陕西黄土高原中南部地区清代洪涝灾害与气候变化特征

刘乐，岳大鹏*，赵景波，2，赵艳

（1.陕西师范大学地理科学与旅游学院，陕西 西安 710119； 2.中国科学院地球环境研究所黄土与第四纪地质国家重点实验室，陕西 西安 710061）

在气候持续变暖趋势下，旱灾、洪灾等气候灾害事件趋多趋强，对区域粮食生产、供水安全、生态环境建设等产生重要影响［1-2］。陕西黄土高原地区北接风沙高原区，南连关中平原区，以黄土地貌为主，中部和南部分别属于黄土丘陵沟壑区和黄土塬沟壑区，区内塬、梁、峁等地貌发育典型［3-4］。陕西黄土高原中南部地区位于东亚夏季风和中纬度西风的耦合区，表现为以半干旱为主的大陆性季风气候，既是我国气候敏感地带又是关键生态脆弱区，对全球气候变化的响应较为突出［3-5］。该区降水量主要集中在夏、秋2 季，洪涝灾害受降水量的影响具有明显的季节分布特征［3-4，6］。受夏季副热带高压的西伸北抬与西风带的低值系统共同作用影响，陕西黄土高原中部地区易出现范围较广的暴雨和严重的洪涝灾害［3，6］。7 月下旬至8 月，副热带高压进一步北抬，在海上生成的台风或热带低压沿副高南侧西进，受台风外围暖湿气流与东风波的影响，陕西黄土高原南部出现暴雨与洪涝灾害［3，6］。秋季连阴雨过程主要出现在9 和10 月，因常伴有暴雨天气，导致陕西黄土高原中南部地区出现暴雨与洪涝灾害［3，7］。该区洪涝灾害具有突发性强、发生频次较高、可造成较大经济损失的特点［2，8］，洪水加剧了水土流失和生态环境恶化，影响整个黄土高原地区社会经济的健康发展［3，8］，故针对该区洪涝灾害的相关研究对黄土高原地区防灾减灾和生态建设具有一定的现实意义［1-2，8］。

已有对陕西黄土高原历史时期洪涝灾害方面的研究多从子流域入手，以历史文献或古洪水沉积物为依据，结合趋势分析法、经验正交函数（empirical orthogonal function，EOF）及旋转经验正交函数（rotated empirical orthogonal function，REOF）等分析方法，研究洪涝灾害的等级、空间分布、大洪水流量及其气候特征［9-13］，这些成果为理解气候变化对洪灾的影响提供了借鉴素材。然而，迄今为止对于陕西黄土高原中南部地区等黄土地貌发育较为典型的地理单元的洪灾研究，以及洪灾对气候变化响应的探讨较为少见。清代历史档案中含有高分辨率的、与环境变化相关的时间记载，其对该时期气候研究具有重要的参考价值［14-15］。本文根据清代丰富的历史文献资料记载，科学分析清代陕西黄土高原中南部地区洪涝灾害的时间分布、空间分布及其气候特征，采用交叉小波变换将建立的洪涝灾害等级序列与厄尔尼诺事件序列、太阳黑子数序列进行对比分析，探究相关致灾因子，可为黄土高原这一特殊区域历史时期的气候变化研究提供有益参考。

1 研究区概况

研究区位于陕西省黄土高原中南部地区，包括延安市（含2 个市辖区、10 个县、代管1 个县级市），宝鸡市的陇县、千阳县、麟游县，咸阳市的永寿县、长武县、彬县、旬邑县、淳化县，渭南市的白水县、澄城县、合阳县、韩城市，铜川市的宜君县、印台区、王益区、耀州区，共22 个县，5 个市辖区，2 个县级市。位于34°29′N～37°30′N，106°25′E～110°36′E，研究区面积约占陕西省总面积的1/3［3］。延安市属高原大陆性季风气候，年平均气温在7.7～10.6℃，暴雨天气主要出现在盛夏至初秋，年平均降水量为550 mm；延安南界以南大部分，属暖温带半湿润季风气候，相比延安市气候更加温和，暴雨天气主要出现在夏、秋2 季，年平均气温为12～14℃，年平均降水量为500～700 mm［3-4］。

2 资料与研究方法

以现代汇编资料，包括《中国三千年气象记录总集》［16］、《西北灾荒史》［17］、《中国灾害通史清代卷》［18］、《陕西历史自然灾害简要纪实》［19］、《中国气象灾害大典陕西卷》［6］及地方志中对于陕西黄土高原中南部地区洪涝灾害的历史记载为依据，通过资料间的相互印证，确保灾害条目的准确性，最终统计得到研究区清代（1644—1912 年）洪涝灾害相关记载124 条，其中68 条出自《中国三千年气象记录总集》［16］，54 条出自《西北灾荒史》［17］，2 条出自《中国气象灾害大典陕西卷》［6］。1644—1912 年，厄尔尼诺事件序列数据参照《近500 年的厄尔尼诺事件》［20］，当年发生厄尔尼诺事件记为“1”，未发生则记为“0”。用太阳黑子数量化太阳活动，太阳黑子数序列来源于太阳影响数据分析中心（http：//wwwbis.sidc.be/silso/datafiles）提供的1700—1912 年太阳黑子数。

根据历史文献对洪涝灾害的定性描述，采用灾害等级法［9-10］，按照受灾范围、降水持续时间和受灾程度，将洪涝灾害划分为4 个等级（表1），定量化研究洪涝灾害的发生规律。采用最小二乘法意义下的六次多项式拟合与距平分析法研究洪涝灾害的阶段性特征［9］。采用Morlet 小波分析对洪涝灾害等级序列的震荡特性与存在的显著周期进行研究，准确判断其振动最强的周期［14，21］。交叉小波变换（cross wavelet transform，XWT）是结合小波变换与交叉谱分析的信号分析技术，从多时间尺度研究洪涝灾害与其影响因子的相互关系，本文通过交叉小波变换揭示不同周期尺度上两序列间的时频相位关系［22］。

表1 陕西黄土高原中南部地区清代洪涝灾害等级划分标准Table1 Criterion of flood disaster grade in Qing dynasty in the middle south of Loess Plateau in Shaanxi

3 结果与分析

3.1 清代洪涝灾害的时间分布特征

3.1.1 清代洪涝灾害发生频次的阶段性特征

洪涝灾害发生频次采用年次法进行统计，即不管洪涝灾害年内发生多地、多次均按1 次记，并以最高等级为准［9-10］。从研究区清代124 条洪灾记载中，筛选出84 条，以10 a 为单位统计各时间段洪涝灾害发生频次。为了进一步研究10 a 尺度下洪涝灾害的变化趋势，对洪灾发生频次进行最小二乘法意义下的六次多项式拟合，将每10 a 发生洪涝灾害的频次与其平均频次做差，得到距平值，结果如图1 所示。总体来看，洪涝灾害发生频次呈波动增加趋势，从1881 年开始洪涝灾害发生频次呈显著增加趋势。根据洪涝灾害随时间的变化特征，将研究区清代洪涝灾害划分为5 个阶段。第1 阶段（1644—1690 年）、第3 阶段（1801—1840 年）、第5 阶段（1881—1912 年）分别平均2.76、2.35 以及1.39 a 发生1 次洪涝灾害，这3个阶段洪涝灾害频发且连涝现象十分突出，共发生3年连涝4 次，5 年连涝1 次，9 年连涝1 次；第2 阶段（1691—1800 年）和第4 阶段（1841—1880 年）分别平均6.11、4.44 a 发生1 次洪涝灾害，发生频次相对较低，第2 阶段中1711—1720、1761—1770 及1781—1790 年有30 a 未出现洪涝灾害相关记载。第1、3、5阶段3 个洪涝灾害高频期的距平值以正值为主，第2、4 阶段2 个洪涝灾害低频期的距平值以负值为主。

图1 研究区清代洪涝灾害每10 年频次及距平值变化Fig.1 10-year interval frequency variation and anomaly analysis of flood disasters in Qing dynasty in the study area

3.1.2 清代洪涝灾害等级序列

研究区清代洪涝灾害等级序列如图2 所示。可知，中度洪涝和大洪涝出现频次最多，占总数的比例分别为52.38%、26.19%；轻度洪涝次之，占比为19.05%；特大洪涝最少，占比为2.38%。结合上文划分的5 个阶段，轻度洪涝主要集中出现在1691—1800 和1801—1840 年；中度洪涝和大洪涝除在1841—1880 年发生频次较低外，在其余阶段相差不大；特大洪涝集中出现在1644—1690 年。

图2 研究区清代洪涝灾害等级序列Fig.2 Sequence of flood disaster grade in Qing dynasty in the study area

3.1.3 洪涝灾害等级序列的周期性特征

Morlet 小波分析结果如图3 所示。洪涝灾害等级序列的周期性明显，存在3，8，17 及61 a 左右的准周期。3 a 周期的循环规律不明显、不连续。8 a 周期在1793 年之后呈明显的循环规律，存在13 个震荡核，表现为少-多-少-多的周期变化。17 a 和61 a 周期基本贯穿于整个研究阶段，周期最为明显。17 a周期存在13 个震荡核，表现为多-少-多-少的周期变化。61 a 周期存在4 个震荡核，表现为多-少-多-少的周期变化。在7～17 a 周期上，1910—1912 年等值线未完全闭合，表明此后该周期尺度的洪涝灾害仍有发生的趋势［21，23］。

图3 Morlet 小波系数实部等值线Fig.3 Contour lines of the real part of Morlet wavelet coefficients

3.2 清代洪涝灾害的空间分布特征

以县域为单位统计洪涝灾害的分布情况。针对一条记录明确包含多个县域的，所涉及县域各记1次；同一县域一年内发生多次洪涝灾害的记1次且取最高等级［21，23］。通过分析研究区清代124 条洪涝灾害相关记载，统计得到清代洪涝灾害发生频次空间分布图（图4）。

图4 研究区清代洪涝灾害发生频次空间分布Fig.4 Spatial distribution of flood disasters frequency in study area in Qing dynasty

研究区清代洪涝灾害空间分布具有明显的不均衡性，并表现出沿水系发展的特点。洪涝灾害发生频次超过9 次的县域主要分布在研究区东北部，以清涧河流域中下游和延河流域中下游地区最为频繁，其中延川县（15 次）、子长市（14 次）及安塞区（11 次）主要位于黄土梁状梁峁状丘陵沟壑区，地形整体上由西北向东南倾斜，地表海拔为900～1 400 m，地势起伏相对较大，境内部分梁峁在150～300 m 起伏，坡陡、沟谷切割较深，历史时期森林覆盖率相对较低、土壤植被吸水截流少［3］，受夏季风影响该区域夏、秋2季降水集中且强度较大，极易促进地表径流且沿沟坡地形迅速下泄，导致区域受灾程度增加［3，6，8］。

洪涝灾害发生频次介于5～9 次的县域集中分布在研究区的中部和西南部，以泾河流域中游与北洛河流域中游地区居多。其中富县、洛川县及黄陵县主要位于黄土塬地区，海拔一般在1 200 m 以下，农业生产条件较优越，且农业用地较为集中［3］，洪涝灾害对当地农业生产生活影响较大，如公元1753 年富县，“夏雨颇勤，黄、洛诸河及溪涧之水不无涨溢，六月二十二及十四、六等日，沿河低洼地亩，间有被水遇浸湿或雨后被冲。”此外，洪涝灾害高发区如延川县（15 次）及韩城市（14 次）县域东境位于黄河支流汇入处，地势相对低平、聚落较为密集，遇暴雨与连阴雨时河流水位猛涨、泄洪不畅，易发生中度以上洪涝灾害［3，4，7］，如公元1756 年韩城市，“霖潦暴涨，山水骤入，奔腾喷薄，石梁旧址摧剥几近。”

4 讨 论

4.1 洪涝灾害的气候特征

参照葛全胜等［15］对中国中东部冷暖阶段的划分、姚檀栋等［24］在敦德冰岩芯中记录的冷暖期阶段、郝志新等［25］对中国过去千年冷暖与干湿格局变化的研究成果、ZHENG 等［26］对中国东部地区过去1500 a 干湿变化的重建结果、何则等［27］重建的中国西北地区的气候干湿序列（1470—2008 年）以及韩健夫等［5］对中国黄土高原过去千年干湿变化的重建结果，结合研究区洪涝灾害的阶段性特征，得到陕西黄土高原中南部地区清代不同时段的气候特征与洪涝灾害发生频次对照表（表2）。

表2 陕西黄土高原中南部地区清代气候特征与洪涝灾害发生频次对照［5，15，24-27］Table 2 Comparison of climatic characteristics and flood disasters frequency in Qing dynasty in the middle south of Loess Plateau in Shaanxi

研究区清代的气候以寒冷期为主，因处于寒冷期中的相对温湿期，气候表现出一定的冷暖波动［15，25-26］，在1700、1800 及1900 年分别出现了3 次气候冷暖更替［15，24-26］。气候冷暖的异常波动使得降水量年内、年际分配不均衡，极端暴雨洪水及大洪涝发生频次增加［28］。研究区在1801—1820 和1901—1912 年分别平均每2 a、每1.2 a 发生1 次洪涝灾害，其中大洪涝分别平均每10 a、每4 a 发生1 次，与气候平稳期相比，洪涝灾害发生频次增加，尤其大洪涝发生频次显著提升，而1901—1912 年间气候处于相对暖湿期［5，24，27］，该期间洪涝灾害的频繁发生也是对气候变暖变湿的响应。在气候冷湿条件下，1801—1900 年平均每2.56 a 发生1 次洪涝灾害，大洪涝平均每10 a 发生1 次，相比之下，气候暖干条件下洪涝灾害发生频次明显减少，如1701—1720 年仅出现1次中等洪涝灾害记载。综上，气候变暖变湿有利于大洪涝及特大洪涝灾害的发生，这与已有研究结果［9，23，28］保持一致。除此之外，结果表明，气候冷湿条件下大洪涝及特大洪涝灾害发生频次也较高。如公元1662 年淳化县，“六月，大雨至七月，凡六十日，全省皆然，泾渭涨溢，绝渡十日，淹没甚众”；公元1840 年千阳县，“九月连日大雨，城乡墙宅多被坍塌，黄里任性窑塌，损人口数；冯坊居民窑塌，损人数十口；乾树子窑塌，损人数十口。”上述2 次历史记载中损失较大的洪涝灾害都是在气候相对冷湿的条件下发生的，这表明在气候偏湿条件下，降水量明显增加，大洪涝及特大洪涝灾害发生频次增加［9，21，28］。

4.2 洪涝灾害的关联因子分析

4.2.1 洪涝灾害与厄尔尼诺事件、太阳活动的关系

有研究认为，厄尔尼诺事件与旱涝灾害关系密切，厄尔尼诺发生当年陕西地区降水量减少，发生次年陕西地区降水量偏多［29］。NINO W 海区（0° N～10° N、140° E～180° E）的厄尔尼诺指数与陕北地区降水量呈明显相关性，当该海区海温异常偏高时，陕北地区易发生雨涝灾害［2］。太阳活动是影响年代至百年尺度旱涝发生的重要因子［30］，有研究得到黄土高原泾河中游旱涝灾害的发生在10 a 尺度上与太阳活动同步［12］；在太阳活动道顿极小期（1795—1823年），我国西北、东部地区多偏涝［30］，本研究区正处于洪涝灾害高频期。本文将洪涝灾害等级序列分别与历史时期的厄尔尼诺事件序列（1644—1912年）［20］、太阳黑子数序列（1700—1912 年）进行交叉小波变换，以探讨洪涝灾害与厄尔尼诺事件、太阳活动2 个气候因子在不同时间尺度上的相关性，如图5所示。其中，细黑曲线代表影响锥线边界，该曲线以内为有效谱值区；粗黑线范围以内的区域通过了α=0.05 显著性水平下的噪声标准谱检验，表示2 个序列相关性显著；图中箭头“→”代表2 个序列变化相位相同（呈正相关），箭头“←”代表2 个序列变化相位相反（呈负相关），箭头“↑”代表2 个序列后者先于前者相位270°，箭头“↓”代表2 个序列后者先于前者相位90°。

由图5（a）可知，在2～5 a 周期尺度上洪涝灾害等级序列与厄尔尼诺事件序列相关性显著，1678—1689、1748—1762 以及1877—1890 年洪涝灾害等级序列与厄尔尼诺事件序列呈负相关，1819—1837年，厄尔尼诺事件序列超前洪涝灾害等级序列一个周期，二者呈正相关。在9～12 a 周期尺度上存在一个显著相关能量区，1799—1816 年二者表现为显著负相关。在56～70 a 周期尺度上亦存在一个显著相关能量区，1733—1824 年厄尔尼诺事件序列超前洪涝灾害等级序列1/4 个周期。由图5（b）可知，洪灾等级序列与太阳黑子数序列在8～14 a 的周期尺度上相关性最明显，且在该周期尺度上，1723—1751、1814—1830 及1855—1889 年二者呈显著负相关；1790—1809 年太阳黑子数序列超前洪涝灾害等级序列1/4 个周期；1828—1841 与1887—1896 年太阳黑子数序列超前洪涝灾害等级序列3/4 个周期。

图5 洪涝灾害等级序列与厄尔尼诺事件序列和太阳黑子数序列的交叉小波变换（XWT）Fig.5 Cross wavelet transform（XWT）of flood disasters grade sequence with El Nino events sequence and sunspots sequence

4.2.2 夏季风对洪涝灾害的影响

东亚夏季风为我国东部地区大范围降水提供主要水汽来源，其强度和推进位置发生改变会对我国东部地区的气候变化造成影响［31］。当东亚夏季风较强时，我国夏季雨带位置偏北，陕西省降水量则呈现北部地区降水偏多、南部偏少的特点［32］，陕西黄土高原中部地区因降水连续时间长、强度大极易引发洪涝灾害［3，32］。东亚夏季风的水汽输送带是我国东部地区夏季极端暴雨和大洪涝的制造者［31］，当其与东亚中高纬大气环流配合将季风水汽输送至西北地区东部时，该地区将出现大暴雨天气，易引发洪涝灾害［31］，如1977 年7 月5—6 日延安发生的特大洪水就说明了这种情况。陕西黄土高原中南部地区位于夏季风过渡区，对东亚夏季风北边缘的推进变化响应剧烈［5，33］，我国黄土高原半干旱区的干燥度指数与季风边缘的负相关最为明显［33］。对比万象洞WX42B 的δ18O 记录分析结果［34］（图6），研究区自1690 年开始，洪涝灾害高、低频期与夏季风存在较明显的正相关关系，1644—1690，1801—1840 及1881—1912 年3 个洪涝灾害高频期受夏季风的影响。1881—1912 年大洪涝的发生频次在5 个阶段中最高，该阶段内1894—1898 年出现5 年连涝，1901—1912 年出现9 年连涝，这与夏季风在19 世纪晚期处于降水增强期［34］存在一定联系。

图6 洪涝灾害低、高频期与万象洞WX42B 的δ18O 记录（根据文献［34］改会）对比Fig.6 Comparison of low and high frequency periods of flood disasters in the study area with the record of δ18O in Wanxiang cave WX42B

5 结 论

研究区域尺度洪涝灾害历史时期的时空分布以及气候变化特征，对于重建高分辨的古气候序列以及深入了解全球气候变化的区域响应具有重要意义。通过对陕西黄土高原中南部地区清代洪涝灾害的时间分布、空间分布、气候特征及成因进行研究，得到如下结论：

（1）洪涝灾害分为5 个阶段。第1 阶段（1644—1690年）、第3阶段（1801—1840年）和第5阶段（1881—1912 年）为洪涝灾害高频期；第2 阶段（1691—1800年）和第4 阶段（1841—1880 年）为洪涝灾害低频期。该区清代洪涝灾害发生频次总体呈波动增加趋势。3 个洪涝灾害高频期受夏季风的影响，1881—1912年洪涝灾害发生频次呈显著增加趋势，这与19 世纪晚期夏季风活动加强有关。

（2）从灾害等级看，研究区以中度洪涝和大洪涝为主，大洪涝及特大洪涝在气候转型期发生频次相对较高。除此之外，在气候偏湿条件下，降水量明显增加也会造成大洪涝及特大洪涝发生频次增加。

（3）清代洪涝灾害空间分布不均衡性突出，并表现出沿水系发展的特点。研究区的东北部、中部及西南部的县市洪涝灾害发生频次相对较高，其中清涧河流域与延河流域中下游地区的县市发生频次最高。

（4）清代洪涝灾害发生存在3、8、17 及61 a 的准周期。交叉小波变换显示，该区洪涝灾害等级序列在2～5、9～12 及56～70 a 周期尺度上与厄尔尼诺事件序列存在显著相关性，在8～14 a 周期尺度上与太阳黑子数序列相关性明显。