文中的研究区域为中国东北地区(图 1), 位于 38°43'~53°33'N、118°53'~135°04'E之间, 面积为 7.87×10⁵ km²。本区位于寒温带与中温带之间, 属于温带季风气候, 各地年平均降水量为 400~1000 mm, 年平均气温多为-4~10℃, 形成了冬季严寒、夏季湿润温和的气候特征。在大地构造上呈现出三面环山的马蹄形地貌结构, 地形以山地和平原为主。主要河流有黑龙江、松花江和辽河等(郑度, 2015), 包括辽宁、吉林与黑龙江3个省级行政区, 人口为 9851.5万(第七次全国人口普查公报, 2021)。

图 1

Fig.1

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图 1 中国东北地区及研究站点位置 审图号: GS(2020)4619号Fig.1 Location of Northeast China and studied sites

文中的研究数据主要来源于历史文献记载与1950年后的降水量数据。

1)1950年前的洪涝数据来源于历史文献记载。东北的历史文献资料中包含大量的1750—1949年间洪涝发生的时间、地点、范围、灾害损失和救助措施等记载, 主要包括《中国3000年气象记录总集(增订版)》(张德二, 2013)、《清代辽河、松花江、黑龙江流域洪涝档案史料》(水利水电部水管司、科技司和水利水电科学院, 1998), 清代历朝“上谕档”(中国第一历史档案馆, 1991, 2000)、《<清实录>气候影响资料摘编》(中国科学院地理科学与资源研究所历史气候资料整编委员会《清实录》编选组, 2016)、《清代奏折汇编:农业、环境》(中国科学院地理科学与资源研究所和中国第一历史档案馆, 2005)、《近代中国灾害纪年》(李文海, 1990)、《中国近代灾害纪年续编: 1919—1949》(李文海, 1993)等。本部分收集的历史文献资料共计2156条。

2)1950年后的降水数据。主要来源于中国气象数据网(http://data.cma.cn/)收录的1950—2020年东北地区气象观测站的月平均降水数据, 降水数据缺失的站点和年份则用《中国气象灾害大典》中的数据及记录进行插补。

2.3.1 研究区域站点的划分

根据东北地区的降水特点、主要河流的流域特征以及行政区划变迁特点, 参考《中国近五百年旱涝分布图集》(中国气象局气象科学研究院, 1981)将研究区域划分为11个站点区域, 分别为开原、沈阳、丹东、大连、朝阳、长春、嫩江、佳木斯、哈尔滨、牡丹江、齐齐哈尔(图 1)。

2.3.2 1750—2020年东北旱涝等级的确定

文中的洪涝数据分别来源于历史文献记载中的文字描述和1950年后的器测降水量数据, 如何将2种数据来源实现科学的衔接是文中研究方法的重点。王绍武和赵宗慈(1979)通过对过去500年中国东部5种旱涝型的分析, 发现历史文献记载与器测降水数据显示的旱涝型具有高度的一致性, 验证了历史文献记载与现代降水数据的可衔接性。沿着这一思路《中国近五百年旱涝分布图集》进一步将1470年以来的全国120个站点的旱涝情形划分为5个等级, 并根据现代降水特点明确了不同旱涝等级的比例, 即1级: 涝(10%), 2级: 偏涝(25%), 三级: 正常(30%), 4级: 偏旱(25%), 5级: 旱(10%), 实现历史文献记录与现代降水量数据的科学对接。作者继续沿用这一方法, 具体步骤如下:

1750—1949年的洪涝数据来源于地方志、“上谕档”等文献中关于历史时期东北洪涝发生的时间、地点、严重程度(灾害损失)及救济措施等文字记载。文中的研究对象为发生概率为10%的极端洪洪涝事件, 而历史文献中对于灾害的记录则有“记异不记常”的特点, 即造成重要影响的自然灾害事件即使在文献数量较少的情况下也会被记录下来。因此对洪涝同样只进行3类分级, 分级标准与举例见表 1。

表 1

Table 1

表 1(Table 1)

表 1 1750—1949年东北地区的洪涝分级 Table 1 Classification of flood in Northeast China in 1750-1949 等级 标准 举例 3级 降水正常。文献记载多为“大稔”“雨水调匀”等 (1794年)本年盛京雨水调匀, 夏收丰稔(民国《奉天通志》卷35大事) 2级 雨水偏多, 造成局部涝灾, 但未产生严重的社会影响 (1828年)梨树县秋潦(光绪《奉化县志》卷1灾祥) 1级 发生大范围流域性洪灾, 或连续性降水引发严重的洪涝灾害造成严重的生态与社会冲击 (1794年)齐齐哈尔大雨, 嫩江暴涨入城, 附郭十里非舟不行, 田庐淹没无算(嘉庆《黑龙江外纪》卷5)

表 1 1750—1949年东北地区的洪涝分级 Table 1 Classification of flood in Northeast China in 1750-1949

1950—2020年的东北洪涝等级数据则通过11个站点区域的主要降水期5—9月份降水量数据计算所得。计算公式如下:

1 级: Ri>(R+1.17σ)

2 级: (R¯+0.33σ)<Ri≤ (R¯+1.17σ)

3级: (R¯-0.33σ)<Ri≤ (R¯+0.33σ)

R¯为1950—2020年5—9月份平均降水量, Ri为逐年各站点5—9月份降水量, σ为标准差。

根据上述步骤可得到1750—2020年东北11个站点区域的洪涝等级数据。其中1750—1949年的平均旱涝记载率(旱涝记载率=有旱涝记录的年份/200)为76.4%, 相较于《中国近五百年旱涝分布图集》的记录率提高了20%左右。1950—2020年的旱涝数据记录率则为100%, 二者都满足文中极端洪涝事件研究的需要。

2.3.3 1750—2020年东北极端洪涝事件的识别

文中的研究对象为东北1750—2020年发生概率为10%的极端洪涝事件, 在2.3.2所获取东北11个站点1750—2020年洪涝等级数据的基础上, 综合考虑东北每年洪涝发生的严重程度(1级的数量, N1)和范围(1级和2级的数量, N1+N2), 设置洪涝事件的识别标准(表 2), 用以遴选1750—2020年东北地区发生概率为10%的极端洪涝事件年份。由于历史文献存在一定的缺记和漏记现象, 导致1950年前后站点旱涝数据记录保有情况存在差异。因此采取以1950年为界、分前后2个时段进行分段识别, 符合表内任一标准即可判定为极端洪涝事件。

表 2

Table 2

表 2(Table 2)

表 2 1750—2020年东北极端洪涝事件的识别标准 Table 2 Identification criteria of extreme floods events in Northeast China in 1750-2020 时段 1750—1950 1951—2020 识别标准 (1)N1+N2≥ 8; (2)N1+N2≥ 7且N1≥ 5个 (1)N1+N2≥ 10; (2)N1+N2≥ 8且N1≥ 4; 注: N为站点数量, N1为1级(涝)的数量, N2为2级(偏涝)的数量。

表 2 1750—2020年东北极端洪涝事件的识别标准 Table 2 Identification criteria of extreme floods events in Northeast China in 1750-2020

根据表 2设置的识别标准, 共识别出1750—2020年东北地区极端洪涝事件29个年份(表 3), 并以每30年为单位进行统计(图 2-A)。

表 3

Table 3

表 3(Table 3)

表 3 1750—2020年东北极端洪涝事件年份 Table 3 Extreme flood events years in Northeast China in 1750-2020 时段 1750—1870 1871—1960 1961—2020 极端 洪涝 年份 1754 1765 1789 1822 1846 1849 1872 1881 1886 1888 1894 1896 1909 1910 1911 1914 1915 1917 1923 1930 1934 1953 1957 1960 1985 1994 1998 2012 2013 发生频率/% 5.0 20.0 8.3

表 3 1750—2020年东北极端洪涝事件年份 Table 3 Extreme flood events years in Northeast China in 1750-2020

图 2

Fig.2

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图 2 1750—2020年东北极端洪涝与温度变化 A—1750—2020年东北极端洪涝事件; B—中国年平均温度距平(Yang et al., 2002); C—1781—2013年东北7—8月份温度变化(李明启和兰宇, 2022)Fig.2 Extreme floods events and temperature changes in Northeast China in 1750-2020

由表 3和图 2-A可知, 1750—2020年东北极端洪涝事件呈现出波动变化的特征。1870年和1960年前后极端洪涝事件的发生频率发生了显著的变化。其中1871—1930年是过去270年中极端洪涝发生频率最高的时段, 而1781—1840年、1961—1990年极端洪涝事件的发生频率明显低于平均水平, 显示出明显的多年代际变化特征。

1750—2020年全球经历了由小冰期到现代暖期的变化, 全球平均温度呈上升趋势(秦大河, 2022)。选取中国年平均温度和东北地区夏季温度变化与东北极端洪涝事件进行对比。由图 2可知总体来看东北极端洪涝事件与温度之间显示出“暖—极端洪涝事件多”的特征。1871—1930年东北极端洪涝事件发生频率最高的时段处于中国平均气温和东北地区温度上升或偏高的时段。1961—1990年东北地区极端洪涝事件发生频率最低时期则位于中国和东北地区温度下降或偏低的时段。这显示出中国季风区中高纬度地区的极端洪涝事件对不同区域尺度的温度变化尤其是增温更为敏感。

中国东部地区60%的降水量来自东亚夏季风带来的降雨, 洪涝和干旱的发生与东亚夏季风异常有关(Sun et al., 2011; Day et al., 2018)。东北位于东亚季风区, 夏季7—8月份的季风降水占全年降水量的70%~80%, 且年际变率大, 因而夏季也是东北洪涝发生最为频繁的季节(丁一汇, 2013)。文中选取2条东亚夏季风序列与东北极端洪涝事件进行对比, 分别是: (1)1873—2000年的东亚夏季风指数(图 3-B); (2)利用树轮重建的韩国Baekdam-Jang地区4—8月份降水量变化指示的东亚夏季风东缘强度的变化(图 3-C)。

图 3

Fig.3

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图 3 1975—2020年东北极端洪涝事件与夏季风、海温变化对比 A—1750—2020年东北极端洪涝事件; B—1873—2000年东亚夏季风指数(郭其蕴等, 2004), 黑线为11年滑动平均; C—韩国Baekdam-Jang 4—8月份降水量变化, 黑线为11年滑动平均(Park et al., 2001); D—印太暖池SST(海洋表层温度)变化 (OPPO et al., 2009); E—南亚夏季风强度(Anderson et al., 2002), 其中有孔虫含量越高, 指示的夏季风越强Fig.3 Comparison of extreme flooding events in Northeast China with summer monsoon and sea surface temperature changes in 1975-2020

由图 3-A至3-C可知, 东北极端洪涝事件的发生与东亚夏季风的强度密切相关。在东亚夏季风偏强的时段极端洪涝事件的发生概率上升, 反之则降低。东北极端洪涝事件发生频率最高的1871—1930年2条东亚夏季风序列均显示该时段属于强夏季风时段。而在极端洪涝发生频率低于平均值的1961—1990年则处于夏季风较弱的时段。此外, 东北极端洪涝事件发生频率发生显著变化的1960年前后, 东亚夏季风的强度也发生了显著的变化。显示出在多百年尺度上, 东亚夏季风的强度变化是导致东北极端洪涝事件发生的重要原因。

热带印度洋—西太平洋暖池(印太暖池: Indo-Pacific Warm Pool)是地球表面最大的暖水区, 也是大气水汽含量最多、对流活动最强的区域。印太暖池及其毗邻海域是东亚夏季风的最主要的水汽源地, 是影响东亚季风区降水的关键区域, 其温度变化会对季风的进退与强度变化具有重要影响(郑建, 2014)。选取重建的印太暖池SST(海洋表层温度: Sea Surface Temperature)变化与文中重建的序列进行对比可知, 1871—1930年东北极端洪涝事件发生频率最高的时段位于印太暖池的高温期, 印太暖池SST偏低的1750—1830年时段, 极端洪涝事件的发生频率则低于平均值(图 3-A, 3-D), 显示出东北极端洪涝事件的发生与印太暖池SST的变化密切相关。

ENSO是年际气候变化中的强烈信号, 其发生往往会引起全球气候异常, 对中国季风区旱涝的发生具有重要影响(Zhang et al., 2015)。文中选取2份ENSO年表分别与1750—2020年东北极端洪涝事件年份进行对比: (1)Li等(2013)利用树轮集成的ENSO3.4区指数序列, 定义指数≥ 0.5和≤ -0.5的年份为El Niño年和La Niña年; (2)1525—2000年ENSO事件年表(Gergis and Fowler, 2009)。由于2份年表均只到2000年前后, 2000年后的ENSO年份根据国家气候中心公布的NINO 3.4指数和判定标准进行识别。分别计算1750—2020年东北极端洪涝事件发生在El Niño年、La Niña年和正常年份的比例。

根据表 4可知, 1750—2020年东北地区的极端洪涝事件大都发生在La Niña年。在选取的2份年表中平均60%以上的极端洪涝事件发生的年份与La Niña年(含次年)相重合, 而发生在El Niño年的极端洪涝事件则较少, 显示出La Niña的发生过程对过去270年东北极端洪涝的发生具有重要影响。

表 4

Table 4

表 4(Table 4)

表 4 1975—2020年东北极端洪涝事件发生在El Niño、La Niña和正常年份的统计 Table 4 Statistics of extreme floods events in El Niño, La Niña and normal years of Northeast China in 1975-2020 文献来源 Li et al., 2013 Gergis and Fowler, 2009 年份 El Niño La Niña 正常 年份 El Niño La Niña 正常 年份 极端洪涝 年数 6 15 8 6 20 3 比例/% 20.7 51.7 27.6 20.7 69.0 10.3 注:2000年后的ENSO年份根据国家气候中心公布的NINO3.4指数和判定标准进行识别。网址: http://cmdp.ncc-cma.net/Monitoring/cn_nino_index.php?product=cn_nino_index_nino。

表 4 1975—2020年东北极端洪涝事件发生在El Niño、La Niña和正常年份的统计 Table 4 Statistics of extreme floods events in El Niño, La Niña and normal years of Northeast China in 1975-2020