明清时期关中地区冰雹灾害及其对气候变化响应研究

王 朋，张蓓蓓，武悦萱，王苗苗

(陕西省灾害监测与机理模拟重点实验室/宝鸡文理学院 地理与环境学院，陕西 宝鸡 721013)

冰雹是从对流云中降落到地表的冰块，是大气强烈对流的一种天气过程，其特点是降雹范围小、持续时间短，但突发性强，灾害损失严重。冰雹降落会砸毁农作物，破坏建筑，对人类生命财产安全构成威胁[1]。冰雹灾害在中国境内分布广泛，由于复杂的地形地貌结构，使得冰雹灾害时空分布上存在一定差异。随着城市化进程的加快，人类活动加剧，冰雹灾害造成的经济损失范围也逐渐扩大[2-3]。

前人对冰雹灾害的研究取得了一定进展。赵金涛等[4]利用GIS技术，对中国大陆地区1950～2009年县域单元冰雹灾害频次及灾损范围进行了统计，系统分析了冰雹灾害的时空分布规律。何太蓉等[5]利用1901～2010年冰雹统计数据，探讨了重庆市近110年冰雹灾害时空特征，认为冰雹灾害空间分布差异与冷空气路径、地形地貌分布有关。史莲梅等[6利用冰雹灾害灾损数据，构建冰雹灾害风险评估体系，对新疆冰雹灾害经济损失和风险区划进行了研究，建议调整第一产业结构，加强人工对冰雹形成干预等方式，降低冰雹灾害造成的损失。包云轩等[7]利用江苏省近70个气象台站冰雹观测资料，分析了江苏省冰雹灾害时空特征，认为江苏省冰雹灾害时空分异与全球气候变暖、下垫面热力属性有关。上述研究对探讨我国境内冰雹灾害时空分布规律做出了巨大贡献，对降低冰雹灾害造成的损失提出了科学建议。

已有冰雹灾害的研究成果集中在新中国成立以后，而对历史时期冰雹灾害研究较少。本文基于史料中冰雹灾害记录，对明清时期(1368～1911年)关中地区冰雹灾害时间序列分布特征进行了研究，并探讨其对气候变化响应和形成因素，以期为降低冰雹灾害造成的损失提供建议，为人类响应未来气候变化提供历史依据。

1 研究区概况

关中地区位于106°25′～110°30′ E和33°35′～35°55′ N之间，西起宝鸡大散关，东至渭南潼关，南接秦岭，北到陕北黄土高原。辖西安、宝鸡、咸阳、渭南、铜川五市，东西长300 km2，南北宽窄不一，平均海拔约500 m，面积约3.4万km2。关中地区属大陆性季风气候，年均温6～13 ℃，年降水量500～800 mm，降雨集中在6～9月份，多为短时暴雨，冬春降水较少，春旱、伏旱频繁。该区以平原地形为主，夹持于陕北高原与秦岭山脉之间，为喜马拉雅运动富饶的渭河平原时期形成巨型断陷带，不仅有黄土堆积其间，还有渭河及其两侧支流携带大量泥沙填充淤积其中，土壤肥沃，境内有黄河、渭河、洛河、泾河等河流经过，水源充足，十分适宜耕作。

2 数据来源与方法

2.1 数据来源

明清时期起止时间是1368～1911年，文中数据主要来源于《中国气象灾害大典·陕西卷》[8]、《陕西历史自然灾害简要纪实》[9]、《中国灾害通史：清代卷》[10]、《中国3000千年气象记录总集》[11]。

2.2 冰雹灾害等级划分

轻度雹灾(1级)：冰雹成灾范围较小，对农作物生长和农业生产活动造成影响较小。明洪武五年(1372年)，五月至七月，凤翔雨雹伤豆麦；清康熙四十八年(1709年)，四月初九日，周至雨雹伤禾。

中度雹灾(2级)：冰雹成灾范围较广，农作物因雹灾减产，损坏房舍，无法进行生产活动，减免赋税。明万历六年(1585年)，四月，渭南大雨雹，损二麦；清康熙二十年(1681年)，八月十二日，周至雷电自东北而南，冰雹随之，大如弹丸，禾稼大伤。

特大雹灾(3级)：冰雹粒径大，灾损严重，禾稼尽伤，收成无望，房舍多数损害，砸伤人畜鸟兽，民众生命财产受到重大损失。明嘉靖二十九年(1550年)，六月，蒲城暴风冰雹，有如斗大者，数日不消，树屋人畜大伤；清光绪十五年(1889年)，五月十五日，礼泉县风陡起拔木，雷电交作，降雹如鸡卵，击毙鸟兽无数，禾苗树叶尽无。

3 结果与分析

3.1 冰雹灾害等级变化

按照冰雹灾害划分等级，统计出不同等级冰雹灾害在时间序列上的分布。由图1可知，明清时期关中地区轻度雹灾、中度雹灾、特大雹灾分别发生了48、36、16次，占冰雹灾害总频次的比例依次是48%、36%、16%。其中轻度雹灾平均每11年发生1次，集中发生在16世纪中叶到17世纪中叶、18世纪中叶到20世纪初叶；中度雹灾平均每15年发生1次，集中发生在17世纪后半叶、18世纪中叶、19世纪后半叶；特大雹灾平均每34年发生1次，集中发生在17世纪中叶和19世纪后半叶。

图1 明清时期关中地区冰雹灾害等级序列

3.2 冰雹灾害月份变化

按照农历月份统计出明清时期关中地区冰雹灾害不同月份发生频次。由图2可知，冰雹灾害在农历4月发生频次最高，发生了27次，其次是6月、7月、5月和3月，分别发生了18、15、14和13次，8月、9月、10月、11月、1月发生频次较少，仅分别发生了8、2、2、2、1次，11月和2月均未发生冰雹灾害。按照农历季节划分，冰雹灾害集中发生在春季和夏季，秋季和冬季分布较少。

3.3 冰雹灾害年际变化

明清时期关中地区544年共发生100次冰雹灾害，平均每5.4年发生1次。以20年为间隔建立明清时期关中地区冰雹灾害年际变化序列。由图3可知，明清时期关中地区冰雹灾害频次年际分布不均，按发生频次可分为4个阶段。1368～1531年为第一阶段，共发生11次冰雹灾害，平均每9.5年发生1次；1532～1671年为第二阶段，共发生28次冰雹灾害，平均每5年发生1次；1672～1731为第三阶段，共发生2次冰雹灾害，平均每30年发生1次；1732～1911年为第四阶段，共发生59次冰雹灾害，平均3.5年发生1次。第一阶段和第三阶段是冰雹灾害少发阶段，第二阶段和第四阶段是冰雹灾害频发阶段。明朝和清朝初期冰雹灾害少发，明朝和清朝晚期冰雹灾害频发。

图2 明清时期关中地区冰雹灾害月份变化

图3 明清时期关中地区冰雹灾害年际序列

由图4明清时期关中地区冰雹灾害距平累积序列可知，明清时期关中地区冰雹灾害波动变化趋势明显，1368～1642年和1672～1737年整体波动下降，1643～1671年和1738～1764年整体波动上升，1765～1879年整体缓慢上升，1880～1911年快速上升阶段。明清时期关中地区冰雹灾害阶段特征显著，总体呈现下降-上升-下降-上升交替变化趋势。

图4 明清时期关中地区冰雹灾害距平累积序列

3.4 冰雹灾害周期变化

利用MATlab软件中的Morlet小波模块，分析明清时期关中地区冰雹灾害时间序列下的周期变化。由明清时期关中地区冰雹灾害小波实部(图5)和小波方差(图6)可知，明清时期关中地区冰雹灾害存在3～6 a、17～22 a、40～50 a、60～70 a四类时间尺度的变化周期，其中60～70 a周期对应峰值是66 a，震荡最强，是冰雹灾害时间序列第一主周期；40～50 a周期对应峰值是44 a，是第二主周期；17～22 a周期对应峰值是20 a，是第三主周期；3～6 a周期对应的峰值是4 a，为最小震荡周期。

3.5 冰雹灾害对气候变化的响应

葛全胜[12]、方修琦[13]、魏灯柱[14]等对中国过去2000年气候变化进行了研究，千年尺度下气候冷暖交替变化对区域间降水、旱涝灾害分布影响较大。受地形地貌、大气环流等因素影响，区域间气候变化又存在一定差异，其变化也更为复杂。祁连山东部沿秦岭山脉西侧地区16世纪后半叶至17世纪初、18世纪后半叶气候较温暖湿润，15世纪和17世纪后期至18世纪20年代气候颇为干燥[15-16]。朱士光等[17]认为关中地区16世纪80年代至17世纪30年代、17世纪后半叶及19世纪30年代气候颇为寒冷干燥，16世纪初至70年代、18世纪、19世纪前半叶气候较为温暖湿润。邵雪梅等[18]利用树轮重建青海德令哈地区千年降水，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个时段降水最少。

由图7明清时期关中地区冰雹灾害5年滑动平均可知，15世纪前半叶、17世纪后半叶到18世纪初叶以及19世纪前半叶冰雹灾害发生频次较少，表明该时期气候寒冷干燥，降水偏少。15世纪后半叶到17世纪前半叶、18世纪30～60年代、18世纪后半叶至20世纪初叶冰雹灾害发生频次较高，表明该时期气候相对温暖湿润，降水偏多。15世纪气候整体偏寒冷干燥，冰雹灾害整体发生频次较低。

4 讨论

自然环境因素是诱发气象灾害发生的主导因素，但人类活动作用也不可忽视。人类活动改变了原有的自然环境面貌，自然环境作为一个整体，某一要素改变会使得整个系统发生变化。唐霞等[19]对历史时期黑河流域旱涝灾害成因进行了分析，认为人口数量增加导致对土地过度垦殖，加剧了旱涝灾害的发生。解明恩等[20]研究指出：人口数量剧增、加大对森林等自然资源的开发力度，导致水土流失等一系列环境问题发生，是影响云南省气象灾害频发的重要因素。陈莹等[21]利用中国耕地面积数据对19世纪以来中国洪涝灾害成因进行了分析，认为人类过度湖泊围垦等活动是影响旱涝灾害发生的重要原因。随着生产力的发展，明清时期陕西地区人口发生了急剧变化。明朝洪武初年(1381年)陕西地区人口约216万，到明朝万历六年(1578年)人口接近450万，清朝乾隆十六年(1751年)人口约680万，清朝宣统二年(1910年)人口约807万，从明朝初期到清朝晚期陕西地区人口急剧增加了590万，面对庞大的人口总量，清政府颁布了《垦荒令》，实施人口迁移政策，加大对土地和自然资源的开发力度，以供养更多人口生存，必然会引发一系列环境问题[22]。明清时期关中地区冰雹灾害的发生与该时期人口数量急剧增加和人类活动更加频繁密切相关。

图5 明清时期关中地区冰雹灾害小波实部等值线图

图6 明清时期关中地区冰雹灾害小波方差图

图7 明清时期关中地区冰雹灾害5年滑动平均

5 结论

(1)明清时期关中地区共发生100次冰雹灾害，平均每5.4年发生1次，其中轻度雹灾、中度雹灾、特大雹灾分别发生了48、36、16次，占冰雹灾害总频次的比例依次是48%、36%、16%。

(2)明清时期关中地区冰雹灾害月份差异显著，农历4月发生频次最高，其次是6月、7月、5月和3月，8月、9月、10月、12月、1月发生频次较少，11月和2月均未发生。按照农历季节划分，冰雹灾害集中发生在春季和夏季，秋季和冬季分布较少。

(3)明清时期关中地区冰雹灾害频次年际分布不均，整体呈现波动变化，按发生频次可分为4个阶段。第一阶段(1368～1531年)和第三阶段(1672～1731年)是冰雹灾害频发阶段，第二阶(1532～1671年)段和第四阶段(1732～1911年)是冰雹灾害少发阶段。冰雹灾害存在66、44、20、4 a四类时间尺度下的变化周期。

(4)明清时期关中地区冰雹灾害对气候冷暖干湿变化有较好对应关系，偏冷期，气候寒冷干燥，降水偏少，冰雹灾害发生频次低。偏暖期，气候相对湿润，降水偏多，冰雹灾害发生频次高。15世纪气候整体偏寒冷干燥，冰雹灾害发生频次较少。

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