明代山西霜雪低温灾害特征与周期规律分析

孟万忠，赵景波，刘晓峰

(1.陕西师范大学旅游与环境学院，西安 710062;2.太原师范学院汾河流域科学发展研究中心，太原 030012)

0 引言

凡是因地面气温急剧下降，或因地面气温达到某一较低水平，或因地面有一定积雪而造成的灾害都属于霜雪低温灾害［1］，包括霜冻、低温和雪灾，低温是它们共同的特点，因此，归为一类来研究。目前的研究成果大多集中在近60 a，国外学者的研究表明，20世纪北欧、加拿大、美国的霜冻日数都有减少趋势［2-4］。我国学者采用不同的指标对全国不同地区霜、冻、雪等灾害的时空变化特征、原因和周期变化规律等进行了分析［5-10］。此类灾害对作物的产量影响巨大，在气候变暖的背景下仍需重视灾害的预防［11-14］。对历史时期霜雪灾害的研究成果较少［15-16］，目前也有学者给予关注［17-19］。霜雪低温灾害使尚在生长、未成熟的农作物和经济作物被冻伤、冻死，造成减产甚至绝收，严重威胁粮食生产安全，对山西的农业生产影响巨大。因此，对该地区历史时期此类灾害进行研究具有重要的科学和现实意义。本研究以明代历史文献记载为依据，探讨山西明代霜雪低温灾害发生的等级、阶段和时空变化规律，并利用小波分析方法［20］分析灾害的周期变化，以期对此类灾害进行科学的预测和防治。

1 资料与等级划分

1.1 研究区概况与资料来源

山西南起34°34'58″N，北至 40°43'30″N，西自 110°14'42″E，东达 114°33'17″E。地处黄河以东，太行山以西，属黄土高原东部地区。地形复杂，平均海拔1 000 m以上，地势东北高，西南低。属温带大陆性季风气候，年平均气温4℃ ～14℃，年降水量400～600 mm，全年无霜期平均80～220 d。

本研究以《中国气象灾害大典·山西卷》［21］等资料对山西明代277年的霜冻、低温、大雪灾害记载的时间、发生的季节、灾情、受害的农作物种类等为依据进行研究。

1.2 等级划分

中国气象局颁布的《中华人民共和国气象行业标准》，依据日最低气温下降的幅度、低温强度及植物遭到霜冻害后受害和减产的程度，将霜冻分为轻、中和重霜冻3级;依据24 h的降雪量将雪灾分为轻度、中度、重度和特重雪灾4级。但明代没有准确的温度和降雪量等数据，依据现代的划分方法是不可行的。因此，对历史时期的霜冻、低温和雪灾，需要综合考虑其发生的季节、持续时间、强度、受灾范围以及人、畜、农作物受影响程度的大小，进行等级划分。

统计表明，明代277年山西共发生霜雪低温灾害114次，其中霜冻64次，低温14次，雪灾36次。灾害划分为3个等级(表1)，其中，轻度22次，占19.3%;中度66次，占57.9%;重度26次，占22.8%。从不同等级灾害在时间上的变化(图1)可知，明代晚期灾害发生最频繁，且灾害的强度最大，其次是中期，早期则频次和强度均最低。

表1 明代山西霜雪低温灾害等级划分表Tab.1 Gradation of frost-snow and low-temperature in Shanxi in Ming Dynasty

图1 明代山西霜雪灾害等级变化Fig.1 Change of grade of frost-snow and low-temperature disasters in Shanxi in Ming Dynasty

2 灾害的时空变化特征

2.1 空间变化特征

明代山西108个县州所(只包括今山西境内)，其中57个发生过霜冻灾害，12个发生过低温灾害，34个发生过雪灾。以《中国历史地图集》明代山西政区［22］为底图，绘制了明代山西霜雪灾害发生频次空间分布图(图2)和灾害等级空间分布图(图3)。从图2可知，在地势低凹的盆地，灾害发生的频次较高，这是因为冷空气容易沉积到低部，因此，低凹地带更容易遭受灾害。从图3可知，明代山西各地发生灾害等级均为中、重度，这与冬季风势力对山西影响较大有直接关系。

2.2 频次变化

以30 a为单位，统计出明代山西各时段灾害发生频次(表2)。根据表2，可将明代山西霜雪低温灾害变化分为两个阶段:1368—1519年为第1阶段，发生灾害21次，频次较低;1520—1664年为第二阶段，发生灾害93次，频次较高。结合表1、表2的统计数据分析可知，在第一阶段以轻、中度灾害为主，第二阶段以中度和重度霜雪灾为主。因此，可以判断在明代中、晚期是山西霜雪灾害的高发期，且强度较大。

表2 明代山西霜雪灾害发生频次Tab.2 Frequencies of the disasters in Shanxi in Ming Dynasty

明代每30年灾害发生的平均频次为12.35次，将平均频次与每30年实际发生的频次作差值，可以得出山西霜雪灾害距平值(表3)。表3表明，在1368—1519年的第1阶段，以负距平值为主，表明该阶段灾害频次低于平均频次，是灾害低发期;1520—1644年的第2阶段，以正距平值为主，表明这个阶段的灾害频次高于平均频次，是灾害的高发期。

表3 明代山西霜雪灾害距平值Tab.3 Change of anomaly of the disasters frquency in Shanxi in Ming Dynasty

2.3 季节变化

霜雪低温灾害的发生具有季节性的特点，按灾害的发生季节统计(表4)。从表4可知，春季(农历正月至三月)占9.65%;夏季(农历四月至六月)占27.19%;秋季(农历七月至九月)占41.23%;冬季(农历十月至十二月)占21.93%。霜冻灾害，秋季最频繁，其次是夏、春季，冬季最少;雪灾春季最多，其次是冬季，夏、秋季差不多;低温以冬、春季为主。

春末夏初是冬季风与夏季风交替作用的季节，气温的迅速回升与剧烈降温现象频繁出现，对作物的危害尤其明显。夏季的霜雪灾害发生在农历四月，对刚出土的农作物和开花的果树影响严重;发生在五月，对冬小麦的收割和倒茬作物的播种危害严重;发生在六月，对夏播作物和大秋作物的生长不利。如，明嘉靖四十一年(1562)，夏四月，襄垣、长治大雪，杀桑害蚕，花果不实;明万历十五年(1587)，四月，介休陨霜，禾稼尽杀，百姓流徙，饿殍载道;明万历二十六年(1598)，五月初一，五台雨雪，麦豆皆死。秋季下霜或雪过早，会使地面温度降到0℃以下，使正在发育的农作物受到危害甚至死亡，对秋季作物的收成产生重大影响，严重的会造成饥荒发生。如，明嘉靖十二年(1533)，秋八月，柳林、石楼、永和、太谷陨霜杀稼，因雪灾、霜冻灾致使太谷、祁县、柳林等地，禾尽杀，大饥，饥民流移相食，道殣相望。冬季和春季发生的灾害，对冬小麦等农作物和家禽、家畜的越冬影响巨大。如，明嘉靖十年(1531)，正月望日，洪洞大雨雪，四昼夜不息，平地深三四尺，壕池皆盈，树枝多压折，二麦无收;明万历六年(1578)，冬，洪洞、赵城、翼城大雪，人畜冻死者甚众。

表4 明代山西霜雪低温灾害季节分布Tab.4 Seasonal distribution of the disasters in Shanxi in Ming Dynasty

2.4 周期规律

小波分析方法［20］能够对时间序列进行局部剖析和大的变化趋势展示，适宜分析具有不均匀性、多样性、差异性、随机性、迟缓性以及重现性等特点的自然灾害［23］。气候变化存在一定的时间尺度和周期性，利用小波对明代山西霜雪低温灾害频次数据进行处理分析，得到时间尺度/时间序列的关系图(图4)。从图4可知，存在3个明显的集中区和3个明显的峰值，即在低等级层次中存在2～3 a频率，在中等级层次中存在9～14 a的频率，在高等级层次中存在45～55 a的频率。这表明，明代山西霜雪低温灾害存在着2～3 a，9～14 a和45～55 a左右的周期。第2阶段周期信号特别明显，反映出这个阶段灾害发生的频率较高。

图4 明代山西霜雪低温灾害小波分析Fig.4 Wavelet analysis of the disasters in Shanxi in Ming Dynasty

3 寒冷气候事件

根据资料分析和判断可知，明代山西发生的气候事件对该地区重度和中度灾害的发生起到了决定作用。分析发现，在明代有3年以上出现连续3次以上重度灾害，影响范围覆盖3个州府以上，把这样的极端气候阶段确定为寒冷气候事件。据此统计，明代山西共发生4次寒冷气候事件，分别出现在1531—1533年、1578—1588年、1591—1607年和1631—1642年。

第1次寒冷气候事件发生在明嘉靖十年(1531)至嘉靖十二年(1533)，发生3次重度灾害，涉及洪洞、太谷、祁县、柳林、石楼、永和等县。洪洞“二麦无收”，柳林“禾尽杀，饥民流移相食”，太谷“百卉尽死，秋八月陨霜杀稼”。农作物绝收，饥民流移，甚至发生人相食的事件，说明灾情严重。

第2次寒冷气候事件发生在明万历六年(1578)至万历十六年(1588)，发生17次灾害，6次重度、9次中度、2次轻度。涉及岳阳、临晋、猗氏、辽州、朔州、静乐、隰县、洪洞、赵城、翼城、解州、临汾、襄垣、长治、黎城、潞城、介休、岢岚、五寨、山阴、太谷、乡宁、绛县等几乎山西从南到北全境的州县，不仅“人畜冻死者甚众”，而且“发生饥荒，荒废并作，死者不计其数”。

第3次寒冷气候事件发生在明万历十九年(1591)至万历三十五年(1607)，发生22次灾害，7次重度、12次中度、3次轻度。涉及曲沃、文水、榆次、沁源、高平、五台、泽州、保德、偏关、代县、辽州、临县、隰县、临汾、静乐、荣河、临晋、猗氏、山阴、黎城、蒲县、阳曲等几乎山西从南到北全境的州县。“人马多冻死”、“鬻妻儿女者甚众，僵尸载道”、“且瘟疫，民甚苦久”。

第4次寒冷气候事件发生在明崇祯四年(1631)至崇祯十五年(1642)，发生13次灾害，5次重度、5次中度、3次轻度。涉及潞城、朔州右卫、永和、安邑、万泉、解州、神池、新绛、绛县、平鲁、介休、榆社、广灵、大宁等州县。“树多冻死”、“陨霜杀桑麦。秋无禾，人相食，死者无数。解州斗米九钱，安邑特灾”。

4 结论

(1)明代山西发生灾害共114次，轻度占19.3%;中度占57.9%;重度占22.8%。

(2)可分为两个阶段，1368—1519年为第一阶段，频次较少，强度较弱，以轻、中度灾害为主。1520—1644年为第二阶段，频次较高，强度较大，以中度和重度灾害为主。

(3)小波分析表明，灾害存在2～3 a，9～14 a和45～55 a 3个明显的周期。

(4)发生4次寒冷气候事件，分别出现在1531—1533年、1578—1588年、1591—1607年和 1631—1642年。寒冷气候事件都发生在第二阶段，表明明代中晚期的气候比早期寒冷。

明代是中国近5 000年来的第4个寒冷期［24］，其中1470年以后是寒冷期中最具代表性的时期［14］，华北地区的冷冬出现在1520年以后［25］，寒冷期恰恰也是明代山西霜雪低温灾害发生频次较高、强度较大的年代。明代4次寒冷气候事件均发生在1520年之后，属于灾害高发的第二阶段，表明明代中晚期的气候比早期寒冷。由此亦可证明，公元1520—1644年为山西明代异常寒冷的时期，即明代小冰期，与竺可桢先生等人所确定的时间基本一致。

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