李晓刚，李 敏

(商洛学院 城乡规划与建筑工程学院,陕西 商洛 726000)



商洛地区1430～2000年旱涝灾害规律分析

李晓刚，李 敏

(商洛学院 城乡规划与建筑工程学院,陕西 商洛 726000)

摘要：通过搜集和归纳商洛地区1430～2000年旱涝灾害的相关史籍材料，运用11年滑动平均、累积距平和小波分析等方法，探究了商洛地区在这570年间旱涝灾害的变化规律。结果表明：(1)商洛地区近570年间，发生旱涝灾害的年份有340年，占59.6%，平均每1.68年发生1次旱涝灾害，商洛地区的旱涝灾害发生频繁；(2)近570年可分3个明显的阶段：1430～1640年的偏旱阶段、1640～1920年的旱涝相对均衡阶段、1920～2000年涝灾较多阶段，在此基础上又可分为7个偏涝或偏旱时期；(3)商洛地区的旱涝灾害还有明显的周期性规律，主周期为175～205年，并且另外还有77～89年和178～205年周期，基本与太阳活动的80年和178年周期相对应，这表明商洛地区旱涝灾害的发生与其之间存在着一定的关联。这对商洛地区制定相关的防灾减灾措施等具有重要的借鉴意义。

关键词：商洛；旱涝灾害；规律分析；小波分析

自然灾害具有种类多、分布广、频率高、危害大、损失重等特点，一直以来都对我国社会经济等各个方面的发展造成了巨大的影响。其中，在众多自然灾害类型中，旱涝灾害属于发生频率最高、危害最大的自然灾害[1]，它严重地威胁着人类的生存和发展。旱涝灾害的频繁发生引起了学者们的广泛关注，因此对旱涝灾害发生规律的研究成为灾害学、地理学的热点问题之一[2]。陈颖等[3]对北京地区明清时期的干旱灾害与气候事件的研究表明：北京地区的干旱气候事件发生频率从明代到清代呈现下降趋势。吕晓虎等[4]对泾河流域的干旱灾害等相关方面的研究表明：泾河流域在明朝时期干旱经常发生，平均每2.5年就会发生1次，并经研究发现该地区这一时期旱灾的发生与降水量的变化之间有着重要的联系。朱亚芬[5]在研究中国东部及北方的旱涝灾害变化时，提出了1470年以后，我国北方的旱涝灾害变化情况在不同地区和不同时期有着很大的差异。我国在水文气象方面，有着非常丰富的相关历史文献资料，对于旱涝事件出现的季节、持续时间的长短、程度及范围的大小等方面都有着相关的记载。竺可桢立足于2000多种有关旱涝情况记载的地方史志及其他历史资料，在全国不同的地区建立了100多个站点，并根据不同站点6～9月的降水量，将旱涝灾害划分成5个不同的等级序列来区分旱涝情况,并以此为基础编写出版了《中国近五百年旱涝分布图集》[6]。这一基础性的工作为此类研究的后续发展提供了有利的条件。

本研究以历史资料的记载为基础，探讨了商洛地区570年间旱涝灾害发生的等级和时间阶段变化规律，并利用小波分析的方法来探究该地区旱涝灾害在时间上的变化规律，以便为今后该地区在此类灾害研究上做出科学、有效的预测和防治提供了一定的参考。

1资料与等级划分

1.1研究区域概况

商洛市位于陕西省东南部，秦岭南麓，与鄂、豫两省交界[7]。地理坐标大概位于东经108°～111°及北纬33°～34°之间。商洛市东至南阳盆地，西邻古都西安，其东西长229 km；北接八百里秦川，南到江汉平原，其南北宽138 km，另外，商洛市包括六县一区(图1)，全区总面积为19292 km2。商洛市界于长江与黄河两大流域之间的位置，其气候为暖温带半湿润气候，年平均气温为7.8～13.9 ℃左右，年平均降水量在710～930 mm之间，且该地区的降水主要集中在6～9月份，并具有多暴雨且集中的特点。商洛地区气候季风性较强，水热变化较大，气象灾害频发[8]。

图1　商洛地区行政区划图

1.2资料来源

本文共收集归纳了《中国气象灾害大典(陕西卷)》[9]、《陕西历史自然灾害简要纪实》[10]、《中国气象三千年记录总集》[11]、《商洛地理志》[12]、《商洛市志》[13]等史料中有关商洛地区旱涝灾害记载的资料，再结合《中国近五百年来旱涝分布图集》[7]，整理并得到商洛地区1430～2000年共570年较完整的旱涝灾害情况资料。

1.3等级划分

首先，依据《中国近五百年旱涝分布图集》的旱涝灾害等级划分方法，结合商洛地区1430～1959年旱涝灾害历史文献的文字描述，对该地区旱涝灾害加以评定后，具体划分为5个等级(表1)。然后，对于1960年以后的旱涝灾害等级，则主要根据商洛等地年降水量值确定旱涝等级[11](表2)。

表1　商洛地区1430～1959年旱涝灾害等级划分

2研究方法

2.1滑动平均分析

滑动平均法是一种数据的处理方法，它是把动态数据进行平滑和滤波的处理，这样就可以在一定程度上抑制随机误差的产生，从而使数据结构更为精确。根据旱涝灾害序列长度，从第2项起，求其11年的滑动平均值，然后按时间顺序逐次推进，每推进一次，就将相邻的前一项舍去，同时把后续的相邻一项加上，再计算，以此类推，得到一个新的时间序列，并以此为基础作出相应的曲线。对商洛地区570年旱涝灾害序列进行滑动平均处理，可以更好地反映出其变化趋势。具体计算公式为：

Ft=(At-1+At+At+1+…+At+10)/11

(1)

式(1)中：Ft为滑动平均值；At-1～At+10为实际值。

表2　商洛地区1960～2000年旱涝灾害等级划分

2.2累积距平分析

距平是指某一系列数值中的其中一个特定的数值与整个系列数值平均值的差值，而将其依次累积计算的值即为累积距平。这种分析方法是一种简单而时效的直观方法，主要用来进行时间序列变化趋势的判断，经常被用于气候与水文分析的时间尺度序列的变化趋势规律分析，其公式为：

Ft=(A1+A2+…+At)-(A1+A2+…+At)/t

(2)

式(2)中：Ft为累积距平；A1～At为实际值。

2.3小波分析

小波分析是指基于傅里叶分析并由此发展起来的一种有效的信号处理与分析方法，它可以反映出时间序列的局部变化特征，并能够表示出每一时刻在各时间尺度中的确切位置，这样就可以更好地进行序列随时间的变化规律的分析，也能够更好地反映出序列多时间尺度的变化特征。所以此方法目前被广泛地应用于气象和水文序列的周期性变化研究中。通过对商洛地区旱涝灾害的小波变换处理，可以更好地分析出不同时间尺度旱涝灾害发生的频率及其变化趋势。小波方差反映了波动的能量随尺度的分布，可以客观而有效地确定一个待分析序列中存在的主要周期，方差的峰值处所对应的尺度即为该序列的主要周期尺度[14]。

3结果与分析

3.1旱涝灾害等级分析

从商洛地区旱涝灾害等级序列图可以看出(图2)：商洛地区1430～2000年，旱涝灾害发生频繁，大旱、旱灾、偏涝、涝灾等严重灾害多发并且交替发生。特别是1430～1640年以旱灾为主，1800～1920年的涝灾频繁发生且持续时间较长。此外，大旱之后必有涝灾，大涝之后必有旱灾，如此交替发生，比如1480～1530年、1620～1680年、1690～1720年等连年大旱之后发生了非常严重的涝灾。另外，从整体的时间序列图看，在这570年内，商洛地区主要以旱灾为主。

图2　商洛地区1430～2000年旱涝灾害等级序列图

从商洛地区1430～2000年旱涝灾害发生频次可以看出(表3)，商洛地区在近570年间，发生旱涝灾害的年份共有340年，约占研究年限总时长的59.6%，平均每1.68年发生1次旱灾或涝灾。其中发生涝灾的年份共154年，约占总研究年份的27.0%，平均每3.70年发生1次；发生旱灾的年份共有186年，约占总研究年份的32.6%，平均大概每3.07年发生1次。就这570年旱涝灾害的变化情况来看，旱灾与涝灾相比，发生较为频繁。这与上述旱涝灾害等级序列图(图2)的分析结果一致。总体来说，商洛地区旱涝灾害具有多发性、多旱灾的特点。

3.211年滑动平均以及累积距平分析

对商洛地区1430～2000年旱涝灾害等级滑动平均曲线分析可知(图3)：近570年间，旱涝灾害的发生大致可以分为3个主要阶段：1430～1640年主要以旱灾为主，旱灾发生频繁，并且大旱、连旱情况严重，在这一时期内，旱灾的强度和影响远远大于涝灾；1640～1920年，旱灾强度有明显的减弱趋势，涝灾则有加强的趋势，出现了明显的旱涝交替现象，总体上处于旱涝灾害相对均衡的一个状态；1920～2000年，涝灾相对于旱灾有明显加强，并且在强度和频率上都远远超过旱灾。

对商洛地区1430～2000年旱涝灾害等级进行累积距平分析可知(图3)：商洛地区近570年间，从1430年起，累积距平曲线一直呈上升趋势，说明这一时期商洛地区以连旱、大旱为主；到1640年呈下降趋势，虽然幅度小，但波动比较激烈，说明这段时期内，商洛地区受旱涝灾害交替的影响；一直到1920年，然后1920～1930年曲线以下降趋势为主，说明这一时期商洛地区的偏涝、涝灾持续且影响较大；1930年出现略微的上升，是由涝灾向旱灾发展。另外，除了1640年、1810年及1930年出现明显的拐点外，还有1530年、1590年、1920年左右也有明显的突变。这些突变年又将商洛地区570年旱涝灾害的发生序列分成了7个旱涝阶段，即1430～1530年为旱灾相对较强时期、1530～1590年则为涝灾相对偏强时期、1590～1640年又为旱灾相对较强时期、1640～1810年涝灾相对偏强时期、1810～1920年旱灾相对较强时期、1920～1930年为明显涝灾严重时期、1920年以后又出现旱灾相对较强的一个趋势。由此可知，商洛地区域1430～2000年这570年间旱涝灾害发生具有明显的阶段性特征。

图3　商洛地区1430～2000年旱涝灾害滑动平均与累积距平图

类型频次所占比例/%涝灾15427.0正常23040.4旱灾18632.6

据朱亚芬[5]对中国东部及北方旱涝演变相关方面的研究表明：在16～17世纪上半叶，中国北方干旱时常发生且影响严重、损失较大，其中以东北南部、黄淮及河套地区尤甚，这些地区都曾多次出现长时间、大面积的严重性干旱。而后在18～19世纪这一时期，河套地区的旱涝灾害呈现交替发生的状态，并且其相应的变化幅度呈迟缓趋势。李艳芳[15]、郭瑞[2]等对关中地区洪涝灾害的相关研究也表明，大概从19世纪末开始，关中大部分地区都处于涝灾高发时期，其降水量呈普遍上升的趋势，从而导致泾洛渭河的水灾也发生频繁。杨凌等[1]对千河流域近570年旱涝灾害的研究也表明：洛渭河流域在1470～2009年期间旱涝灾害具有明显的多发性、阶段性和周期性特征，并且在570年间主要以旱灾为主。同时，赵景波等[16-17]对明代陕南地区旱灾及洪涝时空特征的分析表明：陕南在明朝时期多旱灾，而且因地形差异，导致该时期的旱灾主要集中在商洛地区，汉中地区则比较少见。这些研究结果与商洛地区这570年旱涝灾害的变化特征有着很大的相似性，这对于今后进一步研究商洛地区的旱涝灾害变化规律、及时对该地区做好相应的防灾减灾有着非常重要的借鉴意义。

3.3小波分析

利用DPS数据处理系统软件对商洛地区570年的等级序列进行小波分析，得到Morlet小波变换与小波方差图，并据此进行了旱涝灾害周期性分析。

3.3.1小波方差由小波方差曲线图可以看出(图4)，商洛地区570年旱涝灾害序列具有5个明显周期，分别是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年大致与西北地区168年旱涝灾害变化的周期以及千河流域旱涝灾害的主周期177～185年相对应。另外，徐振韬等[18]研究表明，太阳活动的平均周期大约为5.5年、11年、22年、80年及178年，而商洛地区旱涝灾害变化的77～89年和178～215年周期大致上与80年和178年周期相对应，这说明商洛地区旱涝灾害的发生与太阳活动存在着一定的相关性。

3.3.2小波变换图为了方便进行旱涝灾害规律以及周期性分析，在商洛地区570年旱涝指数Morlet小波变化图中(图5)，偏旱用实线来表示，且为正值；而虚线则表示偏涝，即为零值和负值。可以看出，在各时间尺度上，小波系数都表现出虚实线交替的特征。其中，在275～290年周期的时间尺度上，虚实线交替最为明显：1430～1450年左右为虚线，偏涝；1450～1530年为实线，即偏旱；1530～1640偏涝，即虚线，1640～1710年为实线，即偏旱；1710～1780年为偏涝，为虚线；1780～1810年实线，即偏旱，1810～1930年为虚线，即偏涝；而1930年以后以实线为主，即为偏旱。在这一特定的时间尺度上，该地区旱涝灾害的阶段性、周期性变化与累积距平分析的结果大致相同。由此可见，商洛地区1430～2000年570年的旱涝灾害具有阶段性和周期性特征，并且基本可以划分7个不同的旱涝阶段。

图4　商洛地区旱涝指数小波方差曲线图

在这7个阶段中，1450～1530年和1640～1710年左右的偏旱时期同竺可桢先生提出的寒冷冬季时期大致吻合，这表明商洛地区旱涝灾害的发生与气候冷暖变化具有一定的关系。另外，朱亚芬[5]认为，西北区16～17世纪中期，极端干旱频繁发生，而到17世纪后期旱灾的发生频率明显下降。马莉等[17]也提出，明代时期陕南地区多发生旱灾，这些规律性在商洛地区都有所体现，这说明商洛地区旱涝灾害的变化趋势与气候及其地域独特的背景具有一定的相关性。

图5　商洛地区1430～2000年旱涝指数

4结论

(1)商洛地区旱涝灾害发生频繁。商洛地区近570年，发生旱涝灾害的年份有340年，约占研究年限总时长的59.6%，平均每1.68年发生1次旱灾或涝灾。其中发生涝灾的年份共154年，约占总研究年份的27.0%，平均每3.70年发生1次；发生旱灾的年份共有186年，约占总研究年份的32.6%，平均大概每3.07年发生1次。因此，与涝灾相对比，在这一历史时期，商洛地区的旱灾相对严重，并且大旱、连旱灾害发生频繁。

(2)运用11年滑动平均和累积距平法对商洛1430～2000年旱涝灾害析表明，商洛地区旱涝灾害可明显分为3个阶段：1430～1640年为旱灾严重阶段、1640～1920年为旱涝相对均衡阶段、1920～2000年为涝灾频发阶段。在此基础上，又可分为7个明显的偏旱或偏涝时期，说明商洛地区的旱涝灾害具有明显的阶段性特征。

(3)通过小波分析表明，商洛地区近570年来的旱涝灾害具有明显的周期性变化特征。它的主周期为275～290年，而且，其77～89年和178～205年周期基本上大致与太阳活动的80年和178年周期相对应，这说明太阳活动对商洛地区旱涝灾害的发生及其变化有着一定的影响。

参考文献：

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(责任编辑：曾小军)

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

中图分类号：S761.1

文献标志码：A

文章编号：1001-8581(2016)02-0101-05

作者简介：李晓刚(1983─)，男，山西吕梁人，讲师，博士，主要研究方向为环境变迁。

基金项目：国家级大学生创新创业训练计划项目(201411396001)；陕西省教育厅科学研究项目(15JK1224)；陕西省商洛市科技计划项目(SK2014-01-05)；商洛学院科研项目服务地方专项资助项目(12SKY-FWDF009)。

收稿日期：2015-08-04