明清时期渭南地区旱灾的多尺度变化特征及其对气候变化的响应

郁耀闯，王长燕*，龚兰兰，卫旭东，马佳俊，王林刚

(1.宝鸡文理学院 地理与环境学院，陕西 宝鸡 721013；2.陕西省灾害监测与机理模拟实验室，陕西 宝鸡 721013)

1 引言

旱灾是我国和世界上历史时期以来频繁发生的主要自然灾害之一[1]，已对全球的农业生产、社会经济和政治等造成了严重的影响和危害[2-3]。在全球变暖背景下，区域干旱灾害风险呈增加趋势[4-5]。因此，理解区域干旱灾害的发生机制及其与气候变化的关系对灾害风险管理和气候变化适应与减缓措施的制定是非常重要的。

渭南地区位于黄河中游，陕西省关中平原东部，是典型的季风边缘区，受季风活动影响，该区气候类型属暖温带半湿润半干旱季风气候，区域降水空间变率较大，容易发生干旱灾害。国内学者对我国西北[6]、关中[7]和宝鸡地区[8]等区域旱涝灾害的时空分布特征和重建进行了大量研究，得出了区域旱涝灾害在时间尺度上存在着周期规律等的重要认识，但对区域干旱灾害在时间尺度上的多尺度变化特征及其与气候变化关系的研究还鲜见报道，这不利于揭示区域干旱灾害的发生机制及其与气候变化的联系。

本研究选取我国明清小冰期(1368～1911年)作为主要研究时段，以位于季风边缘区的渭南地区为研究案例区，搜集整理明清时期渭南地区的历史文献资料，利用集合经验模态分解(EEMD)等方法，探讨该时期渭南地区旱灾的多尺度变化特征及其与气候变化的关系，以期为区域干旱灾害的预测和防治提供参考依据。

2 研究区域与研究方法

2.1 研究区概况

渭南位于黄河中游，地处关中平原陕西省东部，位于东经108°58′～110°35′，北纬34°13′～35°52′之间，面积1.3×104km2，2019年末总人口527.81万人[9]。目前，辖临渭、华州2个区，有潼关、大荔、合阳、澄城、白水、蒲城、富平7个县，代管韩城、华阴2个省辖市(图1)。地形上南依秦岭，北靠黄龙山和桥山，南北高，中间低，东西开阔，呈仰瓦状。海拔在330～2645 m，属暖温带半湿润半干旱季风气候。辖区内各地全年平均气温12.7～15.6 ℃，区域降水时空分布差异较大，全年降水量390.7～592.2 mm，区域年降水变率较大，容易发生旱涝灾害。

图1 渭南政区图

2.2 数据来源与方法

本文的干旱灾害数据主要来源于《中国三千年气象记录总集》[10]、《中国气象灾害大典·陕西卷》[11]和渭南志等历史文献资料。

鉴于历史文献资料来源的庞杂性、记录的主观性和空间地点的难以定量性，本研究采用区域旱灾空间分布代表区域旱灾规模的方法来进行旱灾的统计分析[12]。对于某个区域而言，通常选取10个具有代表性的地点进行统计分析[12]。例如，若本年度该区域只有一个点发生旱灾则记为1，那么10个地点的平均值为0.1；若有2个点发生旱灾，则记为2，10个地点的平均值为0.2，……，以此类推，没有旱灾记载的年份则记为0。平均值大于0.3可视为区域内旱灾空间规模较大[12]。利用上述方法，对明清时期渭南地区的渭南、潼关、大荔、合阳、澄城、白水、蒲城、富平、华阴和华县等10个县(图1)的旱灾记录进行统计分析。采用集合经验模态分解 (EEMD)和Morlet小波函数的方法对该区的旱灾频次序列进行多尺度周期分解[13]。

3 结果与分析

3.1 渭南地区旱灾的规模、频次和阶段性

明清时期的544 a间，渭南地区10个地点共有旱灾记录1749次，占321.5%，其中，以全区域(10个点)旱灾记录频次的空间规模为主，10个点的旱灾记录共有154次，占区域旱灾记录总数的88.1%，5～9个点的旱灾记录有24次，占区域旱灾记录总数的10.6%，4个点以下的旱灾记录共有53次，占区域旱灾记录总数的1.3%。

由图2可知，在14世纪中期、15世纪70年代末期至16世纪60年代、17世纪30年代末期、18世纪20年代初期至19世纪前半叶和19世纪70年代末期渭南地区旱灾发生较为频繁，多为全区域(10个点)的特大旱灾，如1637～1643年的明朝崇祯大旱、1719～1723年的清朝康雍奇灾和1875～1879年的光绪丁戊奇荒等历史极端干旱事件在渭南地区均有较好记录。

明清时期渭南地区旱灾总体上表现为先下降后上升的变化趋势(图2)。由图2中的11 a滑动平均曲线可以看出，渭南地区旱灾具有3个明显不同的变化阶段，其中，1368～1486年和1684～1911年为该区域旱灾的增加阶段，增加幅度分别为146.7%和11.0%；1487～1683年为该区域旱灾的减少阶段，减少幅度为65%。

图2 明清时期渭南地区旱灾频次序列

3.2 渭南地区旱灾的多尺度变化特征

集合经验模态分解(EEMD)所得各IMF分量序列主要指示各分量在不同时间尺度上的周期信号，IMF 各分量振幅的大小分别代表相应周期振荡信号的强弱程度，振幅越大表明相应时间尺度上周期震荡信号越强；反之，则表明相应时间尺度上周期震荡信号越弱[14]。EEMD 分解明清时期渭南地区旱灾频次序列共得到9个IMF分量，分别表示该区旱灾频次序列在不同的年际、年代际和百年际尺度上的周期变化，具体如下。

(1)在年际尺度上，IMF1、IMF2和IMF3的平均周期分别为准3 a、准6 a和准8 a周期，方差贡献率分别为43.6%、12.9%和8.45%，说明这3个周期信号对明清时期渭南地区旱灾的影响较大，其中，IMF1 分量在1414～1474年、1480～1569年、1599～1649年、1686～1734年、1747～1814年和1846～1900年波动的振幅较大，说明该周期信号在这6个阶段震荡较为强烈，对渭南地区旱灾发生的影响较大；该周期震荡信号在1385～1413年和1649～1685年波动的振幅较小，说明该周期信号在这2个阶段震荡较弱，对渭南地区旱灾发生的影响较小。IMF2 分量的振幅在1508～1568年和1853～1895年波动较大，说明该周期信号在这2个阶段对该区旱灾发生的影响较大；该周期震荡信号在1389～1412年、1437～1452年、1653～1687年和1802～1831年波动的振幅较小，说明该周期信号在这4个阶段震荡较弱，对旱灾发生的影响较小。IMF3 分量的振幅在1417～1435年、1479～1508年、1583～1628年、1691～1721年、1748～1785年和1836～1900年波动较大，说明该周期信号在这6个时期对旱灾发生的影响较大；该周期震荡信号在1392～1410年、1439～1454年和1647～1682年波动的振幅较小，说明该周期信号在这3个阶段震荡较弱，对旱灾发生的影响较小。

(2)在年代际尺度上，IMF4、IMF5和IMF6的平均周期分别为准17 a、准28 a和准84 a周期，方差贡献率分别为4.92%、3.21%和3.04%，说明这3个周期信号与明清时期渭南地区的干旱灾害存在着某种关联，其中，IMF4 分量在1476～1508年、1555～1602年和1735～1749年波动的振幅较大，说明该周期信号在这3个阶段震荡较为强烈，对旱灾发生的影响较大；该周期震荡信号在1397～1463年、1649～1685年和1856～1911年波动的振幅较小，说明该周期信号在这3个阶段震荡较弱，对旱灾的发生影响较小。IMF5 分量的周期信号在1529～1640年波动的振幅较大，除此之外，在其他时段该周期信号振幅均较小，说明该周期信号可能只在1529～1640年间对渭南地区旱灾产生影响。IMF6 分量的周期信号在1368～1446年和1635～1692年波动的振幅较大，在其他时段振幅均较小，说明该周期信号在这2个时期对旱灾的发生影响较大。

(3)在百年际尺度上，IMF7和IMF8的平均周期分别为准181 a和准363 a周期，方差贡献率分别为2.20%和0.43%，总体来看，这2个分量的周期信号振幅均较小，说明百年际尺度周期信号对明清时期渭南地区旱灾的影响相对较小。

(4)RES为趋势项，主要指示明清时期渭南地区旱灾在近544 a的波动趋势，从RES曲线的趋势可以看出(图3)，渭南地区在近544 a的旱灾变化趋势呈先降低后增加的趋势，降低和增加的时间拐点出现在1685年前后。

图3 明清时期渭南地区旱灾频次序列的集合经验模态分解结果

3.3 明清时期渭南地区旱灾对气候变化的响应

区域旱涝灾害与气候变化具有明显的相关关系[8,15]。干旱灾害发生时，气候通常较为寒冷干燥，降水较少；洪涝灾害发生时，气候通常较为温暖湿润，降水较多。葛全胜等[15]研究表明：在区域尺度上，过去2000 a以来温度和干湿变化对降水产生了重要影响，明清时期尤为显著。在该时期，北半球已经进入寒冷阶段，但受区域位置、地理环境和季风活动强弱变化等影响，我国气候变化呈现出了不稳定的状态，从而导致该时期旱涝灾害在全国范围内表现出了明显的区域差异性。14世纪后半叶至20世纪初，全球气候变化处于“小冰期”阶段，此时，我国气候较为干冷[16-17]，并且在小尺度范围内存在区域差异，区域尺度上气候寒冷期降水较少，往往导致旱灾发生较为频繁[16-18]。王绍武等[19]研究表明，明清小冰期我国气候变化响应比较强烈，并存在较大区域差异。葛全胜等[15,20]认为15世纪、17世纪和19世纪为小冰期中比较偏冷的3个时期，在这3个时期内旱灾发生较为频繁。朱士光等[16]研究认为，15世纪后期、16世纪80年代至17世纪30年代、17世纪后半叶及19世纪后半叶关中地区气候寒冷干燥。万红莲等[8]研究表明，明清时期宝鸡地区旱涝灾害的交替出现是对该时期关中地区气候冷暖干湿交替变化和全球气候变化的响应。Yu等[12]研究认为，气候温暖时期太阳活动较为频繁，泾河中游地区旱涝灾害多发；反之，旱涝灾害发生较少。由此可见，区域旱涝灾害的发生与气候变化存在着一定关联。

从渭南地区干旱灾害频次的11 a滑动平均曲线来看(图2)，15世纪中叶、15世纪70年代末期至16世纪60年代、17世纪前半叶、18世纪初期至19世纪前半叶和19世纪后半叶渭南地区旱灾发生次数较多，尤其是17、18世纪前半叶和19世纪后半叶该区干旱灾害发生频次较高，而17世纪中期至18世纪初期该区干旱灾害发生频率较低，这可能与该时期太阳活动的减弱有关[12]。渭南地区旱灾频次序列与我国同时期冬季温度的变化总体上较为一致，与该时期北半球温度的变化基本同向，但不完全同步(图4)，这可能与渭南地区所处的地理位置、自然环境、季风活动强弱和海气震荡胁迫等因素有关。旱灾的发生主要取决于区域降水量的多少和降水的集中程度，而降水量的多寡往往会受到区域气温高低的影响[16]。当气温较高时，区域气候波动较大，降水减少，往往会导致旱灾发生。明清时期渭南地区旱灾发生的频次序列与小冰期气候的冷暖波动具有较好的对应关系，气候温暖时期，太阳活动相对较为频繁，旱灾发生相对较多，这一认识与葛全胜[15,20]和Yu等[12]研究结果较为一致，说明渭南地区明清时期旱灾的发生是对全球气候变化的响应(图4)。

图4 渭南地区旱灾频次序列与太阳活动[21-23]、重建温度[24,25]、ENSO[26]和PDO[27]的比较

4 讨论

太阳活动是发生在太阳大气层和对流层中的各种复杂物理过程，也是引起地球系统气候变化的主要能量来源[28]。太阳活动的强弱变化会引起大气中温度的升高或降低，导致大气环流模式的改变，从而影响区域降水空间分布的多寡，进而导致区域旱涝灾害的发生[12,29]。太阳黑子数和太阳总辐照是表征太阳活动水平强弱的2个重要参数[30]。Le Mou⊇l等[31]研究表明，太阳黑子活动主要通过热带和副热带太平洋地区海气耦合交互机制来影响全球温度和降水的变化。葛全胜等[29]研究认为，当太阳辐射处于高值期时, 我国关中平原等地降水偏少，旱灾多发。Li等[32]得出了太阳黑子活动具有11和112 a显著周期的重要认识。郝志新等[7]研究认为，关中地区960～2010年干湿变化的准10 a周期与太阳活动相对应。本研究中，集合经验模态分解(EEMD)得到的IMF3分量中的10.4 a和11.6 a周期与太阳黑子活动的11年显著周期较为接近，说明该区干旱灾害的发生可能受到太阳活动的影响，也为太阳活动影响旱灾发生提供了有力证据，该研究结果与赵新华等[32-33]的研究结果较为一致。

集合经验模态分解(EEMD)和功率谱分析表明：明清时期渭南地区旱灾频次序列中具有准3 a、准6 a和准8 a的年际变化周期，这与厄尔尼诺(ENSO)的2～8 a周期[34]具有较好的对应关系，说明ENSO可能是影响该区明清时期旱灾发生年际尺度变化的重要原因之一，同时也说明赤道太平洋海表温度可能对该时期渭南地区的降水模式产生了重要影响，进而导致该区旱灾的发生。前人关于厄尔尼诺对我国季风区降水模式的影响进行了大量的研究[35-36]，认为ENSO对全球和东亚地区年际气候变化产生了重要的影响，本研究结果也印证了这一观点。如图4所示，当ENSO处于暖相位时，渭南地区的旱灾发生较为频繁，但由于目前ENSO指数重建和旱灾频次序列重建还存在着很大的不确定性，因此，ENSO指数和旱灾频次序列的定量关系还难以确定。

太平洋年代际振荡(PDO)是北太平洋海温年代际循环变化的一种海洋现象，通常具有20～30 a的变化周期[37]，不仅对北美乃至整个北半球大气环流产生重要影响[37]，还可以通过调制厄尔尼诺事件来间接影响区域气候变化[38]，进而导致旱涝灾害的发生。与厄尔尼诺类似，太平洋年代际振荡通过海洋表面温度的高低变化影响着全球和东亚地区年代际尺度上的气候变化。Yang等[39]研究表明，当PDO处于暖位相时，华北对应高温、少雨和干旱时段，长江中下游多雨；反之亦然。裴琳等[40]研究表明，1600～2012年来中国东部旱涝变率与PDO序列之间具有显著的正相关关系，PDO的冷、暖位相分别对应着华北地区的偏旱和偏涝。郝志新等[7]研究认为，PDO与关中平原的干湿变化从长时间尺度来看存在着不稳定性。本研究中，集合经验模态分解(EEMD)表明：明清时期渭南地区旱灾频次序列IMF分量中具有的准17 a和28 a的变化周期与PDO的20～30 a周期较为接近，说明PDO可能是影响该区明清时期旱灾发生年代际尺度变化的因素。如图4所示，当PDO处于暖相位时，渭南地区旱灾发生比较频繁，这一认识与Yang等[39]的认识较为一致，与裴琳等[40]的认识相悖。综合可知，太平洋年代际振荡与区域干旱灾害(或干湿变化)的关系还存在着很大的不确定性，二者的定量关系还有待于进一步探讨。

5 结论

(1) 明清时期渭南地区旱灾总体上表现为先下降后上升的变化趋势，以全区域的特大旱灾为主，大致可分为1368～1486年、1487～1683年和1684～1911年3个明显不同的变化阶段，明朝崇祯大旱、清朝康雍奇灾和光绪丁戊奇荒等历史时期重大旱灾事件在渭南地区均有较好记录。

(2)渭南地区旱灾在时间尺度上存在着显著的准3 a、准6 a和准8 a的年际周期，准11 a、准17 a、准28 a和准84 a的年代际周期和准181 a和准363 a的百年际周期，分别与厄尔尼诺的2～8 a周期、太阳活动的11 a周期和太平洋年代际振荡的20～30 a周期相对应，说明厄尔尼诺、太阳活动和太平洋年代际振荡可能是导致该区旱灾发生的重要原因。

(3)明清时期渭南地区旱灾的年际、年代际和百年际尺度周期分别可以解释旱灾方差变量的64.95%、11.17%和2.63%，说明该区旱灾在年际尺度上的振荡信号可能要强于在年代际和百年际尺度上的振荡信号。

(4)渭南地区旱灾频次序列与我国同时期冬季温度的变化序列总体上较为一致，与该时期的北半球温度变化基本同向，但不同步，说明该区旱灾的发生是对全球气候变化的响应。