歷史時期以來山西省雪災(zāi)特征與氣候變化

徐兆紅，殷淑燕

(陜西師范大學(xué)旅游與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安710062)

歷史時期以來山西省雪災(zāi)特征與氣候變化

徐兆紅，殷淑燕

(陜西師范大學(xué)旅游與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安710062)

通過對歷史文獻資料的搜集、整理與統(tǒng)計分析，利用最小二乘法、小波分析和空間Kriging插值等方法，對山西省歷史時期(730BC-2000AD)以來雪災(zāi)的等級、發(fā)生時間(階段、季節(jié)變化和周期等)和空間變化規(guī)律進行研究。結(jié)果表明：歷史時期以來山西省共發(fā)生雪災(zāi)208次，平均13.125 a發(fā)生一次。其中，將雪災(zāi)劃分為輕度、中度、重度三個等級，各占災(zāi)害總頻次的16.83%、72.60%和10.58%；小波分析顯示，雪災(zāi)存在5 a、23 a的周期變化，23 a左右的周期振蕩最強。歷史時期以來山西省雪災(zāi)呈波動上升趨勢，階段性特征明顯，經(jīng)歷了頻次較少-快速增加兩個階段；4月和冬季發(fā)生頻次最高，分別占總數(shù)的15.76%和34.47%。雪災(zāi)發(fā)生頻次空間差異大，南部發(fā)生的最多。初步確定，歷史時期以來山西省雪災(zāi)的發(fā)生與氣候的異常變化是密切相關(guān)的，明清時期雪災(zāi)發(fā)生頻次最高；現(xiàn)代為雪災(zāi)發(fā)生的頻發(fā)期，寒冷氣候需進一步考證。

雪災(zāi)；山西；歷史時期；時空分布；寒冷氣候

雪災(zāi)是一種我國常見且分布廣泛的典型氣象災(zāi)害。因降雪量較大、持續(xù)時間長，伴有大風(fēng)、降溫，使農(nóng)作物、蔬菜、果木等遭受凍害，下雪時因能見度減小和積雪覆蓋地面影響交通、壓斷樹枝和電線線路、造成牲畜缺食或凍死、凍傷及農(nóng)作物產(chǎn)量減少或絕收[1-2]。雪災(zāi)作為寒冷氣候的表現(xiàn)形式之一，國內(nèi)外的學(xué)者都進行了研究，并取得了重要成果[3-10]。

雪災(zāi)是山西省影響范圍較廣，危害作物種類多，經(jīng)濟損失大的氣象災(zāi)害之一。山西省冬半年寒冷干燥，降雪年際變化大，降雪集中，往往伴隨著強降溫，易造成交通、電力、農(nóng)業(yè)等巨大的影響。目前，我國學(xué)者對于山西省自然災(zāi)害的研究主要集中于干旱、洪澇、霜凍、低溫等氣象災(zāi)害，孟萬忠等[4]研究1901-2000年山西省的霜雪災(zāi)害，劉耀文等[8]對2009年11月10-12日出現(xiàn)的特大暴雪的環(huán)流背景、前期天氣特點和成因(地面影響系統(tǒng)、水汽和動力條件及云圖演變等)方面進行分析。但是對山西省雪災(zāi)的具體研究幾乎是空白的，尤其是長時間尺度的研究。趙桂香等[11]主要研究1971-2008年山西大雪天氣的主要特征。鑒于此，本文通過搜集和整理歷史時期以來(730BC-2000AD)山西省的雪災(zāi)，分析災(zāi)害發(fā)生的等級、時空變化規(guī)律及其與氣候變化的關(guān)系，揭示和認(rèn)識其發(fā)生、發(fā)展規(guī)律，降低災(zāi)害對人們生命財產(chǎn)的損失，為山西省雪災(zāi)的預(yù)測和防治，提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

山西省位于東經(jīng)110°14′42′′-114°33′17′′，北緯34°34′58′′-40°44′30′′，地處黃河中游東岸，黃土高原東部，因居太行山以西而得名。其地理位置偏北，地勢東北高，西南低，東部為山地區(qū)，西部為高原山地區(qū)，中部為斷陷盆地，平均海拔在1 000 m以上。位于中緯度地帶的內(nèi)陸，東距海洋400～500 km，大氣環(huán)流的季節(jié)性變化明顯，屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候。其氣候具有四季分明，雨熱同步，光照充足，南北氣候差異顯著，冬夏氣溫懸殊，晝夜溫差大的特點，旱、澇、雹、風(fēng)、凍、雪等氣象災(zāi)害頻繁。山西降雪期較長，但降雪量不大，積雪日數(shù)不多。山西年降雪量大部分地區(qū)為20～60 mm，全省各地年降雪日數(shù)14～16 d，五臺山中臺頂年降雪日數(shù)達95 d；全省各地積雪初日比降雪初日晚約20 d，積雪終日比降雪終日早約15～20 d。

雪災(zāi)的統(tǒng)計主要根據(jù)從730BC(東周)至2000年山西省的各市、縣的地方志、檔案以及文獻[1，12-16]記載，選取的資料都是史料中有明確記載的災(zāi)害事件。這些歷史文獻資料都具有十分重要的可靠性。本文以“年”為單位進行統(tǒng)計，即如果一年中發(fā)生2次及以上災(zāi)害，均統(tǒng)計為該年度發(fā)生過1次雪災(zāi)。例如清康熙四十七年(1708年)，“二月，沁州大雨雪一晝夜，深四五尺，街衢消融竟成洪波，車旅不行者數(shù)日；九月二十一日，永和大雪”，一年內(nèi)發(fā)生了2次，統(tǒng)計時就按本年發(fā)生旱災(zāi)統(tǒng)計為一次。由于歷史記載具有時代性和局限性，而且不同朝代對氣象災(zāi)害的承受能力和抗災(zāi)救災(zāi)強度不同以及對其重視程度不同等影響因素，會導(dǎo)致雪災(zāi)記錄詳略不同。為獲得更真實可靠地數(shù)據(jù)，本文對不同時期、不同文獻中的記載進行詳細的對比參照，采取統(tǒng)一的尺度進行統(tǒng)計，在一定程度上可以反映歷史時期以來雪災(zāi)的發(fā)生情況。

2 結(jié)果與分析

2.1 雪災(zāi)時間特征分析

據(jù)統(tǒng)計，在2 700多年間，山西省有明確記載的雪災(zāi)總計發(fā)生了208次，平均13.125 a發(fā)生一次。為了更深入細致的研究歷史時期以來山西省雪災(zāi)在時間上的變化特點，本文分別以50 a為單位整理統(tǒng)計雪災(zāi)發(fā)生的頻次。

2.1.1 雪災(zāi)頻次統(tǒng)計分析 以50 a為單位，對歷史時期以來山西省雪災(zāi)發(fā)生的頻次進行統(tǒng)計(圖1)。歷史時期山西省雪災(zāi)發(fā)生的頻次呈波動上升的趨勢。具體而言，大約在1500年之前，山西省雪災(zāi)發(fā)生的頻次較低，波動的幅度也較小，雪災(zāi)發(fā)生53次，占雪災(zāi)總數(shù)的25.48%，平均42.08 a發(fā)生一次，峰值出現(xiàn)在501-550年(北魏后期和東魏)，平均每50 a發(fā)生5次雪災(zāi)。約在1500年之后，山西省雪災(zāi)發(fā)生頻次的波動幅度明顯增大，雪災(zāi)的發(fā)生次數(shù)也明顯增多，并且出現(xiàn)了3個雪災(zāi)發(fā)生頻率高峰：清朝后期(1851-1900年)和現(xiàn)代(1951-2000年)發(fā)生的雪災(zāi)頻率最高，50 a中發(fā)生29次，平均1.72 a發(fā)生一次；其次是清朝初期(1651-1700年)，50 a中發(fā)生21次，平均2.38 a發(fā)生一次。清朝到現(xiàn)代是山西省雪災(zāi)發(fā)生頻次最高的時期。從圖1可知，在1500年之前，雪災(zāi)頻次整體較低；在此之后，擬合曲線迅速上升，表明雪災(zāi)頻次迅速提升，到1900年和2000年達到頂峰。

圖1 歷史時期(730BC-2000AD)每50 a山西省雪災(zāi)害頻次統(tǒng)計Fig.1 Statistical results of snow disasters in Shanxi Province per 50 years in historical period (730BC-2000AD)

2.1.2 雪災(zāi)的季節(jié)和月份變化特征 山西省歷史時期的雪災(zāi)除了具有年際波動上升的特征之外，在季節(jié)和月份上分布也有其特點，其中雪災(zāi)有明確月份記載的有150次。由圖2可知，山西省雪災(zāi)在月份具有以下特點：雪災(zāi)各月發(fā)生次數(shù)不均，4月發(fā)生次數(shù)最多，占總數(shù)的15.76%；7月最少，占總數(shù)的1.09%；其次在月份上，雪災(zāi)發(fā)生具有明顯的集中性。集中發(fā)生在12月和1-4月，共占總數(shù)的58.7%。

歷史文獻中，雪災(zāi)有明確季節(jié)記載的有192次，冬季雪災(zāi)發(fā)生頻次最高，共81次，占總數(shù)的34.47%；其次是春季70次和夏季50次，分別占總數(shù)的29.79%和21.28%；秋季發(fā)生次數(shù)最少，為34次，占14.47%。冬季和春季雪災(zāi)發(fā)生的頻次高是山西省歷史時期雪災(zāi)在時間分布上的一個顯著特點。

圖2 歷史時期山西省雪災(zāi)的年變化特征Fig.2 The annual variation of snow disasters in Shanxi Province in historical period

2.1.3 雪災(zāi)的周期特征分析 為明確歷史時期以來山西省雪災(zāi)發(fā)生的周期特征，本文借助Matlab 軟件，利用小波分析方法進行分析(圖3)。由圖3上下分析可得，雪災(zāi)主要存在20 a以上尺度的周期變化，周期中心為23 a。在23 a時間尺度上的周期振蕩非常明顯，雪災(zāi)經(jīng)歷少→多→少→多4個循環(huán)交替，底部幾個相對高發(fā)期和低發(fā)期的循環(huán)交替。小波方差圖能夠顯示時間序列的主要周期，根據(jù)山西省雪災(zāi)發(fā)生距平的小波方差，繪制出小波方差(圖4)。雪災(zāi)有2個明顯的周期或更大的周期變化，2個周期分別是5 a、23 a的時間尺度，最高峰出現(xiàn)在23 a處，其中雪災(zāi)的主周期為23 a，說明23 a左右的周期振蕩最強。

圖3 歷史時期山西省雪災(zāi)的小波變化圖Fig.3 Wavelet transform of snow disasters in Shanxi Province in historical period橫坐標(biāo)-701表示的是750BC至701BC時間段，-251表示的是300BC至251BC時間段

圖4 歷史時期山西省雪災(zāi)發(fā)生的小波方差圖Fig.4 Wavelet variance of snow disasters in Shanxi Province in historical period

2.2 雪災(zāi)空間差異性分析

統(tǒng)計歷史時期以來山西省雪災(zāi)發(fā)生的頻次并借助ArcGIS10.0軟件繪制成圖(圖5)，洪洞、太原、大同、介休、運城、新絳、吉縣等地雪災(zāi)發(fā)生較多，頻次都在10次以上；其次為襄垣、浮山、曲沃、長治、沁水、晉中、臨汾、平遙等地，雪災(zāi)發(fā)生的頻次在6～9次；左云、平定、沁縣、朔州、廣靈、鄉(xiāng)寧、忻州等地，雪災(zāi)發(fā)生頻率在3～5次；陽泉、潞城、晉城、右玉、石樓、古交、興縣等地發(fā)生雪災(zāi)較少。雪災(zāi)發(fā)生頻次空間分布差異明顯，山西省北部雪災(zāi)發(fā)生的頻次最低，只有一個高頻中心，高頻中心為大同；山西省中部雪災(zāi)發(fā)生頻次稍微高于北部，但低于南部，高頻中心位于太原；山西省南部發(fā)生的頻次最高，有多個高頻中心。

圖5 歷史時期山西省雪災(zāi)頻次空間差異圖Fig.5 The frequency space difference of snow disasters in Shanxi Province in historical period

2.3 雪災(zāi)等級

根據(jù)文獻中對雪災(zāi)的定性描述及雪災(zāi)持續(xù)時間的長短、受災(zāi)范圍的大小、雪災(zāi)的強度和受災(zāi)的程度等幾個因素綜合地考慮，將歷史時期以來山西省的雪災(zāi)劃分為以下3個等級。3個雪災(zāi)等級的具體劃分標(biāo)準(zhǔn)、雪災(zāi)情況如表1所示。由表1知，山西省2 700多年間共發(fā)生輕度雪災(zāi)35次，占雪災(zāi)總數(shù)的16.83%；中度雪災(zāi)發(fā)生151次，占雪災(zāi)總數(shù)的72.60%；重度雪災(zāi)發(fā)生22次，占雪災(zāi)總數(shù)的10.58%。

可見，歷史時期山西省雪災(zāi)的災(zāi)害類型以中度雪災(zāi)為主，輕度和中度雪災(zāi)發(fā)生的頻次相對較低。

表1 歷史時期山西省雪災(zāi)等級劃分及頻次Table 1 The snow disaster grade and frequency in Shanxi Province in historical period

圖6 山西省歷史時期雪災(zāi)等級序列Fig.6 The snow disaster grade sequence of Shanxi Province in historical period

為探知雪災(zāi)的不同等級在時間上的變化特征，利用Excel軟件制作出圖6。由圖6可看出，各級雪災(zāi)在時間發(fā)生上存在著較大差異：(1)雪災(zāi)發(fā)生具有明顯的階段性，各等級雪災(zāi)都有低發(fā)期和高頻期；(2)各等級雪災(zāi)高頻期發(fā)時間早晚不同。從明代后期(1598年)到清代(1745年)為1級輕度雪災(zāi)的頻發(fā)期，共發(fā)生了19次，占輕度雪災(zāi)總數(shù)的54.29%；從1966年至2000年是3級重度雪災(zāi)的頻發(fā)期，共發(fā)生13次，占重度雪災(zāi)總數(shù)的59.09%；而中度雪災(zāi)(2級)從東周(730B.C.)至1981年都連續(xù)發(fā)生，發(fā)生頻次最高，具有連續(xù)性。

3 雪災(zāi)特征與氣候變化

根據(jù)對史料文獻的研究分析，歷史時期以來山西省某些時段發(fā)生的雪災(zāi)特點突出，可以指示該時期的氣候變化[11,17]。竺可楨[18]認(rèn)為，近五千年的氣候主要有四個寒冷期，西周冷期、三國兩晉南北朝冷期、北宋冷期和明清冷期。公元501-600年間，共發(fā)生雪災(zāi)9次，平均11.11 a發(fā)生1次。如480年(“九月，平城大風(fēng)雪，深三尺”)和546年(“二月，大雪，人畜凍死，道路相望”)發(fā)生的雪災(zāi)與北朝時期的寒冷期相對應(yīng)[18-19]。本文統(tǒng)計的501-550年山西雪災(zāi)的頻發(fā)期與這個氣候轉(zhuǎn)冷期一致。朱海峰等[20]對青海省烏蘭地區(qū)近千年樹木年輪記錄的溫度變化的研究可知，歷史時期的氣候以冷暖交替的形式出現(xiàn)，16世紀(jì)末進入1000多年來最長的冷期(約1590-1850年)，與本文的研究結(jié)果一致。從明末清初開始，氣候的冷干化更加明顯，稱為“明清小冰期”，是中國歷史上氣候最惡劣的時期[18,21-23]，而清朝時期共發(fā)生82次，平均3.26 a發(fā)生一次，導(dǎo)致這一時期雪災(zāi)的發(fā)生頻率很高。孟萬忠等[24]研究認(rèn)為明代雪災(zāi)發(fā)生時的周均溫應(yīng)該低于-5 ℃，極端最低氣溫可能在-15℃以下；明代晚期氣候異常寒冷，比現(xiàn)在的年均溫低2-3℃。由此可見，歷史時期山西雪災(zāi)的發(fā)生與氣候的異常變化是密切相關(guān)的。

1900年以后為儀器觀測時期，對雪災(zāi)的記錄更為詳細。1900-2000年間發(fā)生雪災(zāi)40次，平均2.5 a發(fā)生1次，災(zāi)害發(fā)生頻繁，但現(xiàn)代是一個暖期[18]。IPCC第五次研究報告指出，近100年全球平均地表溫度升高了0.85 ℃[25]，中國普遍升溫，北方較明顯,達0.8 ℃[26-28]。郭志梅等[29]認(rèn)為，中國北方地區(qū)近50年來增溫態(tài)勢十分明顯，20世紀(jì)80年代中后期發(fā)生一次顯著的變暖突變，90年代以來北方地區(qū)的氣溫明顯偏高。同樣陳文海等對中國1951-1997年氣候變化趨勢的研究可知，增溫主要發(fā)生在冬、春季，冬季增溫最為明顯，北方的增溫強度大于南方。由于全球變暖，現(xiàn)代為氣象災(zāi)害的頻發(fā)期、氣候惡化期和不穩(wěn)定期，各種氣象災(zāi)害可能都會增多[30-31]。這期間并不是雪災(zāi)發(fā)生次數(shù)多就為寒冷期，雪災(zāi)的發(fā)生還受到其他因子的影響，需要全面的對比、分析，結(jié)論才能更準(zhǔn)確可靠，有待進一步研究。近百年來在全球氣候變暖的背景下，山西省雪災(zāi)多次發(fā)生，呈現(xiàn)出與氣候變暖相反的變化趨勢，反映山西省氣候變化的異常性。

4 結(jié) 論

本文對歷史時期(730BC-2000AD)以來山西省雪災(zāi)的時空變化變化特征和等級進行了分析，得到如下結(jié)論：

1)歷史時期以來山西省共發(fā)生雪災(zāi)208次，平均13.125 a發(fā)生一次。其中，輕度雪災(zāi)35次，占雪災(zāi)總數(shù)的16.83%；中度雪災(zāi)發(fā)生151次，占雪災(zāi)總數(shù)的72.60%；重度雪災(zāi)發(fā)生22次，占雪災(zāi)總數(shù)的10.58%?？梢姡瑲v史時期山西省雪災(zāi)的災(zāi)害類型以中度雪災(zāi)為主，輕度和中度雪災(zāi)發(fā)生的頻次相對較低。小波分析顯示：雪災(zāi)存在5 a、23 a的周期變化，23 a左右的周期振蕩最強。

2)雪災(zāi)發(fā)生的頻次呈波動上升的趨勢，階段性特征明顯，經(jīng)歷了頻次較少-快速增加兩個階段，清朝到現(xiàn)代是山西省雪災(zāi)發(fā)生頻次最高的時期。各級雪災(zāi)在時間發(fā)生上存在著較大差異，都有其低發(fā)期和高頻期，中度雪災(zāi)(2級)連續(xù)發(fā)生，頻次最高，具有連續(xù)性。

3)從季節(jié)和月份上看，冬季雪災(zāi)發(fā)生頻次最高，共81次，占總數(shù)的34.47%；雪災(zāi)各月發(fā)生次數(shù)不均，4月發(fā)生最多，7月最少，集中于4月、3月、12月、1月和2月。雪災(zāi)發(fā)生頻次空間差異大，北部發(fā)生頻次最低，以大同為中心；中部發(fā)生頻次稍微高于北部，但低于南部，以太原為中心；南部發(fā)生的頻次最高，有多個高頻中心。

4)歷史時期山西雪災(zāi)的發(fā)生與氣候的異常變化是密切相關(guān)的，“明清小冰期”，雪災(zāi)發(fā)生頻次最高?，F(xiàn)代期間并不是雪災(zāi)發(fā)生次數(shù)多就為寒冷期，雪災(zāi)的發(fā)生還受到其他因子的影響，需要全面的對比、分析，結(jié)論才能更準(zhǔn)確可靠。

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Characteristics of snow disaster in Shanxi Province and its climate change in historical period

XU Zhaohong， YIN Shuyan

(College of Tourism and Environmental Sciences, Shaanxi Normal University, Xi’an 710062, China)

Based on the statistics and analysis of snow disasters in historical documents in Shanxi province during historical period, the temporal and spatial variations of snow disasters were obtained by using least squares, wavelet analysis and Kriging method. There are 208 recorded snow disasters in Shanxi province, approximately once every 13.125 years on average. The mild, moderate and severe disasters accounted for 16.83%, 72.60% and 10.58%, respectively. Wavelet analysis showed that snow disasters had 5 and 23-year oscillation period and the 23-year oscillation period was the strongest. The snow disaster in Shanxi province showed an increasing trend during the historical period. In April and winter season, snow disasters occurred most frequently, accounting for 15.76% and 34.47% of the total, respectively. The spatial distribution of snow disaster was different, mostly distributed in southern area. It can be concluded that snow disasters were closely related to the climate change; snow disasters occurred most frequently during the Ming and Qing Dynasties; modern time is a period of frequent occurrence of snow disasters.

snow disaster; Shanxi; historical period; temporal and spatial distribution; cold climate

10.13471/j.cnki.acta.snus.2016.05.022

2015-09-15

國家自然科學(xué)基金資助項目(41471071)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費創(chuàng)新團隊資助項目(GK201301003)

徐兆紅(1988年生),女;研究方向：環(huán)境變化與自然災(zāi)害;通訊作者：殷淑燕;E-mail:yinshy@snnu.edu.cn

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A

0529-6579(2016)05-0135-06