1368－1948年山西霜雪災害的特征與周期規(guī)律研究*

孟萬忠，劉曉峰

(1.陜西師范大學旅游與環(huán)境學院，陜西西安710062;2.太原師范學院，山西太原030012)

1368－1948年山西霜雪災害的特征與周期規(guī)律研究*

孟萬忠1，2，劉曉峰2

(1.陜西師范大學旅游與環(huán)境學院，陜西西安710062;2.太原師范學院，山西太原030012)

通過對山西1368－1948年歷史文獻資料的搜集、整理和數(shù)學分析，對該區(qū)霜雪災害等級、階段、周期及其成因進行了研究。在這期間，山西共發(fā)生霜雪災害419次，輕度106次、中度228次、重度85次。災害變化可分為4個階段，1368－1579年為第1階段，1580－1699年為第2階段，1700－1819年為第3階段，1820－1948年為第4階段。第1、3階段距平值主要為負值，災害頻次較低，以輕、中度災害為主。第2、4階段距平值主要為正值，災害頻次較高，以中度和重度霜雪災為主。小波分析表明，災害存在著4個明顯的周期，即10～13年、20年左右、45～50年和120年左右的周期。降雪或寒流引起的氣溫驟降至0℃以下是造成山西霜雪災害的主要原因。共發(fā)生6次寒冷氣候事件，分別出現(xiàn)在1578－1588、1591－1607、1631－1642、1669－1672、1690－1699和1830－1836年。出現(xiàn)3次異常寒冷災害年，分別是1653、1892和1929年。

霜雪災害;1368－1948年;災害等級;周期規(guī)律;寒冷氣候事件;山西

凡是因地面氣溫急劇下降，或因地面氣溫達到某一較低水平，或因地面有一定積雪而造成的災害都屬于霜雪凍災害［1］。它們有一個共同的特點，即致災因子都是低溫。本文所研究的霜雪災害主要指1368－1948年山西發(fā)生的霜凍、低溫和雪災。已有的研究成果，大多集中在霜凍方面。有的利用逐日最低氣溫分析探討霜凍的變化特征和周期變化規(guī)律等［2－7］，有的利用歷史文獻資料對古代的霜雪災害的特點、演變趨勢進行了分析［8－9］。有的研究了霜凍對作物的危害，提出了預防對策［10－16］。對于歷史時期山西霜雪災害發(fā)生頻次、產(chǎn)生原因及周期變化缺少深入研究，更缺少霜雪災害與氣候事件關系的研究。本文試圖探討

1368－1948年災害發(fā)生等級、周期、原因和寒冷氣候事件，為山西霜雪災害的預測和防治提供科學依據(jù)。

1 資料和方法

山西位于太行山以西，黃土高原東部，介于34°34'58″～40°43'30″N，110°14'42″～114°33'17″E之間。地勢東北高，西南低。屬溫帶大陸性季風氣候，年均溫4～14℃，年降水量400～600 mm，全年無霜期平均80～220 d。

以《中國氣象災害大典·山西卷》［17］、《中國三千年氣象記錄總集》［18］和《山西自然災害史年表》［19］等記載的山西1368－1948年的霜凍、低溫、大雪災害，利用歷史文獻、數(shù)理統(tǒng)計與小波分析方法，對其進行深入研究。

2 災害等級劃分

1368－1948年山西共發(fā)生災害419次，其中霜凍219次，低溫56次，雪災144次。綜合考慮災害發(fā)生的季節(jié)、持續(xù)時間、強度、受災范圍、受害的農(nóng)作物種類等因素，將其劃分為以下3個等級(表1)，輕度106次，占25.3%;中度228次，占54.4%;重度85次，占20.3%。從不同等級災害在時間上的變化(圖1)可知，明代中晚期、清代早期和晚期災害發(fā)生最頻繁，強度較大。

圖11368 －1948年山西霜雪災害等級變化

表11368 －1948年山西霜雪災害等級劃分表

3 災害的時空變化特征

3.1 時空變化(以霜凍為例說明)

從表2可知，1368－1948年初霜日相繼出現(xiàn)在8月13日－11月2日，靜樂等北部高寒區(qū)和海拔較高的和順等地較早出現(xiàn)初霜;絳縣、運城等南部低海拔區(qū)較晚出現(xiàn)。終霜日出現(xiàn)在3月9日－6月12日，南部低海拔區(qū)較早，北部高寒、高海拔區(qū)較晚?？梢?，山西初霜日和終霜日與地理因素密切相關，隨著緯度增加、海拔高度抬升，初霜日逐漸提前、終霜日推后。

表21368 －1948年初霜凍與終霜凍發(fā)生日期

3.2 頻次變化

以15年為單位，統(tǒng)計出1368－1948年山西各時段災害發(fā)生頻次，同時根據(jù)最小二乘法意義下6次多項式［20］的擬合曲線(圖2)，可將災害變化分為4個階段:1368－1579年為第1階段，共53次，頻次較低。1580－1699年為第2階段，共147次，頻次較高。1700－1819年為第3階段，共55次，頻次較低。1820－1948年為第4階段，共164次，頻次較高。根據(jù)災害等級變化可知在第1、3階段以輕、中度災害為主，第2、4階段以中度和重度霜雪災為主。

圖21368 －1948年山西霜雪災害發(fā)生頻次與六次多項式擬合曲線圖

每15年災害發(fā)生的平均頻次為10.8次，將每15年實際發(fā)生的頻次與平均頻次作差值，可以得出災害頻次的距平值(圖3)。圖3表明，第1、3階段，以負距平值為主，低于平均頻次，屬低發(fā)期;第2、4階段，以正距平值為主，高于平均頻次，屬高發(fā)期。

圖31368 －1948年山西霜雪災害頻次距平值變化

3.3 季節(jié)變化

按季節(jié)統(tǒng)計，春季(農(nóng)歷正月至三月)98次，占23.4%;夏季(農(nóng)歷四至六月)80次，占19.1%;秋季(農(nóng)歷七至九月)158次，占37.7%;冬季(農(nóng)歷十月十二月)83次，占19.8%(圖4)。

圖41368 －1948年山西霜雪災害季節(jié)分布

從圖4可知，秋季發(fā)生災害的頻次最高，春季次之，冬季和夏季持平。霜災秋季最多，夏季次之;低溫災害主要發(fā)生在冬季和春季;雪災多發(fā)生在冬季和春季。由此可見，在季節(jié)轉換的秋冬和初夏之交，如果冬季風的勢力過于強大，或者來得過早去得過晚，就可能發(fā)生氣候異常事件，導致地表和植物表面溫度下降到足以使植物遭受傷害甚至死亡時，就容易發(fā)生災害，這就使得災害在秋季和春季發(fā)生的幾率最高。

秋季下霜或雪過早，會使地面溫度降到0℃以下，使正在發(fā)育的農(nóng)作物受到危害甚至死亡，對秋季作物的收成產(chǎn)生重大影響，嚴重的造成饑荒發(fā)生。如，清康熙三十六年(1697)秋，和順、保德、靜樂、臨縣、汾陽、蒲縣、沁州等地，嚴霜殺禾殆盡，致使人民大饑，四處流散，草根樹皮食盡，甚至賣兒賣女，餓死的人不計其數(shù)。

春夏之交是冬季風與夏季風轉換的時節(jié)，也是農(nóng)作物萌芽、生長的季節(jié)，這一時段發(fā)生的霜雪災害對對剛出土的農(nóng)作物、開花的果樹、返青的冬小麥危害嚴重。如，清道光二十六年(1846)，四月二十六日，榆次、太谷隕霜殺蔬菜、花卉。冬春季的災害，對冬小麥等農(nóng)作物和家禽、家畜的越冬影響巨大。如，清光緒十八年(1892)，冬，榮河雨雪三尺，牛羊、果樹多凍死。

3.4 周期規(guī)律

氣候變化存在一定的時間尺度和周期性。小波分析不但可以揭示氣候變化在不同時間尺度下的周期特征，而且可以揭示各種周期信號隨時間變化的強弱［21－23］。利用Morlet小波對1368－1948年山西霜雪災害等級、頻次數(shù)據(jù)進行處理分析，得到時間序列與災害強度變化的關系圖(圖5)。從圖5可知，存在4個明顯的集中區(qū)和4個明顯的峰值，在低等級層次中存在10～13年頻率，在中等層次中存在著20年左右的頻率，在較高等級層次中存在45～50年左右的頻率，在更高層次存在120年左右的頻率。這表明，1368－1948年災害存在10～13年、20年左右、45～50年和120年左右的周期。第2和第4階段周期信號特別明顯，反映出這兩個階段災害發(fā)生的頻率較高。

圖51368 －1948年山西霜雪災害小波分析

4 災害發(fā)生的原因

霜雪災害發(fā)生的根本原因在于低溫，或相對低溫，或絕對低溫［1］。近代的霜雪災害也有類似特征。如1953年3月下旬至4月下旬，山西南部冬麥區(qū)4月10－12日，最低氣溫降至－3～－5℃，小麥受凍、死苗［17］。由此可知，偏暖月份降雪或寒流引起的氣溫的驟降至0℃以下是造成山西霜雪凍災害發(fā)生的主要原因。

明清時期被稱為小冰期，是中國近5 000年的第4個寒冷期［24］，明末清初和清末是寒冷期中最具代表性的時期［8］，寒冷期恰恰也是明清山西霜雪災害發(fā)生頻次較多的年代。郭其蘊等對冬季風與El Nino的關系進行了研究，在El Nino發(fā)生前的冬季，冬季風偏強;El Nino發(fā)生當年的冬季，冬季風偏弱［25］。冬季風高壓的強度偏強則北方偏冷，偏弱則北方明顯偏暖［26］?？梢?，El Nino事件發(fā)生后，我國當年冬季溫度偏高的幾率較大，這與文獻中記載山西霜雪凍災害事件很少出現(xiàn)在El Nino年［27］的史實是吻合的。

侵入山西的冷空氣，主要有三條路徑［28］。西路，從西北方向由北疆沿天山、祁連山北側入侵。中路，從北方經(jīng)內蒙古高原，直接進入山西。西路和中路的強冷空氣來勢兇猛，易因強烈降溫而出現(xiàn)平流霜災，是山西霜雪災害的主要類型。東路，從東北方向而來，山西受其影響不大，發(fā)生次數(shù)較少，常伴有雨雪天氣，多發(fā)生于早春，文獻中記載的春季大雨雪皆因此而發(fā)生。

5 寒冷氣候事件

根據(jù)歷史文獻資料的分析和判斷可知，1368－1948年山西發(fā)生的氣候事件對該地區(qū)中度和重度霜雪災害的發(fā)生起到了決定作用。分析發(fā)現(xiàn)，連續(xù)3年以上出現(xiàn)嚴重寒冷氣候，影響范圍廣泛，覆蓋地區(qū)在10個縣以上，我們把這樣的極端氣候階段確定為寒冷氣候事件。據(jù)統(tǒng)計山西共發(fā)生6次寒冷氣候事件，分別出現(xiàn)在1578－1588、1591－1607、1631－1642、1669－1672、1690－1699和1830－1836年。1年之內連續(xù)多次出現(xiàn)霜雪災害，并且特別寒冷，凍死人畜，稱為異常寒冷災害年，分別出現(xiàn)在1653、1892和1929年。

第1次寒冷氣候事件在1578－1588年，發(fā)生17次災害，重度6次、中度9次、輕度2次。涉及岳陽、臨晉、猗氏、遼州、朔州、靜樂、隰縣、洪洞、趙城、翼城、解州、臨汾、襄垣、長治、黎城、潞城、介休、岢嵐、五寨、山陰、太谷、鄉(xiāng)寧、絳縣等幾乎山西從南到北全境的州縣，不僅“人畜凍死者甚眾”，而且“發(fā)生饑荒，荒廢并作，死者不計其數(shù)”［17］。

第2次寒冷氣候事件在1591－1607年，發(fā)生22次災害，重度7次、中度12次、輕度3次。涉及曲沃、文水、榆次、沁源、高平、五臺、澤州、保德、偏關、代縣、遼州、臨縣、隰縣、臨汾、靜樂、榮河、臨晉、猗氏、山陰、黎城、蒲縣、陽曲等幾乎山西從南到北全境的州縣?！叭笋R多凍死”、“鬻妻兒女者甚眾，僵尸載道”、“且瘟疫，民甚苦久”［17］。

第3次寒冷氣候事件在1631－1642年，發(fā)生13次災害，重度5次、中度5次、輕度3次。涉及潞城、朔州右衛(wèi)、永和、安邑、萬泉、解州、神池、新絳、絳縣、平魯、介休、榆社、廣靈、大寧等州縣?！皹涠鄡鏊馈薄ⅰ半E霜殺桑麥。秋無禾，人相食，死者無數(shù)。解州斗米九錢，安邑特災”［17］。

第4次寒冷氣候事件在1669－1672年，發(fā)生14次災害，重度4次、中度7次、輕度3次。涉及榆次、太谷、遼州、五寨、岢嵐州、吉州、榮河、解州、芮城、永濟、文水、長子等地，“遼州大風雪，樹木壓折，凜冽如冬，牛羊凍死”、“文水大雨雪，嚴寒，途人多凍死者”、“黃河堅冰，車馬行其上如陸”［17］。

第5次寒冷氣候事件在1690－1699年，發(fā)生24次災害，重度4次、中度17次、輕度1次。涉及山西全境，長治、襄垣、陵川、保德、蒲州、和順、盂縣、嵐縣、臨縣、永寧州、中陽、方山、永和、隰縣、大寧、古縣、靜樂、遼州、沁源、武鄉(xiāng)、樂平、榆次、安澤、陽高、蒲縣、絳縣、垣曲、沁縣、介休、平遠衛(wèi)等，特別是保德、和順等地連年災害，“嚴霜殺稼，黍、豆、谷、蕎等農(nóng)作物未熟凍枯”、“嚴霜殺稼，收成減半，民大饑”、“人民逃散，餓死者近半數(shù)”、“保德連歲霜旱”［17］。這次極端寒冷氣候事件，與1691－1692、1697－1698年的特大干旱重疊在一起，使得災情更加嚴重。

第6次寒冷氣候事件在1830－1836年，發(fā)生18次災害，重度9次、中度8次、輕度1次。涉及陽城、高平、榆次、汾陽、文水、壽陽、渾源、崞縣、盂縣、隰州、岳陽、靈丘、懷仁、定襄、忻州、安澤、武鄉(xiāng)、沁源、沁縣、沁水、襄垣、潞城、壺關、沁源、澤州、陵川、朔州、解州、絳縣、新絳、稷山、河津、萬榮、曲沃、太平等地，“凍死樹木無數(shù)”、“行旅人畜多凍斃者”、“野獸餓死無數(shù)”、“壽陽連歲蚤霜，本年又霜，斗米價至一千六百余”［17］。

1653年出現(xiàn)6次災害，重度3次、中度1次、輕度2次。范圍涉及安澤、介休、廣靈、陽高、靈丘等，時間為三月、九月、十一月和十二月，導致“大雪三月，居民不能樵采，拆毀廬舍一空，死亡枕藉”［17］，進而引發(fā)瘟疫。

1892年出現(xiàn)4次災害，重度2次、輕度2次。涉及臨縣、方山、岳陽、浮山、臨晉、芮城、偏關、長治、和順、吉州、榮河等地，影響范圍較大，災情嚴重，“冬，臨縣大凍災。方山特大凍災”、“冬，臨晉奇寒，黃河結冰，自龍門至于砥柱，行人車馬履冰而渡，花木凍死甚多”、“冬，榮河雨雪三尺，嚴寒，牛羊果樹多凍死”［17］。

1929年是民國時期最嚴重的一次寒冷災害年，發(fā)生7次災害，重度6次，中度1次。涉及中南部17個縣，降雪時間長，積雪厚度大;天氣嚴寒，牛羊、樹木、鳥獸多凍死;黃河自禹門至潼關冰凍成橋，七八尺深的水井結冰尺余。

6 次寒冷氣候事件和3次異常寒冷災害年，均發(fā)生在霜雪災害頻繁的第2和第4階段。

6 結論

綜上，可得出如下結論。

(1)1368－1948年，共發(fā)生災害419次，輕度占25.3%;中度占54.4%;重度占20.3%。

(2)災害可分為4個階段，1368－1579年為第1階段，1580－1699年為第2階段，1700－1819年為第3階段，1820－1948年為第4階段。第1、3階段頻次較低，第2、4階段頻次較高。

(3)小波分析表明，災害存在著4個明顯的周期，即10～13年、20年左右、45～50年和120年左右的周期。

(4)降雪或寒流引起的氣溫驟降至0℃以下是造成災害的主要原因。

(5)共發(fā)生6次寒冷氣候事件，分別出現(xiàn)在1578－1588、1591－1607、1631－1642、1669－1672、1690－1699和1830－1836年。出現(xiàn)3次異常寒冷災害年，分別是1653、1892和1929年。

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Characteristics and Periodic Regularity of Frost and Snow Disaster in Shanxi Province During 1368 to 1948

Meng Wanzhong1，2and Liu Xiaofeng2
(1.College of Tourism and Environment Science，Shaanxi Normal University，Xi'an 710062，China; 2.Taiyuan Normal University，Taiyuan 030012，China)

Based on collection，arrangement and mathematical analysis on historical documents and materials from 1368 to 1948 in Shanxi province，grades，stages，periods and their causes of frost and snow disasters in the area are researched．During this period 419 disasters had happened，the disaster grades are mild，moderate and severe，and the disaster occurrence probabilities are 106，228 and 85 times．Disaster changes can be divided into four stages．The first stage is from 1368 to 1579，the second stage is from 1580 to 1699，the third stage is from 1700 to 1819 and the fourth stage is from 1820 to 1948.The first and third stages are the ones that the disasters happened occasionally，and most of them are mild and moderate ones．The second and forth stages are the ones that the disasters happened frequently，and most of them are moderate and the most serious．According to wavelet analysis，the disasters are mainly of 4 obvious periods as 10～13 years，about 20 years，45～50 years and about 120 years．Sharp temperature dropping below 0℃，which is caused by snowfall or cold current，is the main inducement of frost and snow disaster in Shanxi province．Six cold climate events happened in Shanxi province from 1368 to 1948，and they respectively happened from 1578 to 1588，1591 to 1607，1631 to 1642，1669 to 1672，1690 to 1699 and 1830 to 1836.There were three unusually cold disaster years in 1653，1892 and 1929.

frost and snow disaster;from 1368 to 1948;the grade of disaster;periodic law;cold climate events;Shanxi province

X43

A

1000－811X(2012)04－0080－05

2012－03－31

2012－05－01

中國博士后科學基金面上資助項目;國家自然科學基金項目(41071335);山西省高等學校哲學社會科學研究項目(2010320，2011325)

孟萬忠(1971－)，男，山西清徐人，博士后，副教授，高級工程師，研究方向為歷史地理與環(huán)境變遷及GIS．E-mail:mwz66@163.com