劉引鴿, 胡浩楠, 周歡歡, 鄭潤(rùn)禾, 龍 顏

(寶雞文理學(xué)院 地理與環(huán)境學(xué)院, 陜西省災(zāi)害監(jiān)測(cè)與機(jī)理模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 寶雞 721013)

隨著全球變化速度加快，氣候變化研究成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)。歷史氣候、近百年氣候變化研究是國(guó)際氣候變率與可預(yù)報(bào)性計(jì)劃的重要內(nèi)容之一，尤其是歷史時(shí)期及百年旱澇變化成為學(xué)者們研究的熱點(diǎn)問(wèn)題，并取得了一定研究成果，如采用古環(huán)境信息提取氣候和水文要素資料對(duì)大興安嶺冬季的降水重建[1-2]，對(duì)扎曲河流域[3]、新疆烏魯木齊河山區(qū)流域[4-5]、黑河流域[6-7]、黃河一級(jí)支流湟水河及黃河上游[8-10]、陜西關(guān)中周邊[11-13]等地區(qū)的氣溫、降水及徑流重建，分析其變化特征。采用洞穴石筍的δ18O和δ13C對(duì)百年以來(lái)古氣候和古環(huán)境重建以反映季風(fēng)強(qiáng)弱、降雨和溫度的變化[14]，采用沉積學(xué)及光釋光測(cè)年對(duì)漢江、千河洪水事件對(duì)氣候變化響應(yīng)進(jìn)行研究。這些研究主要針對(duì)東部地區(qū)、黃河流域以及新疆地區(qū)的氣候要素序列重建，并研究其氣候變化特征。近60 a來(lái)渭河流域降水量與徑流量的變化及其水文要素對(duì)氣候變化響應(yīng)研究也取得了一定成果[15-17]。但是渭河流域百年尺度的氣候變化及其水文影響研究甚少。歷史氣候變化序列定量估計(jì)還處于發(fā)展探索階段，如何融合多源數(shù)據(jù)以得到高質(zhì)量、長(zhǎng)序列的歷史氣象資料，重建高精度和高分辨率的區(qū)域干旱、洪水事件等資料序列，定量分析百年尺度區(qū)域氣候變化及其對(duì)水文事件影響的時(shí)空變化格局，揭示過(guò)去氣候變化特征及人類的響應(yīng)機(jī)理，顯得非常重要。渭河是黃河的最大支流，隨著氣候變暖以及人類活動(dòng)影響，極端旱澇事件頻率和強(qiáng)度增大，對(duì)該流域水資源和區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生重大影響。為此，研究近200年來(lái)渭河流域旱澇事件的氣候變化特征，為認(rèn)識(shí)過(guò)去、現(xiàn)在與將來(lái)區(qū)域氣候變化及預(yù)測(cè)，以及未來(lái)人類適應(yīng)氣候變化提供科學(xué)依據(jù)，對(duì)區(qū)域水資源規(guī)劃管理及防災(zāi)減災(zāi)具有重要意義。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源及方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

渭河流域?qū)倥瘻貛О敫珊禋夂騾^(qū)，受季風(fēng)氣候影響，降水及徑流量季節(jié)變化明顯，多年平均降水量572 mm,徑流量75.7億m3，且時(shí)空分布不均，水旱災(zāi)害危害嚴(yán)重。渭河為黃河最大支流發(fā)源于甘肅省定西市渭源縣，流經(jīng)甘肅天水、陜西寶雞、咸陽(yáng)、西安和渭南等地，至渭南市潼關(guān)入黃河。因此，本研究選取具有代表性的渭河干流流域的60個(gè)縣作為研究地區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)收集。1813—2017年旱澇災(zāi)害歷史文獻(xiàn)數(shù)據(jù)信息來(lái)源于該區(qū)域有記載的旱澇災(zāi)害記錄，包括《陜西省志水利志》[18]、《西北災(zāi)荒史》[19]、《隴縣志》[20]、《中國(guó)氣象災(zāi)害大典·甘肅卷》[21]、《中國(guó)氣象災(zāi)害大典·陜西卷》[22]、《中國(guó)三千年氣象記錄總集》[23]、《陜西歷史自然災(zāi)害簡(jiǎn)要紀(jì)實(shí)》[24]、《鳳翔縣志》[25]、2000年以后的數(shù)據(jù)來(lái)源于各市做出的氣象觀測(cè)資料、氣候公報(bào)及當(dāng)年的氣候影響評(píng)價(jià)。

1.2 旱澇序列重建依據(jù)及方法

1.2.1 旱澇等級(jí)重建依據(jù) 通過(guò)歷史文獻(xiàn)記載，采用典型用語(yǔ)，參考《氣象干旱等級(jí)》(GB/T 20481—2006)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、《氣象災(zāi)情收集上報(bào)調(diào)查和評(píng)估試行規(guī)定》、《中華人民共和國(guó)共和國(guó)水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)—洪澇災(zāi)情評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)》(SL579～2012)，借鑒標(biāo)準(zhǔn)化降水指標(biāo)SPI[26-27]，將定性的單站記載轉(zhuǎn)化為定量的旱澇等級(jí)，重建旱澇等級(jí)序列，本文采用7級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，具體標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

1.2.2 旱澇指數(shù)序列重建方法 在界定災(zāi)害等級(jí)時(shí)，需要考慮單個(gè)站點(diǎn)水旱災(zāi)害程度，還要結(jié)合渭河沿岸地區(qū)實(shí)際情況，同時(shí)要考慮同一研究區(qū)多個(gè)站點(diǎn)都發(fā)生同一種災(zāi)害的情況。據(jù)此建立水旱災(zāi)害指數(shù)計(jì)算公式：

式中：σ代表旱澇指數(shù)；a，b，c分別為研究區(qū)內(nèi)重大水災(zāi)、中度水災(zāi)與輕度水災(zāi)的站點(diǎn)數(shù)；d代表研究區(qū)內(nèi)正常的站點(diǎn)數(shù)；e，f，g分別為研究區(qū)內(nèi)輕度旱災(zāi)、中度旱災(zāi)、重大旱災(zāi)的站點(diǎn)數(shù)；?為研究區(qū)內(nèi)受災(zāi)站點(diǎn)個(gè)數(shù)；t為正常無(wú)災(zāi)等級(jí)值。采用此公式計(jì)算1813—2017年旱澇指數(shù)，建立旱澇指數(shù)序列。

小波分析是一種具有時(shí)頻多分辨功能的多尺度分析工具，適用于分析時(shí)間序列變化特性，因此，采用小波分析法判斷旱澇周期?；瑒?dòng)t檢驗(yàn)可以通過(guò)兩組樣本平均值是否有顯著差異來(lái)判別是否存在突變，采用此方法檢測(cè)旱澇突變特征。運(yùn)用Origin，Matlab，DPS，ArcGIS等軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分析渭河流域的旱澇變化特征。

2 旱澇序列重建及變化特征

2.1 旱澇年變化序列重建及特征

根據(jù)旱澇災(zāi)害等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(表1)建立了渭河流域旱澇等級(jí)序列(圖1)、旱澇指數(shù)序列(圖2)和旱澇年統(tǒng)計(jì)(表2)?？梢钥闯觯?00年來(lái)，渭河流域共發(fā)生水旱災(zāi)害111次，水災(zāi)和旱災(zāi)分別發(fā)生了55次和36次，其中發(fā)生最多的為輕度旱災(zāi)，平均每7.1年一遇，發(fā)生次數(shù)最少的為重大澇災(zāi)及重大旱災(zāi)，分別為平均每28.6年和28.3年一遇，同一年內(nèi)水旱災(zāi)害交替出現(xiàn)計(jì)20次，平均9.7年一遇。1813—1833年由澇轉(zhuǎn)旱，尤其在1833年左右旱災(zāi)較嚴(yán)重。1880年后曲線波動(dòng)下降，在1880年出現(xiàn)最低，雖有旱災(zāi)但程度較小，表明這一時(shí)期逐漸由旱轉(zhuǎn)澇。前100年渭河流域先旱后澇，而后100年表現(xiàn)為先澇后旱，尤其1921年、1937年、1979年水災(zāi)指數(shù)最大，自1946年后渭河流域旱災(zāi)發(fā)生頻率逐漸增多。旱澇發(fā)生頻率由高到低依次為：輕度旱災(zāi)>中度旱災(zāi)>輕度澇災(zāi)>旱澇交替>中度澇災(zāi)>重大澇災(zāi)及重大旱災(zāi)。1833—1880年、1914—1933年為中度和重大旱災(zāi)的多發(fā)期，1894—1910年、1933—1939年為中度和重大澇災(zāi)多發(fā)階段。1964年以后水旱交替顯著，水災(zāi)旱災(zāi)短期內(nèi)交替發(fā)生。

為了分析不同階段渭河流域旱澇災(zāi)害發(fā)生頻率，按30 a統(tǒng)計(jì)各類災(zāi)害情況(圖3)?？梢钥闯觯?874—1903年、1934—1963年段發(fā)生旱澇的頻率較大，1844—1873年、1964—1983年發(fā)生旱澇的次數(shù)較少。而1984—2000年旱災(zāi)發(fā)生的頻率最大，1874—1903年澇災(zāi)發(fā)生次數(shù)最大，1813—1843年旱澇交替發(fā)生的次數(shù)最多，1903年后澇災(zāi)發(fā)生的次數(shù)逐漸減少，旱災(zāi)波動(dòng)增加。

由中央氣象局氣象科學(xué)研究院主編的《中國(guó)近500年旱澇分布圖集》[28]可反映過(guò)去500年來(lái)我國(guó)旱澇災(zāi)害變化，作為代用指標(biāo)參考被廣泛引用。采用圖集中西安站旱澇等級(jí)序列與重建的西安旱澇等級(jí)序列做5 a滑動(dòng)平均處理(圖4)。對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，兩曲線走向趨勢(shì)較吻合，呈現(xiàn)波峰/波谷與波峰/波谷相對(duì)，有很高的擬合程度，表明本方法建立的旱澇序列比較符合實(shí)際。

表1 旱澇災(zāi)害等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)劃分依據(jù)

2.2 旱澇季節(jié)特征

根據(jù)統(tǒng)計(jì)，1813—2017年史料水旱災(zāi)害無(wú)季節(jié)記載的年份共計(jì)28 a，有明確記載的水旱災(zāi)發(fā)生年份共計(jì)177年(某年發(fā)生水災(zāi)、旱災(zāi)或該年水旱災(zāi)害均有記載)，按照季節(jié)統(tǒng)計(jì)渭河旱澇(圖5)。可以看出，渭河流域夏季旱澇發(fā)生最多分別為59，55次，其次為秋季，冬季最少。發(fā)生頻次依次為夏>秋>春>冬，連旱以春夏秋三季為主，連澇以夏秋兩季為主，春夏秋冬四季皆有旱災(zāi)發(fā)生了2次。旱澇的這種季節(jié)特征與季風(fēng)氣候的波動(dòng)密切相關(guān)[29-30]。渭河流域地處西北地區(qū)東部邊緣，位于季風(fēng)氣候向大陸氣候過(guò)渡地帶，夏季風(fēng)變化影響使夏季旱澇災(zāi)害發(fā)生較多。冬季受溫帶大陸氣團(tuán)影響，氣候寒冷干燥，旱澇發(fā)生較少。春秋兩季處在冬夏季風(fēng)交替的過(guò)渡期，致使春季迅速升溫，雨量減少，秋季降溫迅速陰雨連綿，使得關(guān)中地區(qū)成為秋季連陰雨較多的地區(qū)之一。

圖1 1813-2017年渭河流域旱澇災(zāi)害等級(jí)序列

圖2 1813-2017年渭河流域旱澇災(zāi)害指數(shù)序列

表2 渭河流域地區(qū)旱澇災(zāi)害統(tǒng)計(jì)

2.3 旱澇空間特征

圖6為近200年渭河旱澇發(fā)生頻數(shù)空間分布，可以看出，該區(qū)域內(nèi)渭南旱災(zāi)發(fā)生頻率最高，達(dá)75次，西安、咸陽(yáng)旱災(zāi)發(fā)生頻率均在60次以上，天水和銅川次之，頻率在40～60次之間,而上游的渭源旱災(zāi)頻率較低，僅發(fā)生了13次。澇災(zāi)以西安、渭南發(fā)生頻率最高，分別為43次和50次,其次為天水、寶雞、咸陽(yáng)，發(fā)生水災(zāi)次數(shù)介于20～30之間,渭源和銅川水災(zāi)發(fā)生頻次較少，次數(shù)均在10次以下。有研究指出，近200年來(lái)人類活動(dòng)直接和間接對(duì)徑流造成影響，也使得徑流量顯著下降[31-34]，渭河流域潛在蒸發(fā)量增幅趨勢(shì)明顯[35]。渭河流域水旱災(zāi)害在各地區(qū)分布不同，可能是渭河徑流年內(nèi)分配不均，年際豐枯震蕩造成的。

圖3 渭河流域各階段旱澇發(fā)生頻次 圖4 圖集西安站點(diǎn)旱澇等級(jí)序列與渭河流域地區(qū)旱澇序列對(duì)比

圖5 渭河流域旱澇季節(jié)變化

2.4 旱澇周期及突變

運(yùn)用MATLAB對(duì)旱澇序列進(jìn)行小波分析(圖7)，從小波實(shí)部圖可以看出，大多正負(fù)值中心均分布于25 a頻域下方，說(shuō)明渭河水旱災(zāi)害周期變化以中小周期震動(dòng)明顯，且水旱災(zāi)害交替出現(xiàn)。小波方差圖可以用來(lái)確定水旱災(zāi)害序列的主周期，反映出峰值分別在5～7 a，10～11 a，18～20 a，60 a和105～110 a出現(xiàn)，在110 a處左右的周期震蕩最強(qiáng)，為第一主周期，第二主周期60 a,第三主周期20 a。尤其是主周期與太陽(yáng)活動(dòng)周期[36]關(guān)系密切。有研究[37]提出黃河中游旱澇變化存在20～35 a，60～80 a，110～120 a等特征，說(shuō)明渭河流域與黃河中游洪澇災(zāi)害變化的步調(diào)基本一致。

圖6 渭河流域地區(qū)水旱災(zāi)害空間分布

圖7 近200年來(lái)渭河流域旱澇小波分析實(shí)部及方差

為了分析渭河流域旱澇主要周期階段的變化特征，分別選擇20 a，60 a，105 a時(shí)間尺度，并在百年周期下進(jìn)行旱澇災(zāi)害突變對(duì)比分析。根據(jù)方差檢驗(yàn)結(jié)果，給出小波系數(shù)(圖8)?？梢钥闯觯?813—1900年的近100年中，在100年時(shí)間尺度上經(jīng)歷了1個(gè)周期水—旱變化，其中1819—1853年為水災(zāi)階段，1853—1889年為旱災(zāi)階段。在60年尺度上共經(jīng)歷了2個(gè)周期水—旱變化，1827—1847年、1871—1890年為旱災(zāi)階段，1813—1827年、1847—1870年為水災(zāi)階段。在20年時(shí)間尺度上共經(jīng)歷7.5個(gè)周期水—旱變化：1813—1816年、1820—1825年、1832—1837年、1844—1850年、1855—1860年、1863—1870年、1876—1881年、1889—1895年為旱災(zāi)階段，其余為水災(zāi)階段。

1900—2017年的100年中，在105年尺度上經(jīng)歷了1.25個(gè)周期的水—旱變化，大致分布為1930—1969年、2008—2017年兩個(gè)旱災(zāi)階段和1900—1929年、1970—2007年兩個(gè)水災(zāi)階段。在60 年尺度上共經(jīng)歷了3個(gè)周期水—旱變化：1911—1930年、1950—1967年、1985—2004年為旱災(zāi)階段，1900—1911年、1931—1949年、2004—2017年為水災(zāi)階段。在20 年時(shí)間尺度上共經(jīng)歷了10個(gè)周期水—旱變化：1902—1908年、1914—1920年、1927—1933年、1939—1945年、1951—1954年、1959—1965年、1971—1977年、1982—1988年、1994—2001年、2008—2015年為旱災(zāi)階段，其余為水災(zāi)階段。隨時(shí)間尺度縮小，水旱災(zāi)害突變顯得頻繁，波動(dòng)頻率會(huì)增大。

使用DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對(duì)近200年來(lái)渭河流域地區(qū)水旱災(zāi)害數(shù)據(jù)進(jìn)行滑動(dòng)t檢驗(yàn)，達(dá)到95%置信水平以上，分析渭河流域旱澇突變特征。由(圖9A)可以看出，在前100年尺度(1813—1900)有5個(gè)突變點(diǎn)，分別是1825年、1826年、1979年、1880年及1881年，共3個(gè)突變年代。由圖9B也可以看出，在后100多年尺度(1901—2017)，也存在5個(gè)突變點(diǎn)，分別是1913年、1914年、1915年、1933年及1982年，3個(gè)年代發(fā)生突變。結(jié)合圖8分析，可得到較為可信的突變年份，分別為1825年(旱→澇)、1881年(旱→澇)、1914年(澇→旱)、1933年(旱→澇)、1982年(澇→旱)。突變的發(fā)生與氣候環(huán)境變化可能相關(guān)。

圖8 近200年渭河流域旱澇不同尺度小波系數(shù)

圖9 1813-2017年渭河流域地區(qū)旱澇突變滑動(dòng)t檢驗(yàn)

3 結(jié) 論

(1) 渭河旱澇災(zāi)害表現(xiàn)出年季變化特征和階段性特征。19世紀(jì)80年代以偏澇為主，19世紀(jì)后以偏旱為主。1860—1890年、2000—2017年澇災(zāi)有上升趨勢(shì)，1964—2000年旱災(zāi)有上升趨勢(shì)，水旱交替近200年來(lái)有下降趨勢(shì)。水旱災(zāi)害發(fā)生頻率最高的是輕度旱災(zāi)，發(fā)生頻率最低的是重大水災(zāi)及重大旱災(zāi)。旱災(zāi)以夏季為主，澇災(zāi)以夏秋為主，春夏秋連旱多發(fā)。

(2) 渭河流域旱澇具有長(zhǎng)周期與短周期的變化特征。震蕩最強(qiáng)的周期為110 a，且中小周期震動(dòng)明顯，在百年尺度、60 a尺度以及20 a尺度的旱澇周期不同。旱澇也具有突變性，在近200年存在5個(gè)顯著突變年份。

(3) 渭河流域旱澇空間差異明顯。在空間分布上，近200年以來(lái)渭河流域下游的渭南地區(qū)旱災(zāi)和澇災(zāi)發(fā)生頻率最高，上游的渭源地區(qū)旱災(zāi)頻率最小，中游的西安、寶雞旱澇災(zāi)發(fā)生頻率居中，其他區(qū)域旱澇發(fā)生頻率相對(duì)較少。