第四纪研究  2021, Vol.41 Issue (2): 368-378   PDF    
过去600年中国西南地区极端旱涝事件的重建与分析
刘威, 杨煜达     
( 复旦大学历史地理研究中心, 上海 200433)
摘要:以历史文献为主要资料,采用百分位阈值法重建了过去600年(1400~2000年)中国西南地区发生概率为10%的极端旱涝事件序列,发现:1700年是西南地区极端旱涝事件的转折点,之前极端干旱年份多于极端洪涝年份,之后极端洪涝年份多于极端干旱年份。现代暖期,极端旱涝事件发生频率与强度偏高,但皆未超过历史时期的峰值。在偏暖湿时,极端旱涝事件偏少,极端洪涝年多于极端干旱年;在偏冷干时,极端旱涝事件均较多,极端干旱年发生概率高于极端洪涝年;在小冰期和现代暖期内极端旱涝事件有不同的冷暖对应模式。西南地区极端旱涝事件的发生与亚洲季风有着密切的关系,且南亚夏季风的影响更为突出,1700年前后极端旱涝事件的转折对应了南亚夏季风的转折。南亚夏季风偏强时,极端旱涝事件偏少且极端洪涝事件发生概率高于极端干旱事件,南亚夏季风偏弱时则反之。ENSO在年际尺度上对极端旱涝事件发生有重要影响。PDO在年代际和多年代际尺度上通过影响亚洲季风,进而影响到西南地区极端旱涝事件。
关键词中国西南地区    小冰期    极端旱涝事件    亚洲季风    ENSO    历史文献    
中图分类号     P467;P426.6                     文献标识码    A

0 引言

受亚洲季风影响,我国季风区降水多集中在夏半年。夏季风的活动决定了季风水汽输送结构、路径和水汽的强弱,进而影响中国夏季雨带位置及降水强度的变化[1]。我国季风区旱涝灾害频发,特别是极端旱涝灾害的发生,对区域社会发展造成了严重的影响。已有研究表明,亚洲季风与中国降水异常[2~3]、极端旱涝事件息息相关[4~5]。如满志敏[6]发现光绪三年(公元1877年)中国北方大旱与东亚季风和南亚季风偏弱导致的雨带和降水异常有关;黄荣辉等[7]研究发现长江、淮河流域特大洪水和华北地区长期干旱的发生分别与东亚季风气候系统的年际和年代际变化背景有关;李永华等[8]指出,2006年西南地区东部的特大干旱是副高控制性高温伏旱,西太平洋副高偏强偏北偏西,南亚高压偏强偏东导致的结果;丁一汇等[9]综合评述了东亚夏季风水汽输送带的特征和形成原因,并以海河、黄河、淮河与长江近百年最强的5次持续大暴雨过程为例,分析了季风水汽输送带的重要作用。

近些年,历史时期极端气候事件的重建已成为学界关注的问题[10~15],历史文献在中国过去2000年极端事件的重建中发挥着不可替代的的作用:如张德二[16]从干旱等级、持续时间与范围定义了极端干旱事件;Zheng等[17]考虑严重程度、持续性和空间范围,识别出中国东部过去1500年的极端旱涝事件。IPCC给出极端气候事件的定义,其发生概率一般小于10%[18];郝志新等[19]和Zheng等[20]首次利用百分位阈值法重建了过去2000年中国东部极端旱涝事件序列和过去400年中国南方的极端冷冬事件;杨煜达和韩健夫[21]、韩健夫等[22]基于史料时空分布的差异性分时段定级,利用百分位阈值法重建了过去千年西北和华北地区的极端干旱事件序列。

本文的研究区域具体范围包括云南省、贵州省、重庆市的全部范围和四川东部和陕西南部(30°~21°N,97°~111°E;见图 1),由于受到南亚季风与东亚季风的影响,近些年该区域极端旱涝事件频发,如2006年大旱、2009~2010年连旱等,在全球变暖的背景下,极端事件的发生是否存在进一步发展的趋势,需要在更长时间尺度上的重建数据的支撑。

图 1 研究区域与站点示意图 Fig. 1 Map of the study area and the sites

基于此,本文以历史文献资料为主要代用资料,对极端旱涝资料进行分站点分时段的参数化定级,采用百分位阈值法重建过去近600年(公元1400~2000年)中国西南地区发生概率为10%的极端旱涝事件序列,并探讨小冰期以来区域极端旱涝事件与亚洲季风的关系,以增进对区域极端旱涝事件驱动机制的认识。

1 资料与方法 1.1 资料

本文的序列重建资料以历史文献为主,主要包括:1)张德二[23]主编的《中国三千年气象记录总集》中研究区域内的旱涝史料,约8500条资料;2)《中国三千年气象记录总集》未收录的地方志史料、“上谕档”和朱批奏折等相关档案资料、文集、碑刻等其他类型史料,共查阅750种地方志及其他史料,新增补约4000条资料;3)温克刚主编的《中国气象灾害大典》的云南卷[24]、四川卷[25]、重庆卷[26]、贵州卷[27]和陕西卷[28]中1912~2000年的旱涝资料。

本文资料主要分为3个系统,即正史、政书、档案等官方记载的系统、地方志为主的地方志系统、器测数据时期的资料系统。因此在重建的过程中会受到资料的时空分布不均、不同系统资料的系统差异、同一资料系统的系统差异等因素的影响,需要对资料进行均一化处理。

1.2 方法 1.2.1 资料的时空均一化处理

序列的重建方法参考杨煜达和韩健夫[21]的方法,即分站点分时段的定级基础上对区域极端旱涝事件的均一识别。该方法考虑了区域旱涝史料时空不均性,通过对史料的统计进行突变分析,基于史料记载量的突变点分为不同的时段,对不同时段采用不同标准进行旱涝定级,最后在定级的基础上进行百分位阈值法的均一识别。不同区域的史料时空分布规律存在差异,突变点和识别标准也会有所区别。

首先是研究区域内站点的划分,本文基于西南地区旱涝史料时空分布特点,在《中国近五百年旱涝分布图集》[29]中该区域16个站点的基础上,新增了宜宾站,共17个站点。并考虑到史料的空间分辨率,以行政区划和自然区划为主,确定了站点所代表的空间范围(图 1)。

通过对资料总数、《中国地方志联合目录》[30]中明清时期西南地区现存的方志种数、有西南地区旱涝记载的方志种数的统计(图 2),并利用山本(Yamamoto)法分别求其信噪比,对于时间序列X,人为设置某一时刻为基准点,基准点前后样本量分别为n1n2的两段子序列X1X2的均值X1X2,标准差分别为S1S2,即两段子序列的均值差的绝对值为信号,而它们的变率(用标准差表示)为噪声,定义信噪比RSN[31]

图 2 史料统计图 Fig. 2 Statistical map of historical literature

RSN>1.0时,则认为在基准点时刻有突变发生;当RSN>2.0时,则认为有强突变发生。结果表明在公元1700年左右,西南地区旱涝记载数的RSN=1.2422>1,现存方志数的RSN=2.1764>2,即可认为在公元1700年附近,资料记载出现了明显的突变,且该时间点和清代西南地区区域社会发展的历史背景存在联系。新中国成立后,数据来源以器测资料为主。

基于突变时间点和资料特点,将本文的研究时段分为3个时段,即公元1400~1700年、1701~1949年和1950~2000年。并对每个时段的旱涝记载率进行统计(区域平均记载率=该时段西南地区有旱涝记载的年份/该时段年数)表明,1400~1700年平均记载率为39.5%;1701~1949年平均记载率为71.0%;1950~2000年平均记载率为100%。由于本文的研究对象是发生概率为10%的极端旱涝事件,且历史时期旱涝资料存在“记异略常”的特点,因此这3个时段资料的记载率基本可满足研究需要。另外,并分时段对各个站点的资料记载率(单站点平均记载率=该时段内某站点内有旱涝史料记载的年份/该时段年数)进行统计(图 3)发现,1400~1700年腾冲和西昌站的旱涝记载率低于20%,其余站点旱涝记载率均高于20%,1700年之后各站点的旱涝记载率皆在40%以上。由于旱涝史料分布呈现“反正态分布型的双峰型”结构[32],即可认为高于20%的记载率可满足对极端旱涝事件的识别研究。由于本文的重建对象是发生概率为10%的极端干旱事件和极端洪涝事件,低于20%的旱涝记载率的站点将会影响重建的可靠性,因此在识别极端旱涝年时需要考虑1400~1700年旱涝记载率相对较低的腾冲和西昌站。

图 3 各站点的旱涝记载率 Fig. 3 Data analysis of each site
1.2.2 极端旱涝事件的识别

由于历史文献中旱涝资料的记载多是定性描述的记载,因此需要对旱涝资料进行参数化处理。基于旱涝史料的时空分布特点,参考《中国近五百年旱涝图集》[29]中的旱涝等级法,即1级为大涝、2级为偏涝,3级为正常,4级为偏旱,5级为旱。然后利用百分位阈值法对极端旱涝事件进行均一识别,考虑区域内各站点的旱涝程度、旱涝的空间范围、资料的记载率等因素,对各个站点的级别进行加权统计,加权结果的前60位左右,即前10%左右的年份为“十年一遇”的极端旱涝事件,具体的加权的级别与站数结果分布见表 1

表 1 极端旱涝事件的识别标准* Table 1 Identification criteria of extreme drought and flood events

识别标准中,N1+N2与N4+N5在1700年前后有2个站点差,即前文所述1400~1700年的旱涝记载率偏低的西昌和腾冲站。已有研究发现清代云南地区降水资料对于降水偏少敏感性偏低[33],识别标准中N1+N2与N4+N5的旱涝站点差也体现了历史时期旱涝史料记载的偏差问题,即对洪涝的记录更为敏感。识别结果见表 2

表 2 极端旱涝事件的识别结果 Table 2 Identification results of extreme drought and flood events
2 序列的重建结果

将西南地区极端旱涝年份和极端旱涝年份和各以50年为时间尺度统计,统计结果(图 4)表明:

图 4 极端旱涝事件的分析 (a)散点数据表示极端洪涝年份,梯状为50 a尺度的极端洪涝年统计;(b)50 a尺度的极端旱涝事件和;(c)散点数据表示极端干旱年,梯状为50年尺度的极端干旱年份数 Fig. 4 Statistics of extreme drought and flood events. (a)The scatter data of extreme flood years, and the ladder curve represents extreme flood years on the scale of 50a; (b)Represents extreme drought and flood events on the scale of 50a; (c)The scatter data of extreme drought years, and the ladder curve represents extreme drought years on the scale of 50a

(1) 1400~1700年有35个极端干旱年、25个极端洪涝年,极端干旱年份的发生概率高于极端洪涝年份;1701~2000年有23个极端干旱年、36个极端洪涝年,极端洪涝年份的发生概率高于极端干旱年份。即在1700年左右,极端旱涝事件发生概率出现明显的转变。

(2) 极端干旱事件存在3个峰值和2个谷值,最高峰值在1450~1500年。最低谷值在1700~1750年;极端洪涝事件存在2个谷值和1个峰值,最高峰值在1850~1900年,最低谷值在1400~1450年和1750~1800年;极端旱涝事件总和的最高峰值在1850~1900年,最低谷值在1750~1800年;1700~1800年,极端旱涝事件均偏少。

(3) 与郝志新等[34]的重建结果比较发现,1400~1450年东部季风区和西南地区同样处于极端旱涝多发时段,但东部地区其他多发时段1550~1650年和1800~1950年与西南地区的多发时段1600~1650年、1850~1950年略有差别。1950~2000年东部地区极端旱涝事件的发生频率和强度仅处于过去2000年的平均水平,西南地区的极端干旱事件略高于平均水平。即过去600年,西南地区与东部地区的极端旱涝事件的演变略有差别。

3 极端旱涝事件与温湿对比 3.1 极端旱涝事件与冷暖

将西南地区极端旱涝事件序列(图 5a5f)与Ge等[35]重建的冬半年温度距平序列(图 5b)、杨煜达[36]重建的清代昆明冬季温度序列(图 5c)、Shi等[37]重建的全国年温距平序列(图 5d)、Wang等[38]重建的青藏高原东部地区的夏温距平(图 5e)对比。

图 5 极端旱涝事件(a,f)与冬半年温度距平[35] (b)、昆明冬季温度[36](c)、全国年温距平[37] (d)、青藏高原东部地区夏温距平[38] (e)的对比 Fig. 5 Comparison between extreme drought and flood events(a, f)with winter half-year temperature anomaly[35](b), annual winter temperature in Kunming[36] (c), annual temperature anomaly of China[37] (d), summer temperature anomaly[38] of the eastern Tibetan Plateau(e)

与冷暖序列对比时,以Ge等[35]曲线(图 5b)为对象,低于Ge等[35]曲线的标准时段1950~1980年冬半年均温为偏冷期,高于其为偏暖期。结果发现,在公元1400~2000年期间的600年里,约400年的冷期内有47个极端干旱年和41个极端洪涝年;约200年的暖期内有11个极端干旱年和18个极端洪涝年。即在偏冷期,极端旱涝事件偏多,极端洪涝事件的发生概率高于极端干旱事件;在偏暖期极端旱涝事件偏少,极端洪涝事件的发生概率高于极端干旱事件。在明清小冰期内(公元1400~1900年),1450~1500年、1600~1700年和1800~1900年,东部季风区冬温、全国年温青藏高原东部夏温偏低,西南地区极端旱涝事件偏多;1500~1600年和1700~1800年,东部季风区冬温、全国年温青藏高原东部夏温偏高,西南地区极端旱涝事件偏少;在现代温暖期内(公元1901~2000年),偏暖期极端旱涝事件偏多,偏冷期极端旱涝事件偏少。因此,明清小冰期和现代温暖期的不同冷暖模态下,极端旱涝事件的发生频率呈现不同的对应模式。

3.2 极端旱涝事件与干湿

将重建的西南地区极端旱涝事件(图 6a6d)与何尧启等[39]重建的董哥洞石笋同位素序列(图 6b代指西南地区干湿状况)、Zheng等[40]重建的东部季风区干湿指数(图 6c)对比,结果发现:与西南地区干湿序列对比,1400~1700年,西南地区偏干,极端干旱事件多于极端洪涝事件;1701~2000年,西南地区偏湿,极端洪涝事件多于极端干旱事件。即西南地区极端旱涝事件与该区域的干湿程度密切相关;与东部季风区干湿指数对比,东部季风区偏湿时,西南地区极端旱涝事件偏少,东部季风区偏干时,西南地区极端旱涝事件偏多。即西南地区极端旱涝事件的分布与东部季风区的干湿存在一定的相关性和区域差异性。

图 6 极端旱涝事件(a,d)与董哥洞石笋[39](b)、东部干湿[40](c)的对比 Fig. 6 Comparison between extreme drought and flood events(a, d)with the stalagmites of Dongge Cave[39] (b), and the dry and wet index of Eastern China[40] (c)

总而言之,在明清小冰期(1400~1900年),“偏暖-偏干”或“偏冷-偏干”时极端旱涝事件偏多;“偏暖-偏湿”或“偏冷-偏湿”时极端旱涝事件偏少。而在现代温暖期(1901~2000年),“偏暖-偏湿”和“偏冷-偏干”时极端旱涝事件均偏多。区域温湿背景下,西南地区极端旱涝事件在现代温暖期和明清小冰期呈现不同对应模式。

4 讨论 4.1 极端旱涝事件与亚洲季风

将西南地区极端旱涝事件(图 7a7f)与杨保和谭明[41](图 7b)、Zhang等[42](图 7c)重建的东亚夏季风指数, 以及Sinha等[43](图 7d)和Shi等[44](图 7e)重建的南亚夏季风指数对比, 结果发现公元1700年西南地区极端旱涝事件分布的转折点与18世纪南亚夏季风指数的转折[45]相对应。1400~1700年,南亚夏季风指数的平均态偏低,极端干旱事件多于极端洪涝事件;1701~2000年,南亚夏季风指数的平均态偏高,极端洪涝事件多于极端干旱事件。

图 7 极端旱涝事件(a,f)与东亚夏季风指数[41~42](b,c)、南亚夏季风指数[43~44](d,e)的对比 Fig. 7 Comparison between extreme drought and flood events(a, f) with East Asian summer monsoon index[41~42](b, c)and South Asian summer monsoon index[43~44](d, e)

当南亚-东亚夏季风指数偏弱时,在明清小冰期和现代温暖期,极端旱涝事件偏都多且极端干旱事件发生概率高于极端洪涝事件;但当南亚-东亚季风指数偏强时,在明清小冰期极端旱涝事件偏少,极端洪涝事件多于极端干旱事件;而在现代温暖期,极端旱涝事件偏多。

已有研究表明:西南地区东部夏季降水相联系的水汽通道中,印度洋水汽通道强度最强,太平洋水汽通道强度偏弱[46];当南亚夏季风偏强,印度洋水汽通道输送强,而太平洋水汽通道输送弱时,西南地区降水偏多,反之偏少[47]。即极端干旱年多发生在南亚夏季风偏弱年,极端洪涝年多发生在南亚夏季风偏强年,西南地区极端旱涝受南亚夏季风影响更大,来自印度洋的水汽输送是否异常是其主要因子,东亚夏季风也起到一定的调节作用。

4.2 极端旱涝事件与ENSO

ENSO(厄尔尼诺与南方涛动)事件作为海气活动的年际变化信号之一,也是影响亚洲夏季风年际变率的重要因子。利用重建的El Niño 3.4区指数序列[48],定义El Niño 3.4区指数≥0.5的年份为厄尔尼诺次年,共有184个年份。将重建的西南地区极端旱涝事件与厄尔尼诺事件对比发现:有24个极端干旱事件、13个极端洪涝事件出现在厄尔尼诺当年,它们发生概率分别为约41.4%和22.0%;有19个极端干旱事件、18个极端洪涝事件出现在厄尔尼诺次年,它们发生概率为约32.8%和30.5%;有20个极端干旱事件、19个极端洪涝事件出现在厄尔尼诺次次年,它们发生概率为约34.5%和32.2%。

前人研究发现,El Niño (La Nina)现象发生时,印度西南季风偏弱(强),西太平洋副热带高压偏东(偏南西伸),我国东南季风偏弱(强)[49]。ENSO对南亚夏季风的影响机制表明,当冬春季节ENSO偏暖时,南亚上空冬春季西风带偏南、南支西风中的扰动活动频繁,南亚大陆冬春季降水或降雪偏多,土壤水分为正距平,南亚大陆春季和夏季的增暖推迟,夏季南亚大陆与其南面海洋之间的热力对比小,从而造成南亚夏季风偏弱[50]。ENSO也可通过“大气桥”影响热带印度洋、西太平洋和南海的SST,影响Walker环流、激发菲律宾海反气旋异常进而间接影响亚洲季风活动[51]

因此,作为亚洲夏季风年际变率的主要强迫因子,ENSO通过对亚洲季风的影响从而影响到西南地区极端旱涝事件的发生,即ENSO是西南地区极端旱涝事件年际尺度的主要影响因子之一。El Niño事件发生时,南亚夏季风被削弱,从而增加了西南地区极端旱涝事件发生的概率。

4.3 极端旱涝事件与PDO

太平洋年代际振荡(Pacific Decadal Oscillation, 简称PDO)作为亚洲季风年代际和多年代际的主要驱动力,对我国夏季风的强度和降水有显著的影响[52],通过影响东亚冬、夏季大气环流,引起季风和洋流的异常,从而影响到东亚气候[53]

将重建序列与PDO指数序列[54]对比发现,当PDO为暖相位时,有35个极端干旱事件,发生概率约为60.3%,有26个极端洪涝年份,发生概率约为44.0%,极端干旱事件多于极端洪涝事件;当PDO为冷相位时,有23个极端干旱事件,发生概率约为39.7%,33个极端洪涝事件,发生概率约为56.0%,极端洪涝事件多于极端干旱事件。前人研究发现在年际到年代际的时间尺度上,南亚季风与PDO呈现负相关关系[55];PDO暖位相时对应低降水率和高温,冷位相时对应高降水率和低温[56]。总结来看,PDO在年代及多年代际尺度上,通过影响亚洲季风对极端旱涝事件施加作用,PDO为暖相位时,增加了极端干旱事件的发生概率,PDO为冷相位时,增加了极端洪涝事件的发生概率。

5 结论

本文以历史文献资料为主要代用资料,利用百分位阈值法重建了过去600年(1400~2000年)中国西南地区发生概率约为10%的极端旱涝事件序列,探讨了西南地区极端气候事件的分布规律,并分析了其与亚洲季风的关系。主要结论如下:

(1) 西南地区极端旱涝事件分布在公元1700年附近存在转折点:1400~1700年,极端干旱年份多于极端洪涝年份;1701~2000年,极端洪涝年份多于极端干旱年份;极端干旱事件存在3个峰值和2个谷值,最高峰值在1450~1500年;极端洪涝事件存在2个谷值和1个峰值,最高峰值在1850~1900年。且1700~1800年,极端旱涝事件均偏少。小冰期结束后的现代暖期,极端旱涝事件发生频率与强度皆未超过历史时期的峰值。

(2) 在偏暖湿时,极端旱涝事件偏少,极端洪涝事件的发生概率高于极端干旱事件;在偏冷干时,极端旱涝事件偏多,且极端干旱事件发生概率高于极端洪涝年。明清小冰期和现代温暖期的不同冷暖模态下,极端旱涝事件的发生频率呈现不同的对应模式。

(3) 西南地区极端旱涝事件的发生与夏季风指数有着密切的关系,且南亚夏季风的影响更为突出。南亚夏季风指数的平均态偏低/高,对应极端干旱事件偏多/少,而极端洪涝事件则反之。1700年左右南亚夏季风指数出现转折,也是西南地区极端旱涝事件发生频率的转折点。且东亚-南亚夏季风指数均偏低-极端干旱事件较多;东亚-南亚夏季风指数均偏强时,极端旱涝事件偏少;东亚-南亚夏季风指数变率大时,极端旱涝事件频发。

(4) ENSO是西南地区极端旱涝事件年际尺度的主要影响因子之一。El Niño现象发生时,增加了西南地区极端旱涝事件发生的概率;PDO在年代及多年代际尺度上,通过影响亚洲季风对极端旱涝事件施加作用。但是,海-陆-气相互作用下,ENSO、PDO与极端旱涝事件的对应关系并不稳定。西南地区极端旱涝事件的发生机制需要进一步研究。

致谢: 非常感谢审稿专家和编辑部杨美芳老师给出的具有建设性的修改意见和建议。

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Reconstruction and analysis of extreme drought and flood events in Southwest China in the past 600 years
LIU Wei, YANG Yuda     
( Center for Historical Geographical Studies, Fudan University, Shanghai 200433)

Abstract

In the research field of Chinese historical climate, historical documents play an irreplaceable role because of their relatively clear physical mechanism and high spatial-temporal resolution. The materials of this paper were mainly historical documents, including official history, local chronicles, anthologies, archives, inscriptions and other historical materials. The spatial range of this paper is Southwest China(31°~21°N, 97°~111°E), which is affected by the South Asian monsoon and East Asian monsoon, and the time range spans the Little Ice Age and the Modern Warm Period. This study reconstructed the extreme drought and flood events in Southwest China in the past 600 years(1400~2000 A.D.) by using the Drought and Flood Grade Method and the Percentile Threshold Method. The research showed that: 1700 A.D. was the turning point of extreme drought and flood events. Before 1700 A.D., there were more extreme drought events than extreme flood events, while there were more extreme drought events after 1700 A.D. In the Modern Warm period, the frequency and intensity of extreme drought and flood events were at high level, but they did not exceed the peak in the past 600 years. When the area was warm and wet, extreme drought and flood events were less, while the former ones were less than the later, The distribution of extreme drought and flood events had different corresponding patterns between the Little Ice Age and the Modern Warm period. The occurrence of extreme events in Southwest China is closely related to the Asian monsoon, and the influence of the South Asian summer monsoon is more prominent. The turning point of extreme events in 1700 A.D. corresponds to the turning point of the South Asian summer monsoon. When the South Asian summer monsoon was strong, the extreme events were less and the probability of extreme flood events was higher, and vice versa. ENSO played an important role on the interannual scale. PDO influenced extreme drought and flood events in Southwest China on the decadal and multigenerational scales by influencing the Asian monsoon. This study could be helpful to understand the response of regional climate to climate change and the impact of Asian monsoon system on regional extreme drought and flood events.
Key words: SouthwestChina    Little Ice Age    extreme drought and flood events    the Asian monsoon    ENSO    historical literature