唐代陜西黃土高原中南部地區(qū)洪澇災(zāi)害與氣候特征

劉 樂, 岳大鵬, 趙景波,2, 趙 艷

(1.陜西師范大學(xué) 地理科學(xué)與旅游學(xué)院, 西安 710119; 2.中國科學(xué)院 地球環(huán)境研究所 黃土與第四紀地質(zhì)國家重點實驗室, 西安 710061)

全球變暖加劇了氣候系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，與氣候系統(tǒng)密切相關(guān)的極端水文災(zāi)害如洪澇災(zāi)害成為社會各界關(guān)注的焦點[1-2]。中國人口眾多，地域廣闊，氣候類型多樣且氣候變率較大，近年來顯著增加的極端天氣事件導(dǎo)致我國洪災(zāi)發(fā)生頻次增多，對國民經(jīng)濟發(fā)展和社會穩(wěn)定性形成較大的沖擊性[2-4]，根據(jù)《中國水旱災(zāi)害防御公報2019》統(tǒng)計，1950—2019年中國平均每年因洪澇災(zāi)害死亡的人數(shù)為4 047.29人，造成的經(jīng)濟損失達1 522.81億元/a[5]。歷史時期區(qū)域尺度旱澇災(zāi)害演變規(guī)律是“過去全球變化研究”(PAGES)的重要研究內(nèi)容[1]。國外學(xué)者多從樹木年輪、湖泊和河流沉積物中提取過去洪水事件的信息，對洪水動力學(xué)及其觸發(fā)機制展開研究[6-7]。中國文化源遠流長，既有樹輪、冰芯、湖泊沉積、石筍等自然證據(jù)，也有記載詳實、定年準確、氣候指示意義清楚的史料記錄覆蓋自然證據(jù)匱乏區(qū)域，是開展過去氣候變化研究的理想場所[1,3-4]。我國學(xué)者通過統(tǒng)計分析歷史文獻記錄，對數(shù)百年至千年尺度中國東部、西北、西南等區(qū)域的旱澇災(zāi)害時空分布格局與演變特征、極端旱澇事件序列進行了深入的研究[3-4,8-9]，還基于流域尺度參考史料記錄或?qū)Ρ群恿骱樗练e剖面對流域不同時期洪水特征、洪災(zāi)成因及氣候變化背景進行分析[10-12]。以上研究多從宏觀尺度探究過去氣候環(huán)境變化規(guī)律，對于典型的氣候變化敏感區(qū)如夏季風(fēng)過渡地帶的旱澇災(zāi)害的時空分布與其氣候背景的研究少有報道[12]。

中國受夏季風(fēng)影響的區(qū)域廣泛，夏季風(fēng)強度的年循環(huán)、年代際變化及其趨勢性突變過程造就了中國旱澇交替的基本氣候特征，也導(dǎo)致了區(qū)域重、特大旱澇災(zāi)害的出現(xiàn)[2-3,12-13]。而夏季風(fēng)過渡地帶往往處于農(nóng)牧交錯帶或地表類型以生態(tài)過渡區(qū)為主，生態(tài)環(huán)境相對脆弱，水土流失十分嚴重[13]。陜西黃土高原地處夏季風(fēng)過渡區(qū)，該區(qū)降水、徑流的年內(nèi)分配不均且年際變化大，易產(chǎn)生歷時短、強度大的特大暴雨，因其突發(fā)性強，破壞性高，引發(fā)的洪水災(zāi)害對該區(qū)人民生產(chǎn)生活影響較大[13-15]。唐代是氣候史上的相對暖濕時期，在這種特殊的氣候背景下降水偏多，雨量豐沛[16-17]。唐代290年中洪澇災(zāi)害年占比接近一半，遠高于其他類型自然災(zāi)害[17]。陜西黃土高原中南部地區(qū)在唐時期臨近政治統(tǒng)治中心，洪災(zāi)相關(guān)的歷史資料較多且記載較為詳細，有利于開展洪澇災(zāi)害的相關(guān)研究[18-21]。本文利用歷史文獻資料，提取該區(qū)唐代618—907年的洪澇災(zāi)害信息，探討唐代研究區(qū)洪災(zāi)時空變化規(guī)律及氣候特征，有助于了解氣候過渡帶的洪災(zāi)對歷史時期氣候變化的響應(yīng)，對黃土高原地區(qū)災(zāi)害的預(yù)防及生態(tài)環(huán)境建設(shè)具有重要的實際意義。

1 研究區(qū)域與方法

1.1 研究區(qū)概況

本文研究區(qū)域為陜西黃土高原中南部地區(qū)，該區(qū)海拔為1 000～1 600 m，其中耀州區(qū)南部的河谷平原區(qū)海拔為600～700 m[14]，為全區(qū)最低的地段。地理坐標位于34°29′—37°30′N，106°25′—110°36′E，地跨隴縣、千陽縣、麟游縣、永壽縣、長武縣、彬州市、旬邑縣、淳化縣、白水縣、澄城縣、合陽縣、韓城市、宜君縣、印臺區(qū)、王益區(qū)、耀州區(qū)及延安地區(qū)，共計22個縣、5個區(qū)、2個市。研究范圍內(nèi)，白于山以南、嶗山以北的延安地區(qū)屬于黃土高原丘陵溝壑區(qū)，延安地區(qū)以南的縣市位于黃土塬溝壑區(qū)，區(qū)間黃土塬、梁狀丘陵與基巖山地等地形單元交錯分布[14]。陜西黃土高原地處東亞夏季風(fēng)和中緯度西風(fēng)的耦合區(qū)，干濕條件空間變異性較大，其中部屬于大陸性季風(fēng)氣候，南部屬于半濕潤性季風(fēng)氣候，年平均降水量為350～600 mm，自中部向南整體干燥程度減弱，濕潤程度增強[14,19]。

1.2 研究方法

(1) 災(zāi)害等級法。參考前人洪災(zāi)的分級方法，結(jié)合研究區(qū)具體情況，按照洪災(zāi)范圍大小、降水持續(xù)時間長短及洪災(zāi)的影響程度，把洪澇災(zāi)害劃分為4個等級(表1)[10,22]，將文獻記錄中定性的描述定量化。

表1 唐代陜西黃土高原中南部地區(qū)洪澇災(zāi)害定級

(2) 趨勢分析法。結(jié)合最小二乘法意義下的6次多項式擬合與距平分析探究洪災(zāi)發(fā)生的階段性與趨勢特征[10]。

(3) 小波分析。連續(xù)小波變換(CWT)在提取信號特征方面具有優(yōu)勢，近年來在氣候?qū)W相關(guān)研究中被廣泛運用[23]。運用連續(xù)小波變換對洪澇災(zāi)害等級序列進行分析，提取等級序列的局部特征以研究不同時間段的周期變化特征。

(4) 濕潤指數(shù)法。從概率論統(tǒng)計觀點出發(fā)，把研究區(qū)域某個時間段內(nèi)發(fā)生的水旱災(zāi)害次數(shù)作為水旱事件的總體，用水旱災(zāi)害的比值來代表氣候的干濕狀況，能一定程度上消除水旱資料的時空不均勻性[22]，其計算公式如下：

式中：I為濕潤指數(shù),其數(shù)值在0～2范圍內(nèi);F為某區(qū)域某年的水災(zāi)(洪澇災(zāi)害)的記載次數(shù);D為相應(yīng)的旱災(zāi)記載次數(shù)。I=1,是水旱災(zāi)害相等的年份(包括水旱均無記載的年份)，代表旱澇中等；0

2 數(shù)據(jù)來源

洪澇災(zāi)害記錄主要來源于系統(tǒng)的匯編資料包括《中國三千年氣象記錄總集》[18]《中國氣象災(zāi)害大典(陜西卷)》[19]《中國災(zāi)害通史·隋唐五代卷》[20]《西北災(zāi)荒史》[21]及地方史志。依據(jù)唐代行政區(qū)劃資料把唐代歷史記錄中洪澇災(zāi)害發(fā)生的地點對應(yīng)于現(xiàn)代行政區(qū)劃圖上予以修正，經(jīng)詳細篩選和統(tǒng)計分析共得到洪澇災(zāi)害相關(guān)數(shù)據(jù)條目110條。

3 結(jié)果與分析

3.1 洪澇災(zāi)害發(fā)生情況

統(tǒng)計中不管洪澇災(zāi)害年內(nèi)發(fā)生多地、多次均按一次并選取等級最高的記錄計算，以年度為統(tǒng)計單位從110條災(zāi)害記錄中篩選出研究區(qū)唐代洪災(zāi)相關(guān)條目49條，建立洪澇災(zāi)害等級序列(圖1)，再對以上49條災(zāi)害條目以10 a為單位進行統(tǒng)計得到洪澇災(zāi)害發(fā)生頻次分布圖(圖2)，結(jié)合距平分析可以進一步揭示研究區(qū)唐代洪澇災(zāi)害的階段性特征(圖3)。

圖1 研究區(qū)唐代618-907年洪澇災(zāi)害等級序列

圖2 研究區(qū)唐代洪澇災(zāi)害每10 a頻次分布和六次多項式擬合

圖3 研究區(qū)唐代洪澇災(zāi)害每10 a距平值和6次多項式擬合

由圖2—3可知，陜西黃土高原中南部地區(qū)唐代洪澇災(zāi)害發(fā)生頻次整體呈波動下降趨勢。根據(jù)頻次變化特征將洪澇災(zāi)害分為4個階段：第一階段為618—637年，發(fā)生洪災(zāi)8次，平均每2.5 a發(fā)生一次，該階段洪災(zāi)頻次最高且以輕度洪澇為主。期間623—624年出現(xiàn)2 a連澇，628—630年出現(xiàn)3 a連澇，均以輕度和中度洪澇為主。第二階段為638—727年，發(fā)生洪災(zāi)9次，平均每10 a發(fā)生一次，災(zāi)害發(fā)生頻次較低，以中度洪澇和大洪澇為主。第三階段為728—847年，發(fā)生洪災(zāi)27次，平均每4.48 a發(fā)生一次，為洪災(zāi)高頻期，以中度洪澇為主。該階段內(nèi)732—734年出現(xiàn)3 a連澇且均為中度洪澇，828—831年出現(xiàn)4 a連澇且連續(xù)2 a為大洪澇災(zāi)害。第四階段為848—907年，發(fā)生洪災(zāi)5次，平均每12 a發(fā)生一次，災(zāi)害發(fā)生頻次最低且以輕度洪澇為主。從整體上來看，唐代研究區(qū)618—637年與726—847年洪災(zāi)距平值主要以正值為主，638—725年與848—907年距平值則以負值為主(圖2)。綜上可知，第一階段與第三階段為洪災(zāi)高頻期，第二和第四階段為洪災(zāi)低頻期。

3.2 洪澇災(zāi)害的周期性

對洪澇災(zāi)害等級序列進行連續(xù)小波變換得到圖4，圖中顏色深淺反映出能量密度的相對變化，黑色粗實線圈內(nèi)的值表示通過了95%置信水平的紅噪聲檢驗，黑色細實線下方是小波影響錐COI(連續(xù)小波變換數(shù)據(jù)邊緣效應(yīng)影響較大的區(qū)域)。在通過顯著性檢驗的范圍內(nèi)，652—658年、751—756年、763—771年、840—843年、893—898年具有2～5 a的主震蕩周期；階段710—743年存在5～9 a，20～30 a的周期；階段816—839年具有2～5 a，5～9 a的周期；階段750—836年具有52～80 a的周期。該區(qū)唐代洪災(zāi)等級的2～5 a周期與ENSO的2～8 a周期相對應(yīng)，推測具有2～5 a周期的時段如652—658年、751—756年及763—771年等時段洪災(zāi)的發(fā)生可能受ENSO信號的調(diào)節(jié)[24]；52～80 a的周期與PDO的50～70 a的周期相符合[25]，推測750—836年旱澇災(zāi)害的發(fā)生與PDO正負相位可能存在一定關(guān)聯(lián)[25-26]。

注：右側(cè)縱坐標數(shù)值代表小波能量，數(shù)值越高，能量越強，無單位。圖4 洪澇災(zāi)害連續(xù)小波功率譜

3.3 洪澇災(zāi)害空間變化特征

研究區(qū)唐代洪澇災(zāi)害的110條相關(guān)記錄中23條沒有具體的縣市信息。對于個別縣市區(qū)劃范圍同時隸屬多個州的，凡所屬州發(fā)生洪災(zāi)了則算作一次，統(tǒng)計中各縣市一年中發(fā)生多次的均按一次且取等級最高的計算。按照我國現(xiàn)行5級行政區(qū)劃，經(jīng)統(tǒng)計分析后得到洪災(zāi)空間分布圖(圖5)。

圖5 唐代洪澇災(zāi)害頻次空間分布

總體上研究區(qū)中部縣域洪災(zāi)發(fā)生頻次較南部與北部更多。洪災(zāi)頻次達5次以上的縣域中，甘泉縣(6次)、黃龍縣(6次)、富縣(8次)及洛川縣(8次)平均海拔800～1 400 m，主要分布在嶗山以南的黃土高原溝壑區(qū)。子午嶺以南的銅川市地區(qū)包括王益區(qū)(8次)與印臺區(qū)(8次)海拔在960～1 100 m[14]。以上縣域中，甘泉縣、黃陵縣、富縣、黃龍縣分布在北洛河中游地區(qū)，塬面相對平坦，便于開展農(nóng)耕活動，人口與農(nóng)田分布相對密集，發(fā)生的洪澇災(zāi)害對農(nóng)戶的生產(chǎn)生活具有較大影響[14]。銅川地區(qū)的中部為黃土殘原溝壑區(qū)，谷坡陡峭，易于徑流聚集，河流比降大，暴雨易引發(fā)河水漲落導(dǎo)致洪災(zāi)的發(fā)生[27]，唐代銅川地區(qū)記載的9次洪災(zāi)中一半以上為大洪澇災(zāi)害，如公元829年，“4月，同官縣暴水，漂沒居民三百余家?！贝送猓拼禽^大規(guī)模興修水利工程的時期，唐前期關(guān)內(nèi)地區(qū)修建了大量的水利工程，墾辟農(nóng)田數(shù)量隨之增加導(dǎo)致大量植被遭到破壞，缺乏植被覆蓋的地區(qū)對降水匯聚的地表徑流無法有效攔截則更易引發(fā)洪災(zāi)[16]。

4 討 論

4.1 洪澇災(zāi)害與氣候變化

對研究區(qū)唐代旱澇文獻匯編資料及地方史志[18-21]進行梳理與統(tǒng)計可知，濕潤指數(shù)年代際波動明顯(圖6)。618—637年濕潤指數(shù)均值為1.14，處于氣候較為濕潤的時期。638—727年洪澇與干旱災(zāi)次比達到1∶3，濕潤指數(shù)均值為0.59，表明該階段氣候明顯偏干。728—847年處于旱災(zāi)較洪災(zāi)發(fā)生更加頻繁的時期，濕潤指數(shù)均值為0.84，整體上偏干。848—907年這60 a干濕年代際波動較大，水旱災(zāi)害都較為頻繁，濕潤指數(shù)均值為1.08。可以看出研究區(qū)在唐代前20 a(618—637年)氣候偏濕，638—837年雖然整體偏干，但648—657年與718—737年有30 a濕潤指數(shù)I>1。在838年之后，以約10 a尺度交替進入干濕演替狀態(tài)。對比本區(qū)唐代濕潤指數(shù)序列(圖7D)與中國東部去趨勢干濕指數(shù)(圖7A)[28]序列表明：二者變化過程在絕大多數(shù)時段高度一致，均以618—630年、718—740年、888—897年氣候相對偏濕，640—700年、750—777年氣候偏干，而二者所揭示的多年代尺度波動趨勢與黃河中下游地區(qū)干濕指數(shù)序列[29](圖7B)及西安旱澇等級序列50 a滑動平均曲線[30](圖7C)基本對應(yīng)，整體均呈現(xiàn)出618—700年氣候偏濕，700—907年氣候偏干的特點。

圖6 研究區(qū)唐代(618-907年)濕潤指數(shù)變化

注：A為中國東部地區(qū)標準化干濕指數(shù)序列的30 a FFT平滑濾波(根據(jù)參考文獻[28]改繪)；B為黃河中上游地區(qū)干濕指數(shù)(根據(jù)參考文獻[29]改繪)；C為西安地區(qū)旱澇等級序列50 a滑動平均變化曲線(根據(jù)參考文獻[30]改繪)；D為唐代陜西黃土高原中南部地區(qū)濕潤指數(shù)。圖7 研究區(qū)唐代(618-907年)濕潤指數(shù)變化與其他地區(qū)對比

綜合分析吳宏岐[31]、鄭景云[3,29]、費杰[32]等對于唐代冷暖波動特征的研究，唐代陜西黃土高原中南部地區(qū)618—750年氣候偏暖，800—907年偏冷，750—799是氣候由暖轉(zhuǎn)冷的過渡期。結(jié)合本文的洪災(zāi)階段特征(圖3)及濕潤指數(shù)變化特點(圖7)，得到研究區(qū)唐代不同階段氣候冷暖干濕特征(表2)[3,29,31-32]。研究表明我國黃土高原南部地區(qū)在845年和880年氣候出現(xiàn)了10 a尺度的波動[32]，因而研究區(qū)在838—847年與888—897年這兩個階段大洪澇災(zāi)害的頻繁發(fā)生可能與該時期氣候波動頻繁有關(guān)[20,32]。表2中大洪澇發(fā)生頻次較高的時期氣候均偏濕，648—657年與718—727年為暖濕氣候，838—847年與888—897年為冷濕氣候。唐代較大洪災(zāi)年份與降水持續(xù)時間較長或暴雨這類極端降水事件密切相關(guān)[10,17]，如公元840年富縣、黃龍縣，“6月20日鄜州大雨，水溢州城，平地水深丈余，沖毀房舍，淹死人畜。”及公元895年延長、甘泉等縣，“乾寧二年，渭北遇雨60日?！爆F(xiàn)代洪災(zāi)研究也表明大洪澇及特大洪災(zāi)的發(fā)生與降水量的增加密切相關(guān)。據(jù)統(tǒng)計，陜西黃土高原中南部地區(qū)在1981年、1988年、2003年、2011年、2013年、2014年、2017年這7個年份降水量距平值超過100 mm(數(shù)據(jù)來源：美國國家海洋和大氣管理局https:∥www.noaa.gov/降水數(shù)據(jù)再分析資料)，參考《中國氣象災(zāi)害大典(陜西卷)》[19]及相關(guān)資料對現(xiàn)代洪澇年的記錄，可確定以上年份均出現(xiàn)了大洪澇或特大洪澇災(zāi)害，其中2003年、2013年降水量距平值分別為191，237 mm左右，均為特大洪澇年。

表2 唐代陜西黃土高原中南部地區(qū)氣候特征與大洪澇災(zāi)害

4.2 洪澇災(zāi)害與夏季風(fēng)

東亞夏季風(fēng)邊緣帶在我國東部地區(qū)到達的最北位置存在年際、年代際變化，其推進與位置變化決定我國北方地區(qū)旱澇降水型分布[33]。黃土高原地區(qū)因地處東亞夏季風(fēng)影響過渡區(qū)的典型地帶，對東亞夏季風(fēng)邊緣最北位置的進退較為敏感，夏季風(fēng)由南向北推進過程中北邊緣越偏南，黃土高原地區(qū)的氣候則呈現(xiàn)出越干燥的特征[33]。我國黃土高原地區(qū)的雨季開始時間在夏季風(fēng)弱的年份提前，在夏季風(fēng)強的年份推遲，該區(qū)旱澇災(zāi)害的發(fā)生與降雨的時間之間具有一定的相關(guān)性，因而夏季風(fēng)強度是影響該區(qū)旱澇變化的主要因素[34]。研究認為唐代(公元618—907年)季風(fēng)強度呈波動下降趨勢(圖8A)[24]，這與研究區(qū)唐代洪澇災(zāi)害發(fā)生頻次整體呈波動下降趨勢相吻合(圖8B)，公元860年前后季風(fēng)強度急劇減弱本區(qū)洪災(zāi)發(fā)生頻次下降趨勢明顯，公元850—907年晚唐弱季風(fēng)期對應(yīng)本區(qū)洪災(zāi)發(fā)生頻次最低的階段[35]，故本區(qū)洪災(zāi)頻次變化受夏季風(fēng)影響且與季風(fēng)強度呈現(xiàn)出一定的正相關(guān)性。

注：A為萬象洞The WX42B的δ18O(VPDB)記錄(每10 a均值)(根據(jù)[35]改繪)；B為陜西黃土高原中南部地區(qū)每10 a洪災(zāi)頻次距平值。圖8 洪澇災(zāi)害每10 a距平值與萬象洞的WX42B的δ18 O記錄對比

5 結(jié) 論

(1) 唐代陜西黃土高原中南部地區(qū)洪澇災(zāi)害發(fā)生頻次整體呈波動下降趨勢，可將其劃分為4個階段，第一階段618—637年與第三階段728—847年為洪災(zāi)高頻期，第二階段638—727年和第四階段848—907年為洪災(zāi)低頻期。洪災(zāi)頻次變化受夏季風(fēng)影響且與夏季風(fēng)整體變化趨勢具有一致性。

(2) 唐代陜西黃土高原中南部地區(qū)洪澇災(zāi)害等級具有2～5 a，5～9 a，20～30 a及52～80 a的周期。洪災(zāi)的發(fā)生可能受ENSO信號的調(diào)節(jié)，與PDO正負相位可能存在一定關(guān)聯(lián)。

(3) 空間分布上來看，研究區(qū)洪災(zāi)發(fā)生頻次中部較南北兩側(cè)更多，洪災(zāi)高頻區(qū)主要位于嶗山以南的黃土高原溝壑區(qū)。

(4) 從氣候特征來看，研究區(qū)在唐代前20 a(618—637年)氣候偏濕，638—837年雖然整體偏干，但648—657年與718—737年有30 a氣候偏濕；在838年之后，該區(qū)以約10 a尺度進入干濕交替狀態(tài)。

(5) 該區(qū)唐代較大洪澇災(zāi)害與降水持續(xù)時間較長、暴雨這類極端降水事件及氣候頻繁波動密切相關(guān)。