明代山西霜雪低溫災(zāi)害特征與周期規(guī)律分析

孟萬(wàn)忠，趙景波，劉曉峰

(1.陜西師范大學(xué)旅游與環(huán)境學(xué)院，西安 710062;2.太原師范學(xué)院汾河流域科學(xué)發(fā)展研究中心，太原 030012)

0 引言

凡是因地面氣溫急劇下降，或因地面氣溫達(dá)到某一較低水平，或因地面有一定積雪而造成的災(zāi)害都屬于霜雪低溫災(zāi)害［1］，包括霜凍、低溫和雪災(zāi)，低溫是它們共同的特點(diǎn)，因此，歸為一類來(lái)研究。目前的研究成果大多集中在近60 a，國(guó)外學(xué)者的研究表明，20世紀(jì)北歐、加拿大、美國(guó)的霜凍日數(shù)都有減少趨勢(shì)［2-4］。我國(guó)學(xué)者采用不同的指標(biāo)對(duì)全國(guó)不同地區(qū)霜、凍、雪等災(zāi)害的時(shí)空變化特征、原因和周期變化規(guī)律等進(jìn)行了分析［5-10］。此類災(zāi)害對(duì)作物的產(chǎn)量影響巨大，在氣候變暖的背景下仍需重視災(zāi)害的預(yù)防［11-14］。對(duì)歷史時(shí)期霜雪災(zāi)害的研究成果較少［15-16］，目前也有學(xué)者給予關(guān)注［17-19］。霜雪低溫災(zāi)害使尚在生長(zhǎng)、未成熟的農(nóng)作物和經(jīng)濟(jì)作物被凍傷、凍死，造成減產(chǎn)甚至絕收，嚴(yán)重威脅糧食生產(chǎn)安全，對(duì)山西的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響巨大。因此，對(duì)該地區(qū)歷史時(shí)期此類災(zāi)害進(jìn)行研究具有重要的科學(xué)和現(xiàn)實(shí)意義。本研究以明代歷史文獻(xiàn)記載為依據(jù)，探討山西明代霜雪低溫災(zāi)害發(fā)生的等級(jí)、階段和時(shí)空變化規(guī)律，并利用小波分析方法［20］分析災(zāi)害的周期變化，以期對(duì)此類災(zāi)害進(jìn)行科學(xué)的預(yù)測(cè)和防治。

1 資料與等級(jí)劃分

1.1 研究區(qū)概況與資料來(lái)源

山西南起34°34'58″N，北至 40°43'30″N，西自 110°14'42″E，東達(dá) 114°33'17″E。地處黃河以東，太行山以西，屬黃土高原東部地區(qū)。地形復(fù)雜，平均海拔1 000 m以上，地勢(shì)東北高，西南低。屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫4℃ ～14℃，年降水量400～600 mm，全年無(wú)霜期平均80～220 d。

本研究以《中國(guó)氣象災(zāi)害大典·山西卷》［21］等資料對(duì)山西明代277年的霜凍、低溫、大雪災(zāi)害記載的時(shí)間、發(fā)生的季節(jié)、災(zāi)情、受害的農(nóng)作物種類等為依據(jù)進(jìn)行研究。

1.2 等級(jí)劃分

中國(guó)氣象局頒布的《中華人民共和國(guó)氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》，依據(jù)日最低氣溫下降的幅度、低溫強(qiáng)度及植物遭到霜凍害后受害和減產(chǎn)的程度，將霜凍分為輕、中和重霜凍3級(jí);依據(jù)24 h的降雪量將雪災(zāi)分為輕度、中度、重度和特重雪災(zāi)4級(jí)。但明代沒(méi)有準(zhǔn)確的溫度和降雪量等數(shù)據(jù)，依據(jù)現(xiàn)代的劃分方法是不可行的。因此，對(duì)歷史時(shí)期的霜凍、低溫和雪災(zāi)，需要綜合考慮其發(fā)生的季節(jié)、持續(xù)時(shí)間、強(qiáng)度、受災(zāi)范圍以及人、畜、農(nóng)作物受影響程度的大小，進(jìn)行等級(jí)劃分。

統(tǒng)計(jì)表明，明代277年山西共發(fā)生霜雪低溫災(zāi)害114次，其中霜凍64次，低溫14次，雪災(zāi)36次。災(zāi)害劃分為3個(gè)等級(jí)(表1)，其中，輕度22次，占19.3%;中度66次，占57.9%;重度26次，占22.8%。從不同等級(jí)災(zāi)害在時(shí)間上的變化(圖1)可知，明代晚期災(zāi)害發(fā)生最頻繁，且災(zāi)害的強(qiáng)度最大，其次是中期，早期則頻次和強(qiáng)度均最低。

表1 明代山西霜雪低溫災(zāi)害等級(jí)劃分表Tab.1 Gradation of frost-snow and low-temperature in Shanxi in Ming Dynasty

圖1 明代山西霜雪災(zāi)害等級(jí)變化Fig.1 Change of grade of frost-snow and low-temperature disasters in Shanxi in Ming Dynasty

2 災(zāi)害的時(shí)空變化特征

2.1 空間變化特征

明代山西108個(gè)縣州所(只包括今山西境內(nèi))，其中57個(gè)發(fā)生過(guò)霜凍災(zāi)害，12個(gè)發(fā)生過(guò)低溫災(zāi)害，34個(gè)發(fā)生過(guò)雪災(zāi)。以《中國(guó)歷史地圖集》明代山西政區(qū)［22］為底圖，繪制了明代山西霜雪災(zāi)害發(fā)生頻次空間分布圖(圖2)和災(zāi)害等級(jí)空間分布圖(圖3)。從圖2可知，在地勢(shì)低凹的盆地，災(zāi)害發(fā)生的頻次較高，這是因?yàn)槔淇諝馊菀壮练e到低部，因此，低凹地帶更容易遭受災(zāi)害。從圖3可知，明代山西各地發(fā)生災(zāi)害等級(jí)均為中、重度，這與冬季風(fēng)勢(shì)力對(duì)山西影響較大有直接關(guān)系。

2.2 頻次變化

以30 a為單位，統(tǒng)計(jì)出明代山西各時(shí)段災(zāi)害發(fā)生頻次(表2)。根據(jù)表2，可將明代山西霜雪低溫災(zāi)害變化分為兩個(gè)階段:1368—1519年為第1階段，發(fā)生災(zāi)害21次，頻次較低;1520—1664年為第二階段，發(fā)生災(zāi)害93次，頻次較高。結(jié)合表1、表2的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析可知，在第一階段以輕、中度災(zāi)害為主，第二階段以中度和重度霜雪災(zāi)為主。因此，可以判斷在明代中、晚期是山西霜雪災(zāi)害的高發(fā)期，且強(qiáng)度較大。

表2 明代山西霜雪災(zāi)害發(fā)生頻次Tab.2 Frequencies of the disasters in Shanxi in Ming Dynasty

明代每30年災(zāi)害發(fā)生的平均頻次為12.35次，將平均頻次與每30年實(shí)際發(fā)生的頻次作差值，可以得出山西霜雪災(zāi)害距平值(表3)。表3表明，在1368—1519年的第1階段，以負(fù)距平值為主，表明該階段災(zāi)害頻次低于平均頻次，是災(zāi)害低發(fā)期;1520—1644年的第2階段，以正距平值為主，表明這個(gè)階段的災(zāi)害頻次高于平均頻次，是災(zāi)害的高發(fā)期。

表3 明代山西霜雪災(zāi)害距平值Tab.3 Change of anomaly of the disasters frquency in Shanxi in Ming Dynasty

2.3 季節(jié)變化

霜雪低溫災(zāi)害的發(fā)生具有季節(jié)性的特點(diǎn)，按災(zāi)害的發(fā)生季節(jié)統(tǒng)計(jì)(表4)。從表4可知，春季(農(nóng)歷正月至三月)占9.65%;夏季(農(nóng)歷四月至六月)占27.19%;秋季(農(nóng)歷七月至九月)占41.23%;冬季(農(nóng)歷十月至十二月)占21.93%。霜凍災(zāi)害，秋季最頻繁，其次是夏、春季，冬季最少;雪災(zāi)春季最多，其次是冬季，夏、秋季差不多;低溫以冬、春季為主。

春末夏初是冬季風(fēng)與夏季風(fēng)交替作用的季節(jié)，氣溫的迅速回升與劇烈降溫現(xiàn)象頻繁出現(xiàn)，對(duì)作物的危害尤其明顯。夏季的霜雪災(zāi)害發(fā)生在農(nóng)歷四月，對(duì)剛出土的農(nóng)作物和開(kāi)花的果樹(shù)影響嚴(yán)重;發(fā)生在五月，對(duì)冬小麥的收割和倒茬作物的播種危害嚴(yán)重;發(fā)生在六月，對(duì)夏播作物和大秋作物的生長(zhǎng)不利。如，明嘉靖四十一年(1562)，夏四月，襄垣、長(zhǎng)治大雪，殺桑害蠶，花果不實(shí);明萬(wàn)歷十五年(1587)，四月，介休隕霜，禾稼盡殺，百姓流徙，餓殍載道;明萬(wàn)歷二十六年(1598)，五月初一，五臺(tái)雨雪，麥豆皆死。秋季下霜或雪過(guò)早，會(huì)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(duì)秋季作物的收成產(chǎn)生重大影響，嚴(yán)重的會(huì)造成饑荒發(fā)生。如，明嘉靖十二年(1533)，秋八月，柳林、石樓、永和、太谷隕霜?dú)⒓冢蜓?zāi)、霜凍災(zāi)致使太谷、祁縣、柳林等地，禾盡殺，大饑，饑民流移相食，道殣相望。冬季和春季發(fā)生的災(zāi)害，對(duì)冬小麥等農(nóng)作物和家禽、家畜的越冬影響巨大。如，明嘉靖十年(1531)，正月望日，洪洞大雨雪，四晝夜不息，平地深三四尺，壕池皆盈，樹(shù)枝多壓折，二麥無(wú)收;明萬(wàn)歷六年(1578)，冬，洪洞、趙城、翼城大雪，人畜凍死者甚眾。

表4 明代山西霜雪低溫災(zāi)害季節(jié)分布Tab.4 Seasonal distribution of the disasters in Shanxi in Ming Dynasty

2.4 周期規(guī)律

小波分析方法［20］能夠?qū)r(shí)間序列進(jìn)行局部剖析和大的變化趨勢(shì)展示，適宜分析具有不均勻性、多樣性、差異性、隨機(jī)性、遲緩性以及重現(xiàn)性等特點(diǎn)的自然災(zāi)害［23］。氣候變化存在一定的時(shí)間尺度和周期性，利用小波對(duì)明代山西霜雪低溫災(zāi)害頻次數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，得到時(shí)間尺度/時(shí)間序列的關(guān)系圖(圖4)。從圖4可知，存在3個(gè)明顯的集中區(qū)和3個(gè)明顯的峰值，即在低等級(jí)層次中存在2～3 a頻率，在中等級(jí)層次中存在9～14 a的頻率，在高等級(jí)層次中存在45～55 a的頻率。這表明，明代山西霜雪低溫災(zāi)害存在著2～3 a，9～14 a和45～55 a左右的周期。第2階段周期信號(hào)特別明顯，反映出這個(gè)階段災(zāi)害發(fā)生的頻率較高。

圖4 明代山西霜雪低溫災(zāi)害小波分析Fig.4 Wavelet analysis of the disasters in Shanxi in Ming Dynasty

3 寒冷氣候事件

根據(jù)資料分析和判斷可知，明代山西發(fā)生的氣候事件對(duì)該地區(qū)重度和中度災(zāi)害的發(fā)生起到了決定作用。分析發(fā)現(xiàn)，在明代有3年以上出現(xiàn)連續(xù)3次以上重度災(zāi)害，影響范圍覆蓋3個(gè)州府以上，把這樣的極端氣候階段確定為寒冷氣候事件。據(jù)此統(tǒng)計(jì)，明代山西共發(fā)生4次寒冷氣候事件，分別出現(xiàn)在1531—1533年、1578—1588年、1591—1607年和1631—1642年。

第1次寒冷氣候事件發(fā)生在明嘉靖十年(1531)至嘉靖十二年(1533)，發(fā)生3次重度災(zāi)害，涉及洪洞、太谷、祁縣、柳林、石樓、永和等縣。洪洞“二麥無(wú)收”，柳林“禾盡殺，饑民流移相食”，太谷“百卉盡死，秋八月隕霜?dú)⒓凇薄＾r(nóng)作物絕收，饑民流移，甚至發(fā)生人相食的事件，說(shuō)明災(zāi)情嚴(yán)重。

第2次寒冷氣候事件發(fā)生在明萬(wàn)歷六年(1578)至萬(wàn)歷十六年(1588)，發(fā)生17次災(zāi)害，6次重度、9次中度、2次輕度。涉及岳陽(yáng)、臨晉、猗氏、遼州、朔州、靜樂(lè)、隰縣、洪洞、趙城、翼城、解州、臨汾、襄垣、長(zhǎng)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(jì)其數(shù)”。

第3次寒冷氣候事件發(fā)生在明萬(wàn)歷十九年(1591)至萬(wàn)歷三十五年(1607)，發(fā)生22次災(zāi)害，7次重度、12次中度、3次輕度。涉及曲沃、文水、榆次、沁源、高平、五臺(tái)、澤州、保德、偏關(guān)、代縣、遼州、臨縣、隰縣、臨汾、靜樂(lè)、榮河、臨晉、猗氏、山陰、黎城、蒲縣、陽(yáng)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”。

第4次寒冷氣候事件發(fā)生在明崇禎四年(1631)至崇禎十五年(1642)，發(fā)生13次災(zāi)害，5次重度、5次中度、3次輕度。涉及潞城、朔州右衛(wèi)、永和、安邑、萬(wàn)泉、解州、神池、新絳、絳縣、平魯、介休、榆社、廣靈、大寧等州縣?！皹?shù)多凍死”、“隕霜?dú)⑸｛?。秋無(wú)禾，人相食，死者無(wú)數(shù)。解州斗米九錢，安邑特災(zāi)”。

4 結(jié)論

(1)明代山西發(fā)生災(zāi)害共114次，輕度占19.3%;中度占57.9%;重度占22.8%。

(2)可分為兩個(gè)階段，1368—1519年為第一階段，頻次較少，強(qiáng)度較弱，以輕、中度災(zāi)害為主。1520—1644年為第二階段，頻次較高，強(qiáng)度較大，以中度和重度災(zāi)害為主。

(3)小波分析表明，災(zāi)害存在2～3 a，9～14 a和45～55 a 3個(gè)明顯的周期。

(4)發(fā)生4次寒冷氣候事件，分別出現(xiàn)在1531—1533年、1578—1588年、1591—1607年和 1631—1642年。寒冷氣候事件都發(fā)生在第二階段，表明明代中晚期的氣候比早期寒冷。

明代是中國(guó)近5 000年來(lái)的第4個(gè)寒冷期［24］，其中1470年以后是寒冷期中最具代表性的時(shí)期［14］，華北地區(qū)的冷冬出現(xiàn)在1520年以后［25］，寒冷期恰恰也是明代山西霜雪低溫災(zāi)害發(fā)生頻次較高、強(qiáng)度較大的年代。明代4次寒冷氣候事件均發(fā)生在1520年之后，屬于災(zāi)害高發(fā)的第二階段，表明明代中晚期的氣候比早期寒冷。由此亦可證明，公元1520—1644年為山西明代異常寒冷的時(shí)期，即明代小冰期，與竺可楨先生等人所確定的時(shí)間基本一致。

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