王文鑫+胡先學(xué)

摘要：研究歷史旱澇變化規(guī)律對(duì)于區(qū)域綜合防災(zāi)減災(zāi)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。以海河流域的旱澇災(zāi)害文獻(xiàn)記錄和旱澇等級(jí)資料為基礎(chǔ)，重建過(guò)去500 a區(qū)域綜合旱澇指數(shù)序列，探討海河流域1470年-2000年旱澇變化的規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)海河流域旱澇災(zāi)害的頻發(fā)期具有明顯的時(shí)段性，呈現(xiàn)出“旱-澇-旱”波動(dòng)。從16世紀(jì)初期開(kāi)始由洪澇轉(zhuǎn)向干旱，并于17世紀(jì)初期達(dá)到頂點(diǎn)；從17世紀(jì)中后期開(kāi)始海河再次進(jìn)入相對(duì)易受洪澇災(zāi)害影響的時(shí)期，其中19世紀(jì)初期處在最低值，到20世紀(jì)20年代左右，流域再次進(jìn)入相對(duì)干旱的時(shí)期，且干旱的嚴(yán)重程度逐年增加。同時(shí)，研究區(qū)存在2.5 a、9.8 a、18.6 a、31.3 a、83.50 a、125.3 a和167.0 a等旱澇周期性過(guò)程。

關(guān)鍵詞：旱澇變化規(guī)律；歷史文獻(xiàn)；周期性；海河流域

中圖分類號(hào)：TV213 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-1683（2017）04-0034-05

Abstract：The study on the variation of historical drought and flood has important practical significance for regional comprehensive disaster prevention and mitigation.In this paper，we used the drought and flood records to reconstruct the comprehensive index series of regional drought and flood over the past 500 years，and analyzed the variation of flood and drought in Haihe River Basin during 1470-2000.This study found that the drought and flood disasters in Haihe River Basin showed obvious periodic fluctuations of "dry-wet- dry".In the 16th century，the drought disasters became increasingly frequent，and reached the peak at the beginning of the 17th century.From the middle and later periods of the 17th century to the 19th Century，Haihe River Basin once again entered into the relatively wet period.Around the 1920s，Haihe River Basin entered into the relatively dry period，and the drought became increasingly severe year by year.Meanwhile，Haihe River Basin showed obvious drought and flood periodicity of 2.5 a，9.8 a，18.6 a，31.3 a，83.5 a，125.3 a，and 167.0 a.

Key words：variation of drought and flood；historical documents；periodicity；Haihe River Basin

文獻(xiàn)資料是研究歷史時(shí)期極端天氣事件重要輔助性資料，受到眾多古氣候和環(huán)境演變研究人員的關(guān)注[1-5]。我國(guó)歷史悠久，具有豐富、連續(xù)的歷史文獻(xiàn)記錄，這些文獻(xiàn)中包含有大量的古氣候信息，這使我國(guó)成為國(guó)內(nèi)外研究者公認(rèn)的旱澇變化規(guī)律研究的理想?yún)^(qū)域[6-7]。

自20世紀(jì)中葉開(kāi)始，我國(guó)水利系統(tǒng)和氣象系統(tǒng)的科技工作者便開(kāi)始系統(tǒng)地整理古代氣候記錄資料，并取得了豐碩的研究成果。如竺可楨通過(guò)整理分析正史、地方志、考古資料、物候觀測(cè)和儀器記錄資料等提出了近5000 a來(lái)我國(guó)氣候變化的規(guī)律[8]。此后，國(guó)家氣象局組織有關(guān)省市和研究機(jī)構(gòu)完成了《中國(guó)近五百年旱澇分布圖集》等書(shū)籍編纂工作。中國(guó)水利水電科學(xué)研究院也在整理故宮水利奏折的基礎(chǔ)上出版了“故宮洪澇檔案叢書(shū)”。這些工作為我國(guó)氣候變化研究人員開(kāi)展歷史旱澇規(guī)律研究，提供了豐富的資料基礎(chǔ)[9-14]。

海河流域是我國(guó)人口最為集中的地區(qū)，頻繁的水旱災(zāi)害給流域內(nèi)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人民生活和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)嚴(yán)重的不利影響。正如盧路等人[15]指出歷史上海河流域水旱災(zāi)害的重現(xiàn)期大概為3 a一次。為此，歷代統(tǒng)治者對(duì)水旱災(zāi)害尤為關(guān)注，因此留存下豐富的歷史文獻(xiàn)記錄。本文以海河流域?yàn)檠芯繀^(qū)通過(guò)梳理過(guò)去500 a間水旱災(zāi)害文獻(xiàn)記錄，揭示區(qū)域旱澇災(zāi)害的時(shí)間變化特征，以期為今后流域防災(zāi)減災(zāi)提供技術(shù)支撐。

1 資料與方法

1.1 資料

在系統(tǒng)分析海河流域現(xiàn)存歷史文獻(xiàn)資料完整程度的基礎(chǔ)上，結(jié)合《中國(guó)近五百年旱澇分布圖集》[16]用19個(gè)歷史文獻(xiàn)資料記述詳盡的站點(diǎn)（府、州，或者明清以來(lái)重要城市），表現(xiàn)海河流域歷史時(shí)期旱澇災(zāi)害強(qiáng)度空間分布情況（圖1），每個(gè)站點(diǎn)數(shù)值代表20左右個(gè)縣的旱澇災(zāi)害的強(qiáng)度，按照文獻(xiàn)[16-18]確定的旱澇等級(jí)劃分方法，確定19個(gè)站點(diǎn)的旱澇等級(jí)值。具體方法本文不再贅述。受到地理環(huán)境影響。平原地區(qū)聚落較多，山區(qū)較少，所以海河流域平原地區(qū)資料站點(diǎn)密度相對(duì)較高，而太行山麓一線以西的站點(diǎn)密度相對(duì)較少。

一般來(lái)說(shuō)，時(shí)間越久遠(yuǎn)存留下來(lái)的歷史文獻(xiàn)資料的完備性就越差，社會(huì)開(kāi)發(fā)比較晚的地區(qū)歷史文獻(xiàn)記錄也比較少，邊疆民族地區(qū)保存漢語(yǔ)文獻(xiàn)紀(jì)錄也比較少。如海河流域北部的多倫開(kāi)發(fā)時(shí)期比較晚、社會(huì)經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)，因此留存資料也較少，直至1900年代開(kāi)始才有系統(tǒng)的氣候文獻(xiàn)記錄。如圖2展示了海河流域近1000多年19個(gè)站點(diǎn)的旱澇等級(jí)系列數(shù)據(jù)的完備程度。可見(jiàn)從1500年以后，海河流域各站點(diǎn)資料逐漸完備，大部分時(shí)段流域內(nèi)一半以上的站點(diǎn)存在災(zāi)害記錄。因此，利用歷史文獻(xiàn)記錄分析過(guò)去500 a的海河流域旱澇災(zāi)害規(guī)律，其結(jié)果具有可靠性。

2 海河流域旱澇變化規(guī)律

2.1 黃淮海流域旱澇災(zāi)害時(shí)間特征

海河流域旱澇災(zāi)害頻繁，利用區(qū)域旱澇災(zāi)害綜合指數(shù)模型，對(duì)海河流域19個(gè)站點(diǎn)旱澇等級(jí)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，形成海河流域綜合旱澇指數(shù)序列（圖3）。圖3給出了海河流域不同時(shí)期（明末、清代、民國(guó)以來(lái)）旱澇變化基本特征、災(zāi)害頻發(fā)時(shí)段（時(shí)段長(zhǎng)度大于10 a，紅線），以及百年尺度下水旱災(zāi)害的站點(diǎn)頻次統(tǒng)計(jì)情況。

在朝代尺度上，近500 a來(lái)，僅清代（淺綠色塊）海河流域處在一個(gè)相對(duì)濕潤(rùn)的環(huán)境，其他時(shí)期大多處在相對(duì)干旱環(huán)境下。明代中后期的旱澇綜合指數(shù)值為0.098（旱）、清代的旱澇綜合指數(shù)值為-0.073（澇）、民國(guó)以來(lái)的旱澇綜合指數(shù)值為0.127（旱），因此過(guò)去500 a間流域旱澇變化趨勢(shì)基本呈現(xiàn)出“旱-澇-旱”的過(guò)程。其中明末的近100 a間區(qū)域的干旱最為嚴(yán)重。清代順治朝、康熙朝初年和光緒朝出現(xiàn)了兩次比較長(zhǎng)時(shí)間的洪澇時(shí)期。進(jìn)入20世紀(jì)，海河流域持續(xù)偏干旱，僅在19世紀(jì)60年代左右出現(xiàn)短暫的偏洪澇期。

百年尺度上（圖4），通過(guò)對(duì)19各站點(diǎn)中重旱、重澇記錄的統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，嚴(yán)重干旱嚴(yán)與重洪澇在時(shí)間上也呈現(xiàn)波動(dòng)性特點(diǎn)。有嚴(yán)重洪澇事件的站點(diǎn)在17世紀(jì)和19世紀(jì)比較多，嚴(yán)重干旱事件的站點(diǎn)數(shù)在17世紀(jì)達(dá)到一個(gè)波峰階段，而后（清代）下降，并在過(guò)去200 a間穩(wěn)定上升，且當(dāng)前仍呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)。湯仲鑫等人[22]從氣象科學(xué)視角，統(tǒng)計(jì)海河流域明清（1500年-2000年）以來(lái)的特大水旱災(zāi)害事件的百年尺度分布特征（表1）也驗(yàn)證“旱-澇-旱”的特點(diǎn)。

發(fā)現(xiàn)最長(zhǎng)時(shí)間的持續(xù)干旱出現(xiàn)在明崇禎年間（1637年-1643年）（表2），持續(xù)干旱長(zhǎng)達(dá)7 a，在此嚴(yán)重的干旱背景下，白洋淀、梁山泊、安山湖等湖泊逐漸干涸。最長(zhǎng)間的持續(xù)洪澇年出現(xiàn)在明隆慶年間（1567年-1584年），連續(xù)8 a出現(xiàn)嚴(yán)重洪澇災(zāi)害。

2.2 黃淮海流域旱澇災(zāi)害周期性、趨勢(shì)特征

利用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解方法對(duì)海河流域的旱澇指數(shù)序列進(jìn)行分解（圖5）。imf1-imf7 是經(jīng)過(guò)EMD分解后產(chǎn)生的IMF分量，其震動(dòng)能量呈現(xiàn)遞減的趨勢(shì)，趨勢(shì)項(xiàng)rn表示是海河流域綜合旱澇指數(shù)剔除了不同時(shí)間尺度上的IMF分量后的區(qū)域旱澇變化趨勢(shì)。由rn可看出，海河流域在16世紀(jì)初期開(kāi)始有洪澇轉(zhuǎn)向干旱，并于17世紀(jì)初期（明末）達(dá)到頂點(diǎn)；從17世紀(jì)中后期開(kāi)始，海河再次進(jìn)入相對(duì)易受洪澇災(zāi)害影響的時(shí)期，其中19世紀(jì)初期處在谷底狀態(tài)，到20世紀(jì)20年代（民國(guó)初年）左右，流域再次進(jìn)入相對(duì)干旱的時(shí)期，且干旱的嚴(yán)重程度在近年呈現(xiàn)逐年增加態(tài)勢(shì)。趨勢(shì)項(xiàng)rn的變化特征也印證了前面海河流域存在“旱-澇-旱”的變化特征。

imf1-imf7 等7個(gè)imf分量信號(hào)的波動(dòng)具有相對(duì)穩(wěn)定的準(zhǔn)周期性，不同時(shí)間尺度的準(zhǔn)周期振蕩隨時(shí)間也呈現(xiàn)或強(qiáng)或弱的非均勻變化。筆者認(rèn)為這種振蕩強(qiáng)度的非均勻變化反映了大氣內(nèi)部動(dòng)力過(guò)程和外部強(qiáng)迫共同作用的結(jié)果，據(jù)此可以通過(guò)FFT變換求取平均周期，并將每種尺度信號(hào)波動(dòng)頻率和振幅對(duì)原數(shù)據(jù)總體特征影響程度用方差貢獻(xiàn)率表示出來(lái)。通過(guò)考察各imf分量振幅（圖5中imf1-imf7的縱坐標(biāo)數(shù)值）和分量方差貢獻(xiàn)率（表3）。結(jié)果顯示，imf1、imf2、imf3的方差貢獻(xiàn)率大于10%， imf4、imf5和imf6的方差貢獻(xiàn)率介于1%～10%之間?？梢?jiàn)海河流域的綜合旱澇指[JP+1]數(shù)的年際變化主要由前3個(gè)較高頻震蕩決定（方差貢獻(xiàn)率之和=83.7%）。通過(guò)FFT變換推求其平均周期可見(jiàn)（表3），imf1的平均震蕩時(shí)長(zhǎng)最短為2.5年右，與北方地區(qū)降水3年周期過(guò)程相近，且振幅變化最大，能量最大，對(duì)原序列變化的貢獻(xiàn)最大（46.8%）；imf2的平均震蕩周期為9.8 a左右，與ENSO周期相近；imf3的平均震蕩周期為18.6 a左右；imf4的平均震蕩周期為31.3 a左右，與我國(guó)降水變化的年代際特征（30 a）十分接近；imf5的平均周期為125.3 a左右；imf6的平均周期為83.5 a年左右；imf7的平均周期為167.0 a左右。需要注意的是分量imf6（平均周期83.5 a）似乎是從18世紀(jì)初期才顯現(xiàn)出來(lái)，爾后這分量的波動(dòng)性頗具規(guī)律，這需要后面進(jìn)一步的研究。

3 結(jié)論

本文在系統(tǒng)整理海河流域歷史文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，對(duì)研究區(qū)域旱澇災(zāi)害的時(shí)間、空間變化過(guò)程進(jìn)行了細(xì)致的分析，主要研究成果如下。

海河流域旱澇災(zāi)害的頻發(fā)期具有明顯的時(shí)段性，宏觀尺度上（朝代）呈現(xiàn)出“旱-澇-旱”波動(dòng)，表現(xiàn)為明代相對(duì)干旱，清代相對(duì)濕潤(rùn)，20世紀(jì)來(lái)持續(xù)干旱；百年尺度上，嚴(yán)重干旱嚴(yán)重洪澇時(shí)間出現(xiàn)也呈現(xiàn)波動(dòng)特點(diǎn)。海河流域在16世紀(jì)初期開(kāi)始由洪澇轉(zhuǎn)向干旱，并于17世紀(jì)初期達(dá)到頂點(diǎn)；從17世紀(jì)中后期開(kāi)始，海河流域再次進(jìn)入相對(duì)易受洪澇災(zāi)害影響的時(shí)期，其中19世紀(jì)初期處在谷底狀態(tài)，到20世紀(jì)20年代左右，海河流域再次轉(zhuǎn)入相對(duì)干旱的時(shí)期，且干旱的嚴(yán)重程度呈現(xiàn)逐年增加趨勢(shì)。此外本區(qū)域易發(fā)生連年干旱或者連年洪澇的情況。

通過(guò)周期性分析發(fā)現(xiàn)：研究區(qū)域存在2.5 a、9.8 a、18.6 a、31.3 a、83.5 a、125.3 a和167.0 a等周期性過(guò)程。此外，83.5 a的周期性過(guò)程似乎是從18世紀(jì)初期才顯現(xiàn)出來(lái)，爾后這分量的波動(dòng)性頗具規(guī)律，可能是18世紀(jì)初海河流域出現(xiàn)了一個(gè)新的氣候影響機(jī)制，對(duì)區(qū)域產(chǎn)生周期的影響，這需要后面進(jìn)一步的研究。

參考文獻(xiàn)（References）：

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