明清時期關(guān)中地區(qū)冰雹災(zāi)害及其對氣候變化響應(yīng)研究

王 朋，張蓓蓓，武悅萱，王苗苗

(陜西省災(zāi)害監(jiān)測與機理模擬重點實驗室/寶雞文理學(xué)院 地理與環(huán)境學(xué)院，陜西 寶雞 721013)

冰雹是從對流云中降落到地表的冰塊，是大氣強烈對流的一種天氣過程，其特點是降雹范圍小、持續(xù)時間短，但突發(fā)性強，災(zāi)害損失嚴(yán)重。冰雹降落會砸毀農(nóng)作物，破壞建筑，對人類生命財產(chǎn)安全構(gòu)成威脅[1]。冰雹災(zāi)害在中國境內(nèi)分布廣泛，由于復(fù)雜的地形地貌結(jié)構(gòu)，使得冰雹災(zāi)害時空分布上存在一定差異。隨著城市化進程的加快，人類活動加劇，冰雹災(zāi)害造成的經(jīng)濟損失范圍也逐漸擴大[2-3]。

前人對冰雹災(zāi)害的研究取得了一定進展。趙金濤等[4]利用GIS技術(shù)，對中國大陸地區(qū)1950～2009年縣域單元冰雹災(zāi)害頻次及災(zāi)損范圍進行了統(tǒng)計，系統(tǒng)分析了冰雹災(zāi)害的時空分布規(guī)律。何太蓉等[5]利用1901～2010年冰雹統(tǒng)計數(shù)據(jù)，探討了重慶市近110年冰雹災(zāi)害時空特征，認(rèn)為冰雹災(zāi)害空間分布差異與冷空氣路徑、地形地貌分布有關(guān)。史蓮梅等[6利用冰雹災(zāi)害災(zāi)損數(shù)據(jù)，構(gòu)建冰雹災(zāi)害風(fēng)險評估體系，對新疆冰雹災(zāi)害經(jīng)濟損失和風(fēng)險區(qū)劃進行了研究，建議調(diào)整第一產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，加強人工對冰雹形成干預(yù)等方式，降低冰雹災(zāi)害造成的損失。包云軒等[7]利用江蘇省近70個氣象臺站冰雹觀測資料，分析了江蘇省冰雹災(zāi)害時空特征，認(rèn)為江蘇省冰雹災(zāi)害時空分異與全球氣候變暖、下墊面熱力屬性有關(guān)。上述研究對探討我國境內(nèi)冰雹災(zāi)害時空分布規(guī)律做出了巨大貢獻，對降低冰雹災(zāi)害造成的損失提出了科學(xué)建議。

已有冰雹災(zāi)害的研究成果集中在新中國成立以后，而對歷史時期冰雹災(zāi)害研究較少。本文基于史料中冰雹災(zāi)害記錄，對明清時期(1368～1911年)關(guān)中地區(qū)冰雹災(zāi)害時間序列分布特征進行了研究，并探討其對氣候變化響應(yīng)和形成因素，以期為降低冰雹災(zāi)害造成的損失提供建議，為人類響應(yīng)未來氣候變化提供歷史依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

關(guān)中地區(qū)位于106°25′～110°30′ E和33°35′～35°55′ N之間，西起寶雞大散關(guān)，東至渭南潼關(guān)，南接秦嶺，北到陜北黃土高原。轄西安、寶雞、咸陽、渭南、銅川五市，東西長300 km2，南北寬窄不一，平均海拔約500 m，面積約3.4萬km2。關(guān)中地區(qū)屬大陸性季風(fēng)氣候，年均溫6～13 ℃，年降水量500～800 mm，降雨集中在6～9月份，多為短時暴雨，冬春降水較少，春旱、伏旱頻繁。該區(qū)以平原地形為主，夾持于陜北高原與秦嶺山脈之間，為喜馬拉雅運動富饒的渭河平原時期形成巨型斷陷帶，不僅有黃土堆積其間，還有渭河及其兩側(cè)支流攜帶大量泥沙填充淤積其中，土壤肥沃，境內(nèi)有黃河、渭河、洛河、涇河等河流經(jīng)過，水源充足，十分適宜耕作。

2 數(shù)據(jù)來源與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

明清時期起止時間是1368～1911年，文中數(shù)據(jù)主要來源于《中國氣象災(zāi)害大典·陜西卷》[8]、《陜西歷史自然災(zāi)害簡要紀(jì)實》[9]、《中國災(zāi)害通史：清代卷》[10]、《中國3000千年氣象記錄總集》[11]。

2.2 冰雹災(zāi)害等級劃分

輕度雹災(zāi)(1級)：冰雹成災(zāi)范圍較小，對農(nóng)作物生長和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動造成影響較小。明洪武五年(1372年)，五月至七月，鳳翔雨雹傷豆麥；清康熙四十八年(1709年)，四月初九日，周至雨雹傷禾。

中度雹災(zāi)(2級)：冰雹成災(zāi)范圍較廣，農(nóng)作物因雹災(zāi)減產(chǎn)，損壞房舍，無法進行生產(chǎn)活動，減免賦稅。明萬歷六年(1585年)，四月，渭南大雨雹，損二麥；清康熙二十年(1681年)，八月十二日，周至雷電自東北而南，冰雹隨之，大如彈丸，禾稼大傷。

特大雹災(zāi)(3級)：冰雹粒徑大，災(zāi)損嚴(yán)重，禾稼盡傷，收成無望，房舍多數(shù)損害，砸傷人畜鳥獸，民眾生命財產(chǎn)受到重大損失。明嘉靖二十九年(1550年)，六月，蒲城暴風(fēng)冰雹，有如斗大者，數(shù)日不消，樹屋人畜大傷；清光緒十五年(1889年)，五月十五日，禮泉縣風(fēng)陡起拔木，雷電交作，降雹如雞卵，擊斃鳥獸無數(shù)，禾苗樹葉盡無。

3 結(jié)果與分析

3.1 冰雹災(zāi)害等級變化

按照冰雹災(zāi)害劃分等級，統(tǒng)計出不同等級冰雹災(zāi)害在時間序列上的分布。由圖1可知，明清時期關(guān)中地區(qū)輕度雹災(zāi)、中度雹災(zāi)、特大雹災(zāi)分別發(fā)生了48、36、16次，占冰雹災(zāi)害總頻次的比例依次是48%、36%、16%。其中輕度雹災(zāi)平均每11年發(fā)生1次，集中發(fā)生在16世紀(jì)中葉到17世紀(jì)中葉、18世紀(jì)中葉到20世紀(jì)初葉；中度雹災(zāi)平均每15年發(fā)生1次，集中發(fā)生在17世紀(jì)后半葉、18世紀(jì)中葉、19世紀(jì)后半葉；特大雹災(zāi)平均每34年發(fā)生1次，集中發(fā)生在17世紀(jì)中葉和19世紀(jì)后半葉。

圖1 明清時期關(guān)中地區(qū)冰雹災(zāi)害等級序列

3.2 冰雹災(zāi)害月份變化

按照農(nóng)歷月份統(tǒng)計出明清時期關(guān)中地區(qū)冰雹災(zāi)害不同月份發(fā)生頻次。由圖2可知，冰雹災(zāi)害在農(nóng)歷4月發(fā)生頻次最高，發(fā)生了27次，其次是6月、7月、5月和3月，分別發(fā)生了18、15、14和13次，8月、9月、10月、11月、1月發(fā)生頻次較少，僅分別發(fā)生了8、2、2、2、1次，11月和2月均未發(fā)生冰雹災(zāi)害。按照農(nóng)歷季節(jié)劃分，冰雹災(zāi)害集中發(fā)生在春季和夏季，秋季和冬季分布較少。

3.3 冰雹災(zāi)害年際變化

明清時期關(guān)中地區(qū)544年共發(fā)生100次冰雹災(zāi)害，平均每5.4年發(fā)生1次。以20年為間隔建立明清時期關(guān)中地區(qū)冰雹災(zāi)害年際變化序列。由圖3可知，明清時期關(guān)中地區(qū)冰雹災(zāi)害頻次年際分布不均，按發(fā)生頻次可分為4個階段。1368～1531年為第一階段，共發(fā)生11次冰雹災(zāi)害，平均每9.5年發(fā)生1次；1532～1671年為第二階段，共發(fā)生28次冰雹災(zāi)害，平均每5年發(fā)生1次；1672～1731為第三階段，共發(fā)生2次冰雹災(zāi)害，平均每30年發(fā)生1次；1732～1911年為第四階段，共發(fā)生59次冰雹災(zāi)害，平均3.5年發(fā)生1次。第一階段和第三階段是冰雹災(zāi)害少發(fā)階段，第二階段和第四階段是冰雹災(zāi)害頻發(fā)階段。明朝和清朝初期冰雹災(zāi)害少發(fā)，明朝和清朝晚期冰雹災(zāi)害頻發(fā)。

圖2 明清時期關(guān)中地區(qū)冰雹災(zāi)害月份變化

圖3 明清時期關(guān)中地區(qū)冰雹災(zāi)害年際序列

由圖4明清時期關(guān)中地區(qū)冰雹災(zāi)害距平累積序列可知，明清時期關(guān)中地區(qū)冰雹災(zāi)害波動變化趨勢明顯，1368～1642年和1672～1737年整體波動下降，1643～1671年和1738～1764年整體波動上升，1765～1879年整體緩慢上升，1880～1911年快速上升階段。明清時期關(guān)中地區(qū)冰雹災(zāi)害階段特征顯著，總體呈現(xiàn)下降-上升-下降-上升交替變化趨勢。

圖4 明清時期關(guān)中地區(qū)冰雹災(zāi)害距平累積序列

3.4 冰雹災(zāi)害周期變化

利用MATlab軟件中的Morlet小波模塊，分析明清時期關(guān)中地區(qū)冰雹災(zāi)害時間序列下的周期變化。由明清時期關(guān)中地區(qū)冰雹災(zāi)害小波實部(圖5)和小波方差(圖6)可知，明清時期關(guān)中地區(qū)冰雹災(zāi)害存在3～6 a、17～22 a、40～50 a、60～70 a四類時間尺度的變化周期，其中60～70 a周期對應(yīng)峰值是66 a，震蕩最強，是冰雹災(zāi)害時間序列第一主周期；40～50 a周期對應(yīng)峰值是44 a，是第二主周期；17～22 a周期對應(yīng)峰值是20 a，是第三主周期；3～6 a周期對應(yīng)的峰值是4 a，為最小震蕩周期。

3.5 冰雹災(zāi)害對氣候變化的響應(yīng)

葛全勝[12]、方修琦[13]、魏燈柱[14]等對中國過去2000年氣候變化進行了研究，千年尺度下氣候冷暖交替變化對區(qū)域間降水、旱澇災(zāi)害分布影響較大。受地形地貌、大氣環(huán)流等因素影響，區(qū)域間氣候變化又存在一定差異，其變化也更為復(fù)雜。祁連山東部沿秦嶺山脈西側(cè)地區(qū)16世紀(jì)后半葉至17世紀(jì)初、18世紀(jì)后半葉氣候較溫暖濕潤，15世紀(jì)和17世紀(jì)后期至18世紀(jì)20年代氣候頗為干燥[15-16]。朱士光等[17]認(rèn)為關(guān)中地區(qū)16世紀(jì)80年代至17世紀(jì)30年代、17世紀(jì)后半葉及19世紀(jì)30年代氣候頗為寒冷干燥，16世紀(jì)初至70年代、18世紀(jì)、19世紀(jì)前半葉氣候較為溫暖濕潤。邵雪梅等[18]利用樹輪重建青海德令哈地區(qū)千年降水，研究表明：1742～1780年、1840～1915年降水偏多，1429～1519年、1634～1741年、1781～1839年降水偏少，其中1465～1495年、1700～1720年2個時段降水最少。

由圖7明清時期關(guān)中地區(qū)冰雹災(zāi)害5年滑動平均可知，15世紀(jì)前半葉、17世紀(jì)后半葉到18世紀(jì)初葉以及19世紀(jì)前半葉冰雹災(zāi)害發(fā)生頻次較少，表明該時期氣候寒冷干燥，降水偏少。15世紀(jì)后半葉到17世紀(jì)前半葉、18世紀(jì)30～60年代、18世紀(jì)后半葉至20世紀(jì)初葉冰雹災(zāi)害發(fā)生頻次較高，表明該時期氣候相對溫暖濕潤，降水偏多。15世紀(jì)氣候整體偏寒冷干燥，冰雹災(zāi)害整體發(fā)生頻次較低。

4 討論

自然環(huán)境因素是誘發(fā)氣象災(zāi)害發(fā)生的主導(dǎo)因素，但人類活動作用也不可忽視。人類活動改變了原有的自然環(huán)境面貌，自然環(huán)境作為一個整體，某一要素改變會使得整個系統(tǒng)發(fā)生變化。唐霞等[19]對歷史時期黑河流域旱澇災(zāi)害成因進行了分析，認(rèn)為人口數(shù)量增加導(dǎo)致對土地過度墾殖，加劇了旱澇災(zāi)害的發(fā)生。解明恩等[20]研究指出：人口數(shù)量劇增、加大對森林等自然資源的開發(fā)力度，導(dǎo)致水土流失等一系列環(huán)境問題發(fā)生，是影響云南省氣象災(zāi)害頻發(fā)的重要因素。陳瑩等[21]利用中國耕地面積數(shù)據(jù)對19世紀(jì)以來中國洪澇災(zāi)害成因進行了分析，認(rèn)為人類過度湖泊圍墾等活動是影響旱澇災(zāi)害發(fā)生的重要原因。隨著生產(chǎn)力的發(fā)展，明清時期陜西地區(qū)人口發(fā)生了急劇變化。明朝洪武初年(1381年)陜西地區(qū)人口約216萬，到明朝萬歷六年(1578年)人口接近450萬，清朝乾隆十六年(1751年)人口約680萬，清朝宣統(tǒng)二年(1910年)人口約807萬，從明朝初期到清朝晚期陜西地區(qū)人口急劇增加了590萬，面對龐大的人口總量，清政府頒布了《墾荒令》，實施人口遷移政策，加大對土地和自然資源的開發(fā)力度，以供養(yǎng)更多人口生存，必然會引發(fā)一系列環(huán)境問題[22]。明清時期關(guān)中地區(qū)冰雹災(zāi)害的發(fā)生與該時期人口數(shù)量急劇增加和人類活動更加頻繁密切相關(guān)。

圖5 明清時期關(guān)中地區(qū)冰雹災(zāi)害小波實部等值線圖

圖6 明清時期關(guān)中地區(qū)冰雹災(zāi)害小波方差圖

圖7 明清時期關(guān)中地區(qū)冰雹災(zāi)害5年滑動平均

5 結(jié)論

(1)明清時期關(guān)中地區(qū)共發(fā)生100次冰雹災(zāi)害，平均每5.4年發(fā)生1次，其中輕度雹災(zāi)、中度雹災(zāi)、特大雹災(zāi)分別發(fā)生了48、36、16次，占冰雹災(zāi)害總頻次的比例依次是48%、36%、16%。

(2)明清時期關(guān)中地區(qū)冰雹災(zāi)害月份差異顯著，農(nóng)歷4月發(fā)生頻次最高，其次是6月、7月、5月和3月，8月、9月、10月、12月、1月發(fā)生頻次較少，11月和2月均未發(fā)生。按照農(nóng)歷季節(jié)劃分，冰雹災(zāi)害集中發(fā)生在春季和夏季，秋季和冬季分布較少。

(3)明清時期關(guān)中地區(qū)冰雹災(zāi)害頻次年際分布不均，整體呈現(xiàn)波動變化，按發(fā)生頻次可分為4個階段。第一階段(1368～1531年)和第三階段(1672～1731年)是冰雹災(zāi)害頻發(fā)階段，第二階(1532～1671年)段和第四階段(1732～1911年)是冰雹災(zāi)害少發(fā)階段。冰雹災(zāi)害存在66、44、20、4 a四類時間尺度下的變化周期。

(4)明清時期關(guān)中地區(qū)冰雹災(zāi)害對氣候冷暖干濕變化有較好對應(yīng)關(guān)系，偏冷期，氣候寒冷干燥，降水偏少，冰雹災(zāi)害發(fā)生頻次低。偏暖期，氣候相對濕潤，降水偏多，冰雹災(zāi)害發(fā)生頻次高。15世紀(jì)氣候整體偏寒冷干燥，冰雹災(zāi)害發(fā)生頻次較少。

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