渭河流域百年尺度水旱特征及其影響因素

胡浩楠， 劉引鴿,2， 馬 凱

(1.寶雞文理學院 地理與環境學院, 陜西 寶雞 721013; 2.陜西省災害監測與機理模擬重點實驗室, 陜西 寶雞 721013)

作為國際氣候變率與可預報性計劃的重要內容[1]，歷史氣候成為越來越多學者研究的焦點。在全球氣候變化速度加快的背景下，我國旱澇災害發生次數顯著上升，對區域水資源和經濟發展產生重大影響。我國關于歷史氣候，降水及旱澇災害的史料及檔案記載較為豐富，學者利用歷史資料建立災害序列重建歷史氣候已取得一定進展[2-7]，為認識歷史時期氣候變化下的旱澇災害規律，時空特征等提供了重要借鑒。但前人的研究大多集中于我國大尺度研究或東部季風區研究，對渭河流域在百年尺度氣候變化下極端氣象災害及其水文影響的研究甚少。為此，本文在前人研究基礎上，通過對1800—2017年渭河洪澇災害的統計，重建近200 a來渭河旱澇序列，探索歷史時期渭河旱澇時空變化特征，分析災害發生的周期規律，從太陽活動、ENSO和降水等方面對可能引起旱澇災害的原因進行探究，對區域水資源規劃管理、生態環境建設與保持、氣候預估及防災減災工作的開展具有重要意義。

1 數據來源及研究方法

1.1 數據來源

考慮到歷史資料保存的完整性，以及地理環境和氣候特點，基于空間分布的勻稱性，選取渭河干流流域具有代表性的50個縣作為研究區域，選取的縣區均距渭河干流100 km以內，包括咸河、散渡河、牛頭河、千河、漆水河、黑河、灞河、涇河、洛河等25條支流流域，較完整的涵蓋干流上中下游，因此具有代表性，可體現該流域的旱澇特征，收集文獻中關于旱澇災害的記載(如洪水泛濫、河流干涸糧價飛漲等)。歷史資料源自《陜西歷史自然災害簡要紀實》《陜西省志水利志》《鳳翔縣志》《隴縣志》《中國氣象災害大典·陜西卷》《中國氣象災害大典·甘肅卷》《西北災荒史》《中國三千年氣象記錄總集》，21世紀以來的旱澇情況從當年的氣候影響評價、氣候公報和氣象觀測資料中獲得。ENSO(厄爾尼諾—南方濤動)指數資料提取自文獻[8]及網絡https:∥Origin.cpc.ncep.noaa.gov/products/analysis_monitoring/ensostuff/ONI_v5.php，太陽黑子資料源自網絡http:∥sidc.oma.be/index.php。

1.2 研究方法

依據《氣象干旱等級(GB/T20481-2006)》《氣象災情收集上報調查和評估試行規定》《中華人民共和國共和國水利行業標準：洪澇災情評估標準(SL579-2012)》，借鑒標準化降水指標SPI[9-10]，將歷史文獻記載的定性資料轉化為定量的旱澇等級數據，重建旱澇等級序列，在界定災害等級時，結合渭河沿岸地區實際情況，采用典型用語，指定滿足條件，使用7級劃分法對旱澇等級序列進行重建，1至7級分別代表大澇、輕澇、微澇、正常、微旱、輕旱、大旱，并計算災害指數，具體過程見參考文獻[11]。

小波分析具有時頻多分辨功能的特點，采用此方法判斷旱澇在時間序列上的變化周期。滑動t檢驗通過對兩組數列平均值是否存在顯著差異來判別是否存在突變，采用此方法檢測旱澇突變。運用Origin，Matlab，DPS，ArcGIS等軟件對數據進行處理，分析渭河流域的旱澇變化特征。

2 結果分析

2.1 旱災與澇災的時間變化特征

根據以上方法建立的渭河旱澇災害等級序列，為驗證所建立災害序列的有效性，將所建立的災害序列與中央氣象局氣象科學研究院主編的《中國近500年旱澇分布圖集》[12]做5 a滑動平均對比(圖略)，此圖集因能反映中國過去500 a的干濕狀況而被廣泛使用。對比發現兩曲線的走勢有較好一致性，表明所建立的旱澇序列比較符合實際情況。通過對旱災和澇災進行統計(圖1)。發現19世紀的前50 a未發生大澇災害，大旱的災害出現了3次，輕澇4次，輕旱2次。19世紀的后50 a，大澇災害僅出現了1次，大旱出現4次，輕澇2次，輕旱3次。20世紀的前50 a大澇出現多達8次，大旱出現了5次，輕澇出現4次，輕旱出現了8次。20世紀的后50 a中，大澇出現4次，而大旱出現了9次，輕澇4次，輕旱11次。2000年后至今，大澇出現2次，大旱5次，輕澇3次，輕旱2次。近200 a以來，大澇共出現頻率為8%，大旱出現頻率為14%，輕澇出現頻率11%，輕旱出現頻率16%。

圖1 渭河流域旱澇序列頻率

依據《中國近500年旱澇分布圖集》和流域內站點資料的齊全程度，發現渭源、天水、寶雞、咸陽、西安、銅川、渭南均位于渭河干流沿岸且在研究區內分布較為均勻，具有代表性，為了探究極端旱澇及其特殊性，選取這7個站作為流域的典型站點進行分析。統計發現，圖集中各站點大旱災發生次數至少在4次以上，近200 a來大旱災出現最多的站點是渭南，出現8次，大旱災出現最少的是渭源，僅出現了4次，其中，1993—1995年各大站點都發生連續大旱事件，1994—1996年天水連續3 a發生大旱事件。旱災中以1929年陜西大旱年為代表，此次旱災致25萬人死亡，40余萬人出逃，持續3 a。各站點大澇年份至少出現過2次，近200 a來大澇出現最多的站點是寶雞站，出現7次，大澇出現最少的是銅川，僅出現2次，其中1983—1984年，渭南、寶雞和西安連續大澇，2003年渭南出現大澇，2009—2010年西安和渭南發生連續大澇，這些站也基本分布在渭河中下游。澇災以2003年渭河洪災為代表，共56萬人受災，37萬余人被迫遷移，直接經濟損失23億元。

2.2 旱災與澇災空間變化特征

由于統計結果為縣級，史料缺少更低行政級別的記載，且限于地形因素，秦嶺一側的站點較少，空間分辨率相對較低，需要將縣級災害指數空間插值到整個研究區(圖2)。指數值越高表明越旱，反之亦然。可見渭河上游呈現由澇轉旱再轉澇的趨勢，上游在1851—1900年期間以旱災為主，之后逐漸向澇災轉變，1951—2000年主要是澇災。中游由澇轉旱的趨勢不明顯，下游在前1800—1900年以澇災為主，在1900年后澇災減少，旱災有增多趨勢。將旱災、澇災指數分別插值(圖3)，更能明顯的看出旱、澇的空間分布特點。圖3顯示，200 a來輕旱基本發生于渭河上游，大旱在渭河中游頻發，下游為輕旱大旱交替發生。澇災以渭河上游和下游較為顯著，中游基本以輕澇為主，大澇發生較少。前100 a上游以旱為主，下游以澇為主，后100 a上游以澇為主，下游以旱為主，中游旱澇波動幅度較小。

總體上來看渭河旱澇各段差異明顯。渭河屬于大陸性季風氣候，受西太平洋副熱帶高壓或蒙古高壓的控制，屬于旱澇異常的敏感區域，水旱災害頻發。渭河流域旱澇災害的演進過程與渭河流域的氣候條件和人類活動密不可分。旱澇災害多發地區人口稠密，人類活動的加劇，使得人地矛盾突出，人地關系緊張，致使河流生態環境較為脆弱，為旱澇災害的發生提供了條件。

2.3 旱災與澇災周期及突變特征

運用MATLAB分別對上中下游旱澇序列進行小波分析(圖4)。由小波實部圖可見，渭河上游存在5～8 a，18～20 a和49～50 a較為明顯的旱澇周期，在18 a左右的周期震蕩最強，為第一主周期，第二主周期50 a，第三主周期8 a。中游存在8～10 a，47～49 a，60～63 a較為明顯的旱澇周期，在62 a左右的周期震蕩最強，為第一主周期，第二主周期49 a，第三主周期9 a。下游存在10～11 a，19～21 a，38～40 a較為明顯的旱澇周期，在10 a左右的周期震蕩最強，為第一主周期，第二主周期39 a，第三主周期20 a。整體來看，渭河大多正負值中心均分布于60 a頻域以下，說明渭河水旱災害周期變化中小周期明顯，且水旱災害交替出現。

圖2 渭河旱澇災害空間分布

氣候突變是氣候系統由穩定形態向另一種氣候狀態的變化，是氣候性質非線性的一種表現[13]，分析渭河旱澇突變對旱澇長期變化關系的研究和預測未來旱澇趨勢有重要作用。使用DPS數據處理系統按上中下游對近200 a來渭河流域地區水旱災害數據進行滑動t檢驗，達到95%置信水平以上，以分析渭河流域旱澇突變特征。由圖5可以看出，上游的滑動t檢驗顯示，近200 a以來，渭河上游存在9個突變點，分別是1880，1881，1882，1889，1890，1891，1924，1938和1999年，共有5個突變年代。中游(圖5)存在6個突變點，分別為1837，1913，1914，1915，1920和1931年，共有4個突變年代。下游存在8個突變點，分別為1825，1881，1902，1916，1917，1918，1919和1930年，共有5個突變年代。綜合上中下游，發現1880，1914，1932年前后都發生過突變，有很高的繼承性，其中1880年前后表現為由旱轉澇，1914年前后為由澇轉旱，1932年前后為由旱轉澇。這些突變的發生可能與氣候環境變化密切相關。

圖3 近200 a來渭河干旱、洪澇空間分布

2.4 旱澇階段性和季節性特征

根據計算的旱澇指數，以旱災平均指數(4.75)和澇災平均指數(3.22)為基準線，分別繪制渭河旱災、澇災年代指數圖(圖6)，無災值為4，若某年的災害指數離4越遠，則該年災害程度越強。可以看出，19世紀前，旱災指數多在澇災平均指數值3.225以上。而該時期旱災基本也是圍繞旱災平均指數值4.752小幅波動，說明19世紀旱澇災害雖均有發生，但強度較小。自19世紀末開始，渭河沿岸地區呈現澇災頻繁，這是因為近200年來整個關中地區處于澇災頻繁發生區，降水量普遍增加，涇洛河澇災頻繁發生導致。進入20世紀，兩曲線波動幅度逐漸劇烈，旱澇災害強度隨年代逐漸增加，可見在近200 a來渭河流域旱災和澇災都具有明顯的階段性特征。

圖4 渭河流域旱澇序列小波實部及方差

圖5 渭河流域旱澇序列滑動t檢驗

圖6 渭河流域旱澇災害年代指數變化

通過對1800—2017年史料資料的收集和分析，統計得出有28 a的旱澇災害無季節記載，有177 a明確記載著旱澇災發生年份。近200 a來，渭河流域旱澇災害在冬季極少發生，多發生在夏季，澇災發生年數有55 a，干旱發生年數有59 a，秋、春二季發生旱澇的年數較為適中。發生頻次由低到高分別為：冬<春<秋<夏，連澇主要集中在夏秋兩季，連旱多發生在春夏秋三季，四季均有旱災的發生的情況有2次。季風氣候的波動與旱澇的季節分布特征聯系密切，渭河流域位于西北地區東部邊緣地區，是季風氣候向大陸氣候過渡地帶，夏季旱澇災害發生較多主要受夏季風變化的影響。在溫帶大陸氣團的作用下，冬季氣溫較低且較為干燥，不易發生洪澇災害。夏、冬季風交替的過渡期為秋、春季，使得春季溫度上升快，降雨量下降，秋季降溫迅速，陰雨連綿，致使關中地區成為我國秋季連陰雨發生頻次較高的地區之一。

3 影響旱澇的因素

3.1 南方濤動與渭河旱澇的關系

許多研究對中國年西北地區的站點的古降水重建時均發現有來自ENSO的影響[14-17]，同時，ENSO也被認為是引起中國水文氣候變化的一個非常重要的因素[18]，為此，討論了渭河旱澇與ENSO之間的關系及其全球變暖背景下的相關影響。

使用小波變換研究1867年以來渭河流域旱澇與ENSO之間的關系(圖略)，發現渭河旱澇序列存在10～20 a短周期和80 a長周期，旱澇交替發生，ENSO序列存在10 a和30 a的中短周期震蕩和80 a的長周期，且間歇性發生，表明兩個序列之間存在有顯著的相關性。為進一步研究二者之間的關系，計算ENSO指數與渭河旱澇序列的滑動相關系數，并與ENSO指數的131 a方差對比(圖7)，可以看出滑動相關系數與ENSO方差下降的一致性。滑動相關系數可進一步說明旱澇序列與ENSO相關關系的年代際變化特征[19]。這些表明ENSO與渭河旱澇之間有一定的遙相關機制，即渭河旱澇的發生受到周期性的ENSO影響。一般認為ENSO與中國西北地區的干旱異常相聯系。赤道東太平洋的海水表面溫度受厄爾尼諾現象而上升，經向溫度梯度變大，哈德來環流增強，導致西太平洋副熱帶高壓強度增大，從而影響中國西北地區降水[20]，而且ENSO對泛太平洋地區水文和氣候的影響隨著ENSO的加劇而增大，反之亦然[21]。

注：a旱澇序列與ENSO指數的滑動相關系數；b ENSO指數小波方差灰色垂直陰影表示滑動相關系數與ENSO方差下降的一致性。

圖7 ENSO與渭河旱澇的遙相關機制

3.2 太陽黑子與渭河旱澇的關系

圖8為渭河流域的旱澇指數與太陽黑子的相關性，整體來看，太陽黑子數和渭河旱澇指數表現為正相關，太陽黑子數越大旱澇指數越大，表示干旱發生可能性越大，反之亦然。在太陽黑子達到峰值時，旱澇指數呈現2～3 a的滯后期達到峰值。如1848，1859，1870，1893，1928，1957和1979年等為太陽黑子峰值年，而1850，1861，1871，1895，1931，1960和1982年為旱澇指數的峰值年。統計發現，自1800年始，太陽黑子19次達到谷值，20次達到峰值，在谷值的前后3 a內共發生災害36次，其中澇災13次，重度澇災4次，中度澇災7次。在太陽黑子峰值前后3 a中共發生災害33次，其中旱災發生21次，其中重度旱災4次，中度旱災10次。由此可推斷，在太陽黑子達到谷值時渭河流域出現災害頻次較多，更應該注意防災減災。

3.3 降水與渭河旱澇的關系

為了確定渭河旱澇變化與降水時間序列是否有周期的相關性，選取渭河干流具有代表性的天水，寶雞，咸陽，西安，渭南5個站自1960年以來的降水數據，與其對應的旱澇序列做小波方差對比(圖9)，曲線的每個峰值表面對應所在尺度下有顯著周期[22]。由圖可見，天水站的旱澇方差峰值出現在7 a，22 a，28 a，而其降水方差峰值出現在4 a，7 a，12 a，19 a，表明天水的旱澇序列與降水序列在7 a左右的周期下變化趨勢相同。寶雞站的旱澇方差最高峰值出現在12 a，故其第一主周期為12 a，寶雞站降水方差最高峰值也在12 a出現，表明寶雞站旱澇序列與時間序列的第一主周期變化趨勢相同。咸陽站的旱澇方差峰值出現在5 a，11 a，29 a，而其降水方差峰值出現在7 a，11 a，24 a，表明咸陽的旱澇序列與降水序列在11 a左右的周期下變化趨勢相同。西安站的旱澇方差峰值出現在7 a，11～12 a，30 a，而其降水方差峰值出現在7 a，11～12 a，23～24 a，表明西安的旱澇序列與降水序列在7 a，11～12 a左右的周期即第二、第三主周期下變化趨勢相同。渭南站出現多個旱澇方差峰值，但與其降水方差峰值重合的只有7 a和15 a，表明渭南的旱澇序列與降水序列在7 a與15 a左右的周期下變化趨勢相同。總的來說各站點的旱澇周期與其對應降水序列的周期變化趨勢有重合，尤其存在7 a，11～12 a左右顯著周期的重合，表明了降水與旱澇在短周期上存在一致性，但并不完全相同，這可能是由于旱澇變化受多種因素影響的結果[23-24]，降水也是重要原因之一。

圖8 近200 a來太陽黑子與渭河旱澇指數的相關性

圖9 渭河流域各站點旱澇序列方差與年降水方差

4 結 論

(1) 近200 a以來，渭河流域旱澇災害出現頻率最高的為輕旱，出現頻率最低的為大澇，以渭源、天水、寶雞、咸陽、西安、銅川、渭南為典型，大旱均發生4次以上，大澇至少出現2次。在空間上，前100 a上游以旱為主，下游以澇為主，后100 a則相反，中游旱澇變化波動較小。上游旱澇變化第一主周期為18 a，中游62 a，下游10 a，檢驗發現上中下游分別存在9個、6個和8個突變點，1880(由旱轉澇)，1914(由澇轉旱)，1932(由旱轉澇)年前后均發生突變，有很高的繼承性，這些突變的發生可能與氣候環境變化密切相關。

(2) 影響渭河旱澇的因素是多方面的。ENSO周期與渭河旱澇周期的關聯性表明，渭河旱澇與ENSO具有遙相關機制，與太陽黑子也有密切的相關性，太陽黑子谷值更應注意預防旱澇。降水與渭河旱澇存在7 a，11～12 a左右顯著周期的重合，表明了降水與旱澇在短周期上存在一致性，降水是影響旱澇的重要因素之一。由于人口急劇增加，為了減少耕地競爭，渭河流域沿岸圍河造田，致使生態環境脆弱，河流自凈能力下降，水土流失嚴重，也為旱澇災害的發生提供了條件。未來需要結合人類活動及其響應，對渭河流域旱澇進一步研究。