1644—1911年中国东部沿海地区旱涝变化特征

赵 峰， 毕硕本， 陈昌春， 孙 力， 鲁 颖

(南京信息工程大学 地理科学学院，江苏 南京 210044)

关键字：东部沿海；旱涝；Fisher分割；小波分析

引 言

在全球气候不断变化的背景下，气候变化的研究受到了众多关注，加强对历史自然气候灾害研究，改进气候模式，可以此预测未来气候变化趋势。中国季风气候特点显著且类型多样，但季风气候的不稳定性又使我国成为各种气象灾害频发的国家之一，旱、涝灾等气象气候灾害约占到我国自然灾害的70%。我国有着丰富的历史文献资料，这些资料是重建历史气候变化的主要资料来源[1]，其中包含有大量的自然灾害信息。运用现代统计学方法和地理信息中的可视化方法结合研究历史气候灾害，从数据的归纳统计转变为深入数据挖掘，可将藏匿在数据库中有用的海量信息和知识提取出来。使用数据挖掘手段能更加深入地了解气候灾害发展长期变化趋势，为防灾减灾提供参考，在辨识人类活动对气候变化影响等方面具有重要意义[2]。

关于旱涝灾害国内外已有大量研究。Jose等[3]搜集与统计了欧洲近60年来的主要洪水事件，为欧洲洪水事件的研究提供了大量事实依据。Wood等[4]运用树轮资料研究了过去2000年美国的中西部地区气候特征。我国自竺可桢从1972年开创利用中国历史文献研究气候变化领域以来，众多学者在历史气候的研究中取得重大突破。在传统气象学方法研究中，郑景云[5～6]根据汉代以来旱涝灾害资料，重建旱涝等级，并根据已重建的东部地区旱涝指数序列，定义历史期极端旱涝事件的标准，识别各个区域重大干旱、洪涝的多发时段。还通过对建国前2000a有关旱涝灾害的县治、地方志、各类史书记载以及民国相关报纸等资料的整理、分类，分析出了公元101年至1900年间中国东部每200a的干湿分异及演变，讨论干湿分异同冷暖变化的对应关系。魏军[7]通过对历史文献资料的收集整理，重建了清代江苏省冬季逐年温度等级序列，利用复小波变换方法对序列进行分析。陈莹[8]利用福建省60个气象站1960—2006年逐月降水观测资料，采用标准化降水指数(SPI)、Mann-Kendall检验等方法，分析了近50年福建省旱涝时间变化的特征。李新运[9]通过对山东省近600年历史资料的整编，建立了早涝等级序列，提出了数据序列灾变时间分维数计算的方法与步骤，计算出各区大旱、偏旱、正常、偏涝、大涝5种级别的序列分维数，讨论了全省旱涝演变的构型特征。在数据挖掘方法研究分析中，王铮[10]等运用模糊动态聚类法(FCM)对中国旱涝灾情的突变性进行研究。黄静华[11]运用K-means算法对历史气象数据进行聚类研究，K-means算法在气象分析中有良好的聚类效果。杨文峰[12]在探讨目前气候跃变方法上引入费希尔(Fisher)最优分割法，发现全新的气候突变的研究方法。运用该方法对西北地区东部的西安、宝鸡和汉中3地的旱涝等级序列进行气候跃变研究，得知西北地区东部旱涝气候跃变存在局地性和非局地性的特征。李禧亮[13]以江苏、安徽、浙江和上海旱涝史料为基础，将数据挖掘方法引入旱涝时空分析中，发现隐藏在史料中的旱涝空间信息，并使用DBSCA方法，运用DBSCAN聚类方法对9个冷暖时期的站点进行聚类分析。

中国东部沿海地区濒临西北太平洋，EL Nino现象与La Nina现象往往严重影响我国沿海地区的气候，东部沿海地区多为平原与丘陵，拥有众多流域与河网，包括了黄河下游流域、淮河流域、长江下游流域、太湖流域和闽江流域，东亚季风影响明显，伏旱和台风共同影响，在明清时期，水利条件简陋，极易发生旱涝灾害。历史自然灾害的研究对探讨当前灾害形成演化规律、区域规划等有重大意义。

1 研究资料与方法

1.1 研究区概况

图1 研究区概况图

我国东部沿海地区包括山东省、江苏省、上海市、浙江省及福建省，地处欧亚大陆的东南，气候变化受东亚夏季风控制，降水特征受长江流域和淮河流域影响。在经济上，东南沿海地区具有密集的产业集群，如长三角经济区是我国经济发展的重要增长地，频发的旱涝灾害将严重影响到区域经济、社会等各方面可持续发展。

1.2 研究资料及其处理

本文的研究资料主要来源于张德二主编的《中国三千年气象记录总集》[14]。全书通过从全国各地几十座图书馆收藏的古文献资料系统中采集出有关古气候信息，经勘校、考订后辑集而成。除了《总集》资料外，本文还利用《中国气象灾害大典》(山东卷、江苏卷、浙江卷、福建卷、上海卷)[15-19]、《华东地区近五百年气候历史资料》[20]以及五省市各地区的方志等资料作了必要的补充，对1644—1911年清代东部沿海地区旱涝灾害的文字史料进行收集和整理，依照年份对灾害的属性数据进行归纳、整理、编码及录入，通过分类与分项，建立旱涝灾害原始记录ACCESS数据库。对研究区域范围内的47府和1厅，总计304县，通过郑景云等提出的已验证可靠性的受灾害县次划分旱涝等级法[21]，避免以旱涝灾害的描述确定旱涝等级的人为主观判断的影响，东部沿海地区每年干旱或洪涝灾害的县次均不相等，旱涝县次的多寡反映了旱灾或涝灾的受灾范围的大小，因此可用逐年旱灾和涝灾的逐年县次变化来间接表示东部沿海地区降水的变化情况。旱灾和涝灾的多年县次平均值是由东部沿海的多年平均降水量决定的，当某年旱灾或涝灾县次高于或低于其平均值时，表明降水量有所偏离，因此发生旱灾或涝灾。

本文利用逐年旱涝县次的距平百分率，重建清代中国东部沿海地区旱涝等级序列。

(1)

(2)

式中的PDi，PFi分别为旱灾县次的逐年距平百分率和涝灾县次的逐年距平百分率，NDi和NFi分别为逐年旱灾县次数和涝灾县次数，ND和NF分别为NDi和NFi的多年(1644—1911)均值。

PDi大表示该地区降水偏少，PFi大表示该地区降水偏多，当PDi或PFi小时表明该地区降水接近于多年均值，用I表示逐年的旱涝指数，分7级旱涝等级序列:

PDi≫200%I=7大旱200%>PDi≫0I=6旱0>PDi≫-90%I=5偏旱PDi<-90%或PFi<-90%I=4正常0>PFi≥-90%I=3偏涝200%>PFi≥0I=2涝PFi≥200%I=1大涝

图2 1644—1911年中国东部沿海地区旱涝等级序列

例如1676年，东部沿海地区受涝县次为66个，则PF1676=143%，旱涝指数I=2，以此方法得到1644—1911年中国东部沿海地区旱涝等级序列(图2)。本文所建立的旱涝等级序列与李禧亮[22]重建的明清时期苏浙皖沪干湿序列基本一致。

1.3 研究方法

1.3.1费希尔最优分割法 把N个样本序列{Xi}分成k类，寻找一种最优方法，使得各种分类数k中，它的样本离差之和最小[23]。对平滑后的要素序列y1y2…，yn。采用最优分割法及Yamamot法进行突变分析。分割的原则是使分割后各段内的数据较为接近，而段间数据差别较大，各段间数据的变幅用变差来表示。首先要计算变差矩阵:

V(NN)=[Vij]

(3)

(4)

其中i=1，2…，n-1，j=2，3…，n，由矩阵V计算全部二分割相应的总变差，找出最小K分割。为了确定各分割点是否达到跃变条件使用Yamamot法，定义一个信噪比(SNR)：

(5)

其中x1，x2，s1，s2分别为某分割点前后两段内平均值和均方差。当J>1。0时，就定义为突变点；当J>2。0时，认为有强的突变。作K分割时，每一分割点的信噪比J均必须大于1。

1.3.2小波分析 小波分析可以反映出时间序列的局部变化特征，不仅能够发现气候序列变化的尺度，而且能够看到气候序列变化的时间位置[24]。函数Ψ(t)为

(6)

(7)

(8)

为连续小波，Ψ为母小波或者是基本小波，并且它是双窗函数，时间窗和频率谱。

2 结果与分析

2.1 旱涝灾害频次分析

以世纪为时间单位，以每50年为一个时段，将1644—1911年间268年分为5个时段，分别为：17世纪后半叶(1644—1699年)，18世纪前半叶(1700—1749年),18世纪后半叶(1750—1799年)，19世纪前半叶(1800—1849年)，19世纪后半叶至清代末年(1850—1911年)，以此来统计不同时段内不同程度旱涝灾害发生的频次和频率，如图3所示，在50年尺度上旱涝灾害的年代际特征。

图3 清代中国东部沿海地区旱涝灾害频率及多项式拟合曲线

如图3所示，1850—1911年干旱发生频率最高，达到了41.9%，而1750—1799年干旱频率最低，为16%；在洪涝发生频率中，1644—1699最高为37.5%，1700—1749年与1750—1799年都为最低的20%。由旱涝灾害频率显示东部沿海地区旱涝灾害在清代268年间存在明显的波动。其中，洪涝灾害的多项式拟合曲线表现出：下降—上升，即后期持续上升的变化趋势；干旱灾害的多项式拟合曲线表现出：上升—下降—上升—下降，即上升和下降交替的变化趋势。

2.2 旱涝灾害阶段性分析

图4 清代中国东部地区旱涝灾害11年滑动平均和累计距平曲线图

为了进一步探究清代东部沿海地区旱涝灾害的整体变化趋势，深入了解华东部沿海区旱涝灾害的阶段性特征，绘制清代东部沿海地区旱涝灾害累计距平曲线和11年滑动平均曲线，如图4所示。由东部沿海地区1644—1911年旱涝灾害11年滑动平均曲线可以看出，东部沿海地区1644—1911年间旱涝灾害大致经历了5个阶段：1644—1726年旱涝虽有波动，但总体上以旱灾为主；1728—1762年主要以涝灾为主；1763—1818年旱灾发生为主要，旱涝交替出现；1819—1864年以涝灾为主，且涝灾严重；1865—1911年出现了一次明显的旱涝交替变化，且涝灾的等级远远高于旱灾。1644—1726年曲线呈波动上升趋势，说明该时段内旱灾持续发生，且以大旱连旱为主；在1727年出现了一个明显拐点；后曲线呈下降趋势，说明该时段内以涝灾为主，并且一直持续到了1760年；1812年后曲线持续下降后又波动变化，反映这个时段旱涝灾害频繁交替出现，直到清代末期。杨传国等[25]指出清代江淮流域存在两个明显的湿润期，分别在1730—1780年及1820—1920年。与前人结果对比，与本文所展现的旱涝旱灾阶段性具有良好的一致性。由此可见，东部沿海地区1644—1911年268年间的旱涝灾害等级序列存在明显的阶段性变化。

图5 旱涝等级11年滑动变化曲线及跃变参考点位置

2.3 旱涝灾害突变分析

选取1644—1911中国东部沿海地区旱涝等级序列资料，并对序列作了11年滑动平均，探讨10年以上时间尺度的旱涝气候跃变现象，最后对滑动平均序列进行最优分割和突变检验。结果发现，在1686年前后由旱转涝，其中SNR为1.02。在1875年前后发生突变，由涝转旱，SNR达到了1.13。龚志强[26]指出了中国近530年干湿变化特征，采用BG算法检测长江流域旱涝序列1620年前后与1690年前后发生突变，虽本文因研究区范围和选取指标不同，结果虽略有差异，但在此范围之内，与前人结果较为一致。李霏霏[27]等利用M-K检验发现长江下游在1668年发生突变。

2.4 旱涝灾害多时间尺度周期性分析

图6 1644—1911中国东部沿海地区旱涝等级序列Morlet小波变换系数实部图

在气候诊断方法中，小波分析方法不仅可以分析出气候序列变化的尺度，还能显示出变化的时间位置。本文采用了Morlet复小波函数对旱涝等级序列进行了小波分析。图6是以1644—1911年历年的旱涝等级序列Morlet小波变换系数实部等值线图。其中，正值对应旱灾,负值表示涝灾的发生。研究发现，中国东部旱涝等级序列周期变化特征比较明显的时间尺度为110～130a、45～55a、28～30a、9～14a。其中28～30a和9～14a特征时间尺度的周期性变化相对具有全域性，110～130a尺度的周期变化在1670—1790年之间比较明显，而45～55a尺度的周期变化在1770—1910年之间比较明显。徐新创等[28]研究发现长江中下游1470—2000年夏半年主要有30a和18a的周期。在28～30a左右的特征时间尺度的周期振荡中，研究区旱涝灾害大约经历了18次的干湿交替变化，周期相对稳定，且信号强度较强，总体上是由9个干旱时段和9个洪涝时段组成。沈锦花[29]对浙江省534年旱涝资料进行分析，发现浙江旱涝等级存在30a、50a、70～80a左右时间尺度上周期振荡最显著，其次为10～20a周期振荡。葛全胜等[30]分析1736年以来长江中下游梅雨变化时也发现了20～30a与40a的年际周期。

图7 1644—1911年东部沿海地区年旱涝等级序列小波方差

小波方差图是以小波变换原理为基础确定小波信号中存在的主要时间尺度，确定序列对应的主要周期。图6为1644—1911年东部沿海地区旱涝等级序列的小波方差图，由图可见，方差曲线有4个峰值，对应着9a，28a，50a，120a左右的主周期，而方差值最高的为28a和50a尺度，则表明这两个时间尺度的周期振荡为最强。杨传国[31]在重建淮河流域洪旱事件中由小波系数方差均表明,1470—2010年洪旱事件序列存在25～50a的长周期和7a左右的短周期，与本文研究结果基本一致。

2.5旱涝等级序列的主周期分析

图8 1644—1911年东部沿海地区旱涝等级序列功率谱分析

功率谱分析是把以傅里叶变换当作基础，把时间序列的总能量分解到各个不同频率分量去的方法，来确定序列周期的主要频率，即该序列所隐含的显著周期[32]。

对重建的1644—1911年东部沿海北地区旱涝等级序列进行功率谱分析，来确定全区所具有的显著性周期，由图8可知：全区显著性周期有4个，分别是2a、3～4a、6～7a、28a，其中28a为第一主周期。冯晓黎[33]采用功谱率方法显示170—2000年长江中下游旱涝周期存在多个谱峰，其中4个周期比较显著，为别为准20a(20。8a)、准10a(7。1a)、准5a(5。1a)及准2a(2a)。我们根据前人的研究成果发现，这些显著周期都与太阳黑子的活动周期有一定的一致性，区域内旱涝变化的周期与一些气候变化周期在一定程度上都有着相同的反映[34,35]。

3 结 论

通过利用《中国三千年气象记录总集》等历史文献资料重建了清代1644—1911年中国东部沿海旱涝等级序列，同时结合费希尔聚类分析和小波变换分析方法，对清代东部沿海山东省、江苏省、上海市、浙江省及福建省的旱涝特征变化进行了研究。通过东部沿海地区1644—1911年旱涝灾害11a滑动平均曲线可知，东部沿海地区1644—1911年间旱涝灾害大致经历了5个阶段。第一阶段：1644—1726年总体上以旱灾为主；第二阶段：1728—1762年主要以涝灾为主；第三阶段：1763—1818年旱灾发生为主要，旱涝交替出现；第四阶段：1819—1864年以涝灾为主；第五阶段：1865—1911年出现了一次明显的旱涝交替变化，且涝灾的等级远远高于旱灾。五个阶段与前人的研究成果形成补充。采用费希尔最优分割对其突变特征进行分析，在1686年和1875年前后发生突变，其中SNR分别为1.02和1.13。通过小波分析发现，重建的旱涝等级序列存在较明显的周期变化尺度是110～130a、45～55a、28～30a、9～14a，其中28～30a和9～14a特征时间尺度的周期性变化相对具有全域性。通过小波方差图发现，重建的旱涝等级序列的第1主周期为28a。通过功率谱分析，全区显著性周期有4个，分别是2a、3～4a、6～7a、28a，其中28a为第一主周期。在周期性的研究中发现与东亚季风和太阳黑子的活动周期有一定的一致性。