十七世纪以来华北中部夏季降水的特征、趋势与影响

易 亮，彭淑贞，葛俊逸，赵红月

华北是中华民族的发源地，数千年来一直是中国的政治文化中心.地理上属于暖温带半湿润大陆性气候的华北地区，在农耕时代的繁盛与动荡，往往与气候的稳定或者波动密切相关.而由于频繁的水旱灾害可能诱发剧烈社会动荡，华北地区的稳定与否似乎又成为封建王朝兴衰的一个重要指向标.同时，华北地区作为东亚季风敏感区的重要组成，其保留与记录的环境信息对于了解过去气候变化的特征、机制及未来预测都具有重要的科学意义.因此在过去数十年中，借助于各种材料，如历史文献记录.［1－9］和洞穴沉积物［10－11］等，华北地区的气候变化研究得到了极大的重视.然而，这些研究主要是侧重单一指标的分析.由于单一指标在记录环境信息中，不可避免的存在一定程度的信号损失.因此，在大量研究的基础上，有必要对这些成果进行集成，以期更加全面的认识气候变化的特征与机制.针对这一现状，本文在收集新近发表的气候重建数据的基础上，利用统计分析获得华北中部具有较大代表意义的综合曲线，然后借助奇异谱计算，分析过去近四百年以来降水变化的特征并预测可能的发展趋势，最后探讨降水变化对社会进程的可能影响.

1 材料与方法

本文的研究材料包括12条新近发表的降水(旱涝)替代序列(图1).其中的9条是基于区域网格化重建结果［12］，这9条夏季降水网格化曲线，根据树轮宽度指标与气象降水资料之间的相关关系建立降水指标的转换方程，恢复了1000～2000 AD之间东亚季风区534个网格点的降水序列.其中的2条(PA和PB，见图1)来自树木年轮与历史文献记录的综合重建［13］，这2条夏季降水曲线，根据综合树轮宽度综合与旱涝指数建立降水重建方程，恢复了华北中部1600～2000 AD期间的夏季降水.另外1条(图1)来自黄爷洞石笋记录的降水指示［11］，这条曲线是黄爷洞石笋高分辨率氧同位素曲线根据，指示了138～2002 AD间较大区域的旱涝情况.根据对比这12条序列的共同区间，确定本研究的时间区间为1600～2000 AD.

图1 研究区与材料

本文进行区域多指标综合分析的方法采用主成分分析法(PCA，principle component analysis).这是一种旨在利用降维的思想，把多指标转化为少数几个综合指标的统计方法.主成分分析法是一种数学变换的方法，它把给定的一组相关变量通过线性变换转成另一组不相关的变量，这些新的变量按照方差依次递减的顺序排列.在数学变换中保持变量的总方差不变，使第一变量具有最大的方差，称为第一主成分，依次类推.其目的是希望用较少的变量去解释原来资料中的大部分变异.

本文进行趋势预测所采用的是奇异谱方法(SSA，Singular Spectral Analysis)，这是一种研究周期振荡行为的分析方法，它是从时间序列的动力重构出发，并与经验正交函数相联系的一种统计技术.分解的空间结构与时间尺度密切相关，可以较好地从含噪声的有限尺度时间序列中提取信息，目前已应用于多种时间序列的分析与预测.

2 结果与讨论

2.1 降水变化的特征

PCA结果显示(表1)，第一组成分占了所有序列方差总量的47.9%，且特征向量为5.747，远大于其他组成分，同时12条序列的因子荷载矩阵系数均为正数.这些结果表明第一组成分与所有序列成正相关关系，是控制12条序列的共同因子，能够反映大区域在夏季降水变化上的共同趋势.因此，我们这里将第一组成分(PPC－1)视为反映华北中部降水变化的替代序列，并对其特征进行分析.

2.1.1 旱涝区间

统计分析显示，PPC－1序列的平均值是－0.04，标准差为1.05，最大值为3.87，最小值为－3.68，近似于正态分布.因此，这里设定(μ±0.5×σ)为夏季降水的正常区间值，以大于(μ+0.5×σ)为降水偏多区间，以小于(μ–0.5×σ)为降水偏少区间，划分出公元十七世纪以来华北中部降水的特征时期(图2).

十七世纪的开始，华北中部是比较湿润的，其后在十七世纪三十年代出现较大的波动，并诱发了近500年以来四次最大的干旱之一(1638～1646 AD)［14］.之后的近50年降水较为正常，除了1686～1691 AD期间有过一次干旱.十八世纪整体较为湿润，早期曾有短期干旱(1710～1714 AD).十九世纪以来，降水的年际变化显著增大，其中印象甚广的干旱事件主要有:1808～1815 AD、1834～1842 AD、1875～1878AD、1897～1902 AD、1920～1930 AD以及1980s～1990s，而与此并发的是1826 AD、1888～1897 AD、1930s、1956 AD、1964 AD和1984 AD.

表1 主成分分析的各成分方差分配与特征向量

图2 华北中部夏季降水(PPC－1)变化与旱涝区间(灰色线为PPC－1原始序列，黑色线为频率f＜0.2的低通FFT滤波)

2.1.2 周期特征

频谱分析是古气候研究的重要内容，为深入探讨气候系统演化的响应与驱动机制等问题提供了有效手段.多带谱(MTM，Multi－tapermethod)是频谱分析和信号重建的重要工具，可以应用于连续变量和奇异组分，这一方法已广泛应用于地质信号的解析中.本文利用SSA－MTM Toolkit［15］，以1 a为样点间距对PPC－1序列进行频谱分析.MTM谱分析结果显示(图3)，华北中部夏季降水替代序列PPC－1具有23.8 a、8.6 a、7.0 a和2～5 a的显著周期.其中周期成分23.8 a与太阳活动周期一致，2～5 a与ENSO的变率相关［16］.

连续小波变换分析(CWT，ContinuousWavelet Analysis)可以将一个时间序列在时域和频域上同时进行分解，除了能得到所有的周期(频率)及其振幅特征外，还能得到各周期及振幅随时间的变化，从而揭示时间蓄力的时频特征［17］.为考察各周期成分随时间的演化情况，本文应用Morlet小波对PPC－1序列进行连续小波变换分析(计算代码来源于:http://paos.colorado.edu/research/wavelets/).结果显示(图4):与太阳活动相关的8～32 a周期组分在整个时段呈现出连续的显著性，暗示了华北中部夏季降水与太阳活动变率的一致性，也说明其变化特征受控于太阳活动.

2.1.3 奇异谱分析

为了考察各个周期成分在时域上的变化特征，并探讨不同影响因素在华北中部夏季降水变率的作用形式，本文应用SSA分析，对PPC－1序列进行时域分解.SSA分析前，首先应用FFT滤波器进行频率f＜0.2的低通滤波，然后应用KSpectra软件进行SSA分解，结果显示:PPC－1低频序列的显著成分主要有5个且总占有63.2%的方差量，其中在72 a、56 a、25 a、15 a和7 a分别承载了7.6%、8.6%、22.9%、11.4%和12.7%的低频序列方差量(图5，SSA－1～SSA－5).其中可能最具意义的是与太阳活动相关的25 a和15 a成分，具有很好的连续性和稳定性，共承载了低频序列34.3%的方差，占显著信号量的一半以上，指示着太阳活动在华北中部夏季降水低频变化中占有绝对的控制地位.7 a成分则可能与ENSO事件有关，然而其在近30年以来的显著增强更可能是受到人类活动的影响.根据笔者所查阅的中国经济增长的数据与分析材料，我国国民经济在1978～2005 AD大致经历了四次周期性，由此估计的人类开发活动具有7 a的准周期特征.另外，小波周期的分析结果(图4)也指示了近50年来气候高频振荡的显著加剧.因此，这一气候记录与国民经济发展之间的耦合关系，是否指示了人类活动对于自然降水过程的干扰?

2.2 未来40年降水趋势

在各种预测方法中，奇异谱方法已被广泛使用，它能够将时间序列进行正交分解而得到多个分量，进而选择不同分量进行序列重建和预测.为预测华北中部未来40年夏季降水趋势，我们首先对该序列进行频率f＜0.2的低通滤波，获得大于5 a尺度的降水变化趋势，然后借助SSA的时间序列预测功能，也就是基于已知时间序列的变化规律，以2001 AD为预测起点，推测未来2011～2050 AD的降水可能趋势.

图5 PPC－1序列的奇异谱分解结果

结果表明(图6)，在假定人类活动强度和及其他控制因素不变的情境下，未来40年(2011－2050 AD)，华北中部地区的夏季降水总体呈现显著下降的趋势，将经历两个较为干旱的时期，其中下一次降水高峰可能出现在2031 AD，而低谷分别位于2022 AD和2039 AD.

2.3 降水变率对社会稳定的可能影响

笔者认为，由于中国过去数千年农村社会基本表现为以家族－乡绅主导的自治形式，整个社会的稳定与否，主要来自外族的相对强弱与内部政治的有效性与否.这就是说，对于一个封建王朝来说，稳定与繁盛，意味着取得自身内耗较小而效率较高，同时外族势力发展相对较弱;反之，由于腐败等因素对自身效率的销蚀，往往又会伴随着外族势力的迅速扩张，则王朝将面对颠覆的可能.在这样一个循环往复数千年的过程中，气候变化会对社会进程有着重要的影响，例如欧洲Iceland Eldgja火山在934 AD喷发所产生的气候效应，可能是导致中国五代十国时期后晋王朝(936－946 AD)崩溃的主要原因之一［5］.华北一直是中国政治的中心所在，这一地区的社会稳定性往往对整个王朝的政治走向具有极强的指向意义.而气候变化这一重要因素，由于和农耕状况密切相关，在诱发、加剧社会动荡或者促进兴盛方面具有非常直接的影响.因此，笔者通过十七世纪以来华北地区重大事件的发生时间，粗略探讨其与夏季降水变率之间的耦合性.

根据笔者查阅的一些史料与记载显示(图7)，明朝末期政治腐败，农村破产，压迫剥削日益加重，陕西又逢旱灾，人民无法生活.1627年，陕北白水县农民王二率领数百农民杀死知县，揭开了明末农民战争的序幕.而对应于PPC－1的十年滑动标准差序列，1627 AD正好是一个极大值，指示该时间段旱涝转化十分频繁，在这一气候背景下，正常的农耕很难得到保证，而与此伴随的黑暗的国内政治一并激发了社会动荡.清朝前期的100多年里，清王朝出于稳定统治等目的，农业生产得到持续发展，耕地先表现在荒地的大量开垦、耕地面积的扩大，康熙六十一年(1722 AD)突破了明代最高耕地统计数字，达到851万顷.而对应的，该时间区段正好是气候稳定期，夏季降水的变率较小，清王朝无需着力应付由于自然灾害带来的各种动荡，客观上为大规模的农耕开发提供了保证.随着清王朝及其后续政权的政治腐败加剧，随后的旱涝频繁的极大值都大致对应着较大的社会动荡，如白莲教起义(1796 AD)、天理教起义(1813 AD)、太平天国运动(1851 AD)和国民革命(1924～1927 AD)等.然而，随着中国社会由农耕形式逐渐转向了工业，社会稳定性逐渐与气候变化脱节，并转为人类活动对气候过程影响的增加(图7).因此，笔者认为气候变化因素对于农耕时代的中国社会的稳定性有着极为重要的意义.

3 结论

本文通过华北中部12条夏季降水曲线的主成分分析，得到47.9%方差量的代表大区域的夏季降水变化的PPC－1序列.分析显示十七世纪的开始，华北中部是比较湿润的，其后在十七世纪三十年代出现较大的波动，之后的近50年降水较为正常，除了1686～1691 AD期间有过一次干旱.十八世纪整体较为湿润.十九世纪以来，降水的年际变化显著增大.谱分析结果显示，夏季降水具有23.8 a、8.6 a、7.0 a和2～5 a的显著周期.其中周期成分23.8 a与太阳活动周期一致，2～5 a与ENSO的变率相关.对夏季降水趋势的预测结果表明，在假定人类活动强度和及其他控制因素不变的情境下，未来40年(2011～2050 AD)，华北中部地区的夏季降水总体呈现显著下降的趋势，将经历两个较为干旱的时期，其中下一次降水高峰可能出现在2031 AD，而低谷分别位于2022 AD和2039 AD.最后，笔者发现近四百年来气候变化对中国农耕社会的稳定性具有显著影响.

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