1912—2000年山東極端低溫氣象災(zāi)害空間分析

趙 麗，孟萬(wàn)忠

(太原師范學(xué)院歷史地理與環(huán)境變遷研究所，山西 晉中 030619)

0 引言

基于全球變暖背景，極端低溫事件頻發(fā)，隨著建設(shè)“美麗中國(guó)”的提出，堅(jiān)持人與自然和諧共生、推進(jìn)綠色發(fā)展、著力解決突出環(huán)境問(wèn)題，加大生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)力度，改革生態(tài)環(huán)境監(jiān)管體制。山東是一個(gè)人口眾多、資源豐富、環(huán)境優(yōu)越的大省，又飽受陸地和海洋雙重地域?yàn)?zāi)害的威脅，因此研究山東不同氣象災(zāi)害空間分布特征及預(yù)警手段是很有學(xué)術(shù)意義的。

近年來(lái)，極端低溫氣象災(zāi)害的研究一直是學(xué)者們廣泛關(guān)注的熱點(diǎn)，目前在山東氣象災(zāi)害研究中，學(xué)者們大致是依據(jù)致災(zāi)環(huán)境、致災(zāi)因子、受災(zāi)體對(duì)山東寒潮時(shí)空分布、霜凍凍害的劃分等級(jí)、極端低溫的變化趨勢(shì)進(jìn)行大量的研究，黃煒楠等[1]利用1979—2013年山東省日最低氣溫?cái)?shù)據(jù),運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解和Morlet小波分析方法,對(duì)山東省寒潮、強(qiáng)寒潮和特強(qiáng)寒潮的時(shí)空分布特征與發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行分析預(yù)測(cè)，結(jié)果表明寒潮頻次分布主要表現(xiàn)為東西部地區(qū)的差異；王健源等[2]對(duì)山東省16個(gè)農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)站在1981—2011年冬小麥拔節(jié)期、拔節(jié)—抽穗期逐日最低氣溫資料，采用農(nóng)業(yè)氣象學(xué)和統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法，依據(jù)冬小麥霜凍害等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)同時(shí)結(jié)合山東實(shí)際，制定山東省冬小麥拔節(jié)期間霜凍害標(biāo)準(zhǔn)并且進(jìn)一步進(jìn)行其分析；陳德英和王興堂[3]利用山東78個(gè)氣象臺(tái)站1961—2008年逐日平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫及降水量資料,分析極端氣溫和降水事件變化。由上可知目前山東極端低溫氣象災(zāi)害研究，研究角度單一，對(duì)寒潮、霜凍以及低溫凍害聯(lián)系探討甚少；研究方法主要依托于GIS與數(shù)理統(tǒng)計(jì)，對(duì)歷史文獻(xiàn)研究欠缺；研究?jī)?nèi)容上，低溫氣象災(zāi)害引發(fā)的影響研究較少。本文以災(zāi)害預(yù)警行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)作為災(zāi)害等級(jí)劃分的參照依據(jù)，從動(dòng)態(tài)的角度研究山東低溫氣象災(zāi)害發(fā)生的空間特點(diǎn)以及聯(lián)系，分析災(zāi)害產(chǎn)生的原因以及影響，以期拓展山東低溫氣象災(zāi)害研究的尺度。

1 研究區(qū)概況、數(shù)據(jù)和方法

山東位于我國(guó)東部沿海(34°25′～ 38°23′N、114°36′ ～ 122°43′E)。北部和西北部為平坦的黃河沖積平原，是華北大平原的一部分。地勢(shì)中部高，東北部低。屬于暖溫帶季風(fēng)氣候，年均氣溫13℃左右，年平均降水量600～700mm，全年無(wú)霜期平均174～ 260d。

本文的數(shù)據(jù)主要來(lái)源于《中國(guó)氣象災(zāi)害大典(山東卷)》[4]、山東省自然災(zāi)害史[5]、民國(guó)山東省志及中國(guó)氣象災(zāi)害統(tǒng)計(jì)年鑒等，運(yùn)用Arcgis軟件分析對(duì)1912—2000年山東的寒潮、低溫、霜凍以及風(fēng)暴潮資料形成的空間特征及聯(lián)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 寒潮—低溫霜凍—凍害及寒潮—風(fēng)暴潮災(zāi)害特征及原因

2.1.1 寒潮災(zāi)害劃分

根據(jù)國(guó)家氣象局對(duì)寒潮預(yù)警的劃分依據(jù)，結(jié)合山東省災(zāi)害發(fā)生時(shí)農(nóng)作物溫度狀況和災(zāi)情等文獻(xiàn)資料，將山東寒潮災(zāi)害預(yù)警劃分出四級(jí)(表1、表2)

表1 1912—2000年山東寒潮災(zāi)害預(yù)警等級(jí)

表2 1912—2000年山東寒潮災(zāi)害等級(jí)劃分

2.1.2 寒潮災(zāi)害空間特征及原因

由表1、表2可見(jiàn)，1912—2000年山東寒潮災(zāi)害發(fā)生45次，其中一級(jí)災(zāi)害預(yù)警和四級(jí)災(zāi)害預(yù)警所占比例較高，結(jié)合1912—2000年山東省發(fā)生寒潮災(zāi)害的縣市及頻次，運(yùn)用Arcgis軟件繪制出山東省1912—2000寒潮災(zāi)害預(yù)警等級(jí)空間分布圖(圖1)，由圖1可見(jiàn)，山東省寒潮災(zāi)情具體特征如下：

(1)寒潮災(zāi)情覆蓋地域廣、災(zāi)情頻繁。寒潮分布在煙臺(tái)、青島、濰坊、菏澤、德州、濱州、濟(jì)寧等城市，橫跨山東4個(gè)緯度，在1912—2000期間，共發(fā)生45次，其中青島13次，德州8次。寒潮發(fā)生頻率基本為兩年一次，氣候?yàn)?zāi)害頻繁。

(2)受災(zāi)地域集中性明顯，寒潮多集中沿海地區(qū)。山東位于東南沿海,處于海陸結(jié)合帶,海陸作用對(duì)于山東氣候氣象具有明顯影響，由于面向廣闊的黃海,譬如青島臨近膠州灣、濰坊臨近萊州灣，受西伯利亞北部地區(qū)冷空氣影響、海陸的相互作用和熱力對(duì)比，寒潮南下使所經(jīng)過(guò)地區(qū)產(chǎn)生急劇降溫，沿海城市比內(nèi)陸降溫快,沿海城市寒潮發(fā)生頻次高[6]，譬如青島一級(jí)預(yù)警6次，濟(jì)寧1次。表明海陸位置是影響山東寒潮空間分布的重要因子之一。

(3)災(zāi)情空間分布受地形影響比較大。山東省地形復(fù)雜，北部和西北部為平坦的黃河沖積平原，是華北大平原的一部分。地勢(shì)中部高，東北部低。魯中南中部山地丘陵突起，冬半年寒潮南下的路徑受到阻礙，由于山東存在緯向型寒潮路徑，由西路或者西北路侵入山東，造成了山東寒潮地域差異性，譬如魯中南地區(qū)預(yù)警頻次幾乎沒(méi)有，東北部21次，西部主要集中在菏澤、德州，共發(fā)生11次，說(shuō)明地形地勢(shì)因素主要影響山東頻發(fā)寒潮。

圖1 1912-2000年山東寒潮災(zāi)害預(yù)警等級(jí)空間分布Fig.1 Spatial distribution of cold wave disaster warning grades in Shandong Province between 1912 and 2000

2.1.3 霜凍低溫凍害等級(jí)劃分

根據(jù)中華人民共和國(guó)氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、中國(guó)氣象局官網(wǎng)提供的霜凍災(zāi)害預(yù)警以及《中國(guó)氣象災(zāi)害大典(山東卷)》災(zāi)害發(fā)生時(shí)農(nóng)作物溫度、作物減產(chǎn)及人畜受災(zāi)狀況，劃分出三級(jí)災(zāi)害預(yù)警(表3)。

2.1.4 霜凍低溫凍害空間特征及原因

根據(jù)表3得出，1912—2000年山東霜凍害共發(fā)生170次，其中二級(jí)災(zāi)害預(yù)警和一級(jí)災(zāi)害預(yù)警所占比例較高，參考山西霜雪災(zāi)害等級(jí)的劃分依據(jù)[7-9]，結(jié)合1912—2000年山東省發(fā)生霜凍害的縣市及頻次，運(yùn)用Arcgis軟件繪制出山東省1912—2000霜凍災(zāi)害預(yù)警等級(jí)空間分布圖(圖2)。由圖2可見(jiàn)，山東省霜凍害災(zāi)情具體特征如下：

(1)霜凍災(zāi)情出現(xiàn)的范圍廣、面積大。山東霜凍受災(zāi)范圍幾乎遍布全省，文獻(xiàn)記載1954年4月中旬，除文登外，全省遭受霜凍災(zāi)害，受災(zāi)面積3000萬(wàn)畝，承災(zāi)287萬(wàn)畝，小麥因霜凍減產(chǎn)兩到三成。根據(jù)1961—2000年霜凍不同范圍出現(xiàn)次數(shù)統(tǒng)計(jì)可知，局部霜凍害15次、小范圍20次、大范圍12次、全省性8次。

表3 1912—2000年山東霜凍低溫凍害預(yù)警等級(jí)劃分

圖2 1912—2000山東霜凍災(zāi)害預(yù)警等級(jí)空間分布Fig.2 Spatial distribution of frost disaster warning grades in Shandong Province between 1912 and 2000

(2)霜凍害與寒潮大風(fēng)、低溫凍害等天氣并發(fā)，致災(zāi)因子一致。山東寒潮過(guò)境引起氣溫驟降、出現(xiàn)氣候極端事件，霜凍凍害也隨之而來(lái)。文獻(xiàn)記載1958年日照最低氣溫連續(xù)下降了10.5℃，青地瓜苗受凍害減產(chǎn)三成，麥芯、土豆種豆受到霜凍危害；1990年滕州出現(xiàn)霜凍，地面最低溫度-4.1℃，正在出土的土豆全部?jī)鏊?，花果受凍?5%。因此低溫是主要引發(fā)寒潮-霜凍-凍害的致災(zāi)因子。

(3)霜凍災(zāi)害預(yù)警主要集中在內(nèi)陸城市，沿海城市偏少。山東由于地形復(fù)雜，在山區(qū)和丘陵地帶、盆地、洼地、坡地下部和地勢(shì)低洼的山谷處，夜間空氣因冷卻而密度變大，從高處下滑沉積在那里，氣溫降得更低，加重受災(zāi)程度。根據(jù)霜凍預(yù)警等級(jí)空間分布，一級(jí)預(yù)警分布在青島市、臨沂市、菏澤市、濟(jì)南市、泰安市等中部地區(qū)，二級(jí)預(yù)警分布在聊城市、淄博市、德州市等西北部地區(qū)；三級(jí)預(yù)警是平原區(qū)煙臺(tái)市，表明霜凍的致災(zāi)因子受地形的影響較大。

2.2 風(fēng)暴潮地理等級(jí)劃分及空間特征

風(fēng)暴潮是熱帶氣旋、溫帶氣旋和寒潮過(guò)境引起的海面異常升高或降低現(xiàn)象，危害極其嚴(yán)重的海洋災(zāi)害。造成海水暴漲、沖毀海堤，人畜生存受到威脅，因此提供有效科學(xué)的災(zāi)害預(yù)警可以有效的減少災(zāi)害帶來(lái)的損失。根據(jù)《中國(guó)氣象災(zāi)害大典(山東卷)》，統(tǒng)計(jì)1912—2000年山東省風(fēng)暴潮發(fā)生的縣市及頻次(表4、表5)。

表4 1912—1948年山東風(fēng)暴潮受災(zāi)縣市頻次及地區(qū)

表5 1949—2000年山東風(fēng)暴潮受災(zāi)縣市頻次及地區(qū)

圖3 1912—2000山東風(fēng)暴潮受災(zāi)縣市數(shù)Fig.3 The number of storm surge disaster-stricken counties and cities in Shandong Province between 1912 and 2000

依據(jù)資料繪制成圖3，以6年為一個(gè)時(shí)間段，統(tǒng)計(jì)出1912—2000年山東風(fēng)暴潮共發(fā)生76次，其中1949—1955年頻次最高，達(dá)到12次，平均每年2次，受災(zāi)范圍廣，包括12個(gè)縣市，集中分布在煙臺(tái)、青島、威海、濰坊、濱州，圖3表明除了1926—1939年之外，山東風(fēng)暴潮受災(zāi)地區(qū)個(gè)數(shù)總體上呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。

圖4 1912—2000年山東風(fēng)暴潮出現(xiàn)大范圍的受災(zāi)縣市頻數(shù)Fig.4 The frequency of storm surge disaster-stricken counties and cities in a wide range in Shandong Province between 1912 and 2000

圖5 1912—2000年山東風(fēng)暴潮出現(xiàn)局部范圍的受災(zāi)縣市頻數(shù)Fig.5 Storm surge occurs in local areas of the affected counties and cities frequency in Shandong Province between 1912 and 2000

按風(fēng)暴潮出現(xiàn)的受災(zāi)縣數(shù)，將其出現(xiàn)范圍劃分為4級(jí)，局部：1～3個(gè)縣；小范圍：4～7個(gè)縣；大范圍：8～11個(gè)；全省性：12個(gè)以上。如圖4、圖5所示，從發(fā)生范圍看，風(fēng)暴潮主要集中在青島、煙臺(tái)、濱州、東營(yíng)、濰坊這5個(gè)城市。在1912—2000年青島出現(xiàn)大范圍風(fēng)暴潮7次，局部范圍2次，煙臺(tái)大范圍8次，局部范圍6次，濱州大范圍6次、濰坊大范圍4次及局部范圍2次。具體特征如下：

(1)受災(zāi)地區(qū)集中，形成串聯(lián)效應(yīng)。萊州灣沿海地區(qū)、山東半島東南部和魯北沿海地區(qū)出現(xiàn)頻次高。由于地形因素，膠州灣呈喇叭口形狀，海灘平緩，使海浪直抵灣頂，不易向四周擴(kuò)散，形成劇烈的風(fēng)暴潮災(zāi)害。1956—1962年距離膠州灣近的地區(qū)青島、即墨、嶗山、膠南區(qū)受災(zāi)最重，膠南出現(xiàn)幾十年未有的大海潮，即墨人死船毀。

(2)與寒潮大風(fēng)天氣并發(fā)。就山東沿海而言，主要是溫帶風(fēng)暴潮，由于強(qiáng)風(fēng)或氣壓驟變等強(qiáng)烈的天氣系統(tǒng)(譬如寒潮)引起持續(xù)的刮向岸大風(fēng)，導(dǎo)致海水水位急劇升降。文獻(xiàn)記載1979年沾化、無(wú)棣因受寒潮大風(fēng)影響，海水暴漲，引發(fā)大海潮，淹沒(méi)地區(qū)以及土地。

3 致災(zāi)原因及社會(huì)影響

山東獨(dú)特的氣候特征和地形地勢(shì)是引發(fā)山東寒潮—低溫—霜凍災(zāi)害鏈條過(guò)程的重要因素；其次，在全球變暖的大背景下，海平面的上升，極端天氣氣候事件的出現(xiàn)和增多都會(huì)引發(fā)風(fēng)暴潮災(zāi)害頻發(fā)[10-11]；最后隨著工業(yè)化加快，山東城市化作用明顯，對(duì)氣候產(chǎn)生劇烈的影響，主要是農(nóng)業(yè)的減產(chǎn)、工業(yè)、交通的中斷和受阻、病蟲(chóng)害的滋生、生態(tài)環(huán)境的惡化。因此，實(shí)現(xiàn)寒潮-風(fēng)暴潮及寒潮-霜凍預(yù)警防災(zāi)機(jī)制是不可阻擋的新趨勢(shì)。

《山東省志》(糧食志)[12]記載1840—1988年山東糧食流通的狀況，山東自然災(zāi)害頻繁作物產(chǎn)量降低，由于賑災(zāi)需要山東成為糧食交易中心，奠定了早期水陸交通沿線地位，擴(kuò)大了地區(qū)間的糧食流通。

《山東省志》(民政志)[13]記載民國(guó)以后山東發(fā)生的自然災(zāi)害是十分頻繁的，風(fēng)暴潮215次，霜凍13次。這些自然災(zāi)害的發(fā)生不僅直接侵害農(nóng)作物，造成農(nóng)作物的歉收乃至絕產(chǎn)，使社會(huì)生產(chǎn)造成阻礙，因此人民的生命財(cái)產(chǎn)受到損害，生活狀況每況愈下，得不到保證，所以才被迫遷徙?！渡綎|省志》(人口志)[14]記載1928年山東由于戰(zhàn)亂和嚴(yán)重的自然災(zāi)害，人口比例下降，歷史上“闖關(guān)東”是以山東為主，遷移到東三省一帶，加強(qiáng)人口、文化交流，形成獨(dú)特的區(qū)域文化。因此寒潮、低溫、霜凍、凍害、風(fēng)暴潮影響民國(guó)時(shí)期人口外遷，糧食流通及交通業(yè)。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)1912—2000年山東省寒潮、低溫凍害、霜凍以及風(fēng)暴潮等極端氣象災(zāi)害資料的分析，得到如下結(jié)論：

(1)1912—2000年低溫是影響山東寒潮、凍害、霜凍的重要因子，寒潮過(guò)境表現(xiàn)為低溫，霜凍是由于低溫事件頻發(fā)，因此極端氣候事件是貫穿于災(zāi)害鏈條，這三種災(zāi)害有共同的地理空間分布特征，由于山東地形、海陸位置，熱力性質(zhì)差異，災(zāi)害集中分布在青島、濟(jì)南、菏澤、煙臺(tái)等東北部和西南部地區(qū)。

(2)1912—2000年山東寒潮-大風(fēng)-風(fēng)暴潮氣象災(zāi)害事件聯(lián)系緊密，風(fēng)暴潮災(zāi)害受災(zāi)縣市個(gè)數(shù)總體上逐年增加，由于膠州灣特殊地形，受災(zāi)范圍主要集中在青島、威海等城市，有明顯的區(qū)域性。風(fēng)暴潮頻發(fā)更是城市化加快的表現(xiàn)，海平面的上升，全球氣候變暖導(dǎo)致風(fēng)暴潮風(fēng)險(xiǎn)程度上升。因此，進(jìn)一步研究風(fēng)暴潮的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，對(duì)于災(zāi)情的科學(xué)預(yù)警有重要意義。

(3)山東由寒潮災(zāi)害引發(fā)的氣象與海洋雙重災(zāi)害鏈都會(huì)嚴(yán)重的影響人民作物產(chǎn)量、出行以及資源損失，但是災(zāi)害的出現(xiàn)無(wú)法避免，只有建立科學(xué)有效的預(yù)警機(jī)制、政府大力鼓勵(lì)與支持災(zāi)害預(yù)警設(shè)備的投入以及公眾參與，才能更有效地減災(zāi)防災(zāi)[15]。