明清時期關中地區冰雹災害及其對氣候變化響應研究

王 朋，張蓓蓓，武悅萱，王苗苗

(陜西省災害監測與機理模擬重點實驗室/寶雞文理學院 地理與環境學院，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、持續時間短，但突發性強，災害損失嚴重。冰雹降落會砸毀農作物，破壞建筑，對人類生命財產安全構成威脅[1]。冰雹災害在中國境內分布廣泛，由于復雜的地形地貌結構，使得冰雹災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，冰雹災害造成的經濟損失范圍也逐漸擴大[2-3]。

前人對冰雹災害的研究取得了一定進展。趙金濤等[4]利用GIS技術，對中國大陸地區1950～2009年縣域單元冰雹災害頻次及災損范圍進行了統計，系統分析了冰雹災害的時空分布規律。何太蓉等[5]利用1901～2010年冰雹統計數據，探討了重慶市近110年冰雹災害時空特征，認為冰雹災害空間分布差異與冷空氣路徑、地形地貌分布有關。史蓮梅等[6利用冰雹災害災損數據，構建冰雹災害風險評估體系，對新疆冰雹災害經濟損失和風險區劃進行了研究，建議調整第一產業結構，加強人工對冰雹形成干預等方式，降低冰雹災害造成的損失。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害時空特征，認為江蘇省冰雹災害時空分異與全球氣候變暖、下墊面熱力屬性有關。上述研究對探討我國境內冰雹災害時空分布規律做出了巨大貢獻，對降低冰雹災害造成的損失提出了科學建議。

已有冰雹災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害研究較少。本文基于史料中冰雹災害記錄，對明清時期(1368～1911年)關中地區冰雹災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和形成因素，以期為降低冰雹災害造成的損失提供建議，為人類響應未來氣候變化提供歷史依據。

1 研究區概況

關中地區位于106°25′～110°30′ E和33°35′～35°55′ N之間，西起寶雞大散關，東至渭南潼關，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。關中地區屬大陸性季風氣候，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，還有渭河及其兩側支流攜帶大量泥沙填充淤積其中，土壤肥沃，境內有黃河、渭河、洛河、涇河等河流經過，水源充足，十分適宜耕作。

2 數據來源與方法

2.1 數據來源

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

2.2 冰雹災害等級劃分

輕度雹災(1級)：冰雹成災范圍較小，對農作物生長和農業生產活動造成影響較小。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(2級)：冰雹成災范圍較廣，農作物因雹災減產，損壞房舍，無法進行生產活動，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(3級)：冰雹粒徑大，災損嚴重，禾稼盡傷，收成無望，房舍多數損害，砸傷人畜鳥獸，民眾生命財產受到重大損失。明嘉靖二十九年(1550年)，六月，蒲城暴風冰雹，有如斗大者，數日不消，樹屋人畜大傷；清光緒十五年(1889年)，五月十五日，禮泉縣風陡起拔木，雷電交作，降雹如雞卵，擊斃鳥獸無數，禾苗樹葉盡無。

3 結果與分析

3.1 冰雹災害等級變化

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

圖1 明清時期關中地區冰雹災害等級序列

3.2 冰雹災害月份變化

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

3.3 冰雹災害年際變化

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

圖2 明清時期關中地區冰雹災害月份變化

圖3 明清時期關中地區冰雹災害年際序列

由圖4明清時期關中地區冰雹災害距平累積序列可知，明清時期關中地區冰雹災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。明清時期關中地區冰雹災害階段特征顯著，總體呈現下降-上升-下降-上升交替變化趨勢。

圖4 明清時期關中地區冰雹災害距平累積序列

3.4 冰雹災害周期變化

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

3.5 冰雹災害對氣候變化的響應

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域間降水、旱澇災害分布影響較大。受地形地貌、大氣環流等因素影響，區域間氣候變化又存在一定差異，其變化也更為復雜。祁連山東部沿秦嶺山脈西側地區16世紀后半葉至17世紀初、18世紀后半葉氣候較溫暖濕潤，15世紀和17世紀后期至18世紀20年代氣候頗為干燥[15-16]。朱士光等[17]認為關中地區16世紀80年代至17世紀30年代、17世紀后半葉及19世紀30年代氣候頗為寒冷干燥，16世紀初至70年代、18世紀、19世紀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明清時期關中地區冰雹災害5年滑動平均可知，15世紀前半葉、17世紀后半葉到18世紀初葉以及19世紀前半葉冰雹災害發生頻次較少，表明該時期氣候寒冷干燥，降水偏少。15世紀后半葉到17世紀前半葉、18世紀30～60年代、18世紀后半葉至20世紀初葉冰雹災害發生頻次較高，表明該時期氣候相對溫暖濕潤，降水偏多。15世紀氣候整體偏寒冷干燥，冰雹災害整體發生頻次較低。

4 討論

自然環境因素是誘發氣象災害發生的主導因素，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境面貌，自然環境作為一個整體，某一要素改變會使得整個系統發生變化。唐霞等[19]對歷史時期黑河流域旱澇災害成因進行了分析，認為人口數量增加導致對土地過度墾殖，加劇了旱澇災害的發生。解明恩等[20]研究指出：人口數量劇增、加大對森林等自然資源的開發力度，導致水土流失等一系列環境問題發生，是影響云南省氣象災害頻發的重要因素。陳瑩等[21]利用中國耕地面積數據對19世紀以來中國洪澇災害成因進行了分析，認為人類過度湖泊圍墾等活動是影響旱澇災害發生的重要原因。隨著生產力的發展，明清時期陜西地區人口發生了急劇變化。明朝洪武初年(1381年)陜西地區人口約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，清朝宣統二年(1910年)人口約807萬，從明朝初期到清朝晚期陜西地區人口急劇增加了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力度，以供養更多人口生存，必然會引發一系列環境問題[22]。明清時期關中地區冰雹災害的發生與該時期人口數量急劇增加和人類活動更加頻繁密切相關。

圖5 明清時期關中地區冰雹災害小波實部等值線圖

圖6 明清時期關中地區冰雹災害小波方差圖

圖7 明清時期關中地區冰雹災害5年滑動平均

5 結論

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

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

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

(4)明清時期關中地區冰雹災害對氣候冷暖干濕變化有較好對應關系，偏冷期，氣候寒冷干燥，降水偏少，冰雹災害發生頻次低。偏暖期，氣候相對濕潤，降水偏多，冰雹災害發生頻次高。15世紀氣候整體偏寒冷干燥，冰雹災害發生頻次較少。

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