魏 軍，劉 浩，胡會芳，魏鐵鑫，彭相瑜

(河北省氣象災(zāi)害防御中心，河北 石家莊 050021)

0 引言

河北省地處華北平原東北部，西倚太行山，東臨渤海灣，北靠蒙古高原，南部為華北大平原，域內(nèi)地形地貌類型復(fù)雜多樣，地勢西北高，東南低，自然災(zāi)害頻發(fā)，屬于災(zāi)害多發(fā)性省份[1]。其中，冰雹是河北省的重要災(zāi)害性天氣之一，其具有局地性強(qiáng)、季節(jié)性明顯、突發(fā)性強(qiáng)、來勢急、面積分散、持續(xù)時(shí)間短、破壞性大等特點(diǎn)[2]，可造成農(nóng)作物減產(chǎn)，甚至嚴(yán)重減產(chǎn)、絕收。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，每年河北省因冰雹災(zāi)害造成的農(nóng)作物減產(chǎn)和絕收面積在9×104hm2以上[3]，嚴(yán)重制約著河北經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，因此開展歷史時(shí)期冰雹災(zāi)害的時(shí)空特征分析研究有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

中國有著連續(xù)豐富的歷史文獻(xiàn)資料，其中包含大量的氣象信息，利用其開展歷史氣象災(zāi)害的變化特征研究，對于客觀認(rèn)識氣候變化機(jī)制及演變規(guī)律等有著重要意義，也是我國在世界上獨(dú)具優(yōu)勢的項(xiàng)目[4]。目前國內(nèi)對于雹災(zāi)的研究，多集中于近幾十年的氣象觀測站點(diǎn)資料進(jìn)行的分析[5-9]，而對于歷史時(shí)期基于史料開展的雹災(zāi)研究相對較少。顏停霞[10]等對明代的雹災(zāi)史料進(jìn)行整理和分類，通過統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)明代雹災(zāi)具有明顯的階段性和季節(jié)性，在空間分布上河北省雹災(zāi)發(fā)生次數(shù)最多，占全國總次數(shù)的11%；尹建忠[11]等利用地方志等史料，對山東省的雹災(zāi)發(fā)生地域與季節(jié)進(jìn)行了研究，并按照災(zāi)情描述將雹災(zāi)分為輕雹災(zāi)、偏重雹災(zāi)和重雹災(zāi)三個(gè)等級；瞿穎[12]等通過收集整理明清時(shí)期山西省歷史文獻(xiàn)資料，分析該地區(qū)的雹災(zāi)發(fā)生的時(shí)空分布特征，發(fā)現(xiàn)山西省雹災(zāi)總體呈前期少，中后期多，平原少，山區(qū)多的特點(diǎn)，且雹災(zāi)發(fā)生次數(shù)和降水量之間存在不同尺度的相關(guān)性；王朋[13]等利用關(guān)中地區(qū)冰雹災(zāi)害史料，分析了明清時(shí)期關(guān)中地區(qū)雹災(zāi)發(fā)生的時(shí)間特征，發(fā)現(xiàn)從月份變化來看4月份發(fā)生頻次最高，而在年際變化上存在兩個(gè)雹災(zāi)頻發(fā)階段和兩個(gè)少發(fā)階段，同時(shí)冰雹災(zāi)害對氣候冷暖干濕變化也有著較好對應(yīng)關(guān)系；萬紅蓮[14]等對過去2000年來陜西地區(qū)冰雹災(zāi)害研究發(fā)現(xiàn)，公元0—2014年以來該地區(qū)共發(fā)生雹災(zāi)1296次，其中以中等雹災(zāi)為主，具有明顯的季節(jié)性變化，在時(shí)間尺度上存在11a和16a左右2個(gè)振蕩周期。從已有的歷史雹災(zāi)的研究現(xiàn)狀來看，目前有關(guān)河北省的歷史時(shí)期冰雹災(zāi)害特征變化研究相對空白。因此，本文基于收集整理的雹災(zāi)史料數(shù)據(jù)，對河北省明清時(shí)期的冰雹災(zāi)害時(shí)空變化規(guī)律進(jìn)行深入分析，以期為河北省冰雹災(zāi)害的防御工作及氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)管理提供建議和科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 資料來源與處理

明清時(shí)期的起止時(shí)間為1368—1911年，本文所用雹災(zāi)資料主要來源于《中國三千年氣象記錄總集》[15]《中國氣象災(zāi)害大典·河北卷》[3]和《河北省志·自然災(zāi)害志》[16]，其中對于明清時(shí)期河北省的冰雹災(zāi)害有著大量詳實(shí)的記載。收集的歷史文獻(xiàn)資料從內(nèi)容上大致可以分為以下幾類：一是記載了雹災(zāi)事件發(fā)生的時(shí)間，包括災(zāi)害發(fā)生的季節(jié)、月份和日期，甚至具體到一天的某個(gè)時(shí)刻。如1416年，“夏六月，真定府獲鹿縣雨雹傷稼”[15]。1892年，大名縣出現(xiàn)“春大雨雹，三月二十八日夜大雨雹，麥損十之六七”[15]。1897年，館陶縣“夏五月十一日未刻雨雹，數(shù)分鐘始止，平地積有寸余，禾葉盡脫，根株亦萎，月余始發(fā)芽”[15]。二是記載的受災(zāi)地點(diǎn)能夠具體到州縣一級，部分災(zāi)情能夠精細(xì)到鄉(xiāng)鎮(zhèn)甚至村一級。如1572年，“八月乙丑，直隸祁、定二州大雹，豆禾盡傷，擊死者三人”[3]。1601年，“秋八月，大雨雹，建羊、陶丘諸村為甚”[3]。1900年，“安永堡一帶二十四村，秋禾將獲，突遭冰雹，田禾被毀，成巨災(zāi)”[15]。三是有關(guān)受災(zāi)程度的記載，包含了冰雹的形狀大小和受災(zāi)面積的詳細(xì)描述。如1592年，容城縣“夏雹，平地須臾盈尺，大如雞鴨卵，或如拳，自北城村起，至東南縣界止，麥穗盡打人地”[16]。1901年，“七月二十二日午后雨雹，小者如杯，大者如碗，從獲鹿北過境，毀傷禾樹人畜無算，寬二十余里，長二百余里，至河間止?！盵15]

由于史料的來源不同，在篩選史料中有關(guān)雹災(zāi)描述時(shí)，首先將從整編資料中收集的信息和原始方志資料進(jìn)行比對，以檢查所收集記錄是否完整，描述內(nèi)容是否一致。最終按照“原始優(yōu)先、?？眱?yōu)先、價(jià)值優(yōu)先、互相參照”的原則[17]對收集的史料進(jìn)行了處理，確保了篩選史料的準(zhǔn)確性。

根據(jù)上述的史料處理原則，本文共篩選出明清時(shí)期(1368-1911年)河北省有關(guān)冰雹災(zāi)害記載的描述計(jì)763條，其中明時(shí)期有236條，清時(shí)期有527條，逐條記錄了冰雹事件發(fā)生的時(shí)間、地點(diǎn)及相關(guān)受災(zāi)情況。需要說明的是，由于社會原因和歷史條件的限制，承德市所屬轄區(qū)的八縣三區(qū)缺乏冰雹災(zāi)害記載，故本文研究沒有把該區(qū)包括在內(nèi)。

1.2 冰雹災(zāi)害等級劃分

根據(jù)已收集的史料中對冰雹災(zāi)害的描述，按照冰雹發(fā)生的粒徑大小、形狀、危害程度及影響范圍等[18]，將河北省雹災(zāi)劃分成三個(gè)等級：輕度雹災(zāi)(1級)、中度雹災(zāi)(2級)和重度雹災(zāi)(3級)。輕度雹災(zāi)主要是指受災(zāi)程度較輕，對農(nóng)作物生長和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)影響較小，不成災(zāi)；中度雹災(zāi)主要表現(xiàn)為受災(zāi)范圍相對較廣，冰雹粒徑達(dá)到3～5cm，農(nóng)作物因?yàn)?zāi)不同程度減產(chǎn)等；重度雹災(zāi)主要表現(xiàn)為冰雹粒徑大，農(nóng)作物減產(chǎn)嚴(yán)重，甚至絕收，房屋損毀，人畜被砸傷，民眾生命財(cái)產(chǎn)損失重大等。雹災(zāi)等級的分類標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 明清時(shí)期雹災(zāi)等級分類

1.3 EEMD方法

集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(Ensemble Empirical Mode Decomposition，EEMD)是一種在時(shí)間域上局部的自適應(yīng)時(shí)間序列分析技術(shù)，適用于非平穩(wěn)、非線性的時(shí)間序列分析[19]。通過將復(fù)雜的時(shí)間序列信號分解為有限個(gè)不同時(shí)間尺度的振蕩分量，可得到若干個(gè)固有模態(tài)函數(shù)(Intrinsic Mode Function，IMF)。作為經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(Empirical Mode Decomposition，EMD)的改進(jìn)方法，EEMD通過在原始時(shí)間序列信號中加入高斯白噪聲，很大程度上避免了EMD的模態(tài)混淆問題，使IMF分量能夠更準(zhǔn)確地反映原始信號的內(nèi)在波動(dòng)特征與變化趨勢。與小波分析相比，EEMD不僅具有小波分析的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還能克服小波分析在時(shí)間分辨率上不清晰的缺點(diǎn)，具有直觀性、自適應(yīng)性和后驗(yàn)性的特點(diǎn)，因此在氣象領(lǐng)域應(yīng)用效果顯著。該方法的詳細(xì)論述可參見文獻(xiàn)[20]。

2 結(jié)果與分析

2.1 冰雹災(zāi)害頻次變化

根據(jù)已收集整理的雹災(zāi)史料統(tǒng)計(jì)，明清時(shí)期河北省共發(fā)生冰雹災(zāi)害763次，平均0.7年發(fā)生一次。通過對其逐年發(fā)生的雹災(zāi)次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(圖1)，用以反映其年代際的變化趨勢。

圖1 明清時(shí)期河北省雹災(zāi)的年變化Fig.1 Annual variation of hail disasters in Hebei during the Ming and Qing dynasties

由圖1可知，在1520年之前，雹災(zāi)發(fā)生較少，年發(fā)生次數(shù)均在5次以下，其中有124年沒有雹災(zāi)記載；1521—1750年間，雹災(zāi)頻次變化趨勢呈現(xiàn)一定程度的上下波動(dòng)，其中1521—1570年、1611—1669年、1713—1748年和1777—1867年間呈明顯的上升趨勢，極大值出現(xiàn)在1533年，共計(jì)發(fā)生12次雹災(zāi)；在1571—1610年、1670—1712年、1749—1776年和1868—1911年間雹災(zāi)次數(shù)存在明顯的下降趨勢?？傮w來說，明清時(shí)間河北省雹災(zāi)發(fā)生的年頻次分布不均，表現(xiàn)出前期雹災(zāi)發(fā)生少且變化平穩(wěn)，中后期發(fā)生頻次高且波動(dòng)較大的特點(diǎn)。

2.2 冰雹災(zāi)害等級變化

按照表1劃定的雹災(zāi)分類的定級標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)計(jì)出明清時(shí)期河北省不同等級冰雹災(zāi)害在時(shí)間序列上的分布。從圖2可知，在1368—1911年間，河北省1級雹災(zāi)發(fā)生共計(jì)332次，發(fā)生頻率為61%，約1.6年一遇；2級雹災(zāi)共發(fā)生220次，發(fā)生頻率為40.4%，平均2.5年發(fā)生一次；3級雹災(zāi)發(fā)生211次，發(fā)生頻率為38.8%，約2.6年發(fā)生一次。

通過對明清時(shí)期每20a尺度下河北省不同等級雹災(zāi)的次數(shù)和分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(圖3)可以發(fā)現(xiàn)，在1368—1499年間，3種等級的雹災(zāi)次數(shù)變化均相對平穩(wěn)，次數(shù)皆沒有超過5次；1級雹災(zāi)發(fā)生頻次分別在1520—1539年、1660—1679年、1740—1759年和1840—1859年間出現(xiàn)峰值，次數(shù)均超過了20次，其中在1840—1859年間達(dá)到最高的44次，占總次數(shù)的13.3%；2級雹災(zāi)的次數(shù)在1500—1679年間呈不同程度的上升趨勢，1670—1799間發(fā)生次數(shù)有所下降，而在之后的1800—1819年和1860—1879年間出現(xiàn)2次峰值，次數(shù)也都超過20次；3級雹災(zāi)發(fā)生的總體變化趨勢和2級雹災(zāi)類似，在1500—1739年間，3級雹災(zāi)發(fā)生次數(shù)明顯多于2級，其峰值為1660—1679年間的21次，而到1740年后，3級雹災(zāi)各年份間的次數(shù)開始不同程度小于2級。總上所述，河北省明清時(shí)期不同等級的雹災(zāi)前期變化趨勢平穩(wěn)且次數(shù)較少，中后期雖然存在著不同程度的變化波動(dòng)，但總體上呈上升趨勢。

圖2 明清時(shí)期河北省冰雹災(zāi)害等級序列Fig.2 Hierarchical sequence of hail disasters in Hebei during the Ming and Qing dynasties

圖3 明清時(shí)期河北省雹災(zāi)等級分布對比Fig.3 Comparison of hierarchical distribution of hail disasters in Hebei during the Ming and Qing dynasties

2.3 冰雹災(zāi)害季節(jié)變化

為研究明清時(shí)期河北省雹災(zāi)發(fā)生的季節(jié)性差異，分別統(tǒng)計(jì)了不同季節(jié)下雹災(zāi)發(fā)生的次數(shù)(圖4)。采用中國農(nóng)歷歷法劃分季節(jié)，其中1—3月為春季，4—6月為夏季，7—9月為秋季，10—12月為冬季。在所收集整理的763條雹災(zāi)記錄中，有明確時(shí)間記載的共643條。從雹災(zāi)發(fā)生的年內(nèi)分布看，明清時(shí)期河北省春季冰雹災(zāi)害發(fā)生47次，夏季362次，秋季229次，冬季5次?？梢钥闯?，明清時(shí)期河北省冰雹災(zāi)害主要發(fā)生在夏秋兩季，其中夏季是雹災(zāi)集中發(fā)生的季節(jié)，占總發(fā)生頻次的56%，而春季和冬季發(fā)生冰雹災(zāi)害的概率較小，只占總次數(shù)的8%。河北省夏季雹災(zāi)頻發(fā)主要是由于太陽輻射強(qiáng)，加上西風(fēng)帶上槽脊強(qiáng)度減弱，尺度變小，槽脊移動(dòng)明顯，同時(shí)低緯副熱帶系統(tǒng)開始活躍，冷暖空氣活動(dòng)較為頻繁，容易在大氣垂直方向上形成上冷下暖的不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，極易形成冰雹災(zāi)害性天氣。

2.4 冰雹災(zāi)害空間分布特征

圖4 明清時(shí)期河北省冰雹災(zāi)害季節(jié)分布Fig.4 Seasonal distribution of hail disasters during the Ming and Qing dynasties in Hebei

為了更好地反映明清時(shí)期河北省雹災(zāi)發(fā)生的空間分布特征，通過對1368—1911年各縣發(fā)生的雹災(zāi)次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，繪制了冰雹災(zāi)害發(fā)生頻次空間分布圖(圖5)。由圖5可知，歷史上河北省冰雹災(zāi)害表現(xiàn)出很強(qiáng)的局地性，其中冰雹災(zāi)害集中發(fā)生區(qū)域主要位于張家口南部的宣化、赤城、懷安、涿鹿、陽原和懷來六縣域，以及秦唐地區(qū)中部的盧龍、灤縣等地，發(fā)生雹災(zāi)的次數(shù)均在16次以上，宣化發(fā)生次數(shù)為最高的28次；河北省中部地區(qū)的正定、靈壽、晉州、鹿泉、唐縣、定興、淶源、易縣、東光、南皮、文安等地發(fā)生次數(shù)在10～15次，發(fā)生頻次也相對較高；而邯鄲西部、張家口北部、滄州東部沿海、唐山南部、秦皇島中北部發(fā)生雹災(zāi)次數(shù)在5次以下，相對而言是雹災(zāi)發(fā)生頻次較低的區(qū)域。

圖5 明清時(shí)期河北省雹災(zāi)發(fā)生頻次空間分布Fig.5 Spatial distribution of hail disasters occurrence frequency in Hebei during the Ming and Qing dynasties

總體上來看，明清時(shí)期河北省冰雹災(zāi)害發(fā)生的頻次呈北部多于南部，西部多于東部，山區(qū)多于平原趨勢分布。現(xiàn)代研究表明，地勢、地形和地貌對冰雹天氣發(fā)生的地理分布有顯著影響。河北省內(nèi)地形條件復(fù)雜，全境大體上由壩上高原、燕山和太行山所構(gòu)成的山地以及河北平原三部分組成，當(dāng)氣流遇到高大山脈阻擋，常常會引起邊界層風(fēng)場的變化，有利于對流發(fā)展和水汽凝結(jié)，從外對冰雹天氣的觸發(fā)、組織和移動(dòng)發(fā)揮作用。而山區(qū)地形復(fù)雜，地表性能差異大，常造成地表受熱不均，導(dǎo)致局地強(qiáng)對流的發(fā)生發(fā)展，因此西部山區(qū)雹災(zāi)比東部平原地區(qū)較多。

2.5 冰雹災(zāi)害周期特征

為深入探究明清時(shí)期河北省雹災(zāi)發(fā)生的周期性規(guī)律，采用EEMD方法對冰雹災(zāi)害逐10a累計(jì)頻次序列進(jìn)行信號分解。設(shè)定擾動(dòng)白噪聲與原始信號的信噪比為0.2，平均集合次數(shù)為500次，得到4個(gè)具有不同波動(dòng)周期的固有模態(tài)函數(shù)分量(IMF1～I(xiàn)MF4)和一個(gè)趨勢分量(RES)，如圖6所示。IMF各分量反映了從高頻到低頻不同時(shí)間尺度的波動(dòng)特征，表征了在相同時(shí)間內(nèi)，冰雹頻次序列具有不同時(shí)間尺度的周期變化特征，而趨勢項(xiàng)用以表征原始序列總體上隨時(shí)間變化的趨勢。計(jì)算IMF各分量的平均周期，以方差貢獻(xiàn)率表示各時(shí)間尺度信號波動(dòng)頻率和振幅對原始數(shù)據(jù)總體特征的影響程度(表2)。

結(jié)合圖6和表2可以發(fā)現(xiàn)，河北省雹災(zāi)頻次序列的IMF分量的振幅隨著階數(shù)的增加逐漸趨于穩(wěn)定，經(jīng)過多次分解的雹災(zāi)頻次序列表現(xiàn)出多尺度的周期變化。在IMF1分量上，分解信號的振幅波動(dòng)較為劇烈，表現(xiàn)出在3.0個(gè)10a(30a)左右的準(zhǔn)周期變化，其方差貢獻(xiàn)率為32.%，周期特征較為顯著；在IMF2分量上，頻次序列在1570年之前振蕩幅度平緩，后期波動(dòng)較大，表現(xiàn)出6.8個(gè)10a(68a)的準(zhǔn)周期，其方差貢獻(xiàn)率為25.2%。隨著階數(shù)的增加，IMF分量的振幅減小，波長增長。IMF3分量的方差貢獻(xiàn)率為17.5%，表現(xiàn)出10.9個(gè)10a(109a)的周期波動(dòng)，與太陽活動(dòng)的世紀(jì)尺度接近。雖然IMF4分量也表現(xiàn)出27.8個(gè)10a(278a)的周期波動(dòng)，但由于該周期受到有限數(shù)據(jù)長度的影響很大，反映出的周期變化不可靠，因而不具有參考意義。殘差趨勢項(xiàng)RES，表征出明清時(shí)期河北省雹災(zāi)發(fā)生次數(shù)呈不同程度上升的長期趨勢。

圖6 明清時(shí)期河北省雹災(zāi)頻次序列EEMD分解結(jié)果Fig.6 EEMD decomposition results of hail disaster frequency sequences in Hebei in the Ming and Qing dynasties

表2 明清時(shí)期河北省雹災(zāi)頻次序列各分量的周期及方差貢獻(xiàn)率

3 結(jié)論

通過收集整理的河北省冰雹災(zāi)害史料，采用雹災(zāi)定級、統(tǒng)計(jì)分析、EEMD等方法，探討了明清時(shí)期河北省冰雹災(zāi)害的時(shí)空變化特征及其周期變化規(guī)律，并分析了冰雹天氣的環(huán)流背景。結(jié)論如下：

(1)明清時(shí)期河北省共發(fā)生冰雹災(zāi)害763次，平均0.7年發(fā)生一次，其中輕度雹災(zāi)、中度雹災(zāi)、重度雹災(zāi)分別發(fā)生了332、220、211次，冰雹發(fā)生次數(shù)總體呈前期少且變化平穩(wěn)，中后期相對較多且波動(dòng)較大的特點(diǎn)。

(2)雹災(zāi)季節(jié)分布明顯，明清時(shí)期河北省春季冰雹災(zāi)害發(fā)生47次，夏季362次，秋季229次，冬季5次，主要集中在夏季和秋季，占總發(fā)生頻次的92%，而春季和冬季少發(fā)，只占總次數(shù)的8%。

(3)雹災(zāi)空間分布上，河北省冰雹災(zāi)害表現(xiàn)出很強(qiáng)的局地性，其中冰雹災(zāi)害集中發(fā)生區(qū)域主要位于張家口南部和秦唐地區(qū)中部地區(qū)，宣化發(fā)生次數(shù)為最高的28次?？傮w上雹災(zāi)發(fā)生頻次呈北部多于南部，西部多于東部，山區(qū)多于平原趨勢分布。

(4)冰雹災(zāi)害在年代際尺度上存在30a(IMF1)和68a(IMF2)的周期性波動(dòng)，而在世紀(jì)尺度上表現(xiàn)出109a(IMF3)的周期變化。

由于目前大多數(shù)整編的歷史資料都是由原始史料派生出來的，因研究目的和服務(wù)對象的不同，不同整編資料的史料來源和空間范圍具有選擇性，內(nèi)容也不夠完整。同時(shí)，由歷史文獻(xiàn)資料的性質(zhì)決定了史料通?！坝洰惒挥洺！?，即大多數(shù)記錄的來自因氣象災(zāi)害而造成的災(zāi)害性事件，而對社會影響程度較小的氣象事件往往未有記載。雖然本文已對收集整理的史料相關(guān)的核實(shí)及定級等工作，但對無記錄年份未進(jìn)行一一考證，這對歷史雹災(zāi)的時(shí)空特征分析存在一定的影響。此外，考慮到本文研究主要是基于歷史文獻(xiàn)資料半定量的分析河北省明清時(shí)期545a冰雹災(zāi)害的時(shí)空變化特征，受限于研究技術(shù)和數(shù)據(jù)，缺乏與現(xiàn)代雹災(zāi)的發(fā)生特征進(jìn)行對比，探究冰雹災(zāi)害發(fā)生的氣候背景，這將是下一步工作的重點(diǎn)。