清代宁夏地区气象灾害时空分异特征研究

摘要：通过对宁夏地区灾害史料的搜集整理与量化处理，运用数理统计和小波分析等方法，借助Matlab、ArcGIS和SPSS等软件工具，对清代（1644—1911年）宁夏地区干旱、洪涝、霜雪、冰雹和风沙等5类主要气象灾害的频率特征、时空分布以及各灾种之间的相关性等进行研究.结果显示，清代宁夏地区主要气象灾害的发生频次由高到低分别为洪涝、冰雹、干旱、霜雪和风沙；时间分布上，各类气象灾害发生情况整体呈现波动上升的趋势，具有低—高—低—高的频次分布规律，Morlet小波分析则显示清代宁夏地区气象灾害存在强显著的59a的长变化周期；在空间分布上，干旱、冰雹灾害呈现南多北少的分布趋势，洪涝灾害则多分布于北部平原的引黄区，而霜雪、风沙灾害的分布特征较不明显；在气象灾害系统内存在洪涝和冰雹的极显著正相关，此外霜雪、冰雹、干旱3类灾害也呈现一定的正相关.

关键词：宁夏地区；气象灾害；时空分异；相关性分析；清代

中图分类号：K903；X4文献标志码：A

Spatial and Temporal Characteristics of Meteorological"Disasters in Ningxia during Qing Dynasty

ZHNAG Panpan， HU Yubing

（College of Letters， Ningxia University，Yinchuan 750021， China）

Abstract： In this paper， through the collection and quantitative processing of disaster historical data in Ningxia region， using mathematical statistics and wavelet analysis methods， with the help of Matlab， ArcGIS and SPSS software tools， the frequency characteristics， spatio-temporal distribution and correlation of five major meteorological disasters， including drought， flood， frost and snow， hail and wind and sand， were investigated and studied in Ningxia in the Qing Dynasty （1644-1911 AD）. The results show that the frequency of major meteorological disasters in Ningxia region during Qing Dynasty was flood， hail， drought， frost and snow， wind and sand respectively; the temporal distribution of the occurrence of various types of meteorological disasters as a whole showed an upward trend of fluctuation with a low-high-low-high frequency distribution pattern. Morlet wavelet analysis showed that there was a strong and significant 59a long change cycle of meteorological disasters in Ningxia during Qing Dynasty; in the spatial distribution， drought and hail disasters showed a distribution trend of less in the south and less in the north， and flood disasters are mostly distributed in the yellow-introducing area of the northern plains， while the distribution characteristics of frost， snow and sand disasters were less obvious; there was a highly significant positive correlation between floods and hailstorms in the meteorological disaster system， in addition， frost， snow， hail and drought disasters also showed a certain positive correlation between the three types of disasters， namely frost， snow and sand， which is very important for the development of meteorological disaster systems.

Key words： Ningxia region; meteorological disasters; spatial and temporal variability; correlation analysis; Qing dynasty

气象灾害是世界公认的发生最为频繁、最严重的自然灾害之一［1］，而我国以其复杂的地理环境、多变的气候条件及相对脆弱的生态系统，成为世界上受气象灾害影响最为严重的国家之一.近些年，在全球变暖和极端气候事件频发的背景下，气象灾害在我国各地的发生也更加频繁，极大地损害了国民经济发展和人民生命财产安全.即使在灾害预警和检测能力显著提升的当下，气象灾害对人类社会的危害依然不容小觑，可见在封建小农经济为主的清代社会，各类气象灾害的影响必然更为显著.研究历史时期气象灾害的变化规律，对今后更准确地分析和预测现代气象灾害的形成和演变特征以及区域防灾减灾具有重要的预警意义［2］.

宁夏地处黄河上游，境内高原、山地、平原与荒漠交错分布，加之其位于我国季风区和非季风区的过渡地带，整体地形地貌复杂多样，气候条件差异明显，自然灾害尤其频繁.作为西北地区重要的商品粮基地之一，宁夏地区的农业开发历史悠久，而清朝更是大兴水利，新辟大清、惠农、昌润等渠，将宁夏的农业发展推进到一个新的历史阶段［3］.得益于农业生产的快速发展，严重危害农业发展的气象灾害在与本区相关的历史文献中有着翔实的记载，这为探讨历史时期宁夏地区气象灾害发生发展的情况提供了重要支撑.

基于历史文献资料对我国古代气象灾害的研究早已有之，竺可桢、满志敏等前辈学者笔耕不辍，为我们开辟了一条行之有效的研究路径，众多学者接续发展，在研究技术、方法和思路等多个方面都做出了诸多贡献.而针对宁夏地区古代气象灾害的研究成果则相对较少，上世纪八十年代，一些气象工作者首开其端，如灵提多［4］通过对比1749—1957年间太阳黑子活动与“黄河中游干旱区”旱灾的发生情况，认为二者之间存在着密切的正相关，即太阳黑子活动强烈时，旱灾发生概率也较高；梁旭［5］则对本区1300—1987年间有记录的气象灾害进行了初步梳理与统计分析，并对重大气象灾害的影响特点进行了简要总结.然而此后的20余年内，相比拥有大量测量数据的现代气象灾害研究，宁夏历史时期气象灾害和气候变化的研究却陷入了停滞.21世纪以来，一些学者重新将目光聚焦于历史时期宁夏地区的气象灾害研究，如李艳芳、赵景波等［6］利用Matlab和MapInfo等软件工具，以1644—1911年间的灾害史料为中心，对宁夏吴忠一带的洪涝灾害进行了统计与分析；张允、赵景波［7］也同样对清代西海固地区旱灾的时空特征、等级序列和相关成因进行了总结分析.此外，王功、刘锦增等学者也从不同的学科背景出发，对本区明清以来的干旱、洪涝等气象灾害进行了相关研究.总之，基于文献资料对宁夏地区气象灾害的现有研究成果多集中在单一灾种的讨论，缺乏对气象灾害系统的整体关注.同时，在灾害史料的量化统计中，也存在着资料未能穷尽、统计标准不一等问题.

本文在广泛吸收前人研究的基础上，重新梳理宁夏气象灾害史料，对有清一代268年间宁夏地区的干旱、洪涝、霜雪、冰雹和风沙等5类主要气象灾害进行等级量化处理；借助Matlab、SPSS、ArcGIS等软件工具，进一步分析其频率变化、时空分异、灾害系统内部的相关性等，以期有补于本区灾害史研究.

1研究区域概况

本文所言宁夏地区即今宁夏回族自治区全境，其地处黄河上游，位于35°14′N～ 39°23′N，104°17′E～107°39′E之间，今有银川、石嘴山、吴忠、固原、中卫5个地级市，下辖青铜峡市、贺兰县、兴庆区等22个市县区，总面积约6.64万km2，大致包括清代宁夏府的平罗县、宁夏县、宁朔县、中卫县、灵州和平凉府的固原直隶州、隆德县、化平川厅等处.全区地势南高北低，呈阶梯状下降，区内高原、山地、平原、丘陵等地貌交错分布，地形相对高差可达2 000 m，属温带大陆性半干旱半湿润气候，南北降雨量相差较大，南部山区年平均降雨量400 mm，北部引黄区年平均降雨量仅为157 mm.

2数据资料与研究方法

2.1数据来源

本文以《中国三千年气象记录总集》《中国灾害通史·清代卷》《西北灾荒史》《宁夏气象志》《宁夏水旱自然灾害史料》《中国气象灾害大典·宁夏卷》等现代汇编资料为中心，结合正史实录、地方旧志、宫藏档案以及其他史志材料对清代宁夏地区干旱、洪涝、霜雪、冰雹、风沙这5类气象灾害记载进行甄别、筛选，务求统计数据全面和精确.

在资料量化统计过程中，采取较为泛用的年次地次统计法，对各类气象灾害逐年逐地分别统计.量化统计中的最小时间单元是年，对年内灾害发生情况不做讨论，即同一灾害在一年内发生多次仍以1次来计，不同灾害在同一年内的发生情况则分别统计；在空间上的最小统计尺度对应1911年宁夏地区各州、厅、县，但考虑到建制沿革等情况，会对部分情况作归并处理.

2.2研究方法

2.2.1等级分析法

灾害研究中的等级划分由来已久，但适用于各类气象灾害的完善分级体系目前尚未建立.本文根据较为通行的历史灾情比对法，提取灾害史料中的关键词句记录，按照灾害描述、自然响应和社会响应等，将气象灾害划分为轻度、中度和重度3个等级（表1），并绘制灾害等级序列图对气象灾害进行定量研究.

2.2.2时空分析

采用Morlet小波函数分析，以Morlet为基小波，在Matlab R2018a软件中，利用灾害频次数据得出小波系数实部等值线图和小波方差图，对气象灾害等级序列的周期性特征进行研究.同时利用ArcGIS10.8软件绘制各类气象灾害频次空间分布图，对其空间分布特征进行研究.

2.2.3相关性检验

在对气象灾害系统内部干旱、洪涝、霜雪、冰雹和风沙这5大灾种分别以1a为时间尺度进行频次统计的基础上，借助SPSS 27软件，对各灾种发生情况进行Pearson双变量相关性检验，进而探讨各灾种之间的关联性强弱.

3结果与分析

3.1气象灾害频率与等级序列特征

基于对前述文献资料的重新梳理与统计发现，干旱、洪涝、霜雪、冰雹和风沙是历史时期宁夏地区影响最为严重的5类气象灾害.有清一代268年内，宁夏地区主要气象灾害共计发生462次，其中洪涝灾害140次，占比30.3%；干旱灾害111次，占比24.03%；冰雹灾害129次，占比27.92%；霜雪灾害59次，占比12.77%；风沙灾害仅有23次，占比4.98%（图1）.

此外，依据表1所拟灾害等级划分方法对各类主要气象灾害分别进行等级量化处理，并绘制气象灾害等级序列图（图2）.

基于以上，我们可以发现有清一代268年内，宁夏地区主要气象灾害的发生频率与灾害等级具有以下特征：

（1）干旱灾害共计发生111年次，灾发频率为2.41年/次，其中以中度干旱为主，占比高达56.76%，轻度干旱次之，约占27.02%，重度干旱再次之（16.22%）；（2）洪涝是清代本区发生最为频繁的灾害类型，高达140年次，灾发频率为1.91年/次，灾害等级以轻度和中度为主，合计占比达到了89.29%，重度洪涝虽然单次影响更大，破坏力更强，但仅在15个年次内有发生记载，占比10.71%；（3）冰雹灾害的发生频次仅次于洪涝，在129个年份均有发生，灾发频率为2.08年/次，灾害等级上仍是以轻度、中度为主，分别为44.19%和50.39%，重度雹灾7次，占比5.42%.可以看出，冰雹灾害在等级序列组成上和洪涝灾害较为相近，而在各种文献中也常见“水雹成灾”一类的记载，二者的相关性将在后文做进一步的研究；（4）霜雪灾害共计发生59年次，灾发频率为4.54年/次，轻度和中度霜雪灾害比例分别为37.29%和57.63%，重度霜雪灾害5.08%；（5）明清以来一波又一波的垦荒浪潮显著地破坏了本区的生态环境，风沙灾害逐渐成为宁夏地区不容忽视的一类气象灾害从而进入各类史志记载，在本区有记载的23个年份的风沙灾害中，中度风沙占比高达60.87%，而轻度和重度风沙分别为30.43%和8.70%.

总之，在清代宁夏地区各类气象灾害中，以洪涝最为频繁，冰雹次之，干旱再次之，而霜雪和风沙两类气象灾害发生频率明显减少，灾害影响力也显著降低.在灾害等级构成上以中度和轻度为主，重度灾害虽数量较少，但其造成的社会影响尤其严重.

3.2时间分布特征

3.2.1周期特征

为探究清代宁夏地区气象灾害总体发生的周期性特征，本文以1a为时间尺度，逐年统计各类气象灾害发生频次，进而利用Matlab 2018a和Origin 2022b软件分别绘制了小波系数实部等值线图（图3a）和小波方差图（图3b）.

图3a给出了清代宁夏地区年频次距平值的Morlet小波变换系数的实部时频变化，正值区表示灾害频次高于均值，负值区则表示灾害频次低于均值.图3a可以看出小波系数等值线在15～18a、33～35a和58～60a左右的时间尺度上有明显集中区，且发生了显著的高—低值中心的变化.而气象灾害频次小波方差图（图3b）也显示小波方差在17a、33a和59a处存在极值，因此可以得出清代宁夏地区气象灾害在268a的时间范围上存在较不明显17a左右的短周期；中等周期峰值并不突出，具有不显著的33a的准周期；而长周期约为59a，周期性振荡最为显著.

3.2.2频率特征

为了进一步查明各类气象灾害发生频率的变化特征，本文分别统计了10a尺度下清代宁夏地区干旱、洪涝、霜雪、冰雹和风沙等5类主要气象灾害的发生频次，绘制了灾害频次距平值变化图，并以最小二乘法对数据进行了六次多项式拟合（图4）.

基于图4，我们可以发现：（1）干旱灾害的发生情况大致可分为5个阶段（图4a）：1644—1713年、1774—1833年和1864—1911年的干旱频次距平值多为负数，整体的拟合曲线也多位于X轴下方，灾发频率分别为2.00次/10a、3.50次/10a和3.40次/10a，表明这三个时段为旱灾少发期.与之相对的则是1714—1773年和1834—1863年这两个旱灾多发期，其灾发频率分别为6.17次/10a和7.67次/10a，显著高于平均值4.11次/10a.

（2）洪涝灾害的发生情况可分为6个阶段（图4b）：1644—1733年、1784—1803年和1864—1883年的洪涝灾害频次距平值为负数，灾发频率分别为1.44次/10a、3.50次/10a和2.00次/10a，显著低于平均值5.19次/10a，说明这三个阶段为洪涝灾害的少发期；而1734—1783年、1804—1863年和1884—1911年这三个时段的洪涝灾害频次距平值均为正数，拟合曲线也全部位于X轴上方，可见其为洪涝灾害的多发期，其中从1804—1863年的60年内发生洪涝灾害54次，灾发频率高达9.00次/10a，几乎是无年不涝，无年不灾.

（3）霜雪灾害的发生情况大致可以分为6个阶段（图4c）：1644—1753年、1784—1823年和1864—1893年这三个时段的霜雪灾害频次距平值均为负数，为霜雪灾害的少发期，灾发频率分别为0.64次/10a、1.5次/10a和0.67次/10a，显著低于平均值2.19次/10a；与之相反，1754—1783年、1824—1863年以及1894—1911年的三个时段内的霜雪灾害的发生较为频繁，为霜雪灾害的多发期，灾发频率分别为5.33次/10a、5.25次/10a和3.89次/10a，平均灾发频率是少发期的5倍有余.

（4）冰雹灾害的发生情况大体可以分为4个阶段（图4d）：1644—1733年和1784—1803年为冰雹灾害的少发期，其灾害距平值均为负数，灾发频率仅为0.89次/10a和3.50次/10a；而在1734—1783年和1804—1911年这两个时段内，本区的冰雹灾害发生极为频繁，其灾发频率分别高达8.20次/10a和6.64次/10a，为灾害的多发期.

（5）相比于其他气象灾害，史籍有记载的风沙灾害相对较少，但整体上依然可以较为粗略地划出4个发生阶段（图4e）：在1644—1703年和1774—1843年间，本区风沙灾害距平值均为负数，其拟合曲线也全部位于X轴下方，表明整体处于风沙灾害的少发期；而在1704 —1773年和1844—1911年这两个时段内，风沙灾害的发生频率显著增加，分别达到了1.29次/10a和1.71次/10a，均高于平均值0.85次/10a，为风沙灾害的多发期.

3.3空间分布特征

通过对公元1644—1911年间宁夏地区5类主要的气象灾害发生频次的逐地统计，利用ArcGIS 10.8软件，基于中国历史地理信息系统 CHGIS Version 6下1911年的图层数据，分别绘制了清代宁夏地区干旱、洪涝、霜雪、冰雹和风沙灾害的空间分布图（图5），其空间分布特征如下：

（1）清代宁夏地区的干旱灾害高发区主要集中在中部和南部地区，总体呈现北低南高的分布特点（图5a），其中灵州、中卫县和固原州等地的旱灾最为频繁；而北部平原的宁夏、宁朔和平罗三县虽然均处于干旱区，然得益于水利设施的兴建，其土地承载能力和抗旱能力相对优越，因而旱灾的发生频次显著低于其他地区.

（2）清代宁夏地区的洪涝灾害的高发区相对集中，总体上呈现灾害频次多、分布范围广的特点，整体呈现自北向南逐步递减的分布趋势（图5b），其中以宁夏、平罗两县的灾害频次为最，均超过了90次，中卫县、宁朔县和灵州次之，其灾害频次也达到了80余次；而在气候更为湿润、雨水更为丰沛的南部山区，其洪涝频次显著降低，隆德县、化平川厅等处灾害频次仅有30余次，不及北部州县的一半.这一统计结果似乎稍显意外，常年少雨的北部平原洪涝成灾的频率竟显著高于降雨量是其两倍有余的南部山区？究其原因，全在黄河二字.清代中期以后，国力逐渐衰微，社会动荡，宁夏北部平原众多的水利设施长期得不到维护修缮，其防洪灌溉的功效已经大为削弱，每遇上游连阴暴雨，沿河州县无不险情连连，再加之北部平原地势平缓，一旦河水冲决堤坝，往往会形成大范围的漫流，淹没农田、冲塌房舍在清代宁北平原已是司空见惯.

（3）霜雪灾害在清代宁夏地区的发生频次相对较少，且空间上较为分散，整体呈现较不显著的北少南多的分布特征（图5c），其中以固原州和宁灵厅两地为灾害多发区，灾发频次均在30以上.

（4）清代宁夏地区的冰雹灾害发生频次仅次于洪涝，位列第二，其总体呈现非常显著的自北向南递增的趋势，空间分布上也呈现条带状变化的特点（图5d），其中以地处南部山区的固原州最为频繁，灾害频次高达89次；平远、海城、灵州等地次之，中卫、宁夏、宁朔、平罗等地再次之.值得注意的是，冰雹灾害往往是伴随着暴雨一同发生的，因此雹灾频次自北向南递增的分布趋势也和本区降雨量的南北变化趋势保持一致.然而图中隆德、化平两地的冰雹灾害频次却一反常态，处于一个很低的水平，笔者认为这极有可能是灾害史料记录不全所致.

（5）清代宁夏地区的风沙灾害发生频率较低，空间上呈现北多南少的分布特征（图5e），其中中卫县风沙灾害的发生频次最多，共8次；宁夏县、平罗县、灵州、固原等地次之，隆德县、化平川厅、宁灵厅以及宁朔县风沙灾害频次最少，均不足3次.

3.4气象灾害系统内部的相关性分析

历史文献中常见“水旱相仍”“水雹成灾”一类的记载，这表明古人已经认识到不同类型气象灾害之间存在着某些关联性的特征.为进一步探究气象灾害系统内部的关联性特征，利用SPSS 27软件对有清一代268年内宁夏地区5类主要气象灾害（样本数N=462）进行双变量皮尔逊（Pearson）相关性分析，得到结果（表2）.

表2双变量Pearson检验结果显示：洪涝灾害和冰雹灾害呈极显著正相关（r=0.732，P＜0.01），这表明本区的冰雹灾害通常伴随着洪涝一同发生，两类灾害的发生具有显著的一致性.结合二者在时间尺度上的变化特征可以发现，洪涝和冰雹是清代宁夏地区最主要的两类气象灾害，分别占比30.30%和27.92%，且二者的多发期均位于1734—1911年这个时段内；洪涝灾害和霜雪灾害（r=0.423，P＜0.01）、霜雪灾害和冰雹灾害（r=0.453，P＜0.01）均呈显著的正相关；此外，干旱和洪涝、霜雪、冰雹等灾害也呈现出一定的正相关，而风沙灾害和其他类型的灾害的相关性并不明显.

4结论与讨论

（1）有清一代268年内，宁夏地区干旱、洪涝、霜雪、冰雹和风沙等5类主要气象灾害共计发生462次，灾发频次由高到低分别为洪涝、冰雹、干旱、霜雪以及风沙，灾害等级构成以中度灾害为主，其次为轻度灾害，重度灾害偶有发生，整体占比较少.

（2）在时间尺度上，总体气象灾害的发生频次呈现低—高—低—高的周期性特征，Morlet小波分析结果显示，清代宁夏地区气象灾害发生频率存在59a的强显著长周期，此外还有不显著的33a和17a尺度的中短变化周期.

（3）在空间特征上，各类灾害的分布情况大相径庭.影响最为严重的洪涝灾害主要发生于研究区北部的中卫、平罗、灵州等地，而在降雨更为丰富的南部州县如固原、隆德等，洪涝灾害的发生却明显较少；干旱灾害和冰雹灾害整体上都呈现出由北向南逐渐增加的分布趋势，而霜雪和风沙两类灾害因其发生频次不高，在空间上的分布规律并不显著.

（4）在灾害系统内部，本区的各类气象灾害之间表现出了一定的相关性，如洪涝与冰雹具有极显著的正相关性；洪涝与霜雪、霜雪与冰雹、洪涝和干旱、干旱与霜雪等灾害之间同样表现出了一定程度的正相关性，而风沙灾害与其他各类灾害之间的相关性则较为薄弱.

（5）本文最大的不足仍是来源于灾害史料的搜集与量化处理.虽然笔者力求史料搜集之穷尽、数据统计之完善，但由于原始史料本身存在阙漏不实等问题，加之数据处理中的允许误差，可能会对最终的研究结果造成一定的影响，但影响相对有限，并不会从根本上动摇最终结论.就宁夏地区来看，作为气象灾害极度频繁的地区之一，各类气象灾害或直接或间接损害人民生命财产、破坏区域经济建设.重新梳理和发现宁夏气象灾害史料，总结气象灾害历史发展规律，以期对认识今日宁夏气象灾害发生发展、完善综合防灾减灾救灾体系、提升灾害预警及风险管控能力等提供些许借鉴.

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［责任编辑张蓉珍］