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作为气候变化重要表现之一的极端气候事件，是近来气候变化乃至全球变化研究中的热点，被IPCC(联合国政府间气候变化专门委员会)列为气候变化影响的重要要素之一。中国北方地区处于半干旱、半湿润的季风区，具有全年降水集中在夏季且年际、年代际变率极大等特点，受到来自极端干旱事件的影响更为剧烈。进一步探索不同时间尺度的极端干旱事件的特征与规律，具有重要的学术价值与现实意义。 中国不同区域极端干旱事件的重建工作，已经取得若干成果。如郝志新等(2010)对中国东部地区过去2000年极端旱涝事件的复原工作，将整个中国东部地区分为华北、江淮和江南3个地区，分别对上述区域进行大尺度的、有明确概率密度的极端旱涝事件序列重建，这是极端旱涝事件识别工作的重要突破。另外，黄磊等(2010)在西北干旱区，利用树木年轮作为代用资料，重建出过去2800年不同发生概率的极端干旱事件序列。最近，郑景云等(2014)和Ge等(2016)将过去2000年极端气候事件研究的现有成果进行梳理，对极端气候事件的变化特征进行了较为全面的归纳。文中的重建工作主要利用历史文献中的相关记录作为代用资料。由于历史文献资料在过去2000年中存在时空分布不均一等问题，杨煜达和韩健夫(2014)提出了一套新的甄别极端干旱事件方法，并以公元1000—2000年中国西北地区为例，成功重建了该地区的极端干旱事件序列。作者依据这套方法，重建了公元1000—2000年中国北方地区发生概率为10年一遇的极端干旱事件序列。在此基础上，分析了极端干旱事件的发生特征与规律。这对于推动对区域极端干旱事件发生机制的认识有积极意义，也可为未来预测及防治极端干旱事件提供参考。 1 研究区概况 文中研究区所指的中国北方地区，大致包括今天河北、河南、山东、苏北、皖北、山西、陕西(秦岭以北)、宁夏、甘肃及青海东北部，即秦岭淮河以北、燕山—阴山以南，涵盖东部季风区的整个范围(图1)，不包括甘肃河西乃至新疆等非季风区，以及陕南的亚热带湿润气候区。从气候特点看，上述地区作为暖温带半干旱、半湿润地区，极端干旱事件是此地区最具典型意义的极端气候事件，对此类事件进行重建具有非常重要的学术与现实意义。 2 研究资料与方法 2.1研究资料 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。 2.2研究方法 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18123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。 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。 3 研究结果 3.1极端干旱事件发生特点 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。 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。 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%。 3.2极端干旱事件与干湿变化关系 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。 中国东部地区作为全球典型的季风气候区，其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。 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。 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。 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。 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。 3.3极端干旱与冷暖变化关系 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。 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。 4 讨论：极端干旱事件影响因素 北方地区的极端干旱事件作为中国东部地区降水量变化的一种极端表现形式，是北方地区降水量变率的极端体现，其深受全球大气、海洋等因素变化的影响。 东亚夏季风为东亚降水提供水汽来源和供应。季风爆发前后亚洲和东亚的水汽输送发生根本性的变化，爆发之后夏季风的水汽输送便成为中国和东亚地区降水的主要供应者。夏季风的强弱深刻影响着中国东部季风区的降水情况。东亚夏季风水汽输送的强弱在很大程度上决定了中国东部季风区的旱涝或降水异常分布格局(Zhou and Yu，2005)。其中，夏季风强时，中国华北地区往往多雨，而长江流域则少雨。 中国北方地区年降水量变率一般在20%～30%之间，其中河北中南部存在1个高变率的中心，年降水量变率达到30%～40%(丁一汇，2013)。从表1和前述对比中，我们发现北方地区的极端干旱事件与夏季风的强弱关系与华北降水之间的关系对应较好，即在夏季风偏弱的时期，北方地区整体呈现出偏干的状态，极端干旱事件也处于高发阶段，反之则低发。说明北方地区在相对降水量偏低的时期，可能存在年降水量的变率变大的情况。 但是，极端干旱事件的发生机制，并不完全受季风强弱的控制，还受到更多因素的影响。 在先行研究中，已发现季风区降水受到来自青藏高原大气热状况和高原积雪变化(刘晓东等，1994；吴国雄和张永生，1998；梁潇云等，2005)、大西洋海气运动所引发的西风变化以及欧亚遥相关型(陈发虎等，2009；黄伟等，2015)等多种要素的影响。这使得中国东部地区的干湿变化与中国季风边缘区、西部非季风区以及青藏高原区等地的干湿、冷暖变化存在机制上的关联，两者间具有较为明显的相关性(Chen et al．，2010；周秀骥等，2011)。在研究中，我们发现在中世纪暖期，北方极端干旱高发期对应于青藏高原东北部—柴达木盆地的偏湿期，非季风区处于偏干期；在小冰期中，北方地区极端干旱高发期对应于青藏高原东北部—柴达木盆地的干旱期，非季风区偏湿期。可见，中国季风区内极端干旱事件与受西风带影响的非季风区、干旱区以及季风边缘区在不同的冷暖气候背景下存在不同的相关性，而且季风区极端干旱事件与“西风模式”影响区的干湿变化、极端干旱事件间关系应更为复杂。 现有的机制解释将重点集中在西风环流和NAO(North Atlantic Oscillation，北大西洋涛动)之上(杨莲梅和张庆云，2008；黄伟，2014)。其中，黄伟(2014)在探讨影响南疆夏季降水的物理机制及其与季风区降水关系时，认为“西风区”与中纬度亚洲季风区降水存在反相关的关系。背后的物理机制是“来自阿拉伯海水汽的向北输送影响南疆地区的夏季降水，这种水汽的异常输送是由阿拉伯海和北印度洋的潜热释放产生的水汽在纬向的‘丝绸之路遥相关’和50°E－80°E经度范围的经向遥相关共同作用下被输送至南疆地区的，之后气流上升，从而导致南疆及周边地区夏季降水的增加。同时，由于‘丝绸之路遥相关’在中国华北表现出高度场正异常而在东北表现出高度场负异常，导致华北地区的气流下沉和水汽输送减少，造成了华北降水的减少”。 另外，青藏高原东北部夏季降水与东部北方干湿之间因受NAO的共同作用，呈现出干湿一致的状态。刘晓东和侯萍等(1999)在研究青藏高原中东部夏季降水变化与NAO关系时认为，在NAO高值年份青藏高原东北部夏季降水量偏多。刘焕才和段克勤(2012)也认为，强NAO年份青藏高原北部水汽输送通量强度增强，水汽辐合增强，高原切变线位置明显偏北，在这种水汽输送和环流形式配置下，高原北部降水偏多而高原南部降水偏少。与之相应，据Lee和Zhang(2011)的研究，NAO与中国西北季风区发生概率在10%左右的异常干旱事件存在反相关关系，即在NAO为高值时，异常干旱事件出现频率下降。 根据对上述相关物理机制的解释，“丝绸之路遥相关”和NAO可能是造成西风带影响下的非季风区、干旱区与青藏高原东北部与东部季风区干湿和极端干旱事件变化存在相反关系的主要因素。但这种解释机制适用于解释明清小冰期期间三者的干湿相关关系，中世纪温暖期时三者相关关系的变化仍有待进一步的研究。 5 结论 综合上述有关中国北方地区公元1000—2000年极端干旱事件序列的重建与分析，得出如下几点结论。 1)每30年极端干旱事件发生次数在公元1000—2000年中存在200年的周期波动。并且在15世纪中期、17世纪中期和18世纪末期存在3次极端干旱高发期。 2)总体而言，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，反之则偏低。东亚夏季风偏弱的时期，极端干旱事件多发。但这一关系并不稳定。 3)在中世纪暖期和现代暖期，东部地区冬半年温度偏高的情况下，北方极端干旱事件偏多，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极端干旱事件多发，两者呈现出冷—干的关系，说明极端干旱事件对温度的响应机制复杂，需要更进一步的研究。 4)西风带影响下的非季风区、干旱区和青藏高原东北部，与东部季风区干湿和极端干旱事件变化上存在相反关系，可能和所谓的“丝绸之路遥相关”和NAO的影响有关。但是在暖期这种关系可能逆转，其机制尚需探索。 （本文原刊《古地理学报》2019年第4期第675-684页。文中原有注释，引用请务必参考原刊。） (责任编辑：admin) |