 to 2009(Horizontal gradient line is droughts and floods grade sequence,and the curve is the result of low-pass filter in 11 years)
图3 1644-2009年黄河中游18个站点各级旱涝发生频率比较
Fig.3 The comparison of droughts and floods grade frequency of 18 stations in the Middle Yellow River from 1644 to 2009
4.3 旱涝的阶段性
对1644-2009年黄河中游区各代表站点旱涝等级进行累积距平[34]，再取20年移动平均，减少20年以下旱涝高频分量振动的影响，突出了20年以上较长的周期振动(图7)。可以看出，旱涝序列变化具有较明显的阶段性。主要分3个上升阶段、3个下降阶段、1个波动阶段。曲线上升阶段主要为1644-1683年、1737-1775年、1885-1921年，上升表明雨涝发生频率比干旱发生频率高；下降阶段主要为1684-1736年、1776-1814年、1922-2001年，下降表明干旱发生频率比雨涝发生频率高。其中，1815-1895年长达近80年时间旱涝波动频繁，反映出该时期的气候变化不稳定。
图4 1644-2009年黄河中游18个站点各级旱涝等级频率空间分异
Fig.4 The spatial differentiation of droughts and floods grade frequency of 18 stations in the Middle Yellow River from 1644 to 2009
图5 1644-2009年黄河中游旱涝等级的小波系数实部等值线图
Fig.5 Multi-scale wavelet analysis of the droughts and floods grade sequence in the Middle Yellow River in 366 years
整体而言，旱涝波动明显，大致呈现湿润期—干旱期交替的演变特征。上升、下降的各阶段持续年份累计分别为113和177年，反映出黄河中游干旱灾害指数要比洪涝灾害发生明显。根据旱涝阶段发展的整体趋势来看，目前黄河中游可能已进入雨涝多发期。
4.4 旱涝的突变性
图6 不同尺度周期的小波频率旱涝等级距平累积
Fig.6 Wavelet frequency in different scales
图7 1644-2009年黄河中游区旱涝等级距平序列(粗线为20年移动平均序列，细线为旱涝等级距平序列)
Fig.7 The anomaly series of droughts and floods grade in the Middle Yellow River from 1644 to 2009(The thick line is the movable average sequence for 20 years,and the thin line is anomaly series of droughts and floods grade)
通过对三种不同子序列检验比较，共同存在2处突变较为显著，出现在1723-1726年及1814-1816年区间，两处突变都是由干旱期开始转为雨涝期，而从整体变化来看则呈现出干旱期—雨涝期交替的气候演变特征。
5 结论与讨论
选取黄河中游区18个旱涝重建代表站点，重建了该区1644-2009年18个代表区旱涝等级序列。全区旱涝状况显示出西北旱、东南涝的整体空间分异特征；涝年(5级)发生频次多于旱年(1级)，平均每9-10年发生1次；偏旱(2级)发生频次高于偏涝(4级)，每2～3年发生1次。
图8 1644-2009年黄河中游区旱涝序列滑动t-检验统计量曲线(红细实线为t分布95%自由度临界值线；黑细虚线为旱涝序列变化曲线；蓝实粗线为t-检验统计量曲线；×为突变点)
Fig.8 The smoothing t-test statistic curve of droughts and floods grade in the Middle Yellow River from 1644 to 2009(The thin red real line is the threshold value line of 95% t-distribution dof; The thin black dashed line is the change line of droughts and floods sequence; The thick blue line is the statistic curve of t-test; ×is catastrophe point)
黄河中游旱涝等级序列变化具有较明显的阶段性，1644-1683年、1737-1775年、1885-1921年以多雨为主，雨涝发生频率高；1684-1736年、1776-1814年、1922-2001年以少雨为主，干旱发生频率高；1815-1895年长达近80年时间旱涝波动频繁，该时期气候变化不稳定。整体而言，黄河中游干旱灾害指数要比洪涝灾害发生明显；从旱涝阶段发展趋势上看，目前黄河中游可能已进入雨涝多发期。
小波分析显示黄河中游旱涝变化存在21年、70年、114年左右的3种周期尺度，21年左右旱涝震荡最强，是旱涝变化的第一主周期；70年和114年左右分别对应第2、3个峰值，为第二、三主周期。值得注意的是，3种周期变化信号与太阳活动短周期22年及Nagovitsyn等[35]利用历史数据计算的世纪变化长周期65-130多年(主要在70-80年和100-120年之间)都有较好的对应关系，反映了太阳活动对旱涝变化的影响较为显著。另外，从70年左右周期振荡可看出，目前黄河中游区可能进入雨涝多发期，与上述结论一致。
经滑动t-检验法判定，旱涝变化序列有2处突变较为显著，主要出现在1723-1726及1814-1816年区间，2处突变均为由干旱期开始转为雨涝期，整体呈现出干旱期—雨涝期交替的气候演变特征。需要注意的是，1814-1816年这次突变可能与1815年4月10日至11日发生在印度尼西亚的坦博拉(Tambora)火山活动[36]致使气候突变有较大关系，其后几年全球多地区同步出现持续低温、极端降水等异常天气，而受此影响，中国亦进入持续几十年的冷湿期，灾荒连年[22]。当然，本文并非想凭借这些对应关系案例来说明突变检验结果的准确性，其实，历史时期黄河中游旱涝变化受到多种外强迫因子制约，其影响机理究竟如何，仍需进一步分析研究。
①水利部黄河水利委员会编.清代黄水泛滥灾情档(顺治四年-光绪三十四年)，案卷号：清1-6(1)-001-清1-6(1)-016；水利部黄河水利委员会编.清代沿黄各省自然灾情档(顺治四年-宣统三年)，案卷号：清1-6(2)-001-清1-6(2)-033；水利部黄河水利委员会编.清代黄河流域雨雪档(康熙四十一年-宣统三年)，案卷号：清1-2(3)-001-清1-2(3)-071.
②甘肃省气象局资料室.甘肃省近五百年气候历史资料(内部资料)，1980.
③陕西省气象局气象台.陕西省自然灾害史料(内部资料)，1976.
④河南省水文总站.河南省历代旱涝等水文气候史料(内部资料)，1982.
⑤水利部黄河水利委员会.黄河流域水文资料：降水量、蒸发量(第1、2、3册)(内部资料)，1957.
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