商洛地區1430～2000年旱澇災害規律分析

李曉剛，李 敏

(商洛學院 城鄉規劃與建筑工程學院,陜西 商洛 726000)

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商洛地區1430～2000年旱澇災害規律分析

李曉剛，李 敏

(商洛學院 城鄉規劃與建筑工程學院,陜西 商洛 726000)

摘要：通過搜集和歸納商洛地區1430～2000年旱澇災害的相關史籍材料，運用11年滑動平均、累積距平和小波分析等方法，探究了商洛地區在這570年間旱澇災害的變化規律。結果表明：(1)商洛地區近570年間，發生旱澇災害的年份有340年，占59.6%，平均每1.68年發生1次旱澇災害，商洛地區的旱澇災害發生頻繁；(2)近570年可分3個明顯的階段：1430～1640年的偏旱階段、1640～1920年的旱澇相對均衡階段、1920～2000年澇災較多階段，在此基礎上又可分為7個偏澇或偏旱時期；(3)商洛地區的旱澇災害還有明顯的周期性規律，主周期為175～205年，并且另外還有77～89年和178～205年周期，基本與太陽活動的80年和178年周期相對應，這表明商洛地區旱澇災害的發生與其之間存在著一定的關聯。這對商洛地區制定相關的防災減災措施等具有重要的借鑒意義。

關鍵詞：商洛；旱澇災害；規律分析；小波分析

自然災害具有種類多、分布廣、頻率高、危害大、損失重等特點，一直以來都對我國社會經濟等各個方面的發展造成了巨大的影響。其中，在眾多自然災害類型中，旱澇災害屬于發生頻率最高、危害最大的自然災害[1]，它嚴重地威脅著人類的生存和發展。旱澇災害的頻繁發生引起了學者們的廣泛關注，因此對旱澇災害發生規律的研究成為災害學、地理學的熱點問題之一[2]。陳穎等[3]對北京地區明清時期的干旱災害與氣候事件的研究表明：北京地區的干旱氣候事件發生頻率從明代到清代呈現下降趨勢。呂曉虎等[4]對涇河流域的干旱災害等相關方面的研究表明：涇河流域在明朝時期干旱經常發生，平均每2.5年就會發生1次，并經研究發現該地區這一時期旱災的發生與降水量的變化之間有著重要的聯系。朱亞芬[5]在研究中國東部及北方的旱澇災害變化時，提出了1470年以后，我國北方的旱澇災害變化情況在不同地區和不同時期有著很大的差異。我國在水文氣象方面，有著非常豐富的相關歷史文獻資料，對于旱澇事件出現的季節、持續時間的長短、程度及范圍的大小等方面都有著相關的記載。竺可楨立足于2000多種有關旱澇情況記載的地方史志及其他歷史資料，在全國不同的地區建立了100多個站點，并根據不同站點6～9月的降水量，將旱澇災害劃分成5個不同的等級序列來區分旱澇情況,并以此為基礎編寫出版了《中國近五百年旱澇分布圖集》[6]。這一基礎性的工作為此類研究的后續發展提供了有利的條件。

本研究以歷史資料的記載為基礎，探討了商洛地區570年間旱澇災害發生的等級和時間階段變化規律，并利用小波分析的方法來探究該地區旱澇災害在時間上的變化規律，以便為今后該地區在此類災害研究上做出科學、有效的預測和防治提供了一定的參考。

1資料與等級劃分

1.1研究區域概況

商洛市位于陜西省東南部，秦嶺南麓，與鄂、豫兩省交界[7]。地理坐標大概位于東經108°～111°及北緯33°～34°之間。商洛市東至南陽盆地，西鄰古都西安，其東西長229 km；北接八百里秦川，南到江漢平原，其南北寬138 km，另外，商洛市包括六縣一區(圖1)，全區總面積為19292 km2。商洛市界于長江與黃河兩大流域之間的位置，其氣候為暖溫帶半濕潤氣候，年平均氣溫為7.8～13.9 ℃左右，年平均降水量在710～930 mm之間，且該地區的降水主要集中在6～9月份，并具有多暴雨且集中的特點。商洛地區氣候季風性較強，水熱變化較大，氣象災害頻發[8]。

圖1　商洛地區行政區劃圖

1.2資料來源

本文共收集歸納了《中國氣象災害大典(陜西卷)》[9]、《陜西歷史自然災害簡要紀實》[10]、《中國氣象三千年記錄總集》[11]、《商洛地理志》[12]、《商洛市志》[13]等史料中有關商洛地區旱澇災害記載的資料，再結合《中國近五百年來旱澇分布圖集》[7]，整理并得到商洛地區1430～2000年共570年較完整的旱澇災害情況資料。

1.3等級劃分

首先，依據《中國近五百年旱澇分布圖集》的旱澇災害等級劃分方法，結合商洛地區1430～1959年旱澇災害歷史文獻的文字描述，對該地區旱澇災害加以評定后，具體劃分為5個等級(表1)。然后，對于1960年以后的旱澇災害等級，則主要根據商洛等地年降水量值確定旱澇等級[11](表2)。

表1　商洛地區1430～1959年旱澇災害等級劃分

2研究方法

2.1滑動平均分析

滑動平均法是一種數據的處理方法，它是把動態數據進行平滑和濾波的處理，這樣就可以在一定程度上抑制隨機誤差的產生，從而使數據結構更為精確。根據旱澇災害序列長度，從第2項起，求其11年的滑動平均值，然后按時間順序逐次推進，每推進一次，就將相鄰的前一項舍去，同時把后續的相鄰一項加上，再計算，以此類推，得到一個新的時間序列，并以此為基礎作出相應的曲線。對商洛地區570年旱澇災害序列進行滑動平均處理，可以更好地反映出其變化趨勢。具體計算公式為：

Ft=(At-1+At+At+1+…+At+10)/11

(1)

式(1)中：Ft為滑動平均值；At-1～At+10為實際值。

表2　商洛地區1960～2000年旱澇災害等級劃分

2.2累積距平分析

距平是指某一系列數值中的其中一個特定的數值與整個系列數值平均值的差值，而將其依次累積計算的值即為累積距平。這種分析方法是一種簡單而時效的直觀方法，主要用來進行時間序列變化趨勢的判斷，經常被用于氣候與水文分析的時間尺度序列的變化趨勢規律分析，其公式為：

Ft=(A1+A2+…+At)-(A1+A2+…+At)/t

(2)

式(2)中：Ft為累積距平；A1～At為實際值。

2.3小波分析

小波分析是指基于傅里葉分析并由此發展起來的一種有效的信號處理與分析方法，它可以反映出時間序列的局部變化特征，并能夠表示出每一時刻在各時間尺度中的確切位置，這樣就可以更好地進行序列隨時間的變化規律的分析，也能夠更好地反映出序列多時間尺度的變化特征。所以此方法目前被廣泛地應用于氣象和水文序列的周期性變化研究中。通過對商洛地區旱澇災害的小波變換處理，可以更好地分析出不同時間尺度旱澇災害發生的頻率及其變化趨勢。小波方差反映了波動的能量隨尺度的分布，可以客觀而有效地確定一個待分析序列中存在的主要周期，方差的峰值處所對應的尺度即為該序列的主要周期尺度[14]。

3結果與分析

3.1旱澇災害等級分析

從商洛地區旱澇災害等級序列圖可以看出(圖2)：商洛地區1430～2000年，旱澇災害發生頻繁，大旱、旱災、偏澇、澇災等嚴重災害多發并且交替發生。特別是1430～1640年以旱災為主，1800～1920年的澇災頻繁發生且持續時間較長。此外，大旱之后必有澇災，大澇之后必有旱災，如此交替發生，比如1480～1530年、1620～1680年、1690～1720年等連年大旱之后發生了非常嚴重的澇災。另外，從整體的時間序列圖看，在這570年內，商洛地區主要以旱災為主。

圖2　商洛地區1430～2000年旱澇災害等級序列圖

從商洛地區1430～2000年旱澇災害發生頻次可以看出(表3)，商洛地區在近570年間，發生旱澇災害的年份共有340年，約占研究年限總時長的59.6%，平均每1.68年發生1次旱災或澇災。其中發生澇災的年份共154年，約占總研究年份的27.0%，平均每3.70年發生1次；發生旱災的年份共有186年，約占總研究年份的32.6%，平均大概每3.07年發生1次。就這570年旱澇災害的變化情況來看，旱災與澇災相比，發生較為頻繁。這與上述旱澇災害等級序列圖(圖2)的分析結果一致。總體來說，商洛地區旱澇災害具有多發性、多旱災的特點。

3.211年滑動平均以及累積距平分析

對商洛地區1430～2000年旱澇災害等級滑動平均曲線分析可知(圖3)：近570年間，旱澇災害的發生大致可以分為3個主要階段：1430～1640年主要以旱災為主，旱災發生頻繁，并且大旱、連旱情況嚴重，在這一時期內，旱災的強度和影響遠遠大于澇災；1640～1920年，旱災強度有明顯的減弱趨勢，澇災則有加強的趨勢，出現了明顯的旱澇交替現象，總體上處于旱澇災害相對均衡的一個狀態；1920～2000年，澇災相對于旱災有明顯加強，并且在強度和頻率上都遠遠超過旱災。

對商洛地區1430～2000年旱澇災害等級進行累積距平分析可知(圖3)：商洛地區近570年間，從1430年起，累積距平曲線一直呈上升趨勢，說明這一時期商洛地區以連旱、大旱為主；到1640年呈下降趨勢，雖然幅度小，但波動比較激烈，說明這段時期內，商洛地區受旱澇災害交替的影響；一直到1920年，然后1920～1930年曲線以下降趨勢為主，說明這一時期商洛地區的偏澇、澇災持續且影響較大；1930年出現略微的上升，是由澇災向旱災發展。另外，除了1640年、1810年及1930年出現明顯的拐點外，還有1530年、1590年、1920年左右也有明顯的突變。這些突變年又將商洛地區570年旱澇災害的發生序列分成了7個旱澇階段，即1430～1530年為旱災相對較強時期、1530～1590年則為澇災相對偏強時期、1590～1640年又為旱災相對較強時期、1640～1810年澇災相對偏強時期、1810～1920年旱災相對較強時期、1920～1930年為明顯澇災嚴重時期、1920年以后又出現旱災相對較強的一個趨勢。由此可知，商洛地區域1430～2000年這570年間旱澇災害發生具有明顯的階段性特征。

圖3　商洛地區1430～2000年旱澇災害滑動平均與累積距平圖

類型頻次所占比例/%澇災15427.0正常23040.4旱災18632.6

據朱亞芬[5]對中國東部及北方旱澇演變相關方面的研究表明：在16～17世紀上半葉，中國北方干旱時常發生且影響嚴重、損失較大，其中以東北南部、黃淮及河套地區尤甚，這些地區都曾多次出現長時間、大面積的嚴重性干旱。而后在18～19世紀這一時期，河套地區的旱澇災害呈現交替發生的狀態，并且其相應的變化幅度呈遲緩趨勢。李艷芳[15]、郭瑞[2]等對關中地區洪澇災害的相關研究也表明，大概從19世紀末開始，關中大部分地區都處于澇災高發時期，其降水量呈普遍上升的趨勢，從而導致涇洛渭河的水災也發生頻繁。楊凌等[1]對千河流域近570年旱澇災害的研究也表明：洛渭河流域在1470～2009年期間旱澇災害具有明顯的多發性、階段性和周期性特征，并且在570年間主要以旱災為主。同時，趙景波等[16-17]對明代陜南地區旱災及洪澇時空特征的分析表明：陜南在明朝時期多旱災，而且因地形差異，導致該時期的旱災主要集中在商洛地區，漢中地區則比較少見。這些研究結果與商洛地區這570年旱澇災害的變化特征有著很大的相似性，這對于今后進一步研究商洛地區的旱澇災害變化規律、及時對該地區做好相應的防災減災有著非常重要的借鑒意義。

3.3小波分析

利用DPS數據處理系統軟件對商洛地區570年的等級序列進行小波分析，得到Morlet小波變換與小波方差圖，并據此進行了旱澇災害周期性分析。

3.3.1小波方差由小波方差曲線圖可以看出(圖4)，商洛地區570年旱澇災害序列具有5個明顯周期，分別是178～205年的主周期以及77～89年周期，275～300年周期，335～350年周期和440～463年周期。其中，主周期178～215年大致與西北地區168年旱澇災害變化的周期以及千河流域旱澇災害的主周期177～185年相對應。另外，徐振韜等[18]研究表明，太陽活動的平均周期大約為5.5年、11年、22年、80年及178年，而商洛地區旱澇災害變化的77～89年和178～215年周期大致上與80年和178年周期相對應，這說明商洛地區旱澇災害的發生與太陽活動存在著一定的相關性。

3.3.2小波變換圖為了方便進行旱澇災害規律以及周期性分析，在商洛地區570年旱澇指數Morlet小波變化圖中(圖5)，偏旱用實線來表示，且為正值；而虛線則表示偏澇，即為零值和負值。可以看出，在各時間尺度上，小波系數都表現出虛實線交替的特征。其中，在275～290年周期的時間尺度上，虛實線交替最為明顯：1430～1450年左右為虛線，偏澇；1450～1530年為實線，即偏旱；1530～1640偏澇，即虛線，1640～1710年為實線，即偏旱；1710～1780年為偏澇，為虛線；1780～1810年實線，即偏旱，1810～1930年為虛線，即偏澇；而1930年以后以實線為主，即為偏旱。在這一特定的時間尺度上，該地區旱澇災害的階段性、周期性變化與累積距平分析的結果大致相同。由此可見，商洛地區1430～2000年570年的旱澇災害具有階段性和周期性特征，并且基本可以劃分7個不同的旱澇階段。

圖4　商洛地區旱澇指數小波方差曲線圖

在這7個階段中，1450～1530年和1640～1710年左右的偏旱時期同竺可楨先生提出的寒冷冬季時期大致吻合，這表明商洛地區旱澇災害的發生與氣候冷暖變化具有一定的關系。另外，朱亞芬[5]認為，西北區16～17世紀中期，極端干旱頻繁發生，而到17世紀后期旱災的發生頻率明顯下降。馬莉等[17]也提出，明代時期陜南地區多發生旱災，這些規律性在商洛地區都有所體現，這說明商洛地區旱澇災害的變化趨勢與氣候及其地域獨特的背景具有一定的相關性。

圖5　商洛地區1430～2000年旱澇指數

4結論

(1)商洛地區旱澇災害發生頻繁。商洛地區近570年，發生旱澇災害的年份有340年，約占研究年限總時長的59.6%，平均每1.68年發生1次旱災或澇災。其中發生澇災的年份共154年，約占總研究年份的27.0%，平均每3.70年發生1次；發生旱災的年份共有186年，約占總研究年份的32.6%，平均大概每3.07年發生1次。因此，與澇災相對比，在這一歷史時期，商洛地區的旱災相對嚴重，并且大旱、連旱災害發生頻繁。

(2)運用11年滑動平均和累積距平法對商洛1430～2000年旱澇災害析表明，商洛地區旱澇災害可明顯分為3個階段：1430～1640年為旱災嚴重階段、1640～1920年為旱澇相對均衡階段、1920～2000年為澇災頻發階段。在此基礎上，又可分為7個明顯的偏旱或偏澇時期，說明商洛地區的旱澇災害具有明顯的階段性特征。

(3)通過小波分析表明，商洛地區近570年來的旱澇災害具有明顯的周期性變化特征。它的主周期為275～290年，而且，其77～89年和178～205年周期基本上大致與太陽活動的80年和178年周期相對應，這說明太陽活動對商洛地區旱澇災害的發生及其變化有著一定的影響。

參考文獻：

[1] 楊凌,查小春.千河流域近540a來旱澇災害變化規律研究[J].干旱區地理,2012,35(1):133-138.

[2] 郭瑞,査小春.涇河流域1470～1979年旱澇災害變化規律分析[J].陜西師范大學學報：自然科學版,2009,37(3):90-95.

[3] 陳穎,趙景波.京地區明代、清代干旱災害與氣候事件研究[J].干旱區資源與環境,2011,25(9):176-182.

[4] 呂曉虎,趙景波.涇河流域明代干旱災害與成因研究[J].干旱區資源與環境,2009,23(12):87-93.

[5] 朱亞芬.530年來中國東部旱澇分區及北方旱澇演變[J].地理學報,2003,58(1):100-107.

[6] 中央氣象局氣象科學研究院.中國近五百年旱澇分布圖集[M].北京:地圖出版社,1981.

[7] 鄧淑紅,魏鳳.基于GM(1,1)模型的商洛物流需求預測[J].江西農業學報,2010,22(2):187-189.

[8] 孫丕苓,楊海娟,劉慶果.南水北調重要水源地的土地生態安全動態研究：以陜西省商洛市為例[J].自然資源學報,2012,9(27):1520-1530.

[9] 溫克剛.中國氣象災害大典(陜西卷)[M].北京:氣象出版社,2005:14-87.

[10] 陜西歷史自然災害簡要紀實編委會.陜西歷史自然災害簡要紀實[M].北京:氣象出版社,2002.

[11] 張德二.中國三千年氣象記錄總集[M].南京:鳳凰出版社,2004:622-3624.

[12] 商洛地方編纂委員會.商洛地理志[M].西安:陜西人民出版社,1993:118-122.

[13] 商洛地方編纂委員會.商洛市志[M].西安:陜西人民出版社,1993.

[14] 王禹,楊明義,劉普靈.典型黑土直型坡耕地土壤侵蝕強度的小波分析[J].核農學報,2010,24(1):98-103.

[15] 李艷芳,趙景波.近200年來關中地區洪澇災害研究[J].干旱區資源與環境,2008,22(4):96-99.

[16] 趙景波,馬莉.明代陜南地區洪澇災害研究[J].地球科學與環境學報,2009,31(2):207-211.

[17] 馬莉,趙景波.明代陜南地區旱災時空特征分析[J].干旱區資源與環境,2009,23(4):115-119.

[18] 徐振韜,蔣窈窕.中國古代太陽黑子研究與現代應用[M].南京:南京大學出版社,1990.

(責任編輯：曾小軍)

Analysis of Change Law of Drought and Flood Disasters from 1430 to 2000 in Shangluo

LI Xiao-gang, LI Min

(College of Urban, Rural Planning and Architectural Engineering, Shangluo University, Shangluo 726000, China)

Abstract：Collecting and classifying the data about drought and flood disasters in Shangluo from 1430 to 2000, and using methods of moving average, accumulative anomaly and wavelet analysis, analyzed the change law of drought and flood disasters in the recent 570 years. The results showed that the occurrence years of droughts and floods were 340, accounting for 59.6%, the average occurred droughts and floods once every 1.68 years in nearly 570 years of Shangluo, droughts and floods occurred frequently in Shangluo. which could be divided into three stages in nearly 570 years of Shangluo, From 1430 to 1640, were partial drought periods, from 1640 to 1920, were comparable balance periods, from 1920 to 2000, were more flooding periods, which could further divide them into seven drought-partial or flood-partial periods. Existed obvious periodic droughts and floods regulation in Shangluo, its main period was about 175～205 years, and existed 77 to 89 years cycle and 178 to 205 years cycle, roughly 80 years and 178 years cycle of solar activity phase correspondence, showed that there existed a certain correlation between the occurrence of drought and flood disasters with the action of the sun. Which had important practical significance for the development of disaster prevention and mitigation measures in Shangluo.

Key words：Shangluo; Droughts and floods; Law analysis; Wavelet analysis

中圖分類號：S761.1

文獻標志碼：A

文章編號：1001-8581(2016)02-0101-05

作者簡介：李曉剛(1983─)，男，山西呂梁人，講師，博士，主要研究方向為環境變遷。

基金項目：國家級大學生創新創業訓練計劃項目(201411396001)；陜西省教育廳科學研究項目(15JK1224)；陜西省商洛市科技計劃項目(SK2014-01-05)；商洛學院科研項目服務地方專項資助項目(12SKY-FWDF009)。

收稿日期：2015-08-04