唐代陕西黄土高原中南部地区洪涝灾害与气候特征

2022-11-09岳大鹏赵景波

水土保持研究 2022年6期

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, 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, 西安 710061)

全球变暖加剧了气候系统的不稳定性，与气候系统密切相关的极端水文灾害如洪涝灾害成为社会各界关注的焦点[1-2]。中国人口众多，地域广阔，气候类型多样且气候变率较大，近年来显著增加的极端天气事件导致我国洪灾发生频次增多，对国民经济发展和社会稳定性形成较大的冲击性[2-4]，根据《中国水旱灾害防御公报2019》统计，1950—2019年中国平均每年因洪涝灾害死亡的人数为4 047.29人，造成的经济损失达1 522.81亿元/a[5]。历史时期区域尺度旱涝灾害演变规律是“过去全球变化研究”(PAGES)的重要研究内容[1]。国外学者多从树木年轮、湖泊和河流沉积物中提取过去洪水事件的信息，对洪水动力学及其触发机制展开研究[6-7]。中国文化源远流长，既有树轮、冰芯、湖泊沉积、石笋等自然证据，也有记载详实、定年准确、气候指示意义清楚的史料记录覆盖自然证据匮乏区域，是开展过去气候变化研究的理想场所[1,3-4]。我国学者通过统计分析历史文献记录，对数百年至千年尺度中国东部、西北、西南等区域的旱涝灾害时空分布格局与演变特征、极端旱涝事件序列进行了深入的研究[3-4,8-9]，还基于流域尺度参考史料记录或对比河流洪水沉积剖面对流域不同时期洪水特征、洪灾成因及气候变化背景进行分析[10-12]。以上研究多从宏观尺度探究过去气候环境变化规律，对于典型的气候变化敏感区如夏季风过渡地带的旱涝灾害的时空分布与其气候背景的研究少有报道[12]。

中国受夏季风影响的区域广泛，夏季风强度的年循环、年代际变化及其趋势性突变过程造就了中国旱涝交替的基本气候特征，也导致了区域重、特大旱涝灾害的出现[2-3,12-13]。而夏季风过渡地带往往处于农牧交错带或地表类型以生态过渡区为主，生态环境相对脆弱，水土流失十分严重[13]。陕西黄土高原地处夏季风过渡区，该区降水、径流的年内分配不均且年际变化大，易产生历时短、强度大的特大暴雨，因其突发性强，破坏性高，引发的洪水灾害对该区人民生产生活影响较大[13-15]。唐代是气候史上的相对暖湿时期，在这种特殊的气候背景下降水偏多，雨量丰沛[16-17]。唐代290年中洪涝灾害年占比接近一半，远高于其他类型自然灾害[17]。陕西黄土高原中南部地区在唐时期临近政治统治中心，洪灾相关的历史资料较多且记载较为详细，有利于开展洪涝灾害的相关研究[18-21]。本文利用历史文献资料，提取该区唐代618—907年的洪涝灾害信息，探讨唐代研究区洪灾时空变化规律及气候特征，有助于了解气候过渡带的洪灾对历史时期气候变化的响应，对黄土高原地区灾害的预防及生态环境建设具有重要的实际意义。

1 研究区域与方法

1.1 研究区概况

本文研究区域为陕西黄土高原中南部地区，该区海拔为1 000～1 600 m，其中耀州区南部的河谷平原区海拔为600～700 m[14]，为全区最低的地段。地理坐标位于34°29′—37°30′N，106°25′—110°36′E，地跨陇县、千阳县、麟游县、永寿县、长武县、彬州市、旬邑县、淳化县、白水县、澄城县、合阳县、韩城市、宜君县、印台区、王益区、耀州区及延安地区，共计22个县、5个区、2个市。研究范围内，白于山以南、崂山以北的延安地区属于黄土高原丘陵沟壑区，延安地区以南的县市位于黄土塬沟壑区，区间黄土塬、梁状丘陵与基岩山地等地形单元交错分布[14]。陕西黄土高原地处东亚夏季风和中纬度西风的耦合区，干湿条件空间变异性较大，其中部属于大陆性季风气候，南部属于半湿润性季风气候，年平均降水量为350～600 mm，自中部向南整体干燥程度减弱，湿润程度增强[14,19]。

1.2 研究方法

(1) 灾害等级法。参考前人洪灾的分级方法，结合研究区具体情况，按照洪灾范围大小、降水持续时间长短及洪灾的影响程度，把洪涝灾害划分为4个等级(表1)[10,22]，将文献记录中定性的描述定量化。

表1 唐代陕西黄土高原中南部地区洪涝灾害定级

(2) 趋势分析法。结合最小二乘法意义下的6次多项式拟合与距平分析探究洪灾发生的阶段性与趋势特征[10]。

(3) 小波分析。连续小波变换(CWT)在提取信号特征方面具有优势，近年来在气候学相关研究中被广泛运用[23]。运用连续小波变换对洪涝灾害等级序列进行分析，提取等级序列的局部特征以研究不同时间段的周期变化特征。

(4) 湿润指数法。从概率论统计观点出发，把研究区域某个时间段内发生的水旱灾害次数作为水旱事件的总体，用水旱灾害的比值来代表气候的干湿状况，能一定程度上消除水旱资料的时空不均匀性[22]，其计算公式如下：

式中：I为湿润指数,其数值在0～2范围内;F为某区域某年的水灾(洪涝灾害)的记载次数;D为相应的旱灾记载次数。I=1,是水旱灾害相等的年份(包括水旱均无记载的年份)，代表旱涝中等；0

2 数据来源

洪涝灾害记录主要来源于系统的汇编资料包括《中国三千年气象记录总集》[18]《中国气象灾害大典(陕西卷)》[19]《中国灾害通史·隋唐五代卷》[20]《西北灾荒史》[21]及地方史志。依据唐代行政区划资料把唐代历史记录中洪涝灾害发生的地点对应于现代行政区划图上予以修正，经详细筛选和统计分析共得到洪涝灾害相关数据条目110条。

3 结果与分析

3.1 洪涝灾害发生情况

统计中不管洪涝灾害年内发生多地、多次均按一次并选取等级最高的记录计算，以年度为统计单位从110条灾害记录中筛选出研究区唐代洪灾相关条目49条，建立洪涝灾害等级序列(图1)，再对以上49条灾害条目以10 a为单位进行统计得到洪涝灾害发生频次分布图(图2)，结合距平分析可以进一步揭示研究区唐代洪涝灾害的阶段性特征(图3)。

图1 研究区唐代618-907年洪涝灾害等级序列

图2 研究区唐代洪涝灾害每10 a频次分布和六次多项式拟合

图3 研究区唐代洪涝灾害每10 a距平值和6次多项式拟合

由图2—3可知，陕西黄土高原中南部地区唐代洪涝灾害发生频次整体呈波动下降趋势。根据频次变化特征将洪涝灾害分为4个阶段：第一阶段为618—637年，发生洪灾8次，平均每2.5 a发生一次，该阶段洪灾频次最高且以轻度洪涝为主。期间623—624年出现2 a连涝，628—630年出现3 a连涝，均以轻度和中度洪涝为主。第二阶段为638—727年，发生洪灾9次，平均每10 a发生一次，灾害发生频次较低，以中度洪涝和大洪涝为主。第三阶段为728—847年，发生洪灾27次，平均每4.48 a发生一次，为洪灾高频期，以中度洪涝为主。该阶段内732—734年出现3 a连涝且均为中度洪涝，828—831年出现4 a连涝且连续2 a为大洪涝灾害。第四阶段为848—907年，发生洪灾5次，平均每12 a发生一次，灾害发生频次最低且以轻度洪涝为主。从整体上来看，唐代研究区618—637年与726—847年洪灾距平值主要以正值为主，638—725年与848—907年距平值则以负值为主(图2)。综上可知，第一阶段与第三阶段为洪灾高频期，第二和第四阶段为洪灾低频期。

3.2 洪涝灾害的周期性

对洪涝灾害等级序列进行连续小波变换得到图4，图中颜色深浅反映出能量密度的相对变化，黑色粗实线圈内的值表示通过了95%置信水平的红噪声检验，黑色细实线下方是小波影响锥COI(连续小波变换数据边缘效应影响较大的区域)。在通过显著性检验的范围内，652—658年、751—756年、763—771年、840—843年、893—898年具有2～5 a的主震荡周期；阶段710—743年存在5～9 a，20～30 a的周期；阶段816—839年具有2～5 a，5～9 a的周期；阶段750—836年具有52～80 a的周期。该区唐代洪灾等级的2～5 a周期与ENSO的2～8 a周期相对应，推测具有2～5 a周期的时段如652—658年、751—756年及763—771年等时段洪灾的发生可能受ENSO信号的调节[24]；52～80 a的周期与PDO的50～70 a的周期相符合[25]，推测750—836年旱涝灾害的发生与PDO正负相位可能存在一定关联[25-26]。

注：右侧纵坐标数值代表小波能量，数值越高，能量越强，无单位。图4 洪涝灾害连续小波功率谱

3.3 洪涝灾害空间变化特征

研究区唐代洪涝灾害的110条相关记录中23条没有具体的县市信息。对于个别县市区划范围同时隶属多个州的，凡所属州发生洪灾了则算作一次，统计中各县市一年中发生多次的均按一次且取等级最高的计算。按照我国现行5级行政区划，经统计分析后得到洪灾空间分布图(图5)。

图5 唐代洪涝灾害频次空间分布

总体上研究区中部县域洪灾发生频次较南部与北部更多。洪灾频次达5次以上的县域中，甘泉县(6次)、黄龙县(6次)、富县(8次)及洛川县(8次)平均海拔800～1 400 m，主要分布在崂山以南的黄土高原沟壑区。子午岭以南的铜川市地区包括王益区(8次)与印台区(8次)海拔在960～1 100 m[14]。以上县域中，甘泉县、黄陵县、富县、黄龙县分布在北洛河中游地区，塬面相对平坦，便于开展农耕活动，人口与农田分布相对密集，发生的洪涝灾害对农户的生产生活具有较大影响[14]。铜川地区的中部为黄土残原沟壑区，谷坡陡峭，易于径流聚集，河流比降大，暴雨易引发河水涨落导致洪灾的发生[27]，唐代铜川地区记载的9次洪灾中一半以上为大洪涝灾害，如公元829年，“4月，同官县暴水，漂没居民三百余家。”此外，唐代是较大规模兴修水利工程的时期，唐前期关内地区修建了大量的水利工程，垦辟农田数量随之增加导致大量植被遭到破坏，缺乏植被覆盖的地区对降水汇聚的地表径流无法有效拦截则更易引发洪灾[16]。

4 讨论

4.1 洪涝灾害与气候变化

对研究区唐代旱涝文献汇编资料及地方史志[18-21]进行梳理与统计可知，湿润指数年代际波动明显(图6)。618—637年湿润指数均值为1.14，处于气候较为湿润的时期。638—727年洪涝与干旱灾次比达到1∶3，湿润指数均值为0.59，表明该阶段气候明显偏干。728—847年处于旱灾较洪灾发生更加频繁的时期，湿润指数均值为0.84，整体上偏干。848—907年这60 a干湿年代际波动较大，水旱灾害都较为频繁，湿润指数均值为1.08。可以看出研究区在唐代前20 a(618—637年)气候偏湿，638—837年虽然整体偏干，但648—657年与718—737年有30 a湿润指数I>1。在838年之后，以约10 a尺度交替进入干湿演替状态。对比本区唐代湿润指数序列(图7D)与中国东部去趋势干湿指数(图7A)[28]序列表明：二者变化过程在绝大多数时段高度一致，均以618—630年、718—740年、888—897年气候相对偏湿，640—700年、750—777年气候偏干，而二者所揭示的多年代尺度波动趋势与黄河中下游地区干湿指数序列[29](图7B)及西安旱涝等级序列50 a滑动平均曲线[30](图7C)基本对应，整体均呈现出618—700年气候偏湿，700—907年气候偏干的特点。

图6 研究区唐代(618-907年)湿润指数变化

注：A为中国东部地区标准化干湿指数序列的30 a FFT平滑滤波(根据参考文献[28]改绘)；B为黄河中上游地区干湿指数(根据参考文献[29]改绘)；C为西安地区旱涝等级序列50 a滑动平均变化曲线(根据参考文献[30]改绘)；D为唐代陕西黄土高原中南部地区湿润指数。图7 研究区唐代(618-907年)湿润指数变化与其他地区对比

综合分析吴宏岐[31]、郑景云[3,29]、费杰[32]等对于唐代冷暖波动特征的研究，唐代陕西黄土高原中南部地区618—750年气候偏暖，800—907年偏冷，750—799是气候由暖转冷的过渡期。结合本文的洪灾阶段特征(图3)及湿润指数变化特点(图7)，得到研究区唐代不同阶段气候冷暖干湿特征(表2)[3,29,31-32]。研究表明我国黄土高原南部地区在845年和880年气候出现了10 a尺度的波动[32]，因而研究区在838—847年与888—897年这两个阶段大洪涝灾害的频繁发生可能与该时期气候波动频繁有关[20,32]。表2中大洪涝发生频次较高的时期气候均偏湿，648—657年与718—727年为暖湿气候，838—847年与888—897年为冷湿气候。唐代较大洪灾年份与降水持续时间较长或暴雨这类极端降水事件密切相关[10,17]，如公元840年富县、黄龙县，“6月20日鄜州大雨，水溢州城，平地水深丈余，冲毁房舍，淹死人畜。”及公元895年延长、甘泉等县，“乾宁二年，渭北遇雨60日。”现代洪灾研究也表明大洪涝及特大洪灾的发生与降水量的增加密切相关。据统计，陕西黄土高原中南部地区在1981年、1988年、2003年、2011年、2013年、2014年、2017年这7个年份降水量距平值超过100 mm(数据来源：美国国家海洋和大气管理局https:∥www.noaa.gov/降水数据再分析资料)，参考《中国气象灾害大典(陕西卷)》[19]及相关资料对现代洪涝年的记录，可确定以上年份均出现了大洪涝或特大洪涝灾害，其中2003年、2013年降水量距平值分别为191，237 mm左右，均为特大洪涝年。

表2 唐代陕西黄土高原中南部地区气候特征与大洪涝灾害

4.2 洪涝灾害与夏季风

东亚夏季风边缘带在我国东部地区到达的最北位置存在年际、年代际变化，其推进与位置变化决定我国北方地区旱涝降水型分布[33]。黄土高原地区因地处东亚夏季风影响过渡区的典型地带，对东亚夏季风边缘最北位置的进退较为敏感，夏季风由南向北推进过程中北边缘越偏南，黄土高原地区的气候则呈现出越干燥的特征[33]。我国黄土高原地区的雨季开始时间在夏季风弱的年份提前，在夏季风强的年份推迟，该区旱涝灾害的发生与降雨的时间之间具有一定的相关性，因而夏季风强度是影响该区旱涝变化的主要因素[34]。研究认为唐代(公元618—907年)季风强度呈波动下降趋势(图8A)[24]，这与研究区唐代洪涝灾害发生频次整体呈波动下降趋势相吻合(图8B)，公元860年前后季风强度急剧减弱本区洪灾发生频次下降趋势明显，公元850—907年晚唐弱季风期对应本区洪灾发生频次最低的阶段[35]，故本区洪灾频次变化受夏季风影响且与季风强度呈现出一定的正相关性。