1949—2014年京津冀地区霜雪低温灾害时空变化

王亚辉孟万忠郝小刚

（太原师范学院历史地理与环境变迁研究所，山西晋中 030619）

1949—2014年京津冀地区霜雪低温灾害时空变化

王亚辉，孟万忠，郝小刚

（太原师范学院历史地理与环境变迁研究所，山西晋中 030619）

通过对1949—2014年京津冀地区霜雪低温灾害资料的收集整理，应用数理统计和小波分析法对这一时期京津冀地区霜雪低温灾害的等级、时空分布特征、周期规律以及与ENSO事件相关性进行分析。结果表明，1949—2014年京津冀地区霜雪低温灾害共发生114次，其中1级、2级、3级霜雪低温灾害的发生频次分别为28次、53次、33次；灾害的变化可分为三个阶段，第一阶段为1949—1976年，第二阶段为1977—1998年，第三阶段为1999—2014年，第一阶段和第三阶段霜雪低温灾害发生频次较少，第一阶段以1级和2级灾害为主、第三阶段以2级和3级灾害为主，第二阶段霜雪低温灾害发生频次较高，以2级和3级灾害为主；小波分析得出，灾害存在着4个明显的主周期，即7a、13a、24a、38a左右的周期；拉尼娜事件与京津冀地区霜雪低温灾害的发生关系较显著。

京津冀；霜雪低温灾害；时空变化；小波分析；灾害等级

0 引言

在全球气候变暖的大背景下，霜雪低温灾害发生次数并未因此减少，并且随着经济的发展和人口的增长，霜雪低温灾害的破坏程度越来越强，霜雪低温灾害的研究得到了学者们的广泛关注。霜冻方面，钟秀丽等［1］对近20年来的霜冻灾害的发生以及预防做了研究，并提出了预防霜冻的对策。 Katrina Richards等［2］以温度为指标，研究了新西兰南部霜冻和霜冻风险的空间分布。雪灾方面，郝璐等［3］基于省级报刊和气象部门统计资料，重建了中国1949—2000年雪灾的时空分布格局，揭示了雪灾格局形成的机制。Stanley A．Changnon等［4］利用美国历史时期雪灾资料分析了美国暴风雪灾的时空分布。近年来，学者们开始整体上对某一区域的霜雪低温灾害进行研究，前人已对山西历史时期不同阶段霜雪低温灾害的发生频次、时空分布和周期规律进行了研究，得出山西霜雪低温灾害的发生存在着阶段性和周期性［5－8］。 罗小庆等［9］对鄂尔多斯高原清代霜雪灾害的等级、发生频次以及周期规律进行了分析，揭示了霜雪灾害发生周期和成因。邢闪［10］等通过对清代陕南地区霜雪灾害发生频次的统计，对其进行等级、阶段变化和周期规律进行研究，得出这一时期陕南地区各等级灾害具有周期性且集中性强。

目前对京津冀地区霜雪低温灾害的研究较少，该区域处于中纬度，冷暖气团活动频繁，常有霜雪低温灾害出现，给经济建设和生产生活带来一定的影响。研究该地区的霜雪低温灾害有利于当地经济的发展，是生产实践中有效防灾减灾的基础。本文基于1949—2014年京津冀地区霜雪低温灾害发生频次，对其等级、时空分布特征、周期规律、与ENSO事件相关性进行研究，旨在为该地区霜雪低温灾害的防治提供一定的依据。

1 研究区概况和资料

京津冀地区位于北纬 36°03′～ 42°49′，东经113°27′～119°50′之间，包括北京市、天津市和河北省，地势西北高，东南低，西部为太行山脉、与山西省相邻，东北一隅与辽宁省相邻，北部为张北围场高原，南部为河北平原，与河南、山东毗邻。属温带大陆性季风气候，年平均气温介于4～13℃之间，年平均降水量为350～770mm［11］，寒潮是这一区域重要灾害性天气过程，产生低温、大风、风雪等天气。

以《中国气象灾害大典·河北卷》［12］、2002—2015年《河北经济年鉴》［13］、《河北省志·气象志》［14］、《中国气象灾害大典·天津卷》［15］、《天津通志·气象志》［16］、《中国气象灾害大典·北京卷》［17］、2005—2015 年《中国气象灾害年鉴》［18］等资料为依据，对京津冀地区1949—2014年的霜雪低温灾害发生次数进行统计分析。

2 灾害时空变化

2.1 灾害等级划分

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［19］。根据霜雪低温灾害发生持续的时间、影响范围的大小以及对当地人民生产和生活的影响程度等，并以所收集到的1949—2014年京津冀地区霜雪低温灾害资料为依据，以《中华人民共和国气象行业标准》中关于霜冻和雪灾的等级划分为标准，将1949—2014年京津冀地区霜雪低温灾害划分为3个等级（表1）。

表1 1949—2014年京津冀地区霜雪低温灾害等级划分Tab．1 Gradation of frost⁃snow and low⁃temperature disasters in Beijing⁃Tianjin⁃Hebei region during 1949 and 2014

根据以上等级划分，将1949—2014年京津冀地区共发生的114次霜雪低温灾害表示在图1当中，得出1级霜雪低温灾害共发生28次，占灾害发生总次数的24.6%；2级霜雪低温灾害共发生53次，占灾害发生总次数的46.5%，其中，1957年、1958年、1959年连续3年发生了2级霜雪低温灾害；3级霜雪低温灾害共发生33次，占灾害发生总次数的28.9%。在1949—2014年期间，京津冀地区2级霜雪低温灾害的发生较频繁，对该地区影响较大。

2.2 频次变化

图1 1949—2014年京津冀地区霜雪低温灾害等级变化Fig．1 Change of grade of frost⁃snow and low⁃temperature disasters in Beijing⁃Tianjin⁃Hebei region during 1949 and 2014

将1949—2014年每2年霜雪低温灾害实际发生的频次与66年每2年平均频次做差值，得出灾害发生频次的距平值（表2）。根据其距平值得出1949—2014年京津冀地区霜雪低温灾害发生的阶段性特征以及变化趋势。在整体上，1949—2014年霜雪低温灾害发生频次和等级可以分为3个阶段，第一阶段为1949—1976年，期间共发生灾害32次，距平值主要为负值，表明灾害发生次数较少，灾害等级主要以1级和2级为主。第二阶段为1977—1998年，期间共发生灾害60次，距平值主要为正值，表明灾害发生次数较多，灾害等级主要以2级和3级为主。第三阶段为1999—2014年，期间共发生灾害22次，距平值主要为负值，表明灾害发生次数较少，灾害等级主要以2级和3级为主。

表2 1949—2014年京津冀地区霜雪低温灾害频次变化Tab．2 Change of frequencies of frost⁃snow and low⁃temperature disasters in Beijing⁃Tianjin⁃Hebei region during 1949 and 2014

2.3 季节变化

春季寒潮易冻伤作物幼苗，秋季寒潮易影响作物成熟，冬季寒潮会危害作物越冬。季节变化对霜雪低温灾害的发生有重要的影响。由表3得出，1949—2014年京津冀地区霜雪低温灾害的季节变化特征，春季发生霜雪低温灾害次数最多，共42次，占灾害总数的36.3%，其中低温灾害出现频次较多，倒春寒是发生在该地区春季主要的低温冻害类型，常给农业生产带来危害，晚春气温骤降，气温偏低，农作物和果树花芽极易受冻。其次，冬季霜雪低温灾害发生次数较多，共37次，占灾害总数的32.8%，以低温冻害和雪灾为主，低温灾害是最常见的一种自然灾害，当环境温度低于正常水平，会给自然界和人类带来某些不利影响［20］，雪灾是因为降雪量大，持续时间长，雪层维持时间长给越冬作物、畜牧业、交通运输和人民生产活动带来灾害。秋季霜雪低温灾害共发生23次，占灾害总数的20.3%，以霜冻灾害为主，秋季受冷空气的影响，使得入秋后地面温度降到0℃及以下，发生霜冻灾害，造成未成熟秋作物受冻减产。夏季霜雪低温灾害发生次数少，一般不会出现霜灾和雪灾，一旦出现，主要是由冬季风活动异常造成的，一般出现在夏初。根据资料［12］记载，1994年5月2—4日，承德、张家口两市区的滦平、平泉、尚义、赤城、沽源、怀来6县92个乡镇由于受冷空气影响，气温骤降，雨雪交加，雪冰凝结，并伴有大风天气，受灾乡镇平地积雪40～70cm。由以上分析得出，1949—2014年京津冀地区霜灾主要发生在春季和秋季，低温集中在春季，雪灾集中在冬季，与已有研究［5］山西霜雪灾害季节变化特征结果基本一致。

2.4 空间分布特征

京津冀地区共203个县（市、区），其中北京市包括16个市辖区，天津市包括16个市辖区，河北省包括171个县（区）［21］。 绘制1949—2014年京津冀地区霜雪低温灾害等级空间分布图（图2）和1949—2014年京津冀地区霜雪低温灾害发生频次空间分布图（图3）。从图2和图3中得出，京津冀地区霜雪低温灾害发生频次较多的地区主要为位于坝上高原的张家口北部地区和承德市的丰宁、围场地区，且这些地区整体上灾害发生等级高；其次位于冀西北的张宣盆地、阳原盆地、蔚县盆地等地区灾害发生频次也相对较多且等级高；河北平原灾害发生频次较少，等级低。表明地形是影响京津冀地区霜雪低温灾害发生的重要因素。

表3 1949—2014年京津冀地区霜雪低温灾害发生季节Tab．3 Seasonal difference of frost⁃snow and low⁃temperature disasters in Beijing⁃Tianjin⁃Hebei region during 1949 and 2014

图2 1949—2014年京津冀地区霜雪低温灾害等级空间分布图Fig．2 Spatial distribution of grade of frost⁃snow and low⁃temperature disasters in Beijing⁃Tianjin⁃Hebei region During 1949 to 2014

2.5 周期规律

用 Moret小波分析［22－23］对 1949—2014 年京津冀地区霜雪低温灾害发生的时间与频次进行处理分析，得出不同时间尺度下灾害的周期变化关系图（图4）。通过对小波系数实部值计算，当小波变换系数实部值为正数时，用实线表示，表明信号较强且周期显著，灾害发生频次较多；为负数时用虚线表示，表明信号较弱且周期不显著，灾害发生频次较少（图4a）。由图4a得出，1949—2014年京津冀地区霜雪低温灾害的发生周期存在着多时间尺度的特征，且出现不同尺度的周期相互嵌套的现象；其中，在20－30a尺度上存在着霜雪低温灾害低发期与高发期的准3次震荡，且在整个分析时段呈现出较稳定的特征，具有全域性。通过对不同时间尺度下小波方差的计算得出小波分析方差图（图4b），得出霜雪低温灾害发生的主要周期，由图4b显示，存在4个峰值，分别为38a、25a、13a、7a的时间尺度。 其中，38a时间尺度对应着最大峰值，表明38a左右周期震荡强烈，为灾害发生的第一主周期；25a左右、13a左右、7a左右分别对应着第二、三、四主周期。1949—2014年京津冀地区霜雪低温灾害在25a、7a左右的周期与已有研究［5］山西地区霜雪灾害存在5～8a、25～35a的周期基本一致。

图3 1949—2014年京津冀地区霜雪低温灾害发生频次空间分布图Fig．3 Spatial distribution of frequency off rost⁃snow and low⁃temperature disasters in Beijing⁃Tianjin⁃Hebei region during 1949 and 2014

图4 1949—2014年京津冀地区霜雪低温灾害小波分析Fig．4 Wavelet analysis of frost⁃snow and low⁃temperature disasters inBeijing⁃Tianjin⁃Hebei region during 1949 to 2014

2.6 ENSO事件与京津冀地区霜雪低温灾害相关性

表4 京津冀地区霜雪低温灾害X2检验Tab．4 X2⁃test off rost⁃snow and low⁃temperature disasters in Beijing⁃Tianjin⁃Hebei region during 1949 and 2014

通过统计分析，分别对厄尔尼诺和拉尼娜事件期间京津冀地区霜雪低温灾害县次进行X2检验，得出厄尔尼诺事件期间X2＝1.018，拉尼娜事件期间X2＝4.061，表明拉尼娜事件期间京津冀地区发生霜雪低温灾害的县次较多于常年，厄尔尼诺事件与京津冀地区霜雪低温灾害关系不显著。

3 讨论

3.1 霜雪低温灾害的成因

霜雪低温灾害主要是由于寒潮大风引起的霜冻、低温冻害和雪灾等灾害性天气。霜冻是指在夜间和早晨，地面最低温度骤然降到0℃以下，使当地农作物遭受冻害的低温现象，严霜使大部分农作物受冻致死。如1995年9月9－10日的霜冻使河北省各种农作物全部受灾，受灾最重的农作物是玉米、谷物、油料，这次严重霜冻灾害的特点是来的早、来势猛、受灾面积大，危害涉及17个县区、286个乡镇、3845个村庄，农作物受灾面积47.8万公顷［12］。低温冻害主要是由于寒潮的出现，当冷空气入侵京津冀地区，使得大范围地区的气温突降，是冬季影响京津冀地区主要的灾害性天气。如1976年12月下旬至1977年2月中旬，河北省出现30年来罕见的严寒天气。持续低温，使渤海结冰较厚，冬小麦遭受严重冻害［12］。雪灾是因降雪量过大，积雪厚，给越冬农作物、畜牧业、日常生产和生活带来的灾害。如1979年2月20日至4月上旬，张家口地区坝上4县和承德地区的丰宁连下6场大雪。最后一场大雪，平地积雪50cm深，其他几场也都在17cm左右，整个坝上积雪覆盖，交通阻断，柴草被掩埋，牲畜牛羊无法放牧，小羊大量死亡［12］。其共同的特点是气温降低到一定程度进而对社会生活产生一定破坏。因此，低温是造成京津冀地区霜雪低温灾害发生的主要原因。

3.2 不同区域霜雪低温灾害发生的一致性

1949—2014年京津冀地区霜雪低温灾害的季节变化特征为春季是霜冻和低温灾害高发期，秋季为低温灾害高发期，冬季为雪灾高发期，与已有研究［5］山西霜雪低温灾害季节变化特征方面存在着一致性。京津冀地区和山西同为温带大陆性季风气候，冬季受蒙古冷高压影响，常造成大幅度降温天气，形成降雪；春季气温回升较快，气旋活动频繁，导致天气多变，容易发生霜冻和低温灾害；秋季，受冷高压的影响，冷空气侵入，使局地降温加剧，造成霜冻灾害。表明霜雪低温灾害的季节变化特征与气候类型有关，由于山西地处黄土高原地区，而京津冀大部分地区处于平原，因此灾害发生频次上山西高于京津冀地区。

1949—2014年京津冀地区霜雪灾害存在着短期7a左右、中期13a左右、25a左右和长期38a左右的主周期变化规律，在7a左右和25a左右与已有研究［5］山西霜雪灾害存在着5～8a、25～35a的周期规律存在一致性。京津冀地区在1991—1995年间和1987年发生了霜雪低温灾害与已有研究［5］山西在1993—1995年间和1987年发生霜雪低温灾害结果存在一致性。

在区域背景存在差异的条件下，京津冀地区和山西霜雪低温灾害的季节变化特征、周期规律、发生年份存在着一致性，表明气候变化对霜雪低温灾害的发生有重要的影响，影响范围是大尺度的。因此，判断气候变化与霜雪低温灾害的发生是否存在着一致性，需对较大地域范围的霜雪低温灾害进行研究，对临近地区霜雪低温灾害进行比较研究具有重要的意义，才能对不同时期霜雪低温灾害发生原因和周期进行更加全面的研究。

4 结论

（1）1949—2014年京津冀地区共发生霜雪低温灾害114次，2级霜雪低温灾害占比较大，占灾害发生总次数的46.5%，共发生53次；其次，3级霜雪低温灾害占灾害发生总次数的28.9%，共发生33次；1级霜雪低温灾害占比较小，占灾害发生总次数的24.6%，发生28次。灾害发生具有阶段性特点，分为3个阶段，分别为1949—1976年、1977—1998年、1999—2014年。 第一、三阶段灾害发生频次少，第一阶段灾害等级主要以1级和2级为主，第三阶段灾害等级主要以2级和3级为主，第二阶段灾害发生频次多，灾害等级主要以2级和3级为主。

（2）1949—2014年京津冀地区霜雪低温灾害发生多集中在春季和冬季，具有显著的季节性特点。雪灾多集中在冬季，霜冻灾害多集中在秋季，低温灾害多集中在春季和冬季。空间分布上具有显著的地域性特点，主要集中区域的西北部。

（3）小波分析得出，1949—2014年京津冀地区霜雪低温灾害存在着短期7a左右、中期13a左右、25a左右和长期38a左右的主周期变化。低温是造成京津冀地区霜雪低温灾害发生的主要原因。相关性分析表明，拉尼娜事件与京津冀地区霜雪低温灾害的发生有一定的相关性。

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Spatial and Temporal Changes of Frost⁃snow and Low⁃temperature Disasters in Beijing⁃Tianjin⁃Hebei Region from 1949 to 2014

Wang Yahui， Meng Wanzhong， Hao Xiaogang
（Research Institute of Historical and Environmental Evolution Taiyuan Normal University Jinzhong030619，China）

Through collecting and collating the data of frost⁃snow and low⁃temperature disasters in Beijing⁃Tianjin⁃Hebei region from 1949 to 2014， this paper， by adopting data statistics and wavelet analysis， analyzed the disasters from the aspects of the grade， the spatial and temporal distribution features， the periodical rules， and the correlation with ENSO event．As the result show， the number of such disasters totals 114， of which disasters of Grade 1， Grade 2， and Grade 3 number 28， 53 and 33 respectively．The disaster changes can be divided into three stages， with the first stage spanning from 1949 to 1976，the second from 1977 to 1998，and the third from 1999 to 2014．The disaster frequency in the first and third stages is relatively low，with disasters in the first stage being mainly Grade 1 and Grade 2 and those in the third stage Grade 2 and Grade 3．The disaster frequency in the second stage is high and the disasters are mainly of Grade 2 and Grade 3．According to the wavelet analysis， there exist 4 prominent major periods—7a， 13a， 25a， and 38a periods， and a relatively marked corration exists between La Nina event and the frost⁃snow low temperature disasters in Beijing⁃Tianjin⁃Hebei region．

Beijing⁃Tianjin⁃Hebei region； frost⁃snow and low⁃temperature disaster； spatial and temporal changes；wavelet analysis；the grade of disaster

K903 文献标识码：A 文章编号：1673－8047（2017）03－0044－08

2017－07－20

国家自然科学基金面上项目（41671142）．

王亚辉（1991—），女，硕士研究生，研究方向为区域历史环境变迁。

孟万忠（1971—），男，博士，教授，主要从事历史地理与环境变迁及GIS研究。