1368－1948年山西霜雪災害的特征與周期規律研究*

孟萬忠，劉曉峰

(1.陜西師范大學旅游與環境學院，陜西西安710062;2.太原師范學院，山西太原030012)

1368－1948年山西霜雪災害的特征與周期規律研究*

孟萬忠1，2，劉曉峰2

(1.陜西師范大學旅游與環境學院，陜西西安710062;2.太原師范學院，山西太原030012)

通過對山西1368－1948年歷史文獻資料的搜集、整理和數學分析，對該區霜雪災害等級、階段、周期及其成因進行了研究。在這期間，山西共發生霜雪災害419次，輕度106次、中度228次、重度85次。災害變化可分為4個階段，1368－1579年為第1階段，1580－1699年為第2階段，1700－1819年為第3階段，1820－1948年為第4階段。第1、3階段距平值主要為負值，災害頻次較低，以輕、中度災害為主。第2、4階段距平值主要為正值，災害頻次較高，以中度和重度霜雪災為主。小波分析表明，災害存在著4個明顯的周期，即10～13年、20年左右、45～50年和120年左右的周期。降雪或寒流引起的氣溫驟降至0℃以下是造成山西霜雪災害的主要原因。共發生6次寒冷氣候事件，分別出現在1578－1588、1591－1607、1631－1642、1669－1672、1690－1699和1830－1836年。出現3次異常寒冷災害年，分別是1653、1892和1929年。

霜雪災害;1368－1948年;災害等級;周期規律;寒冷氣候事件;山西

凡是因地面氣溫急劇下降，或因地面氣溫達到某一較低水平，或因地面有一定積雪而造成的災害都屬于霜雪凍災害［1］。它們有一個共同的特點，即致災因子都是低溫。本文所研究的霜雪災害主要指1368－1948年山西發生的霜凍、低溫和雪災。已有的研究成果，大多集中在霜凍方面。有的利用逐日最低氣溫分析探討霜凍的變化特征和周期變化規律等［2－7］，有的利用歷史文獻資料對古代的霜雪災害的特點、演變趨勢進行了分析［8－9］。有的研究了霜凍對作物的危害，提出了預防對策［10－16］。對于歷史時期山西霜雪災害發生頻次、產生原因及周期變化缺少深入研究，更缺少霜雪災害與氣候事件關系的研究。本文試圖探討

1368－1948年災害發生等級、周期、原因和寒冷氣候事件，為山西霜雪災害的預測和防治提供科學依據。

1 資料和方法

山西位于太行山以西，黃土高原東部，介于34°34'58″～40°43'30″N，110°14'42″～114°33'17″E之間。地勢東北高，西南低。屬溫帶大陸性季風氣候，年均溫4～14℃，年降水量400～600 mm，全年無霜期平均80～220 d。

以《中國氣象災害大典·山西卷》［17］、《中國三千年氣象記錄總集》［18］和《山西自然災害史年表》［19］等記載的山西1368－1948年的霜凍、低溫、大雪災害，利用歷史文獻、數理統計與小波分析方法，對其進行深入研究。

2 災害等級劃分

1368－1948年山西共發生災害419次，其中霜凍219次，低溫56次，雪災144次。綜合考慮災害發生的季節、持續時間、強度、受災范圍、受害的農作物種類等因素，將其劃分為以下3個等級(表1)，輕度106次，占25.3%;中度228次，占54.4%;重度85次，占20.3%。從不同等級災害在時間上的變化(圖1)可知，明代中晚期、清代早期和晚期災害發生最頻繁，強度較大。

圖11368 －1948年山西霜雪災害等級變化

表11368 －1948年山西霜雪災害等級劃分表

3 災害的時空變化特征

3.1 時空變化(以霜凍為例說明)

從表2可知，1368－1948年初霜日相繼出現在8月13日－11月2日，靜樂等北部高寒區和海拔較高的和順等地較早出現初霜;絳縣、運城等南部低海拔區較晚出現。終霜日出現在3月9日－6月12日，南部低海拔區較早，北部高寒、高海拔區較晚?？梢姡轿鞒跛蘸徒K霜日與地理因素密切相關，隨著緯度增加、海拔高度抬升，初霜日逐漸提前、終霜日推后。

表21368 －1948年初霜凍與終霜凍發生日期

3.2 頻次變化

以15年為單位，統計出1368－1948年山西各時段災害發生頻次，同時根據最小二乘法意義下6次多項式［20］的擬合曲線(圖2)，可將災害變化分為4個階段:1368－1579年為第1階段，共53次，頻次較低。1580－1699年為第2階段，共147次，頻次較高。1700－1819年為第3階段，共55次，頻次較低。1820－1948年為第4階段，共164次，頻次較高。根據災害等級變化可知在第1、3階段以輕、中度災害為主，第2、4階段以中度和重度霜雪災為主。

圖21368 －1948年山西霜雪災害發生頻次與六次多項式擬合曲線圖

每15年災害發生的平均頻次為10.8次，將每15年實際發生的頻次與平均頻次作差值，可以得出災害頻次的距平值(圖3)。圖3表明，第1、3階段，以負距平值為主，低于平均頻次，屬低發期;第2、4階段，以正距平值為主，高于平均頻次，屬高發期。

圖31368 －1948年山西霜雪災害頻次距平值變化

3.3 季節變化

按季節統計，春季(農歷正月至三月)98次，占23.4%;夏季(農歷四至六月)80次，占19.1%;秋季(農歷七至九月)158次，占37.7%;冬季(農歷十月十二月)83次，占19.8%(圖4)。

圖41368 －1948年山西霜雪災害季節分布

從圖4可知，秋季發生災害的頻次最高，春季次之，冬季和夏季持平。霜災秋季最多，夏季次之;低溫災害主要發生在冬季和春季;雪災多發生在冬季和春季。由此可見，在季節轉換的秋冬和初夏之交，如果冬季風的勢力過于強大，或者來得過早去得過晚，就可能發生氣候異常事件，導致地表和植物表面溫度下降到足以使植物遭受傷害甚至死亡時，就容易發生災害，這就使得災害在秋季和春季發生的幾率最高。

秋季下霜或雪過早，會使地面溫度降到0℃以下，使正在發育的農作物受到危害甚至死亡，對秋季作物的收成產生重大影響，嚴重的造成饑荒發生。如，清康熙三十六年(1697)秋，和順、保德、靜樂、臨縣、汾陽、蒲縣、沁州等地，嚴霜殺禾殆盡，致使人民大饑，四處流散，草根樹皮食盡，甚至賣兒賣女，餓死的人不計其數。

春夏之交是冬季風與夏季風轉換的時節，也是農作物萌芽、生長的季節，這一時段發生的霜雪災害對對剛出土的農作物、開花的果樹、返青的冬小麥危害嚴重。如，清道光二十六年(1846)，四月二十六日，榆次、太谷隕霜殺蔬菜、花卉。冬春季的災害，對冬小麥等農作物和家禽、家畜的越冬影響巨大。如，清光緒十八年(1892)，冬，榮河雨雪三尺，牛羊、果樹多凍死。

3.4 周期規律

氣候變化存在一定的時間尺度和周期性。小波分析不但可以揭示氣候變化在不同時間尺度下的周期特征，而且可以揭示各種周期信號隨時間變化的強弱［21－23］。利用Morlet小波對1368－1948年山西霜雪災害等級、頻次數據進行處理分析，得到時間序列與災害強度變化的關系圖(圖5)。從圖5可知，存在4個明顯的集中區和4個明顯的峰值，在低等級層次中存在10～13年頻率，在中等層次中存在著20年左右的頻率，在較高等級層次中存在45～50年左右的頻率，在更高層次存在120年左右的頻率。這表明，1368－1948年災害存在10～13年、20年左右、45～50年和120年左右的周期。第2和第4階段周期信號特別明顯，反映出這兩個階段災害發生的頻率較高。

圖51368 －1948年山西霜雪災害小波分析

4 災害發生的原因

霜雪災害發生的根本原因在于低溫，或相對低溫，或絕對低溫［1］。近代的霜雪災害也有類似特征。如1953年3月下旬至4月下旬，山西南部冬麥區4月10－12日，最低氣溫降至－3～－5℃，小麥受凍、死苗［17］。由此可知，偏暖月份降雪或寒流引起的氣溫的驟降至0℃以下是造成山西霜雪凍災害發生的主要原因。

明清時期被稱為小冰期，是中國近5 000年的第4個寒冷期［24］，明末清初和清末是寒冷期中最具代表性的時期［8］，寒冷期恰恰也是明清山西霜雪災害發生頻次較多的年代。郭其蘊等對冬季風與El Nino的關系進行了研究，在El Nino發生前的冬季，冬季風偏強;El Nino發生當年的冬季，冬季風偏弱［25］。冬季風高壓的強度偏強則北方偏冷，偏弱則北方明顯偏暖［26］?？梢姡珽l Nino事件發生后，我國當年冬季溫度偏高的幾率較大，這與文獻中記載山西霜雪凍災害事件很少出現在El Nino年［27］的史實是吻合的。

侵入山西的冷空氣，主要有三條路徑［28］。西路，從西北方向由北疆沿天山、祁連山北側入侵。中路，從北方經內蒙古高原，直接進入山西。西路和中路的強冷空氣來勢兇猛，易因強烈降溫而出現平流霜災，是山西霜雪災害的主要類型。東路，從東北方向而來，山西受其影響不大，發生次數較少，常伴有雨雪天氣，多發生于早春，文獻中記載的春季大雨雪皆因此而發生。

5 寒冷氣候事件

根據歷史文獻資料的分析和判斷可知，1368－1948年山西發生的氣候事件對該地區中度和重度霜雪災害的發生起到了決定作用。分析發現，連續3年以上出現嚴重寒冷氣候，影響范圍廣泛，覆蓋地區在10個縣以上，我們把這樣的極端氣候階段確定為寒冷氣候事件。據統計山西共發生6次寒冷氣候事件，分別出現在1578－1588、1591－1607、1631－1642、1669－1672、1690－1699和1830－1836年。1年之內連續多次出現霜雪災害，并且特別寒冷，凍死人畜，稱為異常寒冷災害年，分別出現在1653、1892和1929年。

第1次寒冷氣候事件在1578－1588年，發生17次災害，重度6次、中度9次、輕度2次。涉及岳陽、臨晉、猗氏、遼州、朔州、靜樂、隰縣、洪洞、趙城、翼城、解州、臨汾、襄垣、長治、黎城、潞城、介休、岢嵐、五寨、山陰、太谷、鄉寧、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“發生饑荒，荒廢并作，死者不計其數”［17］。

第2次寒冷氣候事件在1591－1607年，發生22次災害，重度7次、中度12次、輕度3次。涉及曲沃、文水、榆次、沁源、高平、五臺、澤州、保德、偏關、代縣、遼州、臨縣、隰縣、臨汾、靜樂、榮河、臨晉、猗氏、山陰、黎城、蒲縣、陽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”［17］。

第3次寒冷氣候事件在1631－1642年，發生13次災害，重度5次、中度5次、輕度3次。涉及潞城、朔州右衛、永和、安邑、萬泉、解州、神池、新絳、絳縣、平魯、介休、榆社、廣靈、大寧等州縣?！皹涠鄡鏊馈?、“隕霜殺桑麥。秋無禾，人相食，死者無數。解州斗米九錢，安邑特災”［17］。

第4次寒冷氣候事件在1669－1672年，發生14次災害，重度4次、中度7次、輕度3次。涉及榆次、太谷、遼州、五寨、岢嵐州、吉州、榮河、解州、芮城、永濟、文水、長子等地，“遼州大風雪，樹木壓折，凜冽如冬，牛羊凍死”、“文水大雨雪，嚴寒，途人多凍死者”、“黃河堅冰，車馬行其上如陸”［17］。

第5次寒冷氣候事件在1690－1699年，發生24次災害，重度4次、中度17次、輕度1次。涉及山西全境，長治、襄垣、陵川、保德、蒲州、和順、盂縣、嵐縣、臨縣、永寧州、中陽、方山、永和、隰縣、大寧、古縣、靜樂、遼州、沁源、武鄉、樂平、榆次、安澤、陽高、蒲縣、絳縣、垣曲、沁縣、介休、平遠衛等，特別是保德、和順等地連年災害，“嚴霜殺稼，黍、豆、谷、蕎等農作物未熟凍枯”、“嚴霜殺稼，收成減半，民大饑”、“人民逃散，餓死者近半數”、“保德連歲霜旱”［17］。這次極端寒冷氣候事件，與1691－1692、1697－1698年的特大干旱重疊在一起，使得災情更加嚴重。

第6次寒冷氣候事件在1830－1836年，發生18次災害，重度9次、中度8次、輕度1次。涉及陽城、高平、榆次、汾陽、文水、壽陽、渾源、崞縣、盂縣、隰州、岳陽、靈丘、懷仁、定襄、忻州、安澤、武鄉、沁源、沁縣、沁水、襄垣、潞城、壺關、沁源、澤州、陵川、朔州、解州、絳縣、新絳、稷山、河津、萬榮、曲沃、太平等地，“凍死樹木無數”、“行旅人畜多凍斃者”、“野獸餓死無數”、“壽陽連歲蚤霜，本年又霜，斗米價至一千六百余”［17］。

1653年出現6次災害，重度3次、中度1次、輕度2次。范圍涉及安澤、介休、廣靈、陽高、靈丘等，時間為三月、九月、十一月和十二月，導致“大雪三月，居民不能樵采，拆毀廬舍一空，死亡枕藉”［17］，進而引發瘟疫。

1892年出現4次災害，重度2次、輕度2次。涉及臨縣、方山、岳陽、浮山、臨晉、芮城、偏關、長治、和順、吉州、榮河等地，影響范圍較大，災情嚴重，“冬，臨縣大凍災。方山特大凍災”、“冬，臨晉奇寒，黃河結冰，自龍門至于砥柱，行人車馬履冰而渡，花木凍死甚多”、“冬，榮河雨雪三尺，嚴寒，牛羊果樹多凍死”［17］。

1929年是民國時期最嚴重的一次寒冷災害年，發生7次災害，重度6次，中度1次。涉及中南部17個縣，降雪時間長，積雪厚度大;天氣嚴寒，牛羊、樹木、鳥獸多凍死;黃河自禹門至潼關冰凍成橋，七八尺深的水井結冰尺余。

6 次寒冷氣候事件和3次異常寒冷災害年，均發生在霜雪災害頻繁的第2和第4階段。

6 結論

綜上，可得出如下結論。

(1)1368－1948年，共發生災害419次，輕度占25.3%;中度占54.4%;重度占20.3%。

(2)災害可分為4個階段，1368－1579年為第1階段，1580－1699年為第2階段，1700－1819年為第3階段，1820－1948年為第4階段。第1、3階段頻次較低，第2、4階段頻次較高。

(3)小波分析表明，災害存在著4個明顯的周期，即10～13年、20年左右、45～50年和120年左右的周期。

(4)降雪或寒流引起的氣溫驟降至0℃以下是造成災害的主要原因。

(5)共發生6次寒冷氣候事件，分別出現在1578－1588、1591－1607、1631－1642、1669－1672、1690－1699和1830－1836年。出現3次異常寒冷災害年，分別是1653、1892和1929年。

［1］袁林．西北災荒史［M］．蘭州:甘肅人民出版社，1994:145．

［2］錢錦霞，張霞，張建新，等．近40年山西省初終霜日的變化特征［J］．地理學報，2010，65(7):801－808．

［3］錢錦霞，武捷，班勝林．1951－2008年太原市霜凍發生特征分析［J］．中國農學通報，2009，25(10):287－289．

［4］鄭斯中．華北霜凍的氣候特征［J］．地理學報，1958，24(3): 307－317．

［5］何維勛，馮玉香，曹永華，等．北京近50年初、終霜凍日的變化［J］．中國農業氣象，1992，13(4):33－36．

［6］馬柱國．中國北方地區霜凍日的變化與區域增暖相互關系［J］．地理學報，2003，58:31－37．

［7］陳乾金，張永山．華北異常初終霜凍氣候特征的研究［J］．自然災害學報，1995，4(3):33－39．

［8］張丕遠，龔高法．十六世紀以來中國氣候變化的若干特征［J］．地理學報，1979，34(3):238－247．

［9］李輝．試論北朝時期霜雪凍等低溫災害發生的特點［J］．長春師范學院學報，2008，27(2):26－31．

［10］李茂松，王道龍，鐘秀麗，等．冬小麥霜凍害研究現狀與展望［J］．自然災害學報，2005，14(4):72－78．

［11］張霞，錢錦霞，靳寧．山西北部初終霜凍日特征及其對農業的影響［J］．中國農學通報，2009，25(22):348－351．

［12］張永山．華北、江淮初、終霜氣候特性及其對冬小麥的影響［R］．北京:國家氣象中心，1992．

［13］李艷麗，王迎春，孫忠富．山西省霜凍災害現狀及其防御對策分析［J］．中國農業資源與區劃，2006，27(1):57－59．

［14］晏振國，紀文華，孔令芝，等．鄲城小麥霜凍的危害及預防措施［J］．氣象與環境科學，2007，30(S1):126－128．

［15］史俊東，張建誠，許愛玲，等．晉南低溫與霜凍發生規律及其對棉花生產的影響［J］．山西農業科學，2010，38(3): 30－33．

［16］王振華，郝壽昌，韓普．山西省終霜凍變化及其與春季北太平洋海溫的SVD分析［J］．中國農學通報，2010，26(7): 330－335．

［17］中國氣象災害大典編委會．中國氣象災害大典(山西卷)［M］．北京:氣象出版社，2005:697－701，738－739，837－840．

［18］張德二．中國三千年氣象記錄總集［M］．南京:江蘇教育出版社，2004．

［19］張杰．山西自然災害史年表［R］．太原:山西省地方志編撰委員會辦公室．1988．

［20］封建湖，車剛明，聶玉峰．數值分析原理［M］．北京:科學出版社，2001:81－87．

［21］葛哲學，沙威．小波分析理論與MATLABR2007實現［M］．北京:電子工業出版社，2007:42－43．

［22］Lau K M，Weng Hengyi．Climate signal detection using wavelet transform:How to make a time series sing［J］．Bulletin of the A-merican Meteorological Society，1995，76:2391－2402．

［23］Torrence C，Compo G P．A Practical Guide to Wavelet Analysis［J］．Bulletin of the American Metorological Society，1997，79 (1):61－78．

［24］竺可楨．中國近五千年來氣候變遷的初步研究［J］．中國科學，1973(2):168－189．

［25］郭其蘊，王日昇．東亞冬季風活動與厄·尼諾的關系［J］．地理學報，1990，45(1):68－77．

［26］郭其蘊．東亞冬季風的變化與中國氣溫異常的關系［J］．應用氣象學報，1994，5(2):218－224．

［27］張德二，薛朝輝．公元1500年以來El Nino事件與中國降水分布型的關系［J］．應用氣象學報，1994，5(2):168－175．

［28］錢林清，鄭炎謀，郭慕萍，等．山西氣候［M］．北京:氣象出版社，1991:199－200．

Characteristics and Periodic Regularity of Frost and Snow Disaster in Shanxi Province During 1368 to 1948

Meng Wanzhong1，2and Liu Xiaofeng2
(1.College of Tourism and Environment Science，Shaanxi Normal University，Xi'an 710062，China; 2.Taiyuan Normal University，Taiyuan 030012，China)

Based on collection，arrangement and mathematical analysis on historical documents and materials from 1368 to 1948 in Shanxi province，grades，stages，periods and their causes of frost and snow disasters in the area are researched．During this period 419 disasters had happened，the disaster grades are mild，moderate and severe，and the disaster occurrence probabilities are 106，228 and 85 times．Disaster changes can be divided into four stages．The first stage is from 1368 to 1579，the second stage is from 1580 to 1699，the third stage is from 1700 to 1819 and the fourth stage is from 1820 to 1948.The first and third stages are the ones that the disasters happened occasionally，and most of them are mild and moderate ones．The second and forth stages are the ones that the disasters happened frequently，and most of them are moderate and the most serious．According to wavelet analysis，the disasters are mainly of 4 obvious periods as 10～13 years，about 20 years，45～50 years and about 120 years．Sharp temperature dropping below 0℃，which is caused by snowfall or cold current，is the main inducement of frost and snow disaster in Shanxi province．Six cold climate events happened in Shanxi province from 1368 to 1948，and they respectively happened from 1578 to 1588，1591 to 1607，1631 to 1642，1669 to 1672，1690 to 1699 and 1830 to 1836.There were three unusually cold disaster years in 1653，1892 and 1929.

frost and snow disaster;from 1368 to 1948;the grade of disaster;periodic law;cold climate events;Shanxi province

X43

A

1000－811X(2012)04－0080－05

2012－03－31

2012－05－01

中國博士后科學基金面上資助項目;國家自然科學基金項目(41071335);山西省高等學校哲學社會科學研究項目(2010320，2011325)

孟萬忠(1971－)，男，山西清徐人，博士后，副教授，高級工程師，研究方向為歷史地理與環境變遷及GIS．E-mail:mwz66@163.com