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历史时期极端气候事件的甄别方法研究—以西北千年旱灾序列为例

发布日期:2018-12-28 原文刊于:

一, 引言

极端气候事件指特定时段内某类气候要素量值或统计量显著偏离其平均态、且达到或超出其观测或统计量值区间上下限附近特定阈值的事件。近年来,气候变暖背景下的极端事件的变化引起了广泛的关注。此前气候变化的研究主要集中在气候要素平均值的重建上,而极端气候事件的频率和强度的变化更可能对社会和环境产生重大影响。在全球变暖背景下气候是否更加容易变化或更加极端,是全球变化研究中的重要科学问题。这一问题需要更长时间尺度上同一概率密度的极端事件的重建结果来比较才有可能回答。因此,研究长时段的极端气候事件变化不仅可以辨识过去气候不稳定的状态,认识当前极端事件发生特征的历史地位,且可为极端气候事件的灾害风险管理和气候变化适应提供宝贵的历史借鉴。

在历史时期极端气候事件的研究中,历史文献由于不仅具有时间分辨率高、连续性好、包含极端事件的性质、过程和程度信息的特点,还有极端事件对人类社会的影响及其响应等多方面的记载,因而是这一时段内研究极端气候事件的最理想的资料。而我国拥有丰富的历史气候记载,特别是其中的重大气象灾害记载往往与极端或重大气候事件发生密不可分,因而相关记载史不绝书,这是其它国家和地区难以比拟的。在过去的研究中,已经有很多的研究涉及到了这一问题。如王涌泉对1662年黄河特大洪水事件的重建及天气形势的研究[1]满志敏、郝志新等人对光绪三年北方大旱的时空重建及气候背景的研究[2]、张德二对过去千年的重大干旱事件[3]和极端高温事件的研究[4]、曾早早等对近300年来三次极端旱灾事件的研究[5]、郝志新等对南方地区极端冷冬事件的研究[6]等等,这些工作在极端事件的个案重建、极端冷冬事件、极端旱涝事件及极端事件变化特征等方面的研究都取得了进展。特别是郝志新等在2010年对中国东部地区近2000年来极端旱涝事件的研究,第一次提供了大尺度的、有明确概率密度的极端旱涝事件序列,这是对极端旱涝事件识别工作的重要突破[7]。郑景云等在2014年又对中国过去2000年极端气候事件变化特征进行了梳理和总结[8]

目前,利用历史文献中丰富的灾害信息识别和重建长时间尺度极端气候事件序列,其主要难点,第一在于历史文献资料系统自身的时间分布的不均匀性,导致文献中灾害记录有随时间推移而增加,记录的详细程度亦有同样的趋势。第二,历史文献记载空间分布亦有不平衡性,一般说来,政治、经济、文化发达的区域,对于灾害的记载就比较完备,而偏远的地区,留下来的灾害记载就偏少[9]。第三,历史时期的灾害记录,特点是一般比较简单,只有少数有比较详细的灾害描述。这样看来,对于空间尺度较大、发生概率较小的极端事件,不同时期、不同区域的记录比较存在一定的困难。所以过去对极端事件的识别工作,一般都难以给出一定的发生概率。在前引郝志新等对于过去2000年中国东部极端旱涝事件的研究中,第一次给出了明确的概率密度,但是,其分站点重建的旱涝等级,是基于1996年张丕远等人的重建数据[10],没有给出明确的方法。对于明确概率密度的极端灾害事件的重建方法,尚需进一步的探讨。

本文的研究,就是在前贤研究的基础上,希望通过对过去1000年西北地区旱灾历史资料的分析,识别和遴选研究时段内西北地区的极端干旱事件。以归纳和总结出较为系统而科学的极端气候事件的识别指标和方法。为了区别,本文把重建的发生概率为10%的干旱事件称为“极端干旱年份”,而把发生概率为2%的称为“特别极端干旱年份”

本文中所指的西北地区大致包括今天的陕西、宁夏、甘肃三省(及青海省西宁市),研究区域涵盖204个市县。该区域以暖温带、中温带的半湿润、半干旱区为主,包括关中地区、河套地区、陇中、陇南地区和河西地区,另外还包括高原温带半干旱区的西宁地区及北亚热带湿润区的陕南地区。这一区域位于东亚季风区的边缘地带,对于全球变化反应比较敏感,其农业生产,很大程度上依赖于水利和灌溉系统,干旱对当地社会有很大的影响。同时,这一区域是中国文明发展较早的区域,历史文献资料的记载除了个别时期以外,大多数时期都连续不断。选择这一区域,资料也能基本满足要求。没有将新疆和内蒙西部、青海大部分地区列入到研究范围,主要是考虑这些地区缺少历史文献资料,无法满足研究对资料均一性的要求。

二, 主要利用的资料及分析

本文研究所使用的资料,主要来自已整编的历史气候史料。

利用的整编资料主要有:张德二主编的《中国三千年气象记录总集》[11],该资料集收集自甲骨文字以来直至公元1911年三千年间各种有关气象的史籍共8228种,实际采摘引用7835种。其中地方志7713种,纪传体史籍28种,各代会要7种,各代纪事本末6种,及《资治通鉴》、《通鉴外纪》、明清实录等,还包括笔记、碑文及《太平御览》、《册府元龟》和政书类“十通”等,基本囊括了正史和地方志中的天气及灾害资料,是全国目前公开出版收录最全的一部资料总集。袁林所编《西北灾荒史》[12]是另一部关于西北重要的灾害史料集。广泛收录了正史、地方志、实录、政府公报、报刊等资料中有关西北地区的灾害记载,在西北区域的旱灾史料上多有前者所未收的,这两部资料中收录的关于西北旱灾的史料,构成了本研究的基础。

清代档案中有丰富的灾害史料,因前列两部资料尚未大量查询使用,故而本文补充查找了中国第一历史档案馆主编的清代历朝上谕档[13]中有关灾害的内容为进一步保证资料的准确性,又对部分正史及政书、编年体史书、实录、清代档案等进行了复核,主要有《宋史·五行志》[14]、《金史·五行志》[15]、《元史·五行志》[16]、《明史·五行志》[17]和《清史稿·灾异志》[18]及“十通”、《续资治通鉴长编》[19]、《明实录》[20]和《清实录》[21],以上这些措施,一定程度上保证了资料的完整性和准确性。

1951年后的旱灾资料,由于全国性的气象台站网点逐步完善,对于这一时期的数据,直接利用了《中国近500年旱涝分布图集》[22]及其《续补》[23]1951年之后的数据资料,并参考《中国西北地区近500年旱涝分布图集》[24]中西安、宝鸡两站资料及《中国气象灾害大典》[25]的《陕西卷》、《宁夏卷》、《甘肃卷》和《青海卷》中对于1951年以来的旱灾记录数据。

上述三种类别的史料,大致可以构成三个系列的资料。第一个系列是以方志中记载的气象灾害为主要来源的资料汇编。方志类资料中主要以一府、一县为地域单位记录,记载灾害次数最多,其中对小地区内的灾情描述更为具体。第二个系列是以正史、政书、编年体史书及档案为主的资料。这类资料具有更严格的书写规范,但是以全国为记录范围,所记录的灾害大多为大型灾害,在局地小型灾害记录上不如方志。但正史记载灾害的数量变动趋势可以在一定程度上与方志记载数量变动做比对研究,而实录与档案类资料对重大灾害的救济和描述更为详细,可以与方志类资料互为补充。第三类系列为近代器测资料。这类资料是以现代气象观测仪器为工具对灾害的情况进行的记录。

首先我们需要分析历史文献可能存在的问题。

由于在明代之前,方志保存很少,即使后世方志记录之前的灾害,实际也是转抄自正史类的文献。因此,明代之前的灾害,主要依靠正史资料。而在明初之后,方志资料日益丰富,因此,我们首先要考察明清时期方志记录是否存在明显的时间差异。

1和图2分别给出了研究区域内1368-1917年间每10年地方志和《明史·五行志》和《清史稿·灾异志》中灾害的记录数。需要说明的是,由于《明史·五行志》和《清史稿·灾异志》在记录篇幅及卷数上存在差异性,对《清史稿·灾异志》中所得数据进行了折算,以去除这一因篇幅不一所带来的不均性,故而图中所列每10年的灾害记录数为经过处理后的结果。从图中可以看出,方志中记载的旱涝灾害数量呈现明显的线性上升趋势,在明代初期的14世纪晚期,每10年研究区域内的旱涝记录数不过10余条,而到17世纪晚期,每10年的旱涝记录数量达到了100条左右,而到19世纪中期,更是达到了150条左右。相比之下,正史的旱涝灾害记录数比较稳定,在14世纪晚期,每年大致在20条左右,然后一直波动起伏,直到19世纪晚期才明显下降。

两相比较,说明研究区域内方志时期的旱涝灾害记录数量存在明显的变化,这种变化不能简单用实际发生的灾害数量增多来解释。为了讨论方志记录数量增多的原因,我们对研究区域内明清时期每10年中留存方志中有旱涝灾害记录的部数各部的总卷数分别进行统计[26]。(见图3,图4)从图中可以看出,明清时期西北地区有旱涝灾害记录的方志数量及其卷数,亦和图1的旱涝灾害数量有相同的增长趋势,而与图2中正史的灾害记录数量相较,差异颇大,这很大程度上说明了明清时期研究区域内方志记录的灾害数量的增加,主要是由方志纂修数量的增加而导致的,不一定反映该时段内灾害数量的增加。

为进一步说明方志灾害记录与方志数量的关系,我们对方志部数、方志卷数及方志中灾害记录数三个序列进行了滑动t-检验,以检测每项统计数据列中的突变时间段。检验结果显示,在有旱涝灾害记录总卷数及灾害记录数中,同时存在两个突变时段,分别在1468-14771478-14871638-16471648-1657两个时间段间。其中,灾害记录数1468-1487间存在突变,T=5.04.超过0.01的显著性水平;方志部数、总卷数及灾害记录数1638-1657间同时存在突变,T分别等于7.00,6.70,7.20.超过0.0001的显著性水平。方志数量和方志中灾害记录数量的突变时段的一致,进一步说明了方志记录数量的增加,只能归因于方志总数的增加。而灾害记录的两个突变时段,也可以为我们进一步的识别和重建提供划分时段的依据。

三,研究区域的站点划分及各站点资料保存情况

前面我们对研究区域内的文献资料情况进行了分析,现在进一步考虑研究区域内的站点问题。在过去的研究中,《中国近五百年旱涝分布图集》[27]的工作建立了一个很好的模式,利用分区域和分级别的方法,重建全国1470年以来的旱涝分布状况,解决了历史文献记录与现代器测资料衔接的问题,这一工作的原则一直沿用。我们也利用类似的原则,对研究区域进行了站点划分,并分析站点各个时期的资料保存状况。

研究区域内自然地理环境差异巨大,且在研究时段内存在分属不同政权所统辖的情况,加之资料记录的详略程度各地间有很大差异,资料的空间分布也有明显差距。研究区域内站点划分的依据,主要依据参照《中国近五百年旱涝分布图集》(后简称《图集》)。因该《图集》在站点划分上充分考虑了各站点内自然要素的一致性,并结合政区划分的实际情况。但本文相对于《图集》在此区域所分站点而言,又考虑到《图集》中西安站点区域过大及宝鸡地区的资料留存程度较好等原因,参考白虎志对西北旱涝分布图集的研究[28],增加了宝鸡这一站点。故而在《图集》的基础上微做调整后,将研究区域分为12个站点(图5)。这些站点分别为安康、汉中、西安、宝鸡、延安、榆林、银川、天水、平凉、兰州、张掖、西宁。

同时需要说明的是,在研究时段中研究区内的行政区划变动较大。因此本文利用《中国行政区划通史》中的《宋西夏卷》、《辽金卷》、《元代卷》、《明代卷》、《清代卷》和《中华民国卷》[29]的研究成果,并参考《中国历史地图集》[30]及《中华人民共和国行政区划简册2001[31]将研究区内近千年的政区变化进行了转换,并制成表格,以方便历史文献中记录政区的古今对照。因篇幅所限,此处从略。

根据上节突变分析中得出的突变节点,并考虑到《图集》中本研究区域内各主要站点从1951年开始均已经利用器测观测数据。故而,本文以1470年、1651年和1951年作为分阶段的节点,以1000-1469年为一段,这一阶段主要以正史资料为主;第二阶段定为1470-1650年间,以正史资料为主、方志资料为辅:第三阶段为1651-1950年,以方志为主、正史为辅;第四阶段从1951-2000年,为器测观测。

现将4个不同时期研究区域内12个站点有记录年份占时段总年数的百分比进行统计,如图所示:

从上图可以看出,从整个研究区域来看,1651-1950年间各站点的平均资料占有率超过了60%,各别站点如平凉甚至超过了80%的资料保有率,而在1470-1650年间则超过了40%,在最低的时段即1000-1470年之间各站点的资料平均保有率也有17.6%。其中有六个研究子区域的资料保有率超过20%。一般说来,根据IPCC指定的不确定性科学评估标准,记录保有率低于33%的情况会被视为仅记录了不到50%的灾异年份而被视为低可信度[32]。但是,历史文献资料中具有显著的记异不记常的特点,越是大灾越有理由认为灾害会被记录且保留下来的概率要高。由于识别和重建的是发生概率为10%2%左右的极端旱灾事件,可以认为,即使是17.6%的资料保有率,也覆盖了绝大多数区域内的极端旱灾事件。在这一时段内,资料保有率最少的两个研究子区域为西宁和以张掖为代表的河西地区,分别为6.6%5.3%,这对站点的分级识别造成一定影响,但仅占研究区域站点总数的16.7%,因而我们可以说,这一资料保有率基本上能满足研究的需要。

四,站点旱灾等级的判定

采用等级法在对研究区域内各站点的旱灾程度进行判定。旱灾等级的判定大体按照《500年旱涝图集的》的思路对历史文献中的记录给予定级。因本文以旱灾为研究对象,对涝灾不予考虑。定义等级为:3级为正常、4级为偏旱、5级为旱。且按照这样的概率密度来定义:5级旱大体占站点总年份的10%左右,4级大体占站点总年份的20-25%左右。由上文分析可知,研究区域内各时段资料保有率有显著的差异,这便要求在判定旱涝等级时不能不加区别地采用同一的定级标准,而是在同一概率密度的要求之下,标准的设计尽量吻合文献记录的特点和要求。

1000-1469年:研究区内在这一时段的资料保有率为17.6%。在这一情况下对这一时段内各区域的旱涝等级的划定遵循如下规则:

3级:

年成丰稔,大有。如:“大稔”、“大有年”等。

4级:

没有灾情的语言描述记载,也无形容灾害程度的词语,仅为某某地“旱”、“旱、蝗”、“遣官祈雨”者;所列表举例如下:

5级:

有对灾情的语言描述,如“河竭”、“日赤如火,田野龟折,禾麦尽槁,民大饥”者,或有形容灾害程度的词语,如“大旱”、“大饥”、“亢旱”者;

或有对灾害所造成的社会反响描述,如“祈雨、祈雪”、“秦民以饥离散,壮者为北人所买,郡邑遂空”、“群起为盗”、“陕西等地以水旱伤民田十三万七千七百余顷”、“斗米至万二千者”。

或有明确的救济措施记载,如“赈之”、“以水旱灾免陕西去年租税”。列表举例如下:

另外,因张掖、西宁两站点的资料保有率不足10%,因而只要有旱灾记载,不论范围和程度,一律判定为5级。

没有记录的站点年份一律按照无资料空缺处理,不另作插补。

1470-1650年:这一时段研究区内的资料保有率为45%。这一时段内各区域的旱涝等级的划定遵循如下规则:

3级:

年成丰稔,大有。如:“大稔”、“大有年”等。

4级:

没有对灾情的语言描述,并无形容灾害程度的词语仅为某某地“旱”、“旱、饥”、“旱伤”、“大旱”者;

或只有简单的旱情描述及受灾程度的形容者,如:“旱灾荒”、“闰九月,大旱”、“秋无禾”、“秦州属县旱”、“大旱,民多流徙”;

或只有因灾缓征、蠲免当年粮草、籽粒、赋税等,列表举例如下:

5级:

有严重旱灾的语言描述,且有因灾缓征、蠲免当年粮草、籽粒、赋税的基础上再给予赈济者,如:“二月,蠲陕西西安、凤翔、庆阳、平凉、延安今年秋粮有差,以地震、旱灾故也。三月,陕西西安、凤翔、庆阳、平凉、延安五郡旱荒盗乱,命发银一万六千两及州、县仓粟赈之。”;

或存在赈济与蠲免的情况下还有较为严重的旱情描述、程度形容及社会响应描述者,如“陕西大旱,是年陕西等地大旱,蝗;至冬大饥,人相食,草木俱尽,道殣相望”、“斗米值二两五钱,人相食”、“易子而食,流亡殆尽”等。列表举例如下:

另外,因西宁与张掖两站的资料保有率明显低于其他地区,需要区别对待:其中以两地的上一级政区名义记载有旱,但无旱灾描述的一般旱灾者,如“陕西旱”者,定为4级;

以两地的上一级政区名义记载有旱,且有旱灾描述、程度描述及赈济情况者,如“以甘肃等处旱灾,命蠲屯粮,并发银赈济有差”;或专门记载两地有旱情,不论范围和程度,如“十一月,以旱灾免肃州、甘州、高台、山丹、古浪等卫所钱粮”、“四年六月,以旱灾免陕西甘州左等十一卫所红治三年屯田子粒有差”者,一律判定为5级。

最后,凡因所收史料中无记录而不能评级的站点年份,参考该年份此站点在《图集》中的定级,如《图集》中亦未定级,则按照无资料空缺处理,不另作插补。

1651-1950年:这一时段资料保有率达到65.6%。其旱涝等级的划定规则如下:

3级:

年成丰稔,大有。如:“大稔”、“大有年”等。

4级:

受旱时间仅为单个月份或单个季节,且程度较轻,并伴有简单灾情描述或因灾豁缓、免赋税者,及范围涵盖站点内一半以上区域者。如:“雨泽愆期”、“汉中府旱”、“七月,免甘肃靖远卫本年分旱灾额赋”等。列表举例如下:

5级:

有因灾在缓征、蠲免当年粮草、籽粒、赋税的基础上再给予赈济者,如:“十二月,免甘肃会宁等四县、卫本年分旱灾额赋,并命发粟赈济饥民”、“八月,赈恤甘肃平番、兰州、金县、河州等四州、县被旱灾民,缓征额赋。赈甘肃会宁县被旱灾民。”;

或存在赈济、蠲免的情况下还有较为严重的旱情描述、程度形容及社会响应描述者,如“夏,关中大旱,赤地千里”、“是岁,山、陕大旱。人相食”、“秦、晋冬经春及夏不雨,赤地千里。人相食,道殣相望,其鬻女弃男,指不胜屈,为百余年未有之奇”等。列表举例如下:

除此之外,凡记录中以“陕西省”为灾害发生地点时,视其当时所辖全区域所对应今站点地区均有旱灾发生,一并定级;如1721年(清圣祖康熙六十年)《清实录》载:“五月奏:‘陕西四月无雨,秋成可虑’”;1748年(清高宗乾隆十三年)《清通志》载:“陕西各属旱”;1774年(清高宗乾隆三十九年)《续修陕西通志稿》载:“陕西春旱”等。

凡记录中出现以单个县份为单位的旱灾记录时,视其站点内受灾县份数是否达到所在站点总县数的一半,如未达到则不予定级,达到则给予定级;如1721年(清圣祖康熙六十年)《周至县志》载:“春、夏,大旱,麦禾无收。斗米价银七、八钱”,《澄城县志》载:“旱,自正月至小暑始雨”,《临潼县志》载:“春,无雨,麦每斗价七钱,六月乃雨”,《华州志》载:“大旱,民饥”,《商南县志》载:“大旱”,《洛南县志》载:“秋,大旱”,《高陵县志》载:“春、夏,旱甚,无麦,斗米五钱,逃徙无算”,受灾县份数达到西安站点县数的一半,给予定级。

最后,凡因所收史料中无记录而不能评级的站点年份,参考该年份此站点《图集》的定级,如《图集》中亦未定级,则按照无资料空缺处理,不另作插补。

1951-2000年:对这一时段旱涝等级划分按照《图集》中的数据资料定级,另外运用《中国西北地区近500年旱涝分布图集》中的资料确定西安和宝鸡地区的旱灾等级。

因本文研究对象为历史时期的极端干旱,对于史料中缺失的年份一律不定等级,视作正常年份处理。

7为定级之后各个站点各等级的比率情况。

从各个站点分阶段的定级情况来看,在前3个由历史文献判定旱灾等级的时期内,各站点发生概率为10%左右的5级大旱分别为8.1%10.1%9.7%,差别并不大。在资料保有率最低的1000-1469年间,各站点定位3级即正常的年份仅为0.4%,定位4级旱的年份为4.9%,而定位5级大旱的年份则为8.1%。但从1470年开始,判定为3级和4级的情况亦恢复正常。这说明,定级方法较好地处理了不同时期资料的不同状况,即便在资料保有率为17.6%的第一个时期,其判断的各站点大旱灾年份,亦比较接近10%的概率密度。而资料的缺失,更多体现在了正常和偏旱年份的记录上。

而从站点的情况来看,张掖和西宁的资料保有率偏低,按照这一方法定级,其1000-1469年、1470-1650年、1651-1950年三个阶段的5级大旱的发生率分别为4.8%6.8%7.1%6%12.3%7.6%,虽然在各个站点中属于偏低的范围,可能较实际情况而言,有由于文献缺失而漏定的情况,但幅度不大。而资料保有率最高的西安站,三个阶段定为5级的比率分别为12.3%14.4%9.6%,较其它站点的定级情况相比,亦较正常。从这些情况来看,分阶段分站点定级的方法较好地处理了资料在时间和空间上的不平衡。

从定级结果来看,在与《图集》相重合的1470-1950年间,将各年份各区域的等级结果与《图集》相对比,重合率达到82.7%。出现未完全重合的原因有二:一、研究的目标不一。本研究的研究思路是将旱灾与涝灾区分对待,定级中只关注旱灾的发生情况,而《图集》是综合考虑一年中的旱涝灾害情况下,以夏季作为等级判断的主要季节;二、资料丰度有所提高:在本研究中所运用的《西北灾荒史》及《中国三千年气象记录总集》资料对本文研究区内的灾害记录收集数量要多于当年《图集》所收记录,从而出现补充一些站点的灾害等级的情况,如银川地区补充出22个年份的灾害记录,天水地区为63个年份,平凉地区为41个年份,兰州地区为24个年份,张掖地区为39个年份,西宁地区为19个年份。

五,区域极端旱灾事件的识别及结果

   按照气候学中对极端气候事件的定义标准中通常所用的百分比阈值法[33]百分位阈值法是采用某个百分位值作为极端值的阈值,超过这个阈值的值被认为是极值,并称为极端事件。IPCC3次报告(TAR)和第4次评估报告(AR4)都对极端天气气候事件作了明确的定义,对一特定地点和时间,极端天气事件就是从概率分布的角度来看,发生概率极小的事件,通常发生概率只占该类天气现象的10%或者更低。[34]

故而本文采用10%2%两个百分比来分别定义极端旱灾和特别极端旱灾发生的概率,分别标示10年一遇和50年一遇的极端干旱。由于识别强调的是极端事件,因此,在区域内部不同站点灾情的权衡中,更多强调5级站点的权重,特别是在2%概率的特别极端事件时更是如此。

依据这一标准对逐年份的旱灾空间分布站点数及旱灾等级进行分析,将重大旱灾和极端旱灾的遴选标准定义如下:

10%的标准:评级为4级的站点要占总站点数75%(即9个)及以上;或者存在5级站点时,有旱灾异常记录的站点要占总站点数的66%(即8个)及以上;或者评级全为5级的站点占总站点数的50%(即6个)以上,满足以上三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108年次,占总年次的10.8%,约10年一遇。

2%的标准:评级为5级的站点数要占总站点数的75%(即9个)及以上,并且同时满足所选年份在文字描述中均有灾害造成严重社会影响的记录,那么便可定此年为特别极端干旱年份。据此标准确定的特别极端干旱年份为21年次,占总年次的2.1%,约50年一遇。

根据上述方法,重建出1000-2000年西北地区极端干旱和特别极端干旱年份,如下表所示:

在对极端旱灾年份进行遴选后,再对其进行记录语言上的比较。发现历史文献中对于这21个年份的旱灾记录所用语言均十分类似,并且所描述的受灾程度十分严重。由于篇幅关系,列表从略。

据上述重建出的1000-2000年间西北地区极端干旱、特别极端干旱的发生年份。现将其发生年份以50年和100年为单位时段分别建立序列,由此可清晰的显示过去1000年中国西北地区每50年、每100年的极端干旱、特别极端干旱事件发生年数变化情况,如下图所示:

从重建的极端干旱事件来看,在过去1000年存在3个极端灾害偏多的时期。第一个时期是1000-1250年,持续大约250年。第二个时期是1400-1650,持续时间也是250年左右,第三个则是从1800年开始,持续至今。其中,在第一个和第二个极端事件多发期内,在两个偏多的100年间,都有一个约50年的偏少期。值得注意的是,两个旱灾多发期之间,都有一个150年左右的相对稳定期。

15世纪尤其是15世纪下半叶,是两种极端事件都最多的一段时间。在整个15世纪,有多达24年的极端干旱年份,其中包括了4个年份的特别极端干旱。在15世纪下半叶的50年中,竟有16年为极端干旱年份,其中包括了2次特别极端的干旱年份。与之相比较,另一个极端干旱比较多的时期即17世纪上半叶的极端干旱年份为8年,特别极端的年份则仅为1640年一年。而人们关注很多的20世纪后半期的升温期,极端干旱事件为6次,特别极端干旱事件为1次,从长时间尺度来看,极端干旱事件的发生频率尚在正常范围内。

六,总结和讨论

本文以近1000年来西北地区为例,利用历史文献中的相关信息,成功重建了具有明确概率密度的发生概率为10%的区域极端干旱事件和发生概率为2%的特别极端干旱事件序列。其方法简要归纳如下:

首先对研究时段内涉及研究区域的历史文献资料的时间均一性进行分析,判断资料是否存在系统性的偏差,并根据资料系统内部的突变情况,划分不同的时段。其次将研究区域按照自然地理要素、政区和资料的情况,划定一定数量的站点。本文的工作,主要利用《图集》划分的站点来进行识别。在此基础上,需要对各站点的资料保有情况进行评估。再设计分阶段的旱灾等级评定方法,按照一定的概率密度来筛选评定要素,并适当考虑同时段内资料占有率特别低的站点的情况给予补偿。最后,按照需要的概率密度,识别研究区域内的极端旱灾事件。

这一方法的关键,在于利用分阶段分级评定的办法,构建了不同史料系统与器测资料间可以比较的平台。其建立的原则,第一是历史文献中灾异资料记异不记常的特点。这使得我们可以相信,只要资料记述系统本身没有中断,即使在较低资料保有率的时段,如1000-1469年间各站点平均资料保有率为17.6%,仍然保有绝大多数发生概率为10%的极端灾害的信息。第二个原则是概率密度原则。即在第一个原则的基础上,我们利用一定的概率密度,可以针对不同的时段乃至不同的站点,设计合适的评定标准,以评定具有相同概率密度的站点异常等级(在本文中,即旱灾等级)。这样,在同样概率密度下评定的站点等级,成为可以跨时段、跨资料系统进行长时段极端事件甄别的平台。

需要进一步讨论的是,研究区域内站点分设的问题。在一些学者的研究工作中,总觉得将研究区域内的站点设置得越多,则量化比较的工作越易进行。实际上,对于研究站点的分设,主要应该考虑研究区域内部的自然地理格局和政区格局——后者在一定程度上决定了历史文献资料在空间上的可识别性,同时应考虑站点内部的自然地理要素与政区设置的一致性,还应考虑文献资料本身的空间分布情况,这样才能比较好地处理好站点分设的问题。从大尺度的工作来说,《图集》设定的站点综合考虑了前述因素,具有经典意义。而在从事更小时空尺度的工作时,则研究站点的分设,可以根据资料的情况而具体考虑。

当然,利用代用资料进行的重建工作不可避免地存在不确定的因素,本文探索的方法也不例外。就历史资料而言,保留下来的记录本身有一定的偶然性。这种偶然性在资料保有率高的时段不成问题,在资料保有率偏低的时段和站点,特别是在资料保有不足10%的站点,对评定结果存在一定的影响。其次,定级中不可避免存在一定的主观性。依据史料的语言描述给予定级,虽然尽量给出较为细致、详密的规定和方法,但是其中的主观性、模糊性仍然客观存在,不可能根本避免。虽然这些不确定性对利用本方法识别重建的过去1000年的极端干旱事件的可靠性没有构成大的影响,但是,我们在研究中,一定要不断关注和评估各中不确定性对资料和过程的可能影响,才可能得出科学合理的结论。

 

作者:韩健夫,原刊于《历史地理》2014年,第30辑。



本文受教育部全国优秀博士学位论文作者专项资金资助项目201114、复旦大学“九八五工程”三期项目2011RWXKZD022资助,谨致谢忱。

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[3]张德二:《中国历史气候记录揭示的千年干湿变化和重大干旱事件》,《科学导报》,2004年第8期,47-49

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[8]郑景云、郝志新、方修琦、葛全胜:《中国过去2000年极端气候事件变化的若干特征》,《地理科学进展》,2014年第1期,3-12

[9]满志敏:《历史旱涝灾害资料分布问题的研究》,《历史地理》第16辑,上海人民出版社2000年版,第280-294

[10]张丕远主编:《中国历史气候变化》,山东科学技术出版社1996年版,第307-338

[11]张德二主编:《中国三千年气象记录总集》,江苏教育出版社,2004

[12]袁林著:《西北灾害史》,甘肃人民出版社,1994

[13]中国第一历史档案馆主编:《上谕档》,广西师范大学出版社,2008

[14](元)脱脱:《宋史》,中华书局 1985

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[19](宋)李焘:《续资治通鉴长编》,中华书局,2004

[20]台湾中央研究院历史语言研究所校正:《明实录》, 1962

[21]《清实录》,中华书局 2008

[22]中央气象局气象科学研究院编:《中国近五百年旱涝分布图集》,地图出版社,1981

[23]张德二、刘传志:《中国近五百年旱涝分布图集续补(1980-1992年)》,《气象》,1993年第11,41-45

张德二、李小泉、梁有叶:《中国近五百年旱涝分布图集再续补(1993-2000年)》,《应用气象学报》,2003年第3,379-388

[24]白虎志等主编:《中国西北地区近500年旱涝分布图集(1470-2008)》,气象出版社,2010

[25]温克刚主编:《中国气象灾害大典·陕西卷》,气象出版社,2005

温克刚主编:《中国气象灾害大典·宁夏卷》,气象出版社,2007

温克刚主编:《中国气象灾害大典·甘肃卷》,气象出版社,2005

温克刚主编:《中国气象灾害大典·青海卷》,气象出版社,2007

[26]参考袁林著:《西北灾害史》,甘肃人民出版社,1994年及金恩辉主编:《中国地方志总目提要》,汉美图书有限公司,1996

[27]中央气象局气象科学研究院编:《中国近五百年旱涝分布图集》,地图出版社,1981

[28]白虎志等主编:《中国西北地区近500年旱涝分布图集(1470-2008)》,气象出版社,2010

[29]周振鹤主,:《中国行政区划通史·宋西夏卷》,复旦大学出版社,2007年;周振鹤主编:《中国行政区划通史·辽金卷》,复旦大学出版社,2012年;周振鹤主编:《中国行政区划通史·元代卷》,复旦大学出版社, 2009年;周振鹤主编:《中国行政区划通史·明代卷》,复旦大学出版社,2007年;周振鹤主编:《中国行政区划通史·清代卷》,复旦大学出版社,2013年;周振鹤主编:《中国行政区划通史·中华民国卷》,复旦大学出版社,2007

[30]谭其骧主编:《中国历史地图集》,中国地图出版社,1982

[31]中华人民共和国民政部编:《中华人民共和国行政区划简册2001》,中国地图出版社 2001

[32]Solomon S, Qin D, Manning M, et al.  Climate Change: The Physical Science Basis. Contribution of WorkingGroup I to the Fourth AssessmentReport of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge: Cambridge University Press,2007,pp945- 946.亦参见前引郝志新、郑景云、葛全胜:《过去2000年中国东部地区的极端旱涝事件变化》,《气候与环境研究》,2010年第4期,388-394

 

[33]封国林、龚志强、支蓉:《气候变化检测与诊断技术的若干新进展》,《气象学报》2008年第6期,892-905

Houghton J T, Ding Y, Griggs D J, et al.2001. IPCC, Climate change2001: The scientific basis//Observed Climate Variability and Change. Cambridge, United Kingdom and New York, USA: Cambridge University Press

[34]Houghton J T, Ding Y, Griggs D J, et al.2001. IPCC, Climate change2001: The scientific basis//Observed Climate Variability and Change. Cambridge, United Kingdom and New York, USA: Cambridge University Press