历史时期陕西霜冷灾害时空分布特征研究

2014-01-01邢海虹

西北大学学报（自然科学版） 2014年5期

邢海虹

(陕西理工学院汉水文化研究中心，陕西汉中 723000)

霜冷灾害是我国发生频繁的灾害类型，常给农业生产、生态环境等造成严重不利影响。目前，国内外很多学者对近年来霜冷灾害的发展趋势、周期变化［1］及发生原因等进行了研究。从已有研究来看，大多利用逐日最低气温等气象数据进行技术分析［2］，或对某区域某一历史时期霜冷灾害特征进行研究［3］，从长时间段把握霜冷灾害发生规律的研究较少，对霜冷灾害时空特征成因的深入分析也鲜见报道。

陕西省位于东经 105°29'-111°15'，北纬 31°42'-39°35'之间，从北到南分为陕北高原、关中平原、秦巴山地3个地貌区。全省年平均气温13.7℃，年平均降水量340～1 240 mm，陕南为亚热带湿润区，关中为暖温带半湿润区，陕北为中温带半干旱区。

本文拟对历史时期陕西霜冷灾害发生情况进行文献统计学研究，了解陕西历史时期霜冷灾害发生的时空规律，期望为陕西的霜冷灾害防治提供有益探索。

1 数据与处理

按照文献记述的受灾状况，参照现代霜冷灾害分级标准［4］，把历史时期发生的灾害划分为轻、中、重3个等级。①轻度灾害。有“霜”、“陨霜杀稼”等记载，未记载对生产、生活的影响。如晋元康五年(公元795年)，“秦雍二州，陨霜杀稼”。②中度灾害。有草木皆死、收成减少、减免额赋等记载。如宋淳化二年(公元991年)，“商县、山阳、洛南霜，草木皆死”。③重度灾害。有民田绝收，饥饿流散，人畜死伤等记录。如“咸丰十一年(公元1861年)，礼泉，大寒，人多冻死”。

以《中国气象灾害大典陕西卷》［5］为主要数据来源，并参考《西北灾荒史》［6］进行核实。从公元前244-公元1911年，共发生灾害98次。其中轻度灾害 52次，占53%，中度灾害 25次，占26%，重度灾害21次，占22%。

2 霜冷灾害时间特征

2.1 灾害等级、频次的变化特征

给轻度灾害赋值1，中度灾害赋值2，重度灾害赋值3，做时序灾次散点图，在此图上叠加中国气候变化曲线，得图2。以每100年为单位，统计灾害发生频次，进行六次多项式拟合(图3)。可以看出公元前244-公元1911年，霜冷灾害有明显增多的趋势。统计时段的前1000年，共计发生灾害21次，平均约50年发生1次。统计时段的后1 066年，共计发生灾害96次，平均约11年发生1次，灾害发生的时间间隔越来越小，发生的频次越来越高。灾害发生的等级在各个时段表现比较一致，各时段大、中、小灾害分布比较均匀。

2.2 灾害周期的变化特征

图3六次多项式拟合曲线有3个明显的峰和两个明显的谷，表明在时间序列的演化上，存在灾害活动较少的相对平静期和灾害频繁出现的相对活跃期，可见公元前244-公元1911年，霜冷灾害存在明显的周期性，且振幅呈不断增加趋势。

图1 公元前244-公元1911年陕西霜冷灾害频次与气温关系图Fig.1 The relationship of the frost and snow disaster frequency and temperature from 244a BC to 1911a in Shaanxi province

图2 公元前244-公元1911年陕西灾害频次图Fig.2 The frost and snow disaster frequency and degree in a year from 244a BC to 1911a in Shaanxi province

图3 公元前244-公元1911年陕西年内霜冷灾害程度、频次图Fig.3 The frost and snow disaster frequency and degree in a year from 244a BC to 1911a in Shaanxi province

长周期指百年以上的周期，亦即世纪周期。由图3六次多项式拟合曲线的第二、第三波段可以发现存在1 000年左右的长周期，由图3柱形图可以发现还存在100-200年的长周期。短周期指的是几年至几十年的周期。由图2可见，在第二三个千年长周期中，广泛存在短周期。对统计数据进行深入分析，发现在魏晋南北朝冷期和宋至清末的冷期广泛存在15年左右的短周期和2-5年的短周期。

2.3 灾害年内变化特征

公元前244-公元1911年，霜冷灾害的年内发生主要在3-10月的作物生长期，98%的次灾害都发生在这一时期。其中3-5月、8-10月的春秋转换季节是霜冷灾害的多发期，分别占到总发生次数的43%和51%，而每年夏季的6、7月，是霜冷灾害少发期，仅占总发生次数的4%。每年11月至次年2月的作物休眠期是霜冷灾害的少发期，仅占总发生次数的2%。

2.4 时间特征的成因

2.4.1 全球气候变化的影响

统计时段内，气温下降绝对值在4℃左右，长期的气侯变冷使冷空气更为剧烈，造成霜冷灾害更趋多发。在此期间，中国气候经历了多次冷暖交替的周期性波动(见图1)，导致了霜冷灾害的周期性发生［7］(见图2)。

2.4.2 中国季风气候的影响季风是陕西气候的首要特征，冬季风和夏季风的强烈转换必然影响霜冷灾害的发生。春秋两季是季风转换季节，冷暖空气对冲剧烈，而此时恰逢农作物或处于苗期花期，或处于收获成熟期，容易发生霜冷灾害。当夏季风绝对强过冬季风时，冷空气不再能够产生较大影响，霜冷灾害才会绝对减少。而当冬季风绝对强过夏季风时，陕西则处于农作物休眠时期，冷空气虽强，但不易成灾。

3 霜冷灾害空间分异特征

3.1 灾害总影响程度的空间分异

等级加权频次是对不同等级灾害分别赋予不同权重，然后对所有发生灾害进行加权求和。轻、中、重灾害权重系数分别取1，2，3。按照等级加权频次图(图4d)，霜冷灾害最宏观的空间特征表现为北多南少，灾害的空间分异与气候区、地貌区关系密切，可划分为:陕北长城沿线多灾重灾区、陕北黄土高原次多灾中灾区、关中平原次多灾中灾区、陕南秦巴山区少灾轻灾区。

图4 公元前244-公元1911年陕西年内霜冷灾害程度、频次图Fig.4 The frost and snow disaster frequency and degree in a year from 244a BC to 1911a in Shaanxi province

3.2 年内变化特征的空间分异

计算陕西县域范围不同季节霜冷灾害等级加权频次的百分比，可以用来研究各县霜冷灾害的季节特征(图6)。陕北、关中、陕南霜冷灾害的季节特征存在明显差异。陕南属于春秋灾害多发型，尤以春季为多。3-5月陕南灾害的等级加权频数占到总数的65%，8-9月陕南灾害的等级加权频数占到总数的24%，春秋季节转换期应加强防灾工作。关中属于春季多发，其他季节均衡型，3-5月灾害的等级加权频数占总数的72%，6-7月、11月至次年2月、8-10月各个阶段灾害均有可能发生，但所占百分比均比较低，对于关中县区来说，春季防霜冷灾害关系重大。陕北属于秋季多发型，其全年82%的灾害发生在秋季，秋季防霜冷灾害意义重大。

3.3 空间分异的成因

3.3.1 南北狭长的地域范围陕西南北跨3个气候区，陕南每年2-3月份作物已经开始生长，而此时夏季风尚未绝对强过冬季风，一旦遭遇较强冷空气，就会造成灾情;陕北春天推迟至4-5月份，此时夏季风已绝对强过冬季风，9-10月份陕北恰逢作物成熟期，蒙古高压已开始作用，故多秋季型灾害。关中介于两者之间，过渡性特征比较明显。

3.3.2 3列近东西向的山脉长城沿线、“北山”一线、秦岭一线是地形的转换界限，是灾害分异的基础。长城沿线靠近蒙古冷高压中心，且位于冬季风冷空气迎风坡，多灾重灾。长城沿线到“北山”之间，受长城沿线山地阻挡，多发中灾。北山至秦岭的关中平原区，地势低平，利于冷空气堆积，多发重灾。秦岭阻隔南下冷空气，陕南主要为轻灾。

图5 公元前244-公元1911年陕西年内霜冷灾害程度、频次图Fig.5 The frost and snow disaster frequency and degree in a year from 244a BC to 1911a in Shaanxi province

3.3.3 局地微地形的影响四大灾害区内部存在的差异则主要是局地微地形的影响。如陕北长城沿线地形西高东低，冷空气遇到地势高的地方，常常沿地势低的地方绕行，并在相对低平区堆积，因此地势越低平，越容易发生霜冷灾害。陕北长城沿线多灾重灾区霜冷灾害东多西少就是地形西高东低造成的。另外如关中平原霜冷灾害的多发、陕北沿洛河河道灾害多发均是因为其地形地势利于冷空气流通堆积的缘故。更细微的空间差异也主要是源于地形影响，如迎风坡往往阻挡冷空气，冷空气堆积于此，造成霜冷灾害，而背风坡恰恰相反，霜冷灾害要低发的多。陕北的少发区，陕南少发区均是这个原因造成的。

3.3.4 农业布局等人文因素关中平原自秦以来就是重要农业区，同等致灾因子会加剧灾情，故多重灾。再如长城沿线湖盆滩地是戌边的重要农牧业基地，也加剧了这一地带的灾情。