海河流域1961 2010年干旱化特征及其变化趋势分析
王文鑫+胡先学
摘要：研究历史旱涝变化规律对于区域综合防灾减灾具有重要的现实意义。以海河流域的旱涝灾害文献记录和旱涝等级资料为基础，重建过去500 a区域综合旱涝指数序列，探讨海河流域1470年-2000年旱涝变化的规律。研究发现海河流域旱涝灾害的频发期具有明显的时段性，呈现出“旱-涝-旱”波动。从16世纪初期开始由洪涝转向干旱，并于17世纪初期达到顶点；从17世纪中后期开始海河再次进入相对易受洪涝灾害影响的时期，其中19世纪初期处在最低值，到20世纪20年代左右，流域再次进入相对干旱的时期，且干旱的严重程度逐年增加。同时，研究区存在2.5 a、9.8 a、18.6 a、31.3 a、83.50 a、125.3 a和167.0 a等旱涝周期性过程。
关键词：旱涝变化规律；历史文献；周期性；海河流域
中图分类号：TV213 文献标识码：A 文章编号：1672-1683（2017）04-0034-05
Abstract：The study on the variation of historical drought and flood has important practical significance for regional comprehensive disaster prevention and mitigation.In this paper，we used the drought and flood records to reconstruct the comprehensive index series of regional drought and flood over the past 500 years，and analyzed the variation of flood and drought in Haihe River Basin during 1470-2000.This study found that the drought and flood disasters in Haihe River Basin showed obvious periodic fluctuations of "dry-wet- dry".In the 16th century，the drought disasters became increasingly frequent，and reached the peak at the beginning of the 17th century.From the middle and later periods of the 17th century to the 19th Century，Haihe River Basin once again entered into the relatively wet period.Around the 1920s，Haihe River Basin entered into the relatively dry period，and the drought became increasingly severe year by year.Meanwhile，Haihe River Basin showed obvious drought and flood periodicity of 2.5 a，9.8 a，18.6 a，31.3 a，83.5 a，125.3 a，and 167.0 a.
Key words：variation of drought and flood；historical documents；periodicity；Haihe River Basin
文獻资料是研究历史时期极端天气事件重要辅助性资料，受到众多古气候和环境演变研究人员的关注[1-5]。我国历史悠久，具有丰富、连续的历史文献记录，这些文献中包含有大量的古气候信息，这使我国成为国内外研究者公认的旱涝变化规律研究的理想区域[6-7]。
自20世纪中叶开始，我国水利系统和气象系统的科技工作者便开始系统地整理古代气候记录资料，并取得了丰硕的研究成果。如竺可桢通过整理分析正史、地方志、考古资料、物候观测和仪器记录资料等提出了近5000 a来我国气候变化的规律[8]。此后，国家气象局组织有关省市和研究机构完成了《中国近五百年旱涝分布图集》等书籍编纂工作。中国水利水电科学研究院也在整理故宫水利奏折的基础上出版了“故宫洪涝档案丛书”。这些工作为我国气候变化研究人员开展历史旱涝规律研究，提供了丰富的资料基础[9-14]。
海河流域是我国人口最为集中的地区，频繁的水旱灾害给流域内的农业生产、人民生活和社会经济发展带来严重的不利影响。正如卢路等人[15]指出历史上海河流域水旱灾害的重现期大概为3 a一次。为此，历代统治者对水旱灾害尤为关注，因此留存下丰富的历史文献记录。本文以海河流域为研究区通过梳理过去500 a间水旱灾害文献记录，揭示区域旱涝灾害的时间变化特征，以期为今后流域防灾减灾提供技术支撑。
1 资料与方法
1.1 资料
在系统分析海河流域现存历史文献资料完整程度的基础上，结合《中国近五百年旱涝分布图集》[16]用19个历史文献资料记述详尽的站点（府、州，或者明清以来重要城市），表现海河流域历史时期旱涝灾害强度空间分布情况（图1），每个站点数值代表20左右个县的旱涝灾害的强度，按照文献[16-18]确定的旱涝等级划分方法，确定19个站点的旱涝等级值。具体方法本文不再赘述。受到地理环境影响。平原地区聚落较多，山区较少，所以海河流域平原地区资料站点密度相对较高，而太行山麓一线以西的站点密度相对较少。
一般来说，时间越久远存留下来的历史文献资料的完备性就越差，社会开发比较晚的地区历史文献记录也比较少，边疆民族地区保存汉语文献纪录也比较少。如海河流域北部的多伦开发时期比较晚、社会经济欠发达，因此留存资料也较少，直至1900年代开始才有系统的气候文献记录。如图2展示了海河流域近1000多年19个站点的旱涝等级系列数据的完备程度。可见从1500年以后，海河流域各站点资料逐渐完备，大部分时段流域内一半以上的站点存在灾害记录。因此，利用历史文献记录分析过去500 a的海河流域旱涝灾害规律，其结果具有可靠性。
2 海河流域旱澇变化规律
2.1 黄淮海流域旱涝灾害时间特征
海河流域旱涝灾害频繁，利用区域旱涝灾害综合指数模型，对海河流域19个站点旱涝等级数据进行归一化处理，形成海河流域综合旱涝指数序列（图3）。图3给出了海河流域不同时期（明末、清代、民国以来）旱涝变化基本特征、灾害频发时段（时段长度大于10 a，红线），以及百年尺度下水旱灾害的站点频次统计情况。
在朝代尺度上，近500 a来，仅清代（浅绿色块）海河流域处在一个相对湿润的环境，其他时期大多处在相对干旱环境下。明代中后期的旱涝综合指数值为0.098（旱）、清代的旱涝综合指数值为-0.073（涝）、民国以来的旱涝综合指数值为0.127（旱），因此过去500 a间流域旱涝变化趋势基本呈现出“旱-涝-旱”的过程。其中明末的近100 a间区域的干旱最为严重。清代顺治朝、康熙朝初年和光绪朝出现了两次比较长时间的洪涝时期。进入20世纪，海河流域持续偏干旱，仅在19世纪60年代左右出现短暂的偏洪涝期。
百年尺度上（图4），通过对19各站点中重旱、重涝记录的统计发现，严重干旱严与重洪涝在时间上也呈现波动性特点。有严重洪涝事件的站点在17世纪和19世纪比较多，严重干旱事件的站点数在17世纪达到一个波峰阶段，而后（清代）下降，并在过去200 a间稳定上升，且当前仍呈现上升的趋势。汤仲鑫等人[22]从气象科学视角，统计海河流域明清（1500年-2000年）以来的特大水旱灾害事件的百年尺度分布特征（表1）也验证“旱-涝-旱”的特点。
发现最长时间的持续干旱出现在明崇祯年间（1637年-1643年）（表2），持续干旱长达7 a，在此严重的干旱背景下，白洋淀、梁山泊、安山湖等湖泊逐渐干涸。最长间的持续洪涝年出现在明隆庆年间（1567年-1584年），连续8 a出现严重洪涝灾害。
2.2 黄淮海流域旱涝灾害周期性、趋势特征
利用经验模态分解方法对海河流域的旱涝指数序列进行分解（图5）。imf1-imf7 是经过EMD分解后产生的IMF分量，其震动能量呈现递减的趋势，趋势项rn表示是海河流域综合旱涝指数剔除了不同时间尺度上的IMF分量后的区域旱涝变化趋势。由rn可看出，海河流域在16世纪初期开始有洪涝转向干旱，并于17世纪初期（明末）达到顶点；从17世纪中后期开始，海河再次进入相对易受洪涝灾害影响的时期，其中19世纪初期处在谷底状态，到20世纪20年代（民国初年）左右，流域再次进入相对干旱的时期，且干旱的严重程度在近年呈现逐年增加态势。趋势项rn的变化特征也印证了前面海河流域存在“旱-涝-旱”的变化特征。
imf1-imf7 等7个imf分量信号的波动具有相对稳定的准周期性，不同时间尺度的准周期振荡随时间也呈现或强或弱的非均匀变化。笔者认为这种振荡强度的非均匀变化反映了大气内部动力过程和外部强迫共同作用的结果，据此可以通过FFT变换求取平均周期，并将每种尺度信号波动频率和振幅对原数据总体特征影响程度用方差贡献率表示出来。通过考察各imf分量振幅（图5中imf1-imf7的纵坐标数值）和分量方差贡献率（表3）。结果显示，imf1、imf2、imf3的方差贡献率大于10%， imf4、imf5和imf6的方差贡献率介于1%～10%之间。可见海河流域的综合旱涝指[JP+1]数的年际变化主要由前3个较高频震荡决定（方差贡献率之和=83.7%）。通过FFT变换推求其平均周期可见（表3），imf1的平均震荡时长最短为2.5年右，与北方地区降水3年周期过程相近，且振幅变化最大，能量最大，对原序列变化的贡献最大（46.8%）；imf2的平均震荡周期为9.8 a左右，与ENSO周期相近；imf3的平均震荡周期为18.6 a左右；imf4的平均震荡周期为31.3 a左右，与我国降水变化的年代际特征（30 a）十分接近；imf5的平均周期为125.3 a左右；imf6的平均周期为83.5 a年左右；imf7的平均周期为167.0 a左右。需要注意的是分量imf6（平均周期83.5 a）似乎是从18世纪初期才显现出来，尔后这分量的波动性颇具规律，这需要后面进一步的研究。
3 结论
本文在系统整理海河流域历史文献资料的基础上，对研究区域旱涝灾害的时间、空间变化过程进行了细致的分析，主要研究成果如下。
海河流域旱涝灾害的频发期具有明显的时段性，宏观尺度上（朝代）呈现出“旱-涝-旱”波动，表现为明代相对干旱，清代相对湿润，20世纪来持续干旱；百年尺度上，严重干旱严重洪涝时间出现也呈现波动特点。海河流域在16世纪初期开始由洪涝转向干旱，并于17世纪初期达到顶点；从17世纪中后期开始，海河流域再次进入相对易受洪涝灾害影响的时期，其中19世纪初期处在谷底状态，到20世纪20年代左右，海河流域再次转入相对干旱的时期，且干旱的严重程度呈现逐年增加趋势。此外本区域易发生连年干旱或者连年洪涝的情况。
通过周期性分析发现：研究区域存在2.5 a、9.8 a、18.6 a、31.3 a、83.5 a、125.3 a和167.0 a等周期性过程。此外，83.5 a的周期性过程似乎是从18世纪初期才显现出来，尔后这分量的波动性颇具规律，可能是18世纪初海河流域出现了一个新的气候影响机制，对区域产生周期的影响，这需要后面进一步的研究。
参考文献（References）：
[1] 葛全胜，张丕远.历史文献中气候信息的评价[J].地理学报，1990，45（1）：22-30.（GE Quan-sheng，ZHANG Pei-yuan.The evaluation on climate information in the historial literatures[J].Acta Geographica Sinica，1990，45（1）：22-30.（in Chinese））
