十七世紀以來華北中部夏季降水的特征、趨勢與影響

易 亮，彭淑貞，葛俊逸，趙紅月

華北是中華民族的發源地，數千年來一直是中國的政治文化中心.地理上屬于暖溫帶半濕潤大陸性氣候的華北地區，在農耕時代的繁盛與動蕩，往往與氣候的穩定或者波動密切相關.而由于頻繁的水旱災害可能誘發劇烈社會動蕩，華北地區的穩定與否似乎又成為封建王朝興衰的一個重要指向標.同時，華北地區作為東亞季風敏感區的重要組成，其保留與記錄的環境信息對于了解過去氣候變化的特征、機制及未來預測都具有重要的科學意義.因此在過去數十年中，借助于各種材料，如歷史文獻記錄.［1－9］和洞穴沉積物［10－11］等，華北地區的氣候變化研究得到了極大的重視.然而，這些研究主要是側重單一指標的分析.由于單一指標在記錄環境信息中，不可避免的存在一定程度的信號損失.因此，在大量研究的基礎上，有必要對這些成果進行集成，以期更加全面的認識氣候變化的特征與機制.針對這一現狀，本文在收集新近發表的氣候重建數據的基礎上，利用統計分析獲得華北中部具有較大代表意義的綜合曲線，然后借助奇異譜計算，分析過去近四百年以來降水變化的特征并預測可能的發展趨勢，最后探討降水變化對社會進程的可能影響.

1 材料與方法

本文的研究材料包括12條新近發表的降水(旱澇)替代序列(圖1).其中的9條是基于區域網格化重建結果［12］，這9條夏季降水網格化曲線，根據樹輪寬度指標與氣象降水資料之間的相關關系建立降水指標的轉換方程，恢復了1000～2000 AD之間東亞季風區534個網格點的降水序列.其中的2條(PA和PB，見圖1)來自樹木年輪與歷史文獻記錄的綜合重建［13］，這2條夏季降水曲線，根據綜合樹輪寬度綜合與旱澇指數建立降水重建方程，恢復了華北中部1600～2000 AD期間的夏季降水.另外1條(圖1)來自黃爺洞石筍記錄的降水指示［11］，這條曲線是黃爺洞石筍高分辨率氧同位素曲線根據，指示了138～2002 AD間較大區域的旱澇情況.根據對比這12條序列的共同區間，確定本研究的時間區間為1600～2000 AD.

圖1 研究區與材料

本文進行區域多指標綜合分析的方法采用主成分分析法(PCA，principle component analysis).這是一種旨在利用降維的思想，把多指標轉化為少數幾個綜合指標的統計方法.主成分分析法是一種數學變換的方法，它把給定的一組相關變量通過線性變換轉成另一組不相關的變量，這些新的變量按照方差依次遞減的順序排列.在數學變換中保持變量的總方差不變，使第一變量具有最大的方差，稱為第一主成分，依次類推.其目的是希望用較少的變量去解釋原來資料中的大部分變異.

本文進行趨勢預測所采用的是奇異譜方法(SSA，Singular Spectral Analysis)，這是一種研究周期振蕩行為的分析方法，它是從時間序列的動力重構出發，并與經驗正交函數相聯系的一種統計技術.分解的空間結構與時間尺度密切相關，可以較好地從含噪聲的有限尺度時間序列中提取信息，目前已應用于多種時間序列的分析與預測.

2 結果與討論

2.1 降水變化的特征

PCA結果顯示(表1)，第一組成分占了所有序列方差總量的47.9%，且特征向量為5.747，遠大于其他組成分，同時12條序列的因子荷載矩陣系數均為正數.這些結果表明第一組成分與所有序列成正相關關系，是控制12條序列的共同因子，能夠反映大區域在夏季降水變化上的共同趨勢.因此，我們這里將第一組成分(PPC－1)視為反映華北中部降水變化的替代序列，并對其特征進行分析.

2.1.1 旱澇區間

統計分析顯示，PPC－1序列的平均值是－0.04，標準差為1.05，最大值為3.87，最小值為－3.68，近似于正態分布.因此，這里設定(μ±0.5×σ)為夏季降水的正常區間值，以大于(μ+0.5×σ)為降水偏多區間，以小于(μ–0.5×σ)為降水偏少區間，劃分出公元十七世紀以來華北中部降水的特征時期(圖2).

十七世紀的開始，華北中部是比較濕潤的，其后在十七世紀三十年代出現較大的波動，并誘發了近500年以來四次最大的干旱之一(1638～1646 AD)［14］.之后的近50年降水較為正常，除了1686～1691 AD期間有過一次干旱.十八世紀整體較為濕潤，早期曾有短期干旱(1710～1714 AD).十九世紀以來，降水的年際變化顯著增大，其中印象甚廣的干旱事件主要有:1808～1815 AD、1834～1842 AD、1875～1878AD、1897～1902 AD、1920～1930 AD以及1980s～1990s，而與此并發的是1826 AD、1888～1897 AD、1930s、1956 AD、1964 AD和1984 AD.

表1 主成分分析的各成分方差分配與特征向量

圖2 華北中部夏季降水(PPC－1)變化與旱澇區間(灰色線為PPC－1原始序列，黑色線為頻率f＜0.2的低通FFT濾波)

2.1.2 周期特征

頻譜分析是古氣候研究的重要內容，為深入探討氣候系統演化的響應與驅動機制等問題提供了有效手段.多帶譜(MTM，Multi－tapermethod)是頻譜分析和信號重建的重要工具，可以應用于連續變量和奇異組分，這一方法已廣泛應用于地質信號的解析中.本文利用SSA－MTM Toolkit［15］，以1 a為樣點間距對PPC－1序列進行頻譜分析.MTM譜分析結果顯示(圖3)，華北中部夏季降水替代序列PPC－1具有23.8 a、8.6 a、7.0 a和2～5 a的顯著周期.其中周期成分23.8 a與太陽活動周期一致，2～5 a與ENSO的變率相關［16］.

連續小波變換分析(CWT，ContinuousWavelet Analysis)可以將一個時間序列在時域和頻域上同時進行分解，除了能得到所有的周期(頻率)及其振幅特征外，還能得到各周期及振幅隨時間的變化，從而揭示時間蓄力的時頻特征［17］.為考察各周期成分隨時間的演化情況，本文應用Morlet小波對PPC－1序列進行連續小波變換分析(計算代碼來源于:http://paos.colorado.edu/research/wavelets/).結果顯示(圖4):與太陽活動相關的8～32 a周期組分在整個時段呈現出連續的顯著性，暗示了華北中部夏季降水與太陽活動變率的一致性，也說明其變化特征受控于太陽活動.

2.1.3 奇異譜分析

為了考察各個周期成分在時域上的變化特征，并探討不同影響因素在華北中部夏季降水變率的作用形式，本文應用SSA分析，對PPC－1序列進行時域分解.SSA分析前，首先應用FFT濾波器進行頻率f＜0.2的低通濾波，然后應用KSpectra軟件進行SSA分解，結果顯示:PPC－1低頻序列的顯著成分主要有5個且總占有63.2%的方差量，其中在72 a、56 a、25 a、15 a和7 a分別承載了7.6%、8.6%、22.9%、11.4%和12.7%的低頻序列方差量(圖5，SSA－1～SSA－5).其中可能最具意義的是與太陽活動相關的25 a和15 a成分，具有很好的連續性和穩定性，共承載了低頻序列34.3%的方差，占顯著信號量的一半以上，指示著太陽活動在華北中部夏季降水低頻變化中占有絕對的控制地位.7 a成分則可能與ENSO事件有關，然而其在近30年以來的顯著增強更可能是受到人類活動的影響.根據筆者所查閱的中國經濟增長的數據與分析材料，我國國民經濟在1978～2005 AD大致經歷了四次周期性，由此估計的人類開發活動具有7 a的準周期特征.另外，小波周期的分析結果(圖4)也指示了近50年來氣候高頻振蕩的顯著加劇.因此，這一氣候記錄與國民經濟發展之間的耦合關系，是否指示了人類活動對于自然降水過程的干擾?

2.2 未來40年降水趨勢

在各種預測方法中，奇異譜方法已被廣泛使用，它能夠將時間序列進行正交分解而得到多個分量，進而選擇不同分量進行序列重建和預測.為預測華北中部未來40年夏季降水趨勢，我們首先對該序列進行頻率f＜0.2的低通濾波，獲得大于5 a尺度的降水變化趨勢，然后借助SSA的時間序列預測功能，也就是基于已知時間序列的變化規律，以2001 AD為預測起點，推測未來2011～2050 AD的降水可能趨勢.

圖5 PPC－1序列的奇異譜分解結果

結果表明(圖6)，在假定人類活動強度和及其他控制因素不變的情境下，未來40年(2011－2050 AD)，華北中部地區的夏季降水總體呈現顯著下降的趨勢，將經歷兩個較為干旱的時期，其中下一次降水高峰可能出現在2031 AD，而低谷分別位于2022 AD和2039 AD.

2.3 降水變率對社會穩定的可能影響

筆者認為，由于中國過去數千年農村社會基本表現為以家族－鄉紳主導的自治形式，整個社會的穩定與否，主要來自外族的相對強弱與內部政治的有效性與否.這就是說，對于一個封建王朝來說，穩定與繁盛，意味著取得自身內耗較小而效率較高，同時外族勢力發展相對較弱;反之，由于腐敗等因素對自身效率的銷蝕，往往又會伴隨著外族勢力的迅速擴張，則王朝將面對顛覆的可能.在這樣一個循環往復數千年的過程中，氣候變化會對社會進程有著重要的影響，例如歐洲Iceland Eldgja火山在934 AD噴發所產生的氣候效應，可能是導致中國五代十國時期后晉王朝(936－946 AD)崩潰的主要原因之一［5］.華北一直是中國政治的中心所在，這一地區的社會穩定性往往對整個王朝的政治走向具有極強的指向意義.而氣候變化這一重要因素，由于和農耕狀況密切相關，在誘發、加劇社會動蕩或者促進興盛方面具有非常直接的影響.因此，筆者通過十七世紀以來華北地區重大事件的發生時間，粗略探討其與夏季降水變率之間的耦合性.

根據筆者查閱的一些史料與記載顯示(圖7)，明朝末期政治腐敗，農村破產，壓迫剝削日益加重，陜西又逢旱災，人民無法生活.1627年，陜北白水縣農民王二率領數百農民殺死知縣，揭開了明末農民戰爭的序幕.而對應于PPC－1的十年滑動標準差序列，1627 AD正好是一個極大值，指示該時間段旱澇轉化十分頻繁，在這一氣候背景下，正常的農耕很難得到保證，而與此伴隨的黑暗的國內政治一并激發了社會動蕩.清朝前期的100多年里，清王朝出于穩定統治等目的，農業生產得到持續發展，耕地先表現在荒地的大量開墾、耕地面積的擴大，康熙六十一年(1722 AD)突破了明代最高耕地統計數字，達到851萬頃.而對應的，該時間區段正好是氣候穩定期，夏季降水的變率較小，清王朝無需著力應付由于自然災害帶來的各種動蕩，客觀上為大規模的農耕開發提供了保證.隨著清王朝及其后續政權的政治腐敗加劇，隨后的旱澇頻繁的極大值都大致對應著較大的社會動蕩，如白蓮教起義(1796 AD)、天理教起義(1813 AD)、太平天國運動(1851 AD)和國民革命(1924～1927 AD)等.然而，隨著中國社會由農耕形式逐漸轉向了工業，社會穩定性逐漸與氣候變化脫節，并轉為人類活動對氣候過程影響的增加(圖7).因此，筆者認為氣候變化因素對于農耕時代的中國社會的穩定性有著極為重要的意義.

3 結論

本文通過華北中部12條夏季降水曲線的主成分分析，得到47.9%方差量的代表大區域的夏季降水變化的PPC－1序列.分析顯示十七世紀的開始，華北中部是比較濕潤的，其后在十七世紀三十年代出現較大的波動，之后的近50年降水較為正常，除了1686～1691 AD期間有過一次干旱.十八世紀整體較為濕潤.十九世紀以來，降水的年際變化顯著增大.譜分析結果顯示，夏季降水具有23.8 a、8.6 a、7.0 a和2～5 a的顯著周期.其中周期成分23.8 a與太陽活動周期一致，2～5 a與ENSO的變率相關.對夏季降水趨勢的預測結果表明，在假定人類活動強度和及其他控制因素不變的情境下，未來40年(2011～2050 AD)，華北中部地區的夏季降水總體呈現顯著下降的趨勢，將經歷兩個較為干旱的時期，其中下一次降水高峰可能出現在2031 AD，而低谷分別位于2022 AD和2039 AD.最后，筆者發現近四百年來氣候變化對中國農耕社會的穩定性具有顯著影響.

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