渭河流域百年尺度水旱特征及其影響因素

胡浩楠， 劉引鴿,2， 馬 凱

(1.寶雞文理學(xué)院 地理與環(huán)境學(xué)院, 陜西 寶雞 721013; 2.陜西省災(zāi)害監(jiān)測與機(jī)理模擬重點實驗室, 陜西 寶雞 721013)

作為國際氣候變率與可預(yù)報性計劃的重要內(nèi)容[1]，歷史氣候成為越來越多學(xué)者研究的焦點。在全球氣候變化速度加快的背景下，我國旱澇災(zāi)害發(fā)生次數(shù)顯著上升，對區(qū)域水資源和經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生重大影響。我國關(guān)于歷史氣候，降水及旱澇災(zāi)害的史料及檔案記載較為豐富，學(xué)者利用歷史資料建立災(zāi)害序列重建歷史氣候已取得一定進(jìn)展[2-7]，為認(rèn)識歷史時期氣候變化下的旱澇災(zāi)害規(guī)律，時空特征等提供了重要借鑒。但前人的研究大多集中于我國大尺度研究或東部季風(fēng)區(qū)研究，對渭河流域在百年尺度氣候變化下極端氣象災(zāi)害及其水文影響的研究甚少。為此，本文在前人研究基礎(chǔ)上，通過對1800—2017年渭河洪澇災(zāi)害的統(tǒng)計，重建近200 a來渭河旱澇序列，探索歷史時期渭河旱澇時空變化特征，分析災(zāi)害發(fā)生的周期規(guī)律，從太陽活動、ENSO和降水等方面對可能引起旱澇災(zāi)害的原因進(jìn)行探究，對區(qū)域水資源規(guī)劃管理、生態(tài)環(huán)境建設(shè)與保持、氣候預(yù)估及防災(zāi)減災(zāi)工作的開展具有重要意義。

1 數(shù)據(jù)來源及研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

考慮到歷史資料保存的完整性，以及地理環(huán)境和氣候特點，基于空間分布的勻稱性，選取渭河干流流域具有代表性的50個縣作為研究區(qū)域，選取的縣區(qū)均距渭河干流100 km以內(nèi)，包括咸河、散渡河、牛頭河、千河、漆水河、黑河、灞河、涇河、洛河等25條支流流域，較完整的涵蓋干流上中下游，因此具有代表性，可體現(xiàn)該流域的旱澇特征，收集文獻(xiàn)中關(guān)于旱澇災(zāi)害的記載(如洪水泛濫、河流干涸糧價飛漲等)。歷史資料源自《陜西歷史自然災(zāi)害簡要紀(jì)實》《陜西省志水利志》《鳳翔縣志》《隴縣志》《中國氣象災(zāi)害大典·陜西卷》《中國氣象災(zāi)害大典·甘肅卷》《西北災(zāi)荒史》《中國三千年氣象記錄總集》，21世紀(jì)以來的旱澇情況從當(dāng)年的氣候影響評價、氣候公報和氣象觀測資料中獲得。ENSO(厄爾尼諾—南方濤動)指數(shù)資料提取自文獻(xiàn)[8]及網(wǎng)絡(luò)https:∥Origin.cpc.ncep.noaa.gov/products/analysis_monitoring/ensostuff/ONI_v5.php，太陽黑子資料源自網(wǎng)絡(luò)http:∥sidc.oma.be/index.php。

1.2 研究方法

依據(jù)《氣象干旱等級(GB/T20481-2006)》《氣象災(zāi)情收集上報調(diào)查和評估試行規(guī)定》《中華人民共和國共和國水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：洪澇災(zāi)情評估標(biāo)準(zhǔn)(SL579-2012)》，借鑒標(biāo)準(zhǔn)化降水指標(biāo)SPI[9-10]，將歷史文獻(xiàn)記載的定性資料轉(zhuǎn)化為定量的旱澇等級數(shù)據(jù)，重建旱澇等級序列，在界定災(zāi)害等級時，結(jié)合渭河沿岸地區(qū)實際情況，采用典型用語，指定滿足條件，使用7級劃分法對旱澇等級序列進(jìn)行重建，1至7級分別代表大澇、輕澇、微澇、正常、微旱、輕旱、大旱，并計算災(zāi)害指數(shù)，具體過程見參考文獻(xiàn)[11]。

小波分析具有時頻多分辨功能的特點，采用此方法判斷旱澇在時間序列上的變化周期。滑動t檢驗通過對兩組數(shù)列平均值是否存在顯著差異來判別是否存在突變，采用此方法檢測旱澇突變。運用Origin，Matlab，DPS，ArcGIS等軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分析渭河流域的旱澇變化特征。

2 結(jié)果分析

2.1 旱災(zāi)與澇災(zāi)的時間變化特征

根據(jù)以上方法建立的渭河旱澇災(zāi)害等級序列，為驗證所建立災(zāi)害序列的有效性，將所建立的災(zāi)害序列與中央氣象局氣象科學(xué)研究院主編的《中國近500年旱澇分布圖集》[12]做5 a滑動平均對比(圖略)，此圖集因能反映中國過去500 a的干濕狀況而被廣泛使用。對比發(fā)現(xiàn)兩曲線的走勢有較好一致性，表明所建立的旱澇序列比較符合實際情況。通過對旱災(zāi)和澇災(zāi)進(jìn)行統(tǒng)計(圖1)。發(fā)現(xiàn)19世紀(jì)的前50 a未發(fā)生大澇災(zāi)害，大旱的災(zāi)害出現(xiàn)了3次，輕澇4次，輕旱2次。19世紀(jì)的后50 a，大澇災(zāi)害僅出現(xiàn)了1次，大旱出現(xiàn)4次，輕澇2次，輕旱3次。20世紀(jì)的前50 a大澇出現(xiàn)多達(dá)8次，大旱出現(xiàn)了5次，輕澇出現(xiàn)4次，輕旱出現(xiàn)了8次。20世紀(jì)的后50 a中，大澇出現(xiàn)4次，而大旱出現(xiàn)了9次，輕澇4次，輕旱11次。2000年后至今，大澇出現(xiàn)2次，大旱5次，輕澇3次，輕旱2次。近200 a以來，大澇共出現(xiàn)頻率為8%，大旱出現(xiàn)頻率為14%，輕澇出現(xiàn)頻率11%，輕旱出現(xiàn)頻率16%。

圖1 渭河流域旱澇序列頻率

依據(jù)《中國近500年旱澇分布圖集》和流域內(nèi)站點資料的齊全程度，發(fā)現(xiàn)渭源、天水、寶雞、咸陽、西安、銅川、渭南均位于渭河干流沿岸且在研究區(qū)內(nèi)分布較為均勻，具有代表性，為了探究極端旱澇及其特殊性，選取這7個站作為流域的典型站點進(jìn)行分析。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，圖集中各站點大旱災(zāi)發(fā)生次數(shù)至少在4次以上，近200 a來大旱災(zāi)出現(xiàn)最多的站點是渭南，出現(xiàn)8次，大旱災(zāi)出現(xiàn)最少的是渭源，僅出現(xiàn)了4次，其中，1993—1995年各大站點都發(fā)生連續(xù)大旱事件，1994—1996年天水連續(xù)3 a發(fā)生大旱事件。旱災(zāi)中以1929年陜西大旱年為代表，此次旱災(zāi)致25萬人死亡，40余萬人出逃，持續(xù)3 a。各站點大澇年份至少出現(xiàn)過2次，近200 a來大澇出現(xiàn)最多的站點是寶雞站，出現(xiàn)7次，大澇出現(xiàn)最少的是銅川，僅出現(xiàn)2次，其中1983—1984年，渭南、寶雞和西安連續(xù)大澇，2003年渭南出現(xiàn)大澇，2009—2010年西安和渭南發(fā)生連續(xù)大澇，這些站也基本分布在渭河中下游。澇災(zāi)以2003年渭河洪災(zāi)為代表，共56萬人受災(zāi)，37萬余人被迫遷移，直接經(jīng)濟(jì)損失23億元。

2.2 旱災(zāi)與澇災(zāi)空間變化特征

由于統(tǒng)計結(jié)果為縣級，史料缺少更低行政級別的記載，且限于地形因素，秦嶺一側(cè)的站點較少，空間分辨率相對較低，需要將縣級災(zāi)害指數(shù)空間插值到整個研究區(qū)(圖2)。指數(shù)值越高表明越旱，反之亦然。可見渭河上游呈現(xiàn)由澇轉(zhuǎn)旱再轉(zhuǎn)澇的趨勢，上游在1851—1900年期間以旱災(zāi)為主，之后逐漸向澇災(zāi)轉(zhuǎn)變，1951—2000年主要是澇災(zāi)。中游由澇轉(zhuǎn)旱的趨勢不明顯，下游在前1800—1900年以澇災(zāi)為主，在1900年后澇災(zāi)減少，旱災(zāi)有增多趨勢。將旱災(zāi)、澇災(zāi)指數(shù)分別插值(圖3)，更能明顯的看出旱、澇的空間分布特點。圖3顯示，200 a來輕旱基本發(fā)生于渭河上游，大旱在渭河中游頻發(fā)，下游為輕旱大旱交替發(fā)生。澇災(zāi)以渭河上游和下游較為顯著，中游基本以輕澇為主，大澇發(fā)生較少。前100 a上游以旱為主，下游以澇為主，后100 a上游以澇為主，下游以旱為主，中游旱澇波動幅度較小。

總體上來看渭河旱澇各段差異明顯。渭河屬于大陸性季風(fēng)氣候，受西太平洋副熱帶高壓或蒙古高壓的控制，屬于旱澇異常的敏感區(qū)域，水旱災(zāi)害頻發(fā)。渭河流域旱澇災(zāi)害的演進(jìn)過程與渭河流域的氣候條件和人類活動密不可分。旱澇災(zāi)害多發(fā)地區(qū)人口稠密，人類活動的加劇，使得人地矛盾突出，人地關(guān)系緊張，致使河流生態(tài)環(huán)境較為脆弱，為旱澇災(zāi)害的發(fā)生提供了條件。

2.3 旱災(zāi)與澇災(zāi)周期及突變特征

運用MATLAB分別對上中下游旱澇序列進(jìn)行小波分析(圖4)。由小波實部圖可見，渭河上游存在5～8 a，18～20 a和49～50 a較為明顯的旱澇周期，在18 a左右的周期震蕩最強，為第一主周期，第二主周期50 a，第三主周期8 a。中游存在8～10 a，47～49 a，60～63 a較為明顯的旱澇周期，在62 a左右的周期震蕩最強，為第一主周期，第二主周期49 a，第三主周期9 a。下游存在10～11 a，19～21 a，38～40 a較為明顯的旱澇周期，在10 a左右的周期震蕩最強，為第一主周期，第二主周期39 a，第三主周期20 a。整體來看，渭河大多正負(fù)值中心均分布于60 a頻域以下，說明渭河水旱災(zāi)害周期變化中小周期明顯，且水旱災(zāi)害交替出現(xiàn)。

圖2 渭河旱澇災(zāi)害空間分布

氣候突變是氣候系統(tǒng)由穩(wěn)定形態(tài)向另一種氣候狀態(tài)的變化，是氣候性質(zhì)非線性的一種表現(xiàn)[13]，分析渭河旱澇突變對旱澇長期變化關(guān)系的研究和預(yù)測未來旱澇趨勢有重要作用。使用DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)按上中下游對近200 a來渭河流域地區(qū)水旱災(zāi)害數(shù)據(jù)進(jìn)行滑動t檢驗，達(dá)到95%置信水平以上，以分析渭河流域旱澇突變特征。由圖5可以看出，上游的滑動t檢驗顯示，近200 a以來，渭河上游存在9個突變點，分別是1880，1881，1882，1889，1890，1891，1924，1938和1999年，共有5個突變年代。中游(圖5)存在6個突變點，分別為1837，1913，1914，1915，1920和1931年，共有4個突變年代。下游存在8個突變點，分別為1825，1881，1902，1916，1917，1918，1919和1930年，共有5個突變年代。綜合上中下游，發(fā)現(xiàn)1880，1914，1932年前后都發(fā)生過突變，有很高的繼承性，其中1880年前后表現(xiàn)為由旱轉(zhuǎn)澇，1914年前后為由澇轉(zhuǎn)旱，1932年前后為由旱轉(zhuǎn)澇。這些突變的發(fā)生可能與氣候環(huán)境變化密切相關(guān)。

圖3 近200 a來渭河干旱、洪澇空間分布

2.4 旱澇階段性和季節(jié)性特征

根據(jù)計算的旱澇指數(shù)，以旱災(zāi)平均指數(shù)(4.75)和澇災(zāi)平均指數(shù)(3.22)為基準(zhǔn)線，分別繪制渭河旱災(zāi)、澇災(zāi)年代指數(shù)圖(圖6)，無災(zāi)值為4，若某年的災(zāi)害指數(shù)離4越遠(yuǎn)，則該年災(zāi)害程度越強?？梢钥闯觯?9世紀(jì)前，旱災(zāi)指數(shù)多在澇災(zāi)平均指數(shù)值3.225以上。而該時期旱災(zāi)基本也是圍繞旱災(zāi)平均指數(shù)值4.752小幅波動，說明19世紀(jì)旱澇災(zāi)害雖均有發(fā)生，但強度較小。自19世紀(jì)末開始，渭河沿岸地區(qū)呈現(xiàn)澇災(zāi)頻繁，這是因為近200年來整個關(guān)中地區(qū)處于澇災(zāi)頻繁發(fā)生區(qū)，降水量普遍增加，涇洛河澇災(zāi)頻繁發(fā)生導(dǎo)致。進(jìn)入20世紀(jì)，兩曲線波動幅度逐漸劇烈，旱澇災(zāi)害強度隨年代逐漸增加，可見在近200 a來渭河流域旱災(zāi)和澇災(zāi)都具有明顯的階段性特征。

圖4 渭河流域旱澇序列小波實部及方差

圖5 渭河流域旱澇序列滑動t檢驗

圖6 渭河流域旱澇災(zāi)害年代指數(shù)變化

通過對1800—2017年史料資料的收集和分析，統(tǒng)計得出有28 a的旱澇災(zāi)害無季節(jié)記載，有177 a明確記載著旱澇災(zāi)發(fā)生年份。近200 a來，渭河流域旱澇災(zāi)害在冬季極少發(fā)生，多發(fā)生在夏季，澇災(zāi)發(fā)生年數(shù)有55 a，干旱發(fā)生年數(shù)有59 a，秋、春二季發(fā)生旱澇的年數(shù)較為適中。發(fā)生頻次由低到高分別為：冬<春<秋<夏，連澇主要集中在夏秋兩季，連旱多發(fā)生在春夏秋三季，四季均有旱災(zāi)的發(fā)生的情況有2次。季風(fēng)氣候的波動與旱澇的季節(jié)分布特征聯(lián)系密切，渭河流域位于西北地區(qū)東部邊緣地區(qū)，是季風(fēng)氣候向大陸氣候過渡地帶，夏季旱澇災(zāi)害發(fā)生較多主要受夏季風(fēng)變化的影響。在溫帶大陸氣團(tuán)的作用下，冬季氣溫較低且較為干燥，不易發(fā)生洪澇災(zāi)害。夏、冬季風(fēng)交替的過渡期為秋、春季，使得春季溫度上升快，降雨量下降，秋季降溫迅速，陰雨連綿，致使關(guān)中地區(qū)成為我國秋季連陰雨發(fā)生頻次較高的地區(qū)之一。

3 影響旱澇的因素

3.1 南方濤動與渭河旱澇的關(guān)系

許多研究對中國年西北地區(qū)的站點的古降水重建時均發(fā)現(xiàn)有來自ENSO的影響[14-17]，同時，ENSO也被認(rèn)為是引起中國水文氣候變化的一個非常重要的因素[18]，為此，討論了渭河旱澇與ENSO之間的關(guān)系及其全球變暖背景下的相關(guān)影響。

使用小波變換研究1867年以來渭河流域旱澇與ENSO之間的關(guān)系(圖略)，發(fā)現(xiàn)渭河旱澇序列存在10～20 a短周期和80 a長周期，旱澇交替發(fā)生，ENSO序列存在10 a和30 a的中短周期震蕩和80 a的長周期，且間歇性發(fā)生，表明兩個序列之間存在有顯著的相關(guān)性。為進(jìn)一步研究二者之間的關(guān)系，計算ENSO指數(shù)與渭河旱澇序列的滑動相關(guān)系數(shù)，并與ENSO指數(shù)的131 a方差對比(圖7)，可以看出滑動相關(guān)系數(shù)與ENSO方差下降的一致性?；瑒酉嚓P(guān)系數(shù)可進(jìn)一步說明旱澇序列與ENSO相關(guān)關(guān)系的年代際變化特征[19]。這些表明ENSO與渭河旱澇之間有一定的遙相關(guān)機(jī)制，即渭河旱澇的發(fā)生受到周期性的ENSO影響。一般認(rèn)為ENSO與中國西北地區(qū)的干旱異常相聯(lián)系。赤道東太平洋的海水表面溫度受厄爾尼諾現(xiàn)象而上升，經(jīng)向溫度梯度變大，哈德來環(huán)流增強，導(dǎo)致西太平洋副熱帶高壓強度增大，從而影響中國西北地區(qū)降水[20]，而且ENSO對泛太平洋地區(qū)水文和氣候的影響隨著ENSO的加劇而增大，反之亦然[21]。

注：a旱澇序列與ENSO指數(shù)的滑動相關(guān)系數(shù)；b ENSO指數(shù)小波方差灰色垂直陰影表示滑動相關(guān)系數(shù)與ENSO方差下降的一致性。

圖7 ENSO與渭河旱澇的遙相關(guān)機(jī)制

3.2 太陽黑子與渭河旱澇的關(guān)系

圖8為渭河流域的旱澇指數(shù)與太陽黑子的相關(guān)性，整體來看，太陽黑子數(shù)和渭河旱澇指數(shù)表現(xiàn)為正相關(guān)，太陽黑子數(shù)越大旱澇指數(shù)越大，表示干旱發(fā)生可能性越大，反之亦然。在太陽黑子達(dá)到峰值時，旱澇指數(shù)呈現(xiàn)2～3 a的滯后期達(dá)到峰值。如1848，1859，1870，1893，1928，1957和1979年等為太陽黑子峰值年，而1850，1861，1871，1895，1931，1960和1982年為旱澇指數(shù)的峰值年。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，自1800年始，太陽黑子19次達(dá)到谷值，20次達(dá)到峰值，在谷值的前后3 a內(nèi)共發(fā)生災(zāi)害36次，其中澇災(zāi)13次，重度澇災(zāi)4次，中度澇災(zāi)7次。在太陽黑子峰值前后3 a中共發(fā)生災(zāi)害33次，其中旱災(zāi)發(fā)生21次，其中重度旱災(zāi)4次，中度旱災(zāi)10次。由此可推斷，在太陽黑子達(dá)到谷值時渭河流域出現(xiàn)災(zāi)害頻次較多，更應(yīng)該注意防災(zāi)減災(zāi)。

3.3 降水與渭河旱澇的關(guān)系

為了確定渭河旱澇變化與降水時間序列是否有周期的相關(guān)性，選取渭河干流具有代表性的天水，寶雞，咸陽，西安，渭南5個站自1960年以來的降水?dāng)?shù)據(jù)，與其對應(yīng)的旱澇序列做小波方差對比(圖9)，曲線的每個峰值表面對應(yīng)所在尺度下有顯著周期[22]。由圖可見，天水站的旱澇方差峰值出現(xiàn)在7 a，22 a，28 a，而其降水方差峰值出現(xiàn)在4 a，7 a，12 a，19 a，表明天水的旱澇序列與降水序列在7 a左右的周期下變化趨勢相同。寶雞站的旱澇方差最高峰值出現(xiàn)在12 a，故其第一主周期為12 a，寶雞站降水方差最高峰值也在12 a出現(xiàn)，表明寶雞站旱澇序列與時間序列的第一主周期變化趨勢相同。咸陽站的旱澇方差峰值出現(xiàn)在5 a，11 a，29 a，而其降水方差峰值出現(xiàn)在7 a，11 a，24 a，表明咸陽的旱澇序列與降水序列在11 a左右的周期下變化趨勢相同。西安站的旱澇方差峰值出現(xiàn)在7 a，11～12 a，30 a，而其降水方差峰值出現(xiàn)在7 a，11～12 a，23～24 a，表明西安的旱澇序列與降水序列在7 a，11～12 a左右的周期即第二、第三主周期下變化趨勢相同。渭南站出現(xiàn)多個旱澇方差峰值，但與其降水方差峰值重合的只有7 a和15 a，表明渭南的旱澇序列與降水序列在7 a與15 a左右的周期下變化趨勢相同?？偟膩碚f各站點的旱澇周期與其對應(yīng)降水序列的周期變化趨勢有重合，尤其存在7 a，11～12 a左右顯著周期的重合，表明了降水與旱澇在短周期上存在一致性，但并不完全相同，這可能是由于旱澇變化受多種因素影響的結(jié)果[23-24]，降水也是重要原因之一。

圖8 近200 a來太陽黑子與渭河旱澇指數(shù)的相關(guān)性

圖9 渭河流域各站點旱澇序列方差與年降水方差

4 結(jié) 論

(1) 近200 a以來，渭河流域旱澇災(zāi)害出現(xiàn)頻率最高的為輕旱，出現(xiàn)頻率最低的為大澇，以渭源、天水、寶雞、咸陽、西安、銅川、渭南為典型，大旱均發(fā)生4次以上，大澇至少出現(xiàn)2次。在空間上，前100 a上游以旱為主，下游以澇為主，后100 a則相反，中游旱澇變化波動較小。上游旱澇變化第一主周期為18 a，中游62 a，下游10 a，檢驗發(fā)現(xiàn)上中下游分別存在9個、6個和8個突變點，1880(由旱轉(zhuǎn)澇)，1914(由澇轉(zhuǎn)旱)，1932(由旱轉(zhuǎn)澇)年前后均發(fā)生突變，有很高的繼承性，這些突變的發(fā)生可能與氣候環(huán)境變化密切相關(guān)。

(2) 影響渭河旱澇的因素是多方面的。ENSO周期與渭河旱澇周期的關(guān)聯(lián)性表明，渭河旱澇與ENSO具有遙相關(guān)機(jī)制，與太陽黑子也有密切的相關(guān)性，太陽黑子谷值更應(yīng)注意預(yù)防旱澇。降水與渭河旱澇存在7 a，11～12 a左右顯著周期的重合，表明了降水與旱澇在短周期上存在一致性，降水是影響旱澇的重要因素之一。由于人口急劇增加，為了減少耕地競爭，渭河流域沿岸圍河造田，致使生態(tài)環(huán)境脆弱，河流自凈能力下降，水土流失嚴(yán)重，也為旱澇災(zāi)害的發(fā)生提供了條件。未來需要結(jié)合人類活動及其響應(yīng)，對渭河流域旱澇進(jìn)一步研究。