关中平原清代霜雪灾害特点与周期研究

赵景波，陈 颖，周 旗

（1．陕西师范大学旅游与环境学院，陕西西安 710062；2．中国科学院地球环境研究所黄土与第四纪地质国家重点实验室，陕西西安 710075）

关中平原清代霜雪灾害特点与周期研究

赵景波1，2，陈 颖1，周 旗1

（1．陕西师范大学旅游与环境学院，陕西西安 710062；2．中国科学院地球环境研究所黄土与第四纪地质国家重点实验室，陕西西安 710075）

通过对关中平原清代历史文献资料的搜集、整理和小波分析，对该区清代霜雪灾害等级、周期及其成因进行了研究，并恢复了该区清代霜雪灾害发生时的最低气温。结果表明：关中平原清代共发生霜雪灾害34次，其中轻度、中度、重度霜雪灾害分别为2、20、12次；关中平原清代霜雪灾害可分为3个阶段，1644～1733年为第1阶段，1734～1823年为第2阶段，1824～1912年为第3阶段；第1和第3阶段为霜雪灾害多发阶段，以中度和重度灾害为主，第2阶段为霜雪灾害少发阶段，以轻度和中度灾害为主；小波分析表明，关中平原清代霜雪灾害的发生存在不同的时间周期规律，其周期主要有9～15年、13年、34年左右和40年左右；降雪或寒流引起的气温骤降至0℃以下是造成关中平原清代霜雪灾害的主要原因；关中平原清代轻度和中度霜雪灾害的气温范围为－6．4℃～－1℃，重度的气温范围一般为－19℃～－17℃；关中平原清代共发生3次寒冷气候事件，分别为1690～1692年、1861～1865年和1893～1895年。

霜雪灾害；清代；关中平原；灾害等级；周期规律；小波分析；寒冷气候事件

0 引 言

霜雪灾害是一个含义较为广泛的概念，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，都属于霜雪灾害［1］。国内外学者对霜雪灾害进行过一定研究，取得一些重要成果。中国学者利用逐日最低气温进行统计分析，探讨霜冻发生的趋势［2－3］；从霜冻的年际变化、阶段性和变化周期研究霜冻的变化规律［4－5］，得出冻灾对当时的社会经济发展、农业生产、社会稳定、人口数量变化等方面产生了重要影响［6］；利用冻害指数构建数学模型，对冻害进行研究［7－8］。霜雪灾害会影响作物的产量，霜雪灾害的发生是冷空气的活动加强造成的［9］。在霜冻防御研究中，在气候变暖背景下仍需重视霜冻的预防［8－11］。过去对霜雪灾害的研究大多是对历史时期的雪灾记录进行描述和评论，定量研究较少。国外学者主要研究了霜雪灾害对土壤物质的影响［12－13］，包括土壤中的悬浮物质、N元素和P元素的循环等［14］，探讨其对土壤含水量平衡的影响，以及气候变化对雪层覆盖的影响［15］。

过去对于关中平原历史时期的不同等级霜雪灾害发生频次、产生原因及周期变化缺少深入研究，更缺少霜雪灾害与气候事件关系的研究。关中平原清代自然环境变化明显，霜雪灾害不断发生便是其中的一个重要方面。笔者试图探讨关中平原清代霜雪灾害发生等级、时间周期、霜雪灾害事件和原因，为该区霜雪灾害的预测和防治提供科学依据。

1 研究区概况

关中平原西起宝鸡，东到潼关，南接秦岭，北接渭河北山，西窄东宽，东西长约300 km，海拔400 m左右，地势西高东低，由渭河、泾河、洛河冲积成平原。其地势平坦，土壤肥沃，气候温暖，灌溉农业发达。其主要包括西安、咸阳、宝鸡、渭南等地区。关中平原年平均气温12℃～13℃，年均降水量550～700 mm，属暖温带半湿润气候。

2 霜雪灾害等级划分

根据霜雪灾害持续时间、强度、受灾范围以及受影响程度等，并以《西北灾荒史》［1］和《中国三千年气象记录总集》［16］等对关中平原清代共269年的霜雪灾害描述为依据，将关中平原的霜雪灾害划分出3个等级（表1）。

表1 霜雪灾害等级划分Tab．1 Classification of Frost and Snow Disaster

按以上等级划分，可将关中平原清代霜雪灾害等级进行划分（图1）。图1表明，关中平原清代霜雪灾害共发生34次，其中轻度霜雪灾害2次，占霜雪灾害总数的5．9%；中度霜雪灾害20次，占霜雪灾害总数的58．8%；重度霜雪灾害12次，占霜雪灾害总数的35．3%。

3 霜雪灾害的时间变化特征

3．1 霜雪灾害的频次变化

图1 霜雪灾害等级分布Fig．1 Distribution of Frost and Snow Disaster Grade

关中平原在清代269年中，共发生霜雪灾害34次，平均每7．91年发生1次。以45年为单位，统计关中平原清代各时段霜雪灾害发生频次（图2）。其中，1869～1912年是以44年为单位。同时，根据最小二乘法的六次多项式［18］拟合（图2），可将关中平原清代霜雪灾害变化分为3个阶段。第1阶段为1644～1733年，共发生霜雪灾害15次，平均每6年发生1次。第2阶段为1734～1823年，仅发生2次霜雪灾害，频次最低，平均每45年发生1次，灾害发生最少。第3阶段为1824～1912年，发生霜雪灾害17次，平均每5．24年发生1次，灾害发生最为频繁。根据霜雪灾害等级变化可知，关中平原在第1、3阶段以中度和重度霜雪灾害为主，第2阶段以轻、中度灾害为主，因此可以判断在清代早期和晚期是关中平原霜雪灾害的高发期且强度较大（图2）。

将每45年发生霜雪灾害的频次与关中平原清代269年来霜雪灾害发生的平均频次做差值，可以得出每45年发生霜雪灾害频次的距平值（图3）。图3表明，在1644～1733年的第1阶段和1824～1912年的第3阶段，以正距平值为主，表明这两个阶段的霜雪灾害频次高于每45年的平均频次5．67次，是霜雪灾害的高发期。在1734～1823年的第2阶段，以负距平值为主，表明该阶段霜雪灾害频次低于平均频次，是霜雪灾害低发期。

3．2 霜雪灾害发生季节变化

图3 霜雪灾害频次距平值变化Fig．3 Change of Frequency Anomaly of Frost and Snow Disaster

在春秋转换季节，土地表面和植物表面温度下降到足以使植物遭受伤害甚至死亡时，就容易发生霜雪灾害，这就使得霜雪灾害发生具有季节性的特点。由图4可知，关中平原在春季发生的霜雪灾害最频繁，为12次，占霜雪灾害总频次的35．3%。春季以霜灾最多，其间还出现了霜灾、雪灾同时发生的现象。其次是秋季的霜雪灾害频次也较多，发生了8次，占霜雪灾害总频次的23．5%。秋季以雪灾最显著，有霜灾、雪灾同时出现。秋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。冬季的霜雪灾害为7次，占霜雪灾害总频次的20．6%。秋季以雪灾居多，持续的降雪低温对农作物、畜牧业产生不利影响。夏季霜雪灾害发生频次最少，为6次，占霜雪灾害总频次的17．6%。夏季以霜灾为主，出现4次，有2次雪灾。夏季一般不会出现雪灾，根据文献［1］记载，可推测当时应是农历四月，按公历算应在夏至之前，即夏初时发生，夏季是植物生长旺季，入夏剧烈的降温对作物的危害更为明显。关中平原清代出现如此霜雪灾害的现象，主要是冬季风作用的结果；在冬季，冬季风活动加强，持续时间长，影响范围广，致使地面气温冷却至0℃以下，形成霜雪灾害。夏季本不应该出现霜雪灾害，一旦出现，主要是因为冬季风异常活动造成的，导致在夏初出现霜冻害的现象。

图4 霜雪灾害频次季节分布Fig．4 Seasonal Distribution of Frequency of Frost and Snow Disaster

3．3 霜雪灾害发生的周期规律

规模较小、影响程度较低的旱灾是短期的天气过程造成的，而规模较大、影响严重的旱灾则与气候变化密切相关。气候变化存在一定的时间尺度和周期性。小波分析不但可以揭示气候变化在不同时间尺度下的周期特征，而且可以揭示各种周期信号随时间变化的强弱［19－22］。利用Morlet小波对关中平原清代霜雪灾害等级资料进行分析（图5），小波转换系数为负值，说明周期信号较弱，周期不显著，在图5中表现为虚线；小波转换系数为正值，则周期信号较强，周期较为显著，在图5中表现为实线。图5中信号振荡的强弱通过数值大小来表示，数值越大表示霜雪灾害发生频次越大于常年，霜雪灾害造成的损失越严重；数值越小表示霜雪灾害发生频次越小于常年，造成的损失越低。图5表明，关中平原在清代第1阶段（1644～1733年）主要表现为9～15年的周期，该时期霜雪灾害也存在34年左右的周期振荡特征。清代第2阶段（1734～1823年），霜雪灾害主要处于小波转换系数为负的阶段，周期信号比较弱，在1758年存在34年左右的周期。清代第3阶段（1824～1912年），13年周期较为显著，同时还存在40年左右的周期，且周期信号较强。1878年后，40年左右的周期明显，且在1918年等值线未闭合，表明清末以后该时间周期的霜雪灾害仍有发生的趋势，这与19世纪末期是清代寒冷期中最具代表性的时期之一相吻合。

4 霜雪灾害成因及其发生的温度

4．1 霜雪灾害成因

图5 霜雪灾害等级小波分析Fig．5 Wavelet Analysis of Frost and Snow Disaster Grade

霜雪灾害的成灾原因在于低温，或相对低温，或绝对低温［1］。清朝是继宋朝近400年后的第4个寒冷期，其中17世纪20年代到18世纪20年代、19世纪40年代到19世纪末期是寒冷期中最具代表性的时期［23］，恰恰也是清代霜雪灾害发生频次较多的年代。关中平原在清代曾一度出现黑霜的现象。黑霜是在空气中水汽较少、相对湿度较低的地区，霜害发生时温度骤降至0℃以下，不能使空气中水汽达到饱和状态，从而看不到霜，但农作物已经受害的一种低温冷害［1］。这种现象一旦出现，说明该地区当时地面温度已处于0℃以下，农作物有受到危害甚至死亡的危险。近代的霜雪灾害也有类似特征。如1979年4月，陕西省气温急剧下降，普降雪霜，宝鸡市油菜、小麦受冻减产；1986年10月，强寒潮入侵，武功县最低温度－3℃，油菜受冻，部分死苗；1987年3月，华阴县地面温度－4℃，小麦、油菜受冻［24］。由此可知，偏暖月份降雪或寒流引起的气温骤降至0℃以下是造成关中平原霜雪灾害发生的主要原因。

侵入陕西并直接影响关中平原的强大冷空气，主要有2条路径：第1条是从西北方向由北疆沿天山、祁连山北侧入侵；第2条是从北方由西伯利亚通过内蒙古高原进入陕西。第2条路径的强冷空气（蒙古冷压）因其跋涉路径较短，沿途地势北高南低，冷空气顺势南下，往往来势凶猛，易因强烈降温而出现平流霜灾。而当强冷的西北气流控制北方气候干冷，不利于云雨的形成，出现晴到少雨天气，极有利于夜间冷却辐射形成辐射霜灾。关中平原受到的霜雪灾害主要是这2种灾害的结合，即平流－辐射霜灾，其中以西安和咸阳地区最为典型［24］。

4．2 霜雪灾害发生的温度

根据资料统计可得，关中平原26个县市中，平均每个县市在清代发生3次霜雪灾害，其中西安、宝鸡、武功这3个地区分别发生6、4、3次，分别占总霜雪灾害总频次的9．2%、4%、5．3%，具有明显的频次差异性。根据中国气象科学数据共享服务网提供的数据，可获得这3个地区在1971～2000年的累年各月平均最低气温和累年各月极端最低气温，分别将这3个地区的这2项温度值进行平均（表2），以此代表关中平原1971～2000年累年各月平均最低气温和累年各月极端最低气温。

表2 1971～2000年累年各月平均最低气温和累年各月极端最低气温Tab．2 Average Lowest Monthly Temperatures and Monthly Extreme Minimum Temperatures from 1971 to 2000

关中平原的霜雪灾害主要集中于农历一月至四月、八月至十二月（大致相当于公历2月至5月、9月至次年1月）。值得注意的是，关中平原清代农历二月至四月有关霜冻的描述多以小麦的生长状态来认识霜雪灾害的严重性［1］。而小麦叶片结冰存在着霜冻临界叶温，约为－6．4℃［3］，如果最低叶温低于这个临界叶温，结冰的叶片解冻后受到伤害，如果最低叶温高于这个临界值，结冰叶温解冻后就能正常生长。而且当气温降到0℃时冬小麦幼穗开始受害，降到－1℃时植株和小穗就发生死亡［25］。苹果、梨等果树在3、4月份花期气温降到－1℃～－2℃时便会受到冻害，降到－3℃～－4℃的低温便可产生严重损伤［26］。根据上述研究成果，以小麦叶片的霜冻临界温度－6．4℃为受损温度临界值，那么－6．4℃～－1℃就是小麦麦苗、麦穗死亡和果树受损的温度范围；与关中平原1971～2000年2～4月累年各月平均最低气温和累年各月极端最低气温相比，－6．4℃～－1℃在其范围之内，而这个温度范围主要适合关中平原清代霜雪灾害频发的农历二月至四月，尤其是在小麦麦苗生长的阶段。

由于关中平原主要是平流－辐射霜冻，一旦出现这种霜冻，降温剧烈，可达－3℃～－5℃，甚至达到－10℃［27］。几乎所有植物的细胞膜内可结冰的水在－10℃下均可冻结，可是许多植物在更低的温度条件下才会致死，例如Puma黑麦在－30℃致死，剪股颖在－50℃［28］致死。历史文献中关于小麦等作物在低温遭到严重受损或死亡的记述较多，是判别当时温度的重要依据。而小麦品种不一样，抗寒能力也就不同。低温敏感型的小麦品种在低温致死的临界温度是－19℃～－17℃，低温中间型的小麦品种低温致死的临界温度是－26℃～－23℃，低温抗寒型的小麦品种低温致死的临界温度是－28℃～－27℃［29］。为获得可靠的结果，以低温敏感型的小麦品种低温致死的临界温度－19℃～－17℃为小麦在低温冻死的温度，以此为依据恢复霜雪灾害发生的温度。由于同一个月霜雪灾害的等级不同，其发生的温度也就不同，所以可确定轻度和中度霜雪灾害的温度发生范围为－6．4℃～－1℃，即小麦麦苗、麦穗死亡和果树受损的温度范围；重度霜雪灾害的温度范围为－19℃～－17℃，即小麦低温致死的范围，主要发生在农历十一月至次年一月。恢复的温度是当时最高温度，虽然恢复的温度偏高，但结果是可信的。由此，可对关中平原清代在农历二月至四月发生霜雪灾害时最低气温作出大致恢复（表3）。

表3 霜雪灾害发生时恢复的温度范围Tab．3 Temperature Range Recovered When Frost and Snow Disaster Happened

把1971～2000年每月极端最低气温最低的地区气温值作为关中平原清代霜雪灾害发生时温度的下限值，把月平均最低温值作为上限值。但是由于霜雪灾害的发生肯定是低于0℃，所以当上限值大于0℃时，其可不做考虑，直接定为0℃，这样就可对关中平原清代在农历八月至次年一月发生霜雪灾害时最低气温作出大致恢复（表3）。但是关中平原清代农历十二月发生霜雪灾害时灾情严重，曾于1862、1864年2次出现“大雪，人多冻死”的现象，属于重度霜雪灾害，当时温度应在－17℃以下，否则不会出现冻死人的现象。根据中国气象科学数据共享网查得西安在1994年1月18日，持续降雪，地面以上1～2 m高的室外夹竹桃树枝叶皆冻死，当时温度为－12．1℃，而关中平原清代农历十一月曾出现“树裂井冻”的现象，表明当时霜雪灾害发生的温度至少在－12℃以下，从而证明恢复的重度霜雪灾害的温度范围（－19℃～－17℃）是合理的。

关中平原清代农历五月至七月基本没有霜雪灾害，而且近30年（1971～2000年）这3个月的平均最低温值都大于0℃（表2），即使有霜雪灾害发生，温度在0℃以下，灾情也不会太严重，所以在温度恢复时就直接把这3个月的范围归于0℃以下。

5 寒冷气候事件

根据历史文献资料的分析和判断可知，关中平原清代发生的气候事件对该地区中度和重度霜雪灾害的发生起到了决定作用。分析发现，清代出现连续3年以上的严重寒冷气候，影响范围广泛，覆盖地区在4个县市以上，这样的极端气候阶段可确定为寒冷气候事件。据统计，关中平原清代共发生3次寒冷气候事件，分别出现在1690～1692年、1861～1865年和1893～1895年。

第1次寒冷气候事件发生在清康熙二十九年（1690年）至康熙三十一年（1692年），连续3年发生霜雪灾害，2次重度，1次中度。尤其在1692年，涉及范围广，咸阳、高陵、武功均发生灾害，“三月，大风雪，夏无麦，斗米七钱”［1］，表明小麦多被冻死，当时最低气温应在－6．4℃以下。

第2次寒冷气候事件发生在清咸丰十一年（1861年）至同治四年（1865年），连续5年发生霜雪灾害，4次重度，1次中度，涉及礼泉、西安、华阴、大荔、乾县、三原、渭南等7个县市，“礼泉，十二月，大寒，人多冻死”，“三原，正月，大风雪，难民多冻死”［1］。这是关中平原清代最为严重的一次极端寒冷气候事件，灾情严重，当时最低气温至少在－17℃以下。

第3次寒冷气候事件发生在清光绪十九年（1893年）至光绪二十一年（1895年），连续3年发生霜雪灾害，1次重度，2次中度。在1893年的重度灾害结束后，后2年的灾情有所缓和，但还是影响了农业生产，“九月，大雪压坏树木无数，柿果坏”［1］。当时气温应在－6．4℃～－1℃之间。

6 结 语

（1）关中平原清代霜雪灾害共发生34次，平均每7．91年发生1次，轻度、中度、重度霜雪灾分别为2、20、12次。

（2）关中平原清代霜雪灾害可分为3个阶段，公元1644～1733年为第1阶段，1734～1823年为第2阶段，1824～1912年为第3阶段。其中第1、3阶段为霜雪灾害多发阶段，强度也较大；第2阶段为霜雪灾害少发阶段，强度较弱。

（3）小波分析表明，关中平原清代霜雪灾害的发生存在不同的时间周期规律，主要有9～15年周期、13年周期、34年左右周期和40年左右周期。

（4）降雪或寒流引起的气温骤降至0℃以下是造成关中平原清代霜雪灾害的主要原因。关中平原清代霜雪灾害发生时，轻度、中度霜雪灾害的温度发生范围为－6．4℃～－1℃，重度霜雪灾害的温度范围一般为－19℃～－17℃。

（5）关中平原清代共发生3次寒冷气候事件，分别出现在1690～1692年、1861～1865年和1893～1895年。

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Study on the Characteristic and Period of Frost and Snow Disaster in Guanzhong Plain During Qing Dynasty

ZHAO Jing－bo1，2，CHEN Ying1，ZHOU Qi1
（1．School of Tourism and Environment，Shaanxi Normal University，Xi'an 710062，Shaanxi，China；2．State Key Laboratory of Loess and Quaternary Geology，Institute of Earth Environment，Chinese Academy of Sciences，Xi'an 710075，Shaanxi，China）

According to the historical materials and wavelet analysis，the grade，period and cause of frost and snow disaster in Guanzhong Plain during Qing Dynasty were discussed，and the lowest temperature was recovered when frost and snow disaster happened．The results showed that there were 34 frost and snow disasters，and the frequencies of mild，moderate and serious frost and snow disasters were 2，20 and 12，respectively；the change of frost and snow disaster could be divided into three stages，and the first stage was from 1644 to 1733，the second stage was from 1734 to 1823，and the third stage was from 1824 to 1912；frost and snow disaster happened frequently in the first and third stages，and most were moderate and serious；frost and snow disaster happened occasionally in the second stage，and most were mild and moderate；according to the wavelet analysis，there were different periods when frost and snow disaster happened，and the periods were mainly 9－15 years，13 years，about 34 years and about 40 years；the main reason causing the frost and snow disaster was that the temperature suddenly decreasedbelow 0℃；the temperature was－6．4℃－－1℃for mild and moderate frost and snow disasters，and－19℃－－17℃for serious；there were three cold climate events including 1690－1692，1861－1865 and 1893－1895．

frost and snow disaster；Qing Dynasty；Guanzhong Plain；disaster grade；periodic law；wavelet analysis；cold climate event

P426．63；P468

A

1672－6561（2012）03－0075－08

2011－10－07

国家自然科学基金项目（40571004）；中国科学院黄土与第四纪地质国家重点实验室项目（SKLLQG0606）

赵景波（1953－），男，山东滕州人，陕西师范大学教授，博士研究生导师，理学博士，E－mail：zhaojb＠snnu．edu．cn。