在气候持续变暖趋势下，旱灾、洪灾等气候灾害事件趋多趋强，对区域粮食生产、供水安全、生态环境建设等产生重要影响［1-2］。陕西黄土高原地区北接风沙高原区，南连关中平原区，以黄土地貌为主，中部和南部分别属于黄土丘陵沟壑区和黄土塬沟壑区，区内塬、梁、峁等地貌发育典型［3-4］。陕西黄土高原中南部地区位于东亚夏季风和中纬度西风的耦合区，表现为以半干旱为主的大陆性季风气候，既是我国气候敏感地带又是关键生态脆弱区，对全球气候变化的响应较为突出［3-5］。该区降水量主要集中在夏、秋2季，洪涝灾害受降水量的影响具有明显的季节分布特征［3-4，6］。受夏季副热带高压的西伸北抬与西风带的低值系统共同作用影响，陕西黄土高原中部地区易出现范围较广的暴雨和严重的洪涝灾害［3，6］。7月下旬至8月，副热带高压进一步北抬，在海上生成的台风或热带低压沿副高南侧西进，受台风外围暖湿气流与东风波的影响，陕西黄土高原南部出现暴雨与洪涝灾害［3，6］。秋季连阴雨过程主要出现在9和10月，因常伴有暴雨天气，导致陕西黄土高原中南部地区出现暴雨与洪涝灾害［3，7］。该区洪涝灾害具有突发性强、发生频次较高、可造成较大经济损失的特点［2，8］，洪水加剧了水土流失和生态环境恶化，影响整个黄土高原地区社会经济的健康发展［3，8］，故针对该区洪涝灾害的相关研究对黄土高原地区防灾减灾和生态建设具有一定的现实意义［1-2，8］。
已有对陕西黄土高原历史时期洪涝灾害方面的研究多从子流域入手，以历史文献或古洪水沉积物为依据，结合趋势分析法、经验正交函数（empirical orthogonal function，EOF）及旋转经验正交函数（rotated empirical orthogonal function，REOF）等分析方法，研究洪涝灾害的等级、空间分布、大洪水流量及其气候特征［9-13］，这些成果为理解气候变化对洪灾的影响提供了借鉴素材。然而，迄今为止对于陕西黄土高原中南部地区等黄土地貌发育较为典型的地理单元的洪灾研究，以及洪灾对气候变化响应的探讨较为少见。清代历史档案中含有高分辨率的、与环境变化相关的时间记载，其对该时期气候研究具有重要的参考价值［14-15］。本文根据清代丰富的历史文献资料记载，科学分析清代陕西黄土高原中南部地区洪涝灾害的时间分布、空间分布及其气候特征，采用交叉小波变换将建立的洪涝灾害等级序列与厄尔尼诺事件序列、太阳黑子数序列进行对比分析，探究相关致灾因子，可为黄土高原这一特殊区域历史时期的气候变化研究提供有益参考。
1 研究区概况
研究区位于陕西省黄土高原中南部地区，包括延安市（含2个市辖区、10个县、代管1个县级市），宝鸡市的陇县、千阳县、麟游县，咸阳市的永寿县、长武县、彬县、旬邑县、淳化县，渭南市的白水县、澄城县、合阳县、韩城市，铜川市的宜君县、印台区、王益区、耀州区，共22个县，5个市辖区，2个县级市。位于34°29′N~37°30′N，106°25′E~110°36′E，研究区面积约占陕西省总面积的1/3［3］。延安市属高原大陆性季风气候，年平均气温在7.7~10.6℃，暴雨天气主要出现在盛夏至初秋，年平均降水量为550 mm；延安南界以南大部分，属暖温带半湿润季风气候，相比延安市气候更加温和，暴雨天气主要出现在夏、秋2季，年平均气温为12~14℃，年平均降水量为500~700 mm［3-4］。
2 资料与研究方法
以现代汇编资料，包括《中国三千年气象记录总集》［16］、《西北灾荒史》［17］、《中国灾害通史 清代卷》 ［18］、《陕西历史自然灾害简要纪实》［19］ 、《中国气象灾害大典 陕西卷》 ［6］及地方志中对于陕西黄土高原中南部地区洪涝灾害的历史记载为依据，通过资料间的相互印证，确保灾害条目的准确性，最终统计得到研究区清代（1644—1912年）洪涝灾害相关记载124条，其中68条出自《中国三千年气象记录总集》［16］，54条出自《西北灾荒史》［17］，2条出自《中国气象灾害大典 陕西卷》［6］。1644—1912年，厄尔尼诺事件序列数据参照《近500年的厄尔尼诺事件》［20］，当年发生厄尔尼诺事件记为“1”，未发生则记为“0”。用太阳黑子数量化太阳活动，太阳黑子数序列来源于太阳影响数据分析中心（
表1 陕西黄土高原中南部地区清代洪涝灾害等级划分标准
Table1
| 洪涝等级 | 灾情 | 等级表示 |
|---|---|---|
| 轻度洪涝 | 受灾范围小，主要在局部地区发生，降水持续时间不长，没有出现对人们生产、生活产生较大影响的记载。如公元1659年洛川县，“六月初四日，大雨霖。” | 1 |
| 中度洪涝 | 局部地区受灾，降水持续时间较长，对人们生产、生活造成一定影响，如农田被淹没、庄稼受损、建筑损坏等，或因水灾额赋相应被减免的相关记载。如公元1701年延川县，“六月初四日，大水入城，冲漂北门。”公元1752年白水县，“秋九月，雨水伤禾。奉恩旨赈恤。” | 2 |
| 大 洪 涝 | 受灾范围较大，连续降水时间较长，一般为20~40 d，对人们生产、生活造成严重影响，如城垣倒塌，民居被淹没，或出现人畜伤亡的现象。如公元1821年富县，“秋七月，鄜州洛河暴涨，水没城墙而过，淹没官署民居。” | 3 |
| 特大洪涝 | 受灾范围几乎波及整个研究区域，降水持续时间更长，一般在50 d以上，强度更大，对人们生命和财产造成严重危害。如公元1662年淳化县，“六月，大雨至七月，凡六十日，全省皆然，泾渭涨溢，绝渡十日，淹没甚众。” | 4 |
3 结果与分析
3.1 清代洪涝灾害的时间分布特征
3.1.1 清代洪涝灾害发生频次的阶段性特征
洪涝灾害发生频次采用年次法进行统计，即不管洪涝灾害年内发生多地、多次均按1次记，并以最高等级为准［9-10］。从研究区清代124条洪灾记载中，筛选出84条，以10 a为单位统计各时间段洪涝灾害发生频次。为了进一步研究10 a尺度下洪涝灾害的变化趋势，对洪灾发生频次进行最小二乘法意义下的六次多项式拟合，将每10 a发生洪涝灾害的频次与其平均频次做差，得到距平值，结果如图1所示。总体来看，洪涝灾害发生频次呈波动增加趋势，从1881年开始洪涝灾害发生频次呈显著增加趋势。根据洪涝灾害随时间的变化特征，将研究区清代洪涝灾害划分为5个阶段。第1阶段（1644—1690年）、第3阶段（1801—1840年）、第5阶段（1881—1912年）分别平均2.76、2.35以及1.39 a发生1次洪涝灾害，这3个阶段洪涝灾害频发且连涝现象十分突出，共发生3年连涝4次，5年连涝1次，9年连涝1次；第2阶段（1691—1800年）和第4阶段（1841—1880年）分别平均6.11、4.44 a发生1次洪涝灾害，发生频次相对较低，第2阶段中1711—1720、1761—1770及1781—1790年有30 a未出现洪涝灾害相关记载。第1、3、5阶段3个洪涝灾害高频期的距平值以正值为主，第2、4阶段2个洪涝灾害低频期的距平值以负值为主。
图1
图1
研究区清代洪涝灾害每10年频次及距平值变化
Fig.1
10-year interval frequency variation and anomaly analysis of flood disasters in Qing dynasty in the study area
3.1.2 清代洪涝灾害等级序列
研究区清代洪涝灾害等级序列如图2所示。可知，中度洪涝和大洪涝出现频次最多，占总数的比例分别为52.38%、26.19%；轻度洪涝次之，占比为19.05%；特大洪涝最少，占比为2.38%。结合上文划分的5个阶段，轻度洪涝主要集中出现在1691—1800和1801—1840年；中度洪涝和大洪涝除在1841—1880年发生频次较低外，在其余阶段相差不大；特大洪涝集中出现在1644—1690年。
图2
图2
研究区清代洪涝灾害等级序列
Fig.2
Sequence of flood disaster grade in Qing dynasty in the study area
3.1.3 洪涝灾害等级序列的周期性特征
图3
图3
Morlet小波系数实部等值线
Fig.3
Contour lines of the real part of Morlet wavelet coefficients
3.2 清代洪涝灾害的空间分布特征
图4
图4
研究区清代洪涝灾害发生频次空间分布
底图来源于国家基础地理信息数据库（http：//www.ngcc.cn/），审图号为GS（2016）22556号，底图无修改。
Fig.4
Spatial distribution of flood disasters frequency in study area in Qing dynasty
洪涝灾害发生频次介于5~9次的县域集中分布在研究区的中部和西南部，以泾河流域中游与北洛河流域中游地区居多。其中富县、洛川县及黄陵县主要位于黄土塬地区，海拔一般在1 200 m以下，农业生产条件较优越，且农业用地较为集中［3］，洪涝灾害对当地农业生产生活影响较大，如公元1753年富县，“夏雨颇勤，黄、洛诸河及溪涧之水不无涨溢，六月二十二及十四、六等日，沿河低洼地亩，间有被水遇浸湿或雨后被冲。”此外，洪涝灾害高发区如延川县（15次）及韩城市（14次）县域东境位于黄河支流汇入处，地势相对低平、聚落较为密集，遇暴雨与连阴雨时河流水位猛涨、泄洪不畅，易发生中度以上洪涝灾害［3， 4， 7］，如公元1756年韩城市，“霖潦暴涨，山水骤入，奔腾喷薄，石梁旧址摧剥几近。”
4 讨 论
4.1 洪涝灾害的气候特征
表2 陕西黄土高原中南部地区清代气候特征与洪涝灾害发生频次对照［5， 15， 24-27］
Table 2
| 时段 | 持续 时间/a | 气候 冷暖 阶段 | 气候干湿情况 | 洪涝 灾害 总频次 | 大洪涝及 特大洪涝 发生频次 |
|---|---|---|---|---|---|
| 1644—1680 | 37 | 冷期 | 偏湿 | 12 | 6 |
| 1681—1700 | 20 | 冷期 | 偏干 | 6 | 1 |
| 1701—1720 | 20 | 暖期 | 偏干 | 1 | 0 |
| 1721—1760 | 40 | 暖期 | 偏湿 | 11 | 3 |
| 1761—1800 | 40 | 暖期 | 偏干 | 5 | 1 |
| 1801—1820 | 20 | 冷期 | 偏湿 | 10 | 2 |
| 1821—1840 | 20 | 冷期 | 偏湿 | 7 | 3 |
| 1841—1900 | 60 | 冷期 | 偏湿 | 22 | 5 |
| 1901—1912 | 12 | 暖期 | 偏湿 | 10 | 3 |
研究区清代的气候以寒冷期为主，因处于寒冷期中的相对温湿期，气候表现出一定的冷暖波动［15， 25-26］，在1700、1800及1900年分别出现了3次气候冷暖更替［15， 24-26］。气候冷暖的异常波动使得降水量年内、年际分配不均衡，极端暴雨洪水及大洪涝发生频次增加［28］。研究区在1801—1820和1901—1912年分别平均每2 a、每1.2 a发生1次洪涝灾害，其中大洪涝分别平均每10 a、每4 a发生1次，与气候平稳期相比，洪涝灾害发生频次增加，尤其大洪涝发生频次显著提升，而1901—1912年间气候处于相对暖湿期［5， 24， 27］，该期间洪涝灾害的频繁发生也是对气候变暖变湿的响应。在气候冷湿条件下，1801—1900年平均每2.56 a发生1次洪涝灾害，大洪涝平均每10 a发生1次，相比之下，气候暖干条件下洪涝灾害发生频次明显减少，如1701—1720年仅出现1次中等洪涝灾害记载。综上，气候变暖变湿有利于大洪涝及特大洪涝灾害的发生，这与已有研究结果［9， 23， 28］保持一致。除此之外，结果表明，气候冷湿条件下大洪涝及特大洪涝灾害发生频次也较高。如公元1662年淳化县，“六月，大雨至七月，凡六十日，全省皆然，泾渭涨溢，绝渡十日，淹没甚众”；公元1840年千阳县，“九月连日大雨，城乡墙宅多被坍塌，黄里任性窑塌，损人口数；冯坊居民窑塌，损人数十口；乾树子窑塌，损人数十口。”上述2次历史记载中损失较大的洪涝灾害都是在气候相对冷湿的条件下发生的，这表明在气候偏湿条件下，降水量明显增加，大洪涝及特大洪涝灾害发生频次增加［9， 21， 28］。
4.2 洪涝灾害的关联因子分析
4.2.1 洪涝灾害与厄尔尼诺事件、太阳活动的关系
有研究认为，厄尔尼诺事件与旱涝灾害关系密切，厄尔尼诺发生当年陕西地区降水量减少，发生次年陕西地区降水量偏多［29］。NINO W海区（0° N~10° N、140° E~180° E）的厄尔尼诺指数与陕北地区降水量呈明显相关性，当该海区海温异常偏高时，陕北地区易发生雨涝灾害［2］。太阳活动是影响年代至百年尺度旱涝发生的重要因子［30］，有研究得到黄土高原泾河中游旱涝灾害的发生在10 a尺度上与太阳活动同步［12］；在太阳活动道顿极小期（1795—1823年），我国西北、东部地区多偏涝［30］，本研究区正处于洪涝灾害高频期。本文将洪涝灾害等级序列分别与历史时期的厄尔尼诺事件序列（1644—1912年）［20］、太阳黑子数序列（1700—1912年）进行交叉小波变换，以探讨洪涝灾害与厄尔尼诺事件、太阳活动2个气候因子在不同时间尺度上的相关性，如图5所示。其中，细黑曲线代表影响锥线边界，该曲线以内为有效谱值区；粗黑线范围以内的区域通过了α=0.05显著性水平下的噪声标准谱检验，表示2个序列相关性显著；图中箭头“→”代表2个序列变化相位相同（呈正相关），箭头“←”代表2个序列变化相位相反（呈负相关），箭头“↑”代表2个序列后者先于前者相位270°，箭头“↓”代表2个序列后者先于前者相位90°。
图5
图5
洪涝灾害等级序列与厄尔尼诺事件序列和太阳黑子数序列的交叉小波变换（XWT）
Fig.5
Cross wavelet transform （ XWT ） of flood disasters grade sequence with El Nino events sequence and sunspots sequence
由图5（a）可知，在2~5 a周期尺度上洪涝灾害等级序列与厄尔尼诺事件序列相关性显著，1678—1689、1748—1762以及1877—1890年洪涝灾害等级序列与厄尔尼诺事件序列呈负相关，1819—1837年，厄尔尼诺事件序列超前洪涝灾害等级序列一个周期，二者呈正相关。在9~12 a周期尺度上存在一个显著相关能量区，1799—1816年二者表现为显著负相关。在56~70 a周期尺度上亦存在一个显著相关能量区，1733—1824年厄尔尼诺事件序列超前洪涝灾害等级序列1/4个周期。由图5（b）可知，洪灾等级序列与太阳黑子数序列在8~14 a的周期尺度上相关性最明显，且在该周期尺度上，1723—1751、1814—1830及1855—1889年二者呈显著负相关；1790—1809年太阳黑子数序列超前洪涝灾害等级序列1/4个周期；1828—1841与1887—1896年太阳黑子数序列超前洪涝灾害等级序列3/4个周期。
4.2.2 夏季风对洪涝灾害的影响
东亚夏季风为我国东部地区大范围降水提供主要水汽来源，其强度和推进位置发生改变会对我国东部地区的气候变化造成影响［31］。当东亚夏季风较强时，我国夏季雨带位置偏北，陕西省降水量则呈现北部地区降水偏多、南部偏少的特点［32］，陕西黄土高原中部地区因降水连续时间长、强度大极易引发洪涝灾害［3， 32］。东亚夏季风的水汽输送带是我国东部地区夏季极端暴雨和大洪涝的制造者［31］，当其与东亚中高纬大气环流配合将季风水汽输送至西北地区东部时，该地区将出现大暴雨天气，易引发洪涝灾害［31］，如1977年7月5—6日延安发生的特大洪水就说明了这种情况。陕西黄土高原中南部地区位于夏季风过渡区，对东亚夏季风北边缘的推进变化响应剧烈［5， 33］，我国黄土高原半干旱区的干燥度指数与季风边缘的负相关最为明显［33］。对比万象洞WX42B的δ18O记录分析结果［34］（图6），研究区自1690年开始，洪涝灾害高、低频期与夏季风存在较明显的正相关关系，1644—1690，1801—1840及1881—1912年3个洪涝灾害高频期受夏季风的影响。1881—1912年大洪涝的发生频次在5个阶段中最高，该阶段内1894—1898年出现5年连涝，1901—1912年出现9年连涝，这与夏季风在19世纪晚期处于降水增强期［34］存在一定联系。
图6
图6
洪涝灾害低、高频期与万象洞WX42B的δ18O 记录（根据文献［34］改会）对比
1为低频期，2为高频期。
Fig.6
Comparison of low and high frequency periods of flood disasters in the study area with the record of δ18O in Wanxiang cave WX42B
1 is low frequency period，2 is high frequency period.
5 结 论
研究区域尺度洪涝灾害历史时期的时空分布以及气候变化特征，对于重建高分辨的古气候序列以及深入了解全球气候变化的区域响应具有重要意义。通过对陕西黄土高原中南部地区清代洪涝灾害的时间分布、空间分布、气候特征及成因进行研究，得到如下结论：
（1） 洪涝灾害分为5个阶段。第1阶段（1644—1690年）、第3阶段（1801—1840年）和第5阶段（1881—1912年）为洪涝灾害高频期；第2阶段（1691—1800年）和第4阶段（1841—1880年）为洪涝灾害低频期。该区清代洪涝灾害发生频次总体呈波动增加趋势。3个洪涝灾害高频期受夏季风的影响，1881—1912年洪涝灾害发生频次呈显著增加趋势，这与19世纪晚期夏季风活动加强有关。
（2） 从灾害等级看，研究区以中度洪涝和大洪涝为主，大洪涝及特大洪涝在气候转型期发生频次相对较高。除此之外，在气候偏湿条件下，降水量明显增加也会造成大洪涝及特大洪涝发生频次增加。
（3） 清代洪涝灾害空间分布不均衡性突出，并表现出沿水系发展的特点。研究区的东北部、中部及西南部的县市洪涝灾害发生频次相对较高，其中清涧河流域与延河流域中下游地区的县市发生频次最高。
（4） 清代洪涝灾害发生存在3、8、17及61 a的准周期。交叉小波变换显示，该区洪涝灾害等级序列在2~5、9~12及56~70 a周期尺度上与厄尔尼诺事件序列存在显著相关性，在8~14 a周期尺度上与太阳黑子数序列相关性明显。
http://dx.doi.org/10.3785/j.issn.1008-9497.2022.02.012
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