本研究重建所采用的主要历史文献资料来自整编的历史时期气象记录汇编, 主要包括《中国三千年气象记录总集· 增订本》(张德二, 2013)和《西北灾荒史》(袁林, 1994)。现当代气象灾害记载主要来自《中国气象灾害大典》中的相关省份分册(温克刚, 2005a, 2005b, 2005c, 2007a, 2007b, 2007c, 2007d, 2008a, 2008b, 2008c, 2010a, 2010b)。

另外, 还利用了相关区域的历史时期温度、湿度及降水序列的重建结果。

作者依据杨煜达和韩健夫(2014)提出的重建历史时期极端事件序列的方法, 首先将研究区域分为若干站点, 进而按照研究区域内资料保存率的情况对研究时段进行分期, 最后再对不同时段的站点干旱等级按照一定的发生概率采用不同标准进行评定, 并最终总结出区域极端干旱的遴选标准。

对研究区域进行分站点的划分, 一共分为34个站点, 分别为北京、天津、唐山、多伦、保定、沧州、石家庄、邯郸、安阳、洛阳、郑州、南阳、信阳、德州、莱阳、济南、临沂、菏泽、阜阳、蚌埠、徐州、西安、宝鸡、榆林、延安、银川、平凉、兰州、天水、西宁、大同、太原、临汾和长治。每个站点的名称是此站点内县有代表性的城市名, 因此每站点的地域范围并不仅限于站点名称所指城市的行政区范围, 还含有其周边城市的地域范围。

为了分析资料分布的不均匀问题, 首先对明清两朝研究区域内的地方志总部数和总卷数进行统计, 在此基础上进行滑动t-检验(魏凤英, 1999)。发现在1478年和1658年地方志数量存在明显的突变, 即地方志总部数方面, T值分别为-4.28和-4.27, 均超过0.001的显著性水平; 地方志总卷数方面, T值分别为-4.39和-4.63, 也超过0.001的显著性水平。说明明清方志数量在1470和1650年代出现过增长的突变。同时, 1951年之后, 随着国家气象台站和气象观测点的普及, 中国气象观测开始步入器测时期。因此, 将1470年、1651年和1951年分别作为资料分布差异的时间节点, 从而将公元1000— 2000年划分为4段, 即1000— 1469年的以正史资料为主期, 1470— 1650年以正史资料为主、方志为辅期, 1651— 1950以方志为主、正史为辅期以及1951— 2000年以器测观测为主期。

站点干旱等级的划分使用了5级划分法:3级为正常, 4级为旱, 5级为大旱。干旱等级划分的标准及各等级发生概率基本遵照《中国近五百年旱涝分布图集》的标准, 但在具体站点的等级划分上, 会根据不同时期的资料保留情况而有细微变化。公元1000— 2000年研究区域内旱涝记载共18i123条, 不同时段内各站点的旱涝记载率不同。图 2显示1000— 1469年34个站点的平均记载率为24.38%, 因历史文献记载具有记异不记常的特点, 且文中以发生概率在10%及以下的极端干旱为研究对象, 此记载率满足研究所需。另外, 因西宁站点7%的记载率偏低, 按照文献记异不记常的记载特点, 将此时段西宁站点有干旱记载的年份一律判定为5级。1470— 1650年、1651— 1950年各站点平均记载率分别达到64.38%和79.96%, 均满足研究所需。

图 2

Fig.2

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	图 2 公元1000— 2000年中国北方地区各站点旱涝记载率Fig.2 Drought/flood recording rate in each research site in north of China during AD 1000-2000

最后, 对于区域极端干旱事件的识别, 采用了如下标准: 在34个站点中, 5级站点数在9个(含9个)以上, 同时受灾总站点数在13个(含13个)以上; 或5级站点数在7个(含7个)以上, 同时受灾总站点数在20个(含20个)以上。满足以上2个条件之一便可定此年为极端干旱年份。据此标准确定的极端干旱年份为101年, 占总年次的10.1%, 约10年一遇。

在公元1000— 2000年, 中国北方地区共发生101次极端干旱事件(包括22次特别极端干旱事件)。将101次极端干旱事件和22次特别极端干旱事件以30年作为时间尺度统计其发生次数, 其变动趋势如图 3所示。

图 3

Fig.3

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	图 3 公元1000— 2000年中国北方地区每30年的极端干旱和特别极端干旱次数变化Fig.3 Number of extreme drought/particularly extreme drought years for each 30 years in north of China during AD 1000-2000

从图3中可见, 在公元1000— 2000年中, 北方地区极端干旱事件的发生存在着明显的高发期与低发期。高发期分别为1061— 1090、1191— 1250、1421— 1450年、1481— 1510年、1631— 1660年和1821— 1880年。而低发期分别在1251— 1400和1651— 1800年2个时间段持续时间比较长。

另外, 中国北方地区每30年极端干旱事件次数在过去1000年中存在明显的周期振荡。

小波分析结果(图 4)显示, 极端干旱事件在公元1000— 2000年中存在200年左右的周期波动。虽然在1600年之后, 这一周期并不十分稳定, 但1000年至1600年这近600年间, 200年左右的周期表现得十分稳定。

图 4

Fig.4

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	图 4 公元1000— 2000年中国北方地区每30年极端干旱事件次数的小波实部图 注:小波变换系数正值偏干, 负值偏涝。Fig.4 Real part of wavelet of the number of extreme drought events every 30 years in north of China during AD 1000-2000

从全系列来看, 以15世纪至16世纪初期和17世纪中叶极端干旱程度最为严重。在1421— 1510年间, 发生的极端干旱事件达16次, 超出正常发生频率的87.5%。在1631— 1690年的60年间, 极端干旱出现11次, 超出正常发生频率的83.3%。而之后则是将近100年的相对低发期, 90年间发生的极端干旱事件只有6次, 较正常频率偏低33.3%。

将Zheng 等(2006)重建的过去1500年中国东部华北地区的干湿变化数据进行30年滑动平均处理, 同30年尺度的极端干旱事件发生次数进行比较分析(图5), 结果显示, 中国华北地区相对偏干的时期, 北方地区极端干旱事件的发生概率普遍偏高, 反之亦然。11世纪后期、13世纪前期、15世纪、16世纪末至17世纪初期几次极端干旱事件发生频繁期, 华北地区均为偏干时期; 而在14世纪中后期、16世纪中期和18世纪, 华北地区偏湿润时, 北方极端干旱事件的发生次数明显降低。可见, 中国北方地区的极端干旱事件与整个北方地区的整体干湿变化情况存在一定的一致性。

图 5

Fig.5

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	图 5 华北地区干湿指数变化(A)与中国北方地区每30年极端干旱次数变化(B)对比(图A据Zheng et al., 2006)Fig.5 Comparison of relative humidity successions in North China(A) and number of extreme drought years for each 30 years in north of China(B)(Fig. A is from Zheng et al., 2006)

中国东部地区作为全球典型的季风气候区, 其干湿变化深受东亚夏季风的影响。将Zhang等 (2008)重建的万象洞 δ ¹⁸O 含量所指代的季风强弱变化序列与中国北方地区每30年极端干旱次数变化进行对比研究(图 6), 结果显示, 在明清小冰期内, 东亚夏季风整体偏弱, 北方极端干旱事件发生概率也由此升高, 即整个小冰期内北方极端干旱事件在季风偏弱期更容易发生; 在中世纪暖期, 夏季风相对偏弱的时段内, 极端干旱也容易出现, 而在夏季风最强的12世纪前半叶, 则没有发现极端干旱事件。可见, 北方地区极端干旱事件的发生概率受到来自东亚季风强弱变化的影响。但是, 也还存在不一致的地方, 在中世纪暖期1200年前后季风偏强的时段, 极端干旱事件也存在偏多, 而在1550年前后季风偏弱的时段, 极端干旱事件相对偏少, 进一步说明了极端事件发生机制的复杂性。

图 6

Fig.6

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	图 6 万象洞 δ 18O 含量(A)与中国北方地区每30年极端干旱次数变化(B)对比(图A据Zhang et al., 2008)Fig.6 Comparison of δ 18O in Wanxiang cave(A)and number of extreme drought years for each 30 years in north of China(B) (Fig. A is from Zhang et al., 2008)

将位于季风边缘区的陇西地区公元1000— 2000年的干湿指数(Tan et al., 2008)与北方极端干旱序列进行比对(图 7)发现, 总体而言, 陇西季风边缘区的干湿与华北极端干旱发生存在一定的同步性。北方极端干旱出现最为频繁的15和17世纪, 陇西地区整体处于偏干的状态; 而16世纪陇西相对偏湿的时期, 北方极端干旱事件正好为小冰期内极端干旱最少的时期。但在中世纪暖期, 这一关系则发生了反转, 1100年前后陇西偏干, 而北方地区则偏湿润, 而在1200年前后, 陇西偏湿润, 而北方地区极端干旱事件发生概率明显上升。

图 7

Fig.7

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	图 7 陇西干湿指数(A)与中国北方地区每30年极端干旱 A图中, 细线: 10年平均值; 粗线: 30年滑动平均值次数变化(B)对比(图A据Tan et al., 2008)Fig.7 Comparison of relative humidity successions in Longxi (A)and number of extreme drought years for each 30 years in north of China(B)(Fig.A is from Tan et al., 2008)

利用非季风区的青藏高原东北部(Yang et al., 2014)和柴达木盆地的干湿变化(邵雪梅等, 2006)来比较(图 8)发现, 在中世纪暖期, 北方极端干旱的频发期往往对应着柴达木盆地等地降水量偏多的时期; 在明清小冰期, 这种对应关系与暖期正好相反。需要注意的是, 两者在小冰期内不一致, 时间差大概在22年左右, 即柴达木盆地等地的降水量会在北方极端干旱事件出现最为频繁时段之后22年下降至低点。如1401— 1500年和1601— 1650年为北方干旱最为严重的时段, 也是柴达木等地降水量最低的时段。至现代暖期, 降水量与极端干旱事件的关系又恢复到中世纪暖期的状态。可见, 北方地区极端干旱事件与柴达木盆地等地以及陇西地区的干湿对应关系相反。

图 8

Fig.8

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图 8 柴达木盆地30年滑动平均降水量(A)、青藏高原东北部30年滑动平均降水量(B)与中国北方地区每30年极端干旱次数变化(C)对比(图A据邵雪梅等, 2006; 图B据Yang et al., 2014)Fig.8 Comparison of precipitation of 30 years moving averages in Qaidam Basin(A), precipitation of northeastern of Tibetan Plateau 30 years moving average(B)and Number of extreme drought years for each 30 years in north of China(C)(Fig.A is from Shao et al., 2006; Fig.B is from Yang et al., 2014)

北方极端干旱事件与柴达木盆地降水量的上述对应关系也反映在与当地发生概率在10%的极端干旱事件的关系之上。根据黄磊等(2010)复原的柴达木盆地极端干旱事件序列, 将之与北方地区进行比对(图 9)发现, 在中世纪暖期和现代暖期, 两地间同概率密度的极端干旱事件发生次数存在反相关关系; 而在明清小冰期, 两地间的极端干旱事件发生次数又呈现正相关关系。这种对应特点与北方极端干旱事件同当地降水量变化的对应关系相一致。

图 9

Fig.9

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	图 9 中国北方地区与柴达木盆地每100年极端干旱事件次数对比(柴达木盆地数据来自黄磊等, 2010)Fig.9 Comparison of number of extreme drought years for each 100 years in north of China and Qaidam Basin(Data of Qaidam Basin is form Huang et al., 2010)

综上所述, 将北方地区极端干旱事件发生次数与季风边缘区、青藏高原非季风区的干湿、降水变化进行对比后, 将公元1000— 2000年北方地区极端干旱高发期内, 东部季风区、西部季风边缘区和青藏高原非季风区的干湿、降水特征进行归纳(表 1), 可以看出彼此之间的对应关系如下: 首先, 在公元1000— 2000年中北方极端干旱高发期, 华北也为偏干时期; 其次, 公元1000— 2000年北方地区极端干旱高发期内, 季风边缘区、青藏高原东北— 柴达木盆地的干湿状况相反; 最后, 柴达木盆地极端干旱发生次数在不同冷暖环境下, 与北方极端干旱事件的对应关系不一致。

表 1

Table1

表 1(Table1)

表 1 中国北方地区极端干旱高发期内各地干湿、降水情况 Table1 Humidity successions or precipitation in various regions during high-incidence periods of extreme drought events in north of China 冷暖期1421— 1450年; 1481— 1540年 中世纪暖期1631— 1690年 明清小冰期 1061— 1090年 东亚夏季风 强 弱 弱 华北季风区干湿 干 干 干 陇西季风边缘区干湿 湿 干 干 青藏高原东北— 柴达木盆地降水量 高 低(滞后) 低(滞后) 柴达木盆地极端干旱 低发 高发 高发

表 1 中国北方地区极端干旱高发期内各地干湿、降水情况 Table1 Humidity successions or precipitation in various regions during high-incidence periods of extreme drought events in north of China

将中国北方地区极端干旱事件的发生次数与中国东部地区冬半年的温度距平(Ge et al., 2003)相对比(图 10), 可以发现, 在中世纪暖期和现代暖期, 东部地区冬半年温度偏高时, 北方极端干旱事件偏多, 反之亦然, 两者呈现出暖— 干的关系。而在小冰期中, 冬半年温度偏低的时期, 如明清小冰期内15世纪和17世纪的2个冷谷, 分别对应公元1000— 2000年中极端干旱事件爆发最频繁的2个时期; 而相对温暖的16和18世纪, 极端干旱事件出现频率反而大幅下降, 两者呈现出冷— 干的关系。

图 10

Fig.10

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	图 10 中国东中部冬半年温度距平(A)与中国北方地区每30年极端干旱次数变化(B)对比(图A据Ge et al., 2003)Fig.10 Comparison of winter half-year temperature in the central eastern China(A)and number of extreme drought years for each 30 years in north of China (B) (Fig.A is from Ge et al., 2003)

由此可见, 在气候冷暖的不同时期, 极端干旱事件与冷暖的关系出现逆转, 暖期的模式是越暖的时段极端干旱事件愈频繁, 而在小冰期则变为越冷的时段极端干旱事件愈频繁, 小冰期中相对温暖的时期, 极端干旱事件反而较少。