1 引言

近年来，气候变化越来越受到各国政府和人们的广泛重视^[1-2]，在全球气候变化的背景下，灾害频发。我国有显著的季风气候特点，由于其具有不稳定性，使得我国成为气象灾害多发的国家之一。19世纪90年代以后，我国因气象灾害每年造成经济损失1 000亿元以上，其中干旱和洪涝占气象灾害的78%。我国拥有浩如烟海的历史文献资料，长达三千年的气象信息记录在世界上绝无仅有，可作为历史气候变化的宝贵代用资料，同时也是中国为全球变化研究提供的独特贡献，以此为基础来探究我国气候变化，是我国独具的优势^[3]。我国在观测期内的年代际尺度的温度变化与北半球的温度变化有很大相似性，故针对我国的气候变化研究在世界上有重要地位^[4]。气候变化是引起气候灾害的一大关键性因素。

在国外，英国、西班牙、德国、日本等地都曾基于历史文献、树木年轮等对古气候变化进行过研究。Rodrigo等^[5]收集了西班牙的地方史、城市年鉴、宗教史、市政文件以及信件等，将其中灾害信息分类，包括降水、温度、风、云量，并把降水记录分5个等级，挖掘了降水特征。Woodhouse等^[6]利用树轮资料研究了过去2 000年美国的中西部地区气候特征。Piervitalt等^[7]利用历史文献资料建立了1565—1915年西西里地区干旱年表。Heathcote等^[8]通过对澳大利亚历史气候的研究，认为澳大利亚长期的干旱发生不仅反映了不同地区降水的变化情况，而且逐渐意识到其在生态系统中的作用。Miller等^[9]利用北美亚热带降水氧同位素年表重建了过去200多年来飓风强度的变化。Woo-Seok Kong等^[10]根据朝鲜半岛的历史记录，特别是针叶树和竹子，重建了朝鲜半岛15世纪的历史气候变化。Henry^[11]研究了历史气候变化的规律，为目前环境保护提出指导意见。Chaumillon等^[12]通过对历史风暴的重建，从而探讨了海洋洪涝的发生规律。Simon等^[13]利用树轮和历史气候的关系，研究了美国西部中上游气候对植被的影响。

竺可桢先生开创了我国历史气候研究先河。他在1973年指出^[14]：认识和掌握气候演变规律，做到“古为今用”，对气候变化长期预测十分必要。之前国内有大批学者用古代文献资料探究了历史气候变化的规律特征：张德二^[15]整理了大量历史气候资料，重建了历史气候序列、绘制了历史旱涝分布图、编制了古环境事件年表，得到了大量的古气候变化信息。郑景云等^[16]整理了建国前2 000年旱涝灾害的记录、地方志、史书以及报纸等，研究了公元101—1900年中国东部每200年的干湿分异及演变规律，他同时制定了历史时期极端旱涝事件的判断标准，基于此辨识了华北、江淮和江南2 000年来的重大旱涝事件^[17]。以上学者的研究重点在史料的整理，时间序列的重建，以及分析灾害的趋势特征。由中国气象科学研究院承担编写的《中国近五百年旱涝分布图集》^[18]以及两次续补^[19-20]，被国内外诸多学者广泛应用于科研领域。

早期学者利用气候资料进行宏观气候变化研究，指出了气候波动的总趋势，但在取得这些诸多研究进展的同时也存在不足。杨煜达等^[21]重建过1711—1911年云南雨季开始期的序列，以此讨论了西南季风的变迁。杨传国等^[22]对过去500年淮河流域的水旱时空分布及演变进行过分析。以上二者更侧重时间序列的研究，缺乏对空间分布的研究。杜娟等^[23]探究过清代关中渭河流域洪涝灾害的时空特征及成因。但在研究空间分布时仅统计了不同地区的灾害频次，不够全面深入。荣艳淑等^[24]利用旱涝史料复原过华北近500年降水序列，探究历史降水的时空发展演变规律。李禧亮等^[25]曾用聚类分析，小波分析等对清代江苏省干湿时空分布特征进行过研究。李红梅等^[26]用滑动平均、多项式拟合研究过陕西近500年极端干旱变化。万金红^[27]曾用经验模态分解法EMD (Empirical Mode Decomposition）对西北地区近500年旱涝变化进行过分析，发现其具有2.5年、7.5年、13.1年、25.7年、77.0年和134.8年等周期。张健等^[28]用滑动平均、滑动t检验、小波分析等方法分析过黄河中游旱涝序列，发现其存在21年、70年和114年左右周期。陈月明等^[29]重建了广东省近2 000年气候冷暖变化。闫俊霞等^[30]对华南地区1961—2008年极端温度变化趋势进行了研究。姜荣升等^[31]整理了《中国三千年气象记录总集》及相关地方志资料, 对1662年(康熙元年)的水旱灾害进行了重建, 分析了干旱和水灾的发生时间和空间分布, 以及旱涝灾害之间的关系。刘东升等^[32]通过对昆明1322—2013年旱涝历史的重建，发现了39年、11年和4年的三个主周期。李禧亮等^[33-34]以旱涝史料为基础，利用最小二乘方法、滑动平均方法、累积距平方法、小波分析方法等统计方法对旱涝灾害进行数据挖掘。

张德二等^[35]依据历史文献记载复原1670/ 1671年寒冬实况，绘制了雪、冰、冻雨和动植物冻害的地域分布图，连续降雪日数分布图和最大积雪深度分布图。孟万忠等^[36]通过对山西明代历史文献资料的搜集和统计分析，研究了该地区霜雪低温灾害的等级、阶段、周期与成因。

通过高分辨率历史气候序列的重建，可加强气候变化规律的认识、同时对改进气候模式、提高气候预测准确度，及探索人类活动对气候的影响等有十分重要的意义^[37-38]。

探究气候灾害的发生特征及成因是一项重要的任务。史料中蕴含了大量反映气候变化的信息。通过整理历史的灾害记录，挖掘灾害时间上的分布和变化以及形成发展规律，推断未来灾害的趋势，对做出灾害预测、辅助决策十分必要。本文将建立历史气候灾害数据库，结合数据挖掘方法和地理信息系统技术以及气候诊断的方法对史料中的气候灾害时空演变特征进行研究，从而探索出史料中大量隐藏的气候演变规律，这对未来提高气候预测的准确度和防灾减灾有重要意义^[5]。

本文整理了该区1644—1911年间的旱涝灾害记录和低温灾害记录，分析了低温灾害的时空特征，对比了低温灾害与旱涝灾害的分布状况，探讨了旱涝发生频次与低温灾害的联系，进而揭示出清代寒冷气候背景下灾害多发的规律。为从中得出我国明清时期华南地区灾害的形成发展规律，对于推断未来灾害的趋势，做出预测和辅助决策提供参考。

2 研究区与资料方法 2.1 研究区域与数据

我国的华南地区包括今广东省、广西壮族自治区、海南省、香港特别行政区、澳门特别行政区。图 1是华南地区1911年府级行政区划图。该区域对应清时期的广东、广西二省，今海南省在清代为广东省的一个府，即琼州府。由于历史气候资料限制，不考虑南海诸岛。研究区处低纬地区，北回归线横贯，属热带、亚热带季风气候区，因为北面为欧亚大陆，南临太平洋，故季风气候极显著。该地区地势总体为由北向南倾斜，境内地形复杂，年平均气温在18~24 ℃之间，大部分地区年降水量在1 400~2 000 mm之间，全境内气候基本一致。主要发生在该区域的灾害大致上可以划分为水灾、旱灾、冷冻、地震、风灾和海啸等自然灾害。其中旱涝灾害和冷冻灾害在历史上一直是对人类活动影响最大的灾害。华南地区纬度低，冬季较温暖，但由于温度的变化，在发生低温事件时容易受到严重影响。华南虽地处低纬，但形成于北冰洋和西伯利亚的冷空气仍能到达，虽强度有所减弱，但每年冬春，寒潮或强冷空气影响，寒害冻害时常发生，动植物不能适应环境温度时，常出现冻伤、冻病甚至冻死。低温灾害对农业生产及人民生产生活会造成影响^[39-42]。

本文历史气候灾害记录主要来自《中国三千年气象记录总集》^[43]（以下简称《总集》）。《总集》的编纂查阅了大量历史文献，包括大量地方志和纪传体史籍。该书详尽完整地整合了我国历史上各类气象灾害记录，具有很高的科研价值。同时结合了由温克刚指导、各省（市、区）气象局配合编纂的《中国气象灾害大典》（广西卷）、《中国气象灾害大典》（广东卷）、《中国气象灾害大典》（海南卷）^[44]，对《总集》资料做了考证并对缺失年份和站点的数据加以补充完善。对比《中国气象灾害大典》三卷中干旱、洪涝内容，寻找到《总集》中缺失的各县记录，并根据下文提及的旱涝灾害等级划分方法进行评级，增加了较多的灾害数据，其中增加旱灾561条（广东269条、广西181条、海南111条），洪涝灾害485条（广东177条、广西215条、海南93条）。

2.2 数据分析方法

小波分析^[45]也被称为多分辨率分析，是目前比较成熟的一种时频域局部变化分析的方法。它能准确地揭示出蕴含于时间序列中的多种周期，还能够探测在不同时间尺度上的变化处于的位置，进而揭示出各种周期随时间的变化特征。

Morlet小波分析^[16]是当前较为成熟的一种时频域局部变化分析的方法，它能够清晰地揭示出隐含在时间序列中的多种周期，还能够确定在不同时间尺度上的变化其所在的时间位置，充分地揭示出各种周期随时间变化的特征。小波分析的关键是小波函数，它是指具有振荡性、能快速衰减至零的一类函数。小波函数ψ(t)的定义为：

(1)

3 史料中低温灾害的记载 3.1 数据来源及数据库建立

本文整理了古代文献中的低温灾害的记载。低温灾害的提取是将气象灾害大典和三千年气象记录总集里的关于雪、霜、冰冻、霜冻、严寒的描述的记载进行整理，然后根据现代对华南低温灾害的器测资料，将冬季温度低于平均水平时认为发生了低温冷冻灾害，再根据低温灾害的影响程度，以及灾害造成的损失的描述情况，对照历史上的低温冷冻灾害的影响程度和灾害造成的损失描述情况，对明清时期的低温冷害进行评定。

华南的低温灾害通常表现为大范围出现雨雪、连阴少晴，温度较低。显著冷冬年表现为降温较大，出现大雪、较长时间的低温阴雨，影响农作物的生长。出现极端寒冷事件时表现为大范围的降雪、霜冻、冰冻天气，持续时间长，温度低，农作物大范围损毁、动物死亡。如1967年冬季低温霜冻使得桂南甘蔗、红薯、香蕉、木瓜等农作物遭受严重冻害，耕牛被冻死，损失严重。广东的两次强寒潮都波及沿海，冬薯普遍被冻死，鱼塘中鱼被冻死。不同程度的低温灾害会对庄稼、树木、房屋、人畜造成不同程度的影响。

通过类比，本文提取了华南史料中对雪灾、冰冻、霜、霜冻、寒等低温灾害的记录。信息记录于SQL Server数据库中，数据库包括年份表、省县表、省名表和灾害表。其中灾害表中为每条灾害记录的情况。对历史文献资料中的灾害各项属性进行整理、归纳和编码，将清代华南灾害发生的具体情况录入灾害表。如果县级单位一年中有多个季节有旱涝的记载，按照记录该季节的旱涝情况的范围、持续时间和灾害程度选择影响最大的记录的信息作为本年度的旱涝灾害状况的记录。其他灾害数据与旱涝灾害处理方法相同。

3.2 旱涝等级的确定

参考前人对旱涝灾害等级划分方法^[46-47]，本文将某地旱涝情形划分为7级。从1级至7级分别表示大涝（1级）、涝（2级）、偏涝（3级）、正常（4级）、偏旱（5级）、旱（6级）、大旱（7级）。在评定等级时综合考虑了灾情记录的自然因素和社会响应等方面因素，以旱情、雨情出现的强度、持续时间和波及范围为依据。

某站点如果在同一年份旱涝先后交替出现，如果其它季节没有庄稼、财产损失、人畜受灾的记录，则以夏季记载为主，否则以造成损失的季节为主。

各个等级划分的标准如表 1（见下页）所示。通过对该地历史气候灾害资料的收集和整理，华南共有旱涝记录4 345条。其中涝灾2 723条，旱灾1 622条。涝灾包括1级285条、2级1 811条、3级627条；旱灾包括7级157条、6级1 009条、5级456条。

1644—1911年华南地区一共发生低温灾害530县次。表 2为清时期华南低温灾害例举。

4 低温灾害与旱涝灾害在空间分布上的一致性 4.1 低温灾害的空间分布特征

为分析1644—1911年低温灾害的空间分布特征，以县为单位，分别对灾害发生的频次进行了统计，并将其反映在清代地图上（图 2）。

可以看出华南低温灾害的发生频次在空间上分布不均匀，广西的灾害频次东部明显多于西部。其次粤东北的兴梅盆地附近频次较高。这与寒潮过程中地形的作用有关，盆地对冷空气具有聚集作用，高山会阻挡冷空气入侵。正北路径冷空气对华南的影响最大，寒潮最频繁，寒潮受南岭影响分成两支，后二者汇合后在韶关盆地和英德盆地聚集，沿珠江三角洲出海。东部路径的寒潮会侵入潮汕平原。海南岛的低温灾害为低温阴雨，其主要是冷空气连续入侵的结果，加之上层来自海洋暖湿气流影响常阴雨绵绵。

4.2 低温灾害与旱涝灾害在空间分布上的一致性

研究区中共有33个府州。其中，无低温灾害数据的府州有7个，分别是佛冈厅、雷州府、曲江县、上思厅、泗城府、太平府、阳江厅；低温灾害数据很少（2~3县次）的府州有6个，分别是百色厅、归顺州、连山厅、南雄州、钦州、镇安府；低温灾害数据较少（5~9县次）的府州有3个，分别是罗定府、南宁府、思恩府。

超过10个县次低温灾害数据的府州，共有17个。又因连州干旱灾害记载的县次数过少（3县次），因此在分析三种灾害同区一致性分析中不再统计在内。这样超过10个县次低温灾害的府州（共16个），都有较高的干旱灾害和洪涝灾害发生的县次数，具体详见表 3。

分别计算干旱、旱涝灾害与低温冷冻灾害的高发生频次的相关系数（表 4），发现均成正相关关系，尤其是干旱灾害与低温灾害的相关系数高达0.901。

再对比图 2与各府洪涝县次分布图（图 3）、干旱县次分布图（图 4）可以发现，低温灾害和干旱、洪涝的多发地区具有一致性，珠江口附近的广州府以及东部的潮州府均为灾害多发的地区。

广州府沿海，易受热带气旋影响，由于地处开阔的珠江三角洲，水汽可长驱直入，再加上附近山脉的抬升作用，雨量较大。广东东部潮汕府附近地区同样受季风影响，同时存在不少喇叭形地形，易形成降水。对于干旱而言，春季由于东西走向的南岭影响，南下的冷锋受到阻滞，使得南部降水少，干旱易发；夏秋季热带气旋数量少时或路径异常时会出现台风雨偏少；副高位置偏南、偏西时，受下沉气流影响，降水稀少。冬季时若冬季风在大陆过于强盛，也会使得华南受冷高压控制，持续干燥。冷高压入侵华南常会造成剧烈的寒潮天气。冷高压的前部有冷锋为先导，会造成寒潮，冷锋过后，冷高压主体控制下的地区为晴朗少云的天气，持续干燥。正北路径冷空气对华南的影响最大，寒潮最频繁，会影响珠江三角洲地区。东部路径的寒潮会侵入潮汕平原。

综上所述，洪涝、干旱以及寒潮影响最大的地区均为潮汕平原和珠江口附近地区，这与环流和地形的综合影响有关。广州府和潮州府是广东省境内地势较低地区，其南面大海，周围被山地环绕，所以在洪涝多生时期由于其地势低下，更容易发生洪涝灾害。同样因为受到周围山地阻隔的影响，从北方来的寒流容易流向这两地，产生低温冷冻灾害。历史上广东省人口多集中于平原、盆地等地方，所以广州府和潮州府人口较多，土地多用于种植居住，导致树木类植被覆盖面积降低，蒸发量增大，所以在干旱时期，其干旱情况更为严重。

5 低温灾害与旱涝灾害在时间上的相关性 5.1 华南低温灾害发生的季节特征

为了解华南地区低温灾害发生的季节差异，对1644—1911年该地区所有记载的530条低温灾害记录根据其发生时间的记录进行季节划分。灾害发生在春季的有139次，占总发生频次的26.2%；夏季为5次，占总发生频次的0.9%；秋季23次，占总发生频次的4.3%；冬季363次，占总发生频次的68.5%。可以看出，低温灾害的高发季节是冬季，其次为春季，然后为秋季，夏季是发生频次最低的季节。冬天地表温度下降，北方的冷空气到达华南时，对热带作物的安全越冬有很大影响。当动植物不能承受冷空气侵袭时会发生冻伤、冻病甚至冻死。春季也是低温灾害的高发季节，当遇到强冷空气和倒春寒天气时，会对动植物及人类生活造成一定危害。

5.2 低温灾害的频次变化

通过对史料的整理，发现1644—1911年华南共发生低温灾害530县次，年均发生1.98次。从图 5可以看出灾害频次在1892年达到高峰为65县次。为了解低温灾害的变化趋势，对其做了11年滑动平均，发现清后期低温灾害发生频次多于前期，在1831—1847年间和1891—1903年间，11年滑动均值明显高于多年平均值。

5.3 低温灾害的频次变化的周期

气候的变化具有一定的周期性。为探究重建1644—1911年华南低温灾害频次序列的周期性特征，本文对其进行了Morlet小波变换，结果如图 6所示。正负中心值表示了不同时间尺度上对应的振幅最大值，正值对应频次高的时期，负值对应频次低的时期。

1644—1911年华南低温灾害频次在多个时间尺度上都具有周期性。由小波方差（图 7）可以看出，华南低温灾害存在着6年、10年、17年、29年、54年、130年的周期，其中29年周期为第一主周期，其次为17年、6年、10年、54年、130年。推测华南低温灾害变化与一些常见的气候变化周期有一定程度的相关性，如10年周期与太阳活动最明显的11年主周期接近。朱铁才等^[48]通过分析珠江三角洲地区近38年气象观测站逐月降水量资料，发现其具有明显的6~7年周期变化特征，与本文得出的6年周期特征相近。

5.4 低温灾害与旱涝灾害在时间上的相关性

本文统计了1644—1911年以县为单位的旱涝灾害以及低温灾害记录，计算了每30年旱灾和涝灾，低温灾害发生的县次。下图为每30年低温灾害县次柱状图（图 8）。

由图 8中从线性拟合曲线可以看出，低温灾害整体呈现上升趋势，相比清中期，清前期和末期为低温灾害多发时期，其中末期最多。从五次多项式拟合曲线可以看出低温灾害存在先减少后增加趋势。

曾有不同学者将明清小冰期划分为3个冷期，由于地域不同以及采用的代用资料不同，故划分的时段有差异（表 5）。本文发现学者划分的冷期与本文华南低温灾害多发时期具有较高一致性，其中与张伟强的一致性最高。

本文计算了每30年华南干旱灾害县次，从图 9中线性拟合曲线可以看出，清干旱县次总体呈现整体上升趋势。从五次多项式拟合曲线可以看出干旱灾害存在先减少后增加趋势。

计算每30年华南洪涝灾害县次，从图 10中二次多项式拟合曲线可以发现，清代洪涝灾害县次呈现总体增加趋势。从五次多项式拟合曲线可以看出洪涝灾害存在先略减少后增加趋势。

本文发现以上灾害在清时期均总体呈现上升趋势，清末期是灾害的高发时期，灾害具有群发性特征。计算每30年干旱总县次、洪涝灾害总县次与低温灾害县次的相关性（表 6）。

本文发现低温灾害的频次与干旱频次在0.05的显著性水平上正相关，相关系数为0.725，即低温灾害与干旱灾害具有明显的相关性，在低温灾害多发的时期，旱灾同样多发。蔡文娟等^[52]曾探究过关中地区冻灾与其他灾害的关系，发现在明清时期，旱灾的发生频率与冻灾基本同步，即冻灾较多的时期，旱灾同样较为频繁。气候的冷暖剧变可能会导致其它自然灾害的增多，这可能是在冻灾多发时期旱灾也发生较为频繁的原因之一。另外，气候变冷，会导致地面水分蒸发减少，水汽不足，降水量下降，可能是导致旱灾增多的另一因素。

从上述图中的各灾害发生趋势可以看出，在气候偏冷，低温灾害多发的时期，旱涝灾害同样多发。有学者研究发现^[53]广东各种自然灾害的发生一般都集中在冷期，尤其是在小冰期的第二次冷期和第三次冷期中最为明显，而且各种自然灾害发生次数的高峰值，一般也都在冷期中出现。本文发现，相比清前期，清末期灾害更为严重。清末期是灾害的群发期，水灾，旱灾，霜、雪、霜冻等低温灾害相对集中出现，灾害频次显著增长。各种特大灾害交相并发，具有明显的多样性、群发性的特征。这可能是天气异常、环境破坏和社会危机综合作用的结果。例如太阳活动的能量发生过程与地球气候有直接联系，地球自转角速度的变化会造成地球大气环流的调整和气候的变化。清代中国人口的数量一直在不断增加，在1820年代超过4亿，由于气候的寒冷，人类对柴薪需求量大，滥伐树木会使得大量森林破坏，由于人类不合理的社会经济活动在地球表层造成的环境退化和生态危机，也成为引发或加剧自然灾害的重要因子。

6 结语

本文收集并整理了1644—1911年华南地区关于雪灾、冰冻、霜、霜冻、寒潮等冷事件的记载，分析了低温灾害发生频次的空间分布特征以及灾害发生频次的季节性特征、周期特征和趋势，探讨发生低温灾害的空间分布和时间特征与旱灾、涝灾的关系，得出如下结论。

（1）1644—1911年华南共发生低温冷害530县次，就频次空间分布而言，华南总体低温冷害东部多于西部。珠江口附近的广州府、肇庆府以及东部的潮州府均为灾害多发的地区，这与旱灾、涝灾的多发地区一致。并分析了地形、环流等自然因素和人口增多对华南地区灾害发生的影响机制。

（2）华南低温冷害的高发季节是冬季，其次是春季。对低温灾害频次进行了周期性分析，发现低温灾害具有显著的29年周期，其次还有17年、6年、10年、54年、130年周期。探究了每30年各灾害发生的频次间的关系，发现旱灾频次与低温灾害频次具有显著正相关性。清前期和清后期为低温冷害的多发时期，同时也与其他学者研究的明清小冰期的冷期对应，在冷期旱涝灾害也多发，其中以清末期尤为严重，灾害群发。

本文中广西西部存在一定数量的土司或土州，由于历史文献中气候灾害记载较少且零散的原因，对于该地区的研究可能会存在偏差。同时本文虽然对低温灾害与旱涝灾害的相关关系进行了分析与探讨，但其原因和物理机制仍待进一步的深入研究。