明清时期中国东部高温事件年表重建和分析*
陶乐1, 苏筠1,2, 康媛1
1北京师范大学地理科学学部,北京 100875
2北京师范大学环境演变与自然灾害教育部重点实验室,北京 100875

通讯作者简介 苏筠,女,1974年生,北京师范大学教授、博士生导师,主要从事自然灾害风险、气候变化研究。E-mail: suyun@bnu.edu.cn

第一作者简介 陶乐,女,1997年生,北京师范大学地理科学学部在读研究生,主要从事区域资源环境与灾害研究。E-mail: ayou_tsingyi@126.com

摘要

气候变化的背景下,极端暖事件的频率有增加的趋势。通过“语义差异法”识别了明清时期的高温事件,对其高温程度进行分级,建立了1350—1910年中国东部的高温事件年表,并对高温事件的发生时间、年代际特征进行了分析。结果表明: 明清时期有41个年份记录了高温事件,36个年份出现极端高温事件;高温事件发生频率和强度存在一定的阶段性变化,这种阶段性变化与北半球及中国气温的冷暖阶段变化有一定对应,与极端冷事件频率基本呈反相变化,1700—1749年和1800—1859年是明清时期极端高温事件发生频率最高且强度最大的2个时段,分别对应小冰期中期1710—1760年较温暖的时期和小冰期末期,16世纪末至17世纪是小冰期中最寒冷的一个阶段,极端高温事件相对不频繁,极端冷事件则发生频繁;高温事件还具有连年或隔年再发的特点。尝试利用现代器测资料和站点相关的计算方法对高温事件记录点所可能反映的地理范围进行了探讨,长江下游地区和华北平原的案例分析表明,历史时期记录有限,但区域的单点高温记录可能反映了范围比较广的极端高温事件。

关键词: 极端高温事件; 历史记录; 气候变化; 年表; 明清时期
中图分类号:P467 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2021)02-0449-12
Reconstruction and analysis of chronology of high temperature events in eastern China during Ming and Qing dynasties
Tao Le1, Su Yun1,2, Kang Yuan1
1 Faculty of Geographical Science,Beijing Normal University,Beijing 100875,China
2 Key Laboratory of Environmental Change and Natural Disaster,Ministry of Education,Beijing Normal University,Beijing 100875,China

About the corresponding author Su Yun,born in 1974,professor,doctoral supervisor,Beijing Normal University,mainly engaged in natural disaster risk and climate change research. E-mail: suyun@bnu.edu.cn.

About the first author Tao Le,born in 1997,is a postgraduate student in the Department of Geographic Science,Beijing Normal University. E-mail: 201921051030@mail.bnu.edu.cn.

Abstract

The frequency of extreme warming events tends to increase under the background of climate change. The high temperature events in Ming and Qing dynasties were identified and their severity was graded based on the semantic difference method. The chronology of high temperature events between 1350 and 1910 in eastern China was established and their occurrence time and interdecadal characteristics was analyzed. The results show that high temperature events occurred in 41 years of Ming and Qing dynasties,and extreme high temperature events occurred in 36 years. The frequency and intensity of high temperature events present a certain change in phase,which corresponds to the change of temperature in the cold and warm period in the northern Hemisphere,especially China,and is in reverse variation trend with the frequency of extreme cold events. During two periods, i.e.,1700 to 1749 and 1800 to 1859,there were the highest frequency and intensity of extreme high temperature events in the Ming and Qing dynasties,corresponding to the warmer period of the middle Little Ice Age and the late Little Ice Age from 1710 to 1760 respectively. From the late 16th century to the 17th century,it was the coldest period in the Little Ice Age. The extreme high temperature events were relatively infrequent and extreme cold events occurred frequently. High temperature events may also lasted for many years or occured a year later. We also discussed the geographical scope the temperature events by the recording points of high temperature events that are measured by modern instrumentation data and the correlation analysis of sites. The case studies in the lower reaches of the Yangtze River and the North China Plain show that the single-point high temperature records in the study region may reflect a wide range of extreme high temperature events though there are limited records of historical period.

Key words: extreme high temperature events; historical records; climate change; chronology; Ming and Qing dynasties
1 概述

极端气候事件指特定时段内气候要素量值或统计量显著偏离平均状态, 且达到或超出其观测值或统计量值区间上下限附近特定阈值的事件(IPCC, 2012; 郑景云等, 2014a)。气候变化背景下, 极端气候事件的发生频率有增加的趋势(IPCC, 2012)。较之气候平均态, 极端气候事件发生的概率小、突发性强, 是重要的致灾因子和巨灾风险源, 容易造成较大的影响和损失, 是气候变化研究领域的重要问题(丁一汇和任国玉, 2008; 齐庆华等, 2019)。

随着全球变暖, 极端暖事件的发生频率明显增加(Easterling et al., 1997; Karl and Easterling, 1999; Alexander et al., 2006; Min et al., 2011; )。在中国, 随着气温上升, 高温、热浪事件的频次和强度增加(Zhai et al., 2003; 胡宜昌等, 2007; Ding et al., 2010)。2003年极端高温热浪席卷欧洲的同时, 中国江南、华南也出现了罕见的持续高温天气(王亚伟等, 2006; 邹旭恺和高辉, 2006); 2010年8月中旬上海持续多日的37 ℃以上的高温热浪天气造成了供电、供水压力, 并威胁居民的生命健康(陈敏等, 2013)。因此, 全球变暖背景下有必要开展极端高温事件时空特征的研究, 以增加对气候变化及可能影响的认识。

目前, 中国的极端气候事件时空研究主要基于器测资料的时空分析以及利用气候模式进行模拟和预测, 这也是认识极端温度事件的2种重要手段(李书严等, 2012; 郎咸梅和隋月, 2013; 陈晓晨等, 2015; 张延伟等, 2016; 李东欢等, 2017)。但器测资料存在时段较短、难以揭示长时间尺度规律的问题(葛全胜等, 2006), 模式模拟的方法在针对特定区域进行降尺度分析时的准确性有待验证和优化(王志远和刘健, 2014; 张学珍等, 2017), 这些问题可以通过历史文献重建的结果来适当地进行补充或对比校验。文献记载有时空覆盖度和分辨率较高、定年准确的特点, 对于定量重建过去的气候有独特的优势(郑景云等, 2014b), 已经形成的一些综合性集成成果如文献记录汇编和电子数据库为获取历史气候资料提供了便利。

对于历史极端冷暖事件, 受历史文献偏重记载寒冷事件而较少记载温暖事件的影响, 历史极端高温事件极难得到识别, 冷事件的研究远多于暖事件(郑景云等, 2014a)。已有的研究通过序列重建、年表总结和个案分析对历史时期冷冬的特点做了剖析, 总结了若干变化特征。郑景云等(2005)根据中国东部地区的异常霜雪及河湖结冰记录重建的冬半年温度距平序列, 识别出魏晋南北朝220— 580年间有56个异常寒冷年, 其中40个冬季的温度较1951年以来的极端冷冬温度低; 丁玲玲和郑景云(2017)根据华南地区冬季气候特征重建了1710— 2009年华南地区冷冬序列, 识别出华南地区过去300年的暖、冷、暖3个阶段; 郝志新等(2011)以南方地区及全国的冬季与1月气温观测记录为基础, 采用事件发生概率密度函数小于10%的标准确定了1951年以来的极端冷冬事件, 进而用冷冬灾害影响的古今对比建立了过去400年南方极端冷冬判别标准, 识别出1550— 1599年、1650— 1699年、1800— 1849年及1850— 1899年是过去400年中国发生极端冷冬事件最为频繁的4个50年。在案例研究方面, 前人分别对1670— 1671年、1892— 1893年及1620— 1621年的极端寒冬事件进行了剖析, 分析了当年的寒潮过程、极端日低温值等(张德二和梁有叶, 2014, 2017; 闫军辉等, 2014)。极端炎夏方面仅张德二和Demaree(2004)重建了1743年7月25日北京最高气温达44.4 ℃的极端高温事件。相对于极端冷冬有多时空分辨率的序列或年表总结以及丰富的个案, 极端热事件则受限于资料记载未有过多研究, 其长期的时空规律缺乏总结, 与气候变化的关系也相对不明确。

明清时期距现代相对较近, 史料相对丰富, 且刚好处于相对寒冷的一个时期, 其间的极端高温事件对于现今的气候变化问题有一定的参考和对比意义。作者尝试利用史料记录归纳明清时期高温事件年表, 探讨历史时期极端高温事件的发生频率和强度, 为模式模拟提供检验依据, 也为应对未来的极端高温事件提供历史相似型参考。

2 资料与方法
2.1 研究区域与资料来源

中国东部地区纵跨南亚热带、中亚热带、北亚热带、暖温带以及中温带的部分区域, 是中国季风气候的典型区, 也是夏季副热带高压直接影响的区域, 由此带来的降水、温度分配不均是中国夏季高温热浪灾害的直接成因。东部地区也是古代社会经济发展较为繁荣、历史资料丰富的地区, 夏季重大异常高温对于农业活动的影响在地方志等资料中有所记录。考虑史料的详略程度及现代器测数据的应用, 本研究探讨中国东部地区(即105° E以东、42° N以南)的夏季的高温事件(图 1)。

图 1 中国东部地区明清时期出现高温记录的地点
底图来源: 1︰400万全国基础地理数据库
Fig.1 Location of high temperature records during Ming and Qing dynasties in eastern China

本研究所使用的历史时期高温记录来源于《中国近三千年气象记录总集》(张德二, 2004)和《中国气象灾害大典》(温克刚, 2005)。以“ (酷/甚/盛/大/毒/极)暑、炎、热、燠、熏灼” 等表述“ 热” 的语句作为高温事件提取的关键词, 对高温事件进行摘录, 单纯记录“ 旱” 的, 即使“ 夏旱” 也不计入。对高温事件记录中事件发生的时间、地点和具体描述进行记录, 并按来源参阅明清时期各个府县的府志、县志、地方志及少数历史资料, 对事件事实、起止时间进行核验和补充; 地名根据《古今地名对照表》转换为现代地点; 日期参照《中华两千年历书》将阴历转换为阳历。共摘录了142条高温事件的记录, 涉及40个年份, 高温记录出现地点见图 1。根据现代气象学对于极端高温事件的基本定义, 主要从高温程度上对高温记录进行分级和极端性的判定, 并对高温事件持续时间、影响等方面进行分析。

所需的现代器测资料来源于国家气象科学数据中心的中国地面气候资料日值数据集(V3.0)。该数据集包括中国699个基准、基本气象站1951年以来的气温日值数据, 由于1960年及之前的站点数量相对少且不稳定, 取1961— 2010年的7月份日最高气温数据用以分析。

2.2 极端高温事件判定与年表建立

已有研究中极端高温事件的定义主要从统计中的概率(如IPCC采用事件发生概率密度函数小于10%来确定)或从温度阈值及持续时间(如中国气象部门定义日最高气温大于或等于35 ℃为高温日, 且一般以超过3天定义热浪, 一些具体研究中则根据纬度标准有所差异)进行界定。但历史文献中对高温及其影响的记录描述较简单、条数少、出现记录的点独立单一, 较难根据灾害影响程度和影响范围对事件进行等级划分, 亦难以用古今对比的方法, 从现代器测气象资料的统计结果出发, 从概率上进行“ 极端性” 的判断。这主要是因为在以农为本的古代中国, 人口密集、农业发达的中东部地区为亚热带季风气候和温带季风气候, 极端低温事件、极端旱涝经常对农业生产造成直接而巨大的影响, 因热量过分充足而导致的农业生产损失则较少出现。而高温事件一般表现为对人体带来严重的生理不适, 如中暑、热死人等现象, 因为较少带来直接的农业经济损失, 不危及粮食安全基础, 所以历史文献中对高温及其影响的记录相对不重视, 情形特别严重或感受特别异常才会进行记录。本研究所摘录的高温原始记录多来自于地方志的“ 灾祥” 或“ 祥异” 部分, 按年份记录发生天文现象和特殊农业气象事件, 属纪实纪录。因此, 考虑到历史记录“ 记异不记常” 的特点, 决定了明确出现高温记录的事件具有很高的可信度和异常性。在此基础上, 利用“ 语义差异法” 结合现代体感温度方面的研究以及高温导致中暑甚至死亡的灾害性影响, 对古代高温程度和事件极端性进行简单分级。

2.2.1 高温程度的表述与极端高温事件判定

历史文献中有关高温的记录集中表现为人体的感知描述, 包括“ (酷/甚/盛/大/毒/极)暑、炎、热、燠、熏灼” 等, 尽管明清时期的高温事件对于农业生产、基础设施等影响的具体表现形式与现代社会大不相同, 但几百年内中国居民在自然条件下对于温度的基本感知相对一致。表 1给出了体感温度与人体感知的相关研究结果, 受相对湿度、风速及日温差的影响, 体感温度并不与实际气温相一致, 但从体感温度的一般表达形式上看, 实际气温仍占绝对主导地位, 其他的因素作为实际温度的修正一般变化幅度较小。故基本可以判断体感温度达到37 ℃后会开始出现比较异常的不舒适, 当出现“ 极度难以忍受” 之类的表述时, 表明体感温度基本已达到40 ℃以上, 代表了比较极端的情形。

表 1 体感温度及人体感受的分级 Table1 Classification of somatosensory temperature and human perception

其次, 文献资料大部分记录了 “ 人多暍死” 的描述, 即高温导致了中暑, 而受限于医疗条件, 出现人大量死亡的情况。据前人对中暑的相关阈值研究, 中暑人数明显增多一般对应温度最极端的情形, 现代灾害研究中亦将“ 中暑人数明显增多” 作为高温热浪的标准(董蕙青等, 2000; 张德山等, 2005), 说明中暑人数增多, 尤其是出现大量死亡时, 表明高温已经非常极端。

据上, 将历史记录中的高温表述分为3个等级(表 2)。其中, 当出现二级(S)、三级(VS)的描述时, 认为达到了极端高温的情形。

表 2 中国历史文献中高温记述分级 Table2 Classification of high temperature records in historical documents of China

2.2.2 高温发生时间的推断

历史资料中仅较少的高温记录有具体日期的标识, 大部分为“ 夏” 或“ × 月” 的表述, 无法判断具体发生日期。直接记录的具体日期主要有以下几类: (1)农历日期, 如“ 邢台县大旱热, 七月初二暍死者数百人” (公元1671年)、“ 五月二十六日至六月初五日大热, 人暍死者甚众” (公元1743年), 直接将农历换算为公历; (2)日干支记录, 如“ 夏六月乙亥, 炎热异常, 自京师至内外热伤人畜甚众” (公元1678年)、“ 五月壬午, 酷暑, 焦大木皮若介, 果实如之” (公元1877年), 根据日干支查出对应的公历日期; (3)按月阴晴记录的日期, 如“ 六月朔后, 荣河亢阳, 大地如炉, 村人暍死者无数” (公元1839年), 此类记录近似等于农历日期。以上有具体日期的记录有些提供了起止时间, 有些仅提供起始或终止时间, 或仅提供事件最为严重的日期, 结合语境以及同一事件的多条记录判定高温事件的起止时间。

另有2类未记录具体的日期, 但也能较准确判断出时段: (1)有节气用语, 视当年具体情况来推算, 如“ 六月伏中大热太甚, 中暑之人无数, 热死者一日有十余名” , 则推算出当年三伏天日期, 取其农历6月的部分; (2)有月内具体时期的表述, 如“ 六月初旬, 酷暑, 墙壁如炙, 人畜多暍死” (公元1827年)、“ 东光县七月初旬酷热, 人多暍死” (公元1870年), 认为其时间尺度与1次高温事件基本相当, 取该旬对应的公历日期。

需要说明的是, 尽管现代对于高温事件或热浪事件的定义考虑持续时间, 但历史记录多无法确定持续时长, 本研究不将持续时长作为高温事件的定义标准。且对高温的感受的描述多表达了一段时期影响积累的含义。

2.2.3 高温影响

并非所有的高温纪录均只记载人体感应相关和中暑现象, 部分记录中亦出现了高温对农业及其他方面影响的记载。其中最主要的表现为农业受旱, 如“ 大旱” 、“ 禾多枯死” 、“ 岁歉” 、“ 二麦尽枯” 等表述; 其次, 少数年份有生物响应的记载, 如“ 河鱼多死” 、“ 耕牛死” 等; 除了生物的响应, 还有少数记录中出现了高温对于设施的影响, 如“ 桅顶金流” 、“ 锡铅销化” “ 墙壁器物如炙等” ; 除此之外, 个别年份出现了因高温受灾, 朝廷进行蠲免和赈济。按照当年的记录详情, 将当次高温事件的影响按“ 人体” 、“ 农业” 、“ 生物” 、“ 设施” 、“ 社会” 几个方面进行分类记录。

3 1350— 1910年的高温事件年表及特征分析

根据以上标准, 确定中国东部1350— 1910年的高温事件年表, 共找到142条高温记录, 识别出41个年份发生了高温事件, 其中36个年份被判定为发生的是极端高温事件。事件的发生时间、地点、极端程度以及带来的影响等详细信息整理成年表(表 3)。

表 3 明清时期中国东部高温事件年表 Table3 Chronology of high temperature events during Ming and Qing dynasties in eastern China
3.1 高温事件发生的年内时间

在41个高温事件年份中, 有12个年份记录了具体的发生时间(表 3), 其他的记录无法推算具体时间, 但大多数有月记录的按记录推测发生在7月份。可以推算具体日期的年份中, (极端)高温事件最常发生的时期为7月中下旬(图 2), 这符合中国东部大部分区域季风气候下温度的年内变化特点, 与现代高温热浪发生时间的研究结果相对一致(贾佳和胡泽勇, 2017)。比较严重的极端高温事件(VS)多发生在这一时期, 但也出现了如1834年和1887年发生于六月底的短时强高温。

图 2 明清时期中国东部地区有明确记载的高温事件的发生时间Fig.2 Time of high temperature events which are well-defined during Ming and Qing dynasties in eastern China

3.2 极端高温事件发生的年代际特点

整个研究时段内, 高温事件总体呈现越来越频繁的基本趋势(表 3)。1350— 1549年的200年内, 每50年仅有1年有高温事件记录, 极端高温事件仅发生3次, 且级别均为“ S” , 这其中有年代较早记录较少的原因, 也一定程度上表明, 明清小冰期的早期, 极端高温事件的发生频率处在一个较低的水平, 到16世纪后半叶开始, 高温事件频次增多, 强度也增强。高温事件比较频繁的后半段, 18世纪中期和19世纪前期, 是极端高温事件发生最为频繁且极端高温事件强度最强的2个时期, 其间的18世纪后期至19世纪前期, 极端高温事件的频率较小。19世纪后期, 极端高温事件的频次增多明显, 到了20世纪, 第1个10年即有2次高温记录。

将本研究中识别出的高温事件发生年份与重建的中国过去千年温度序列以及极端冷冬序列进行对比(图 3)表明, 百年尺度上的冷暖变化与极端高温发生的频率有一定的对应关系, 如16世纪末至17世纪是明清小冰期中最为冷的一段时期(葛全胜等, 2002), 这段时期高温事件发生的频率也相对较低, 极端冷事件的频率则相对较高(郝志新等, 2011); 而1710— 1760年是小冰期中相对暖的时段(葛全胜等, 2002), 这一时期高温事件发生较密集, 强度也较大, 极端冷事件则较少发生(郝志新等, 2011)。19世纪后期在一些研究中被认为是较冷的时期, 而这段时期极端高温事件的频率明显增高, 信号早于20世纪才开始逐渐变暖的多数温度序列, 这其中可能有“ 厚今薄古” 导致资料记录在近200年增多的原因, 也可能反映了工业革命背景下极端气候事件的确有增多趋势, 且极端气候事件对人类活动加速下的气候变化反应更为敏感。这一时期, 极端冷事件的发生频率也较高(郝志新等, 2011)。

图 3 中国公元1350— 1950年温度序列、极端冷冬序列与高温事件发生年份的对比
a— Wang等(2007)重建的中国过去气温距平序列; b— 葛全胜等(2002)重建的中国冬半年温度距平序列, 折线为30年滑动平均; c— 郝志新等(2010)识别的中国南方过去400年极端冷冬发生年份; d— 本研究识别的中国东部高温事件发生年份
Fig.3 Comparison of temperature series, extreme cold winter series and high temperature events in China from AD 1350-1950

此外, 从年表(表3)中还可以看出, 历史上的极端高温事件还具有连年再发或隔年再发的特征, 这一规律在极端冷冬事件上也有体现(郝志新等, 2011)。如公元1752年和1753年高温事件连年再发, 公元1887年、1888年和1889年连续3年在长江中下游地区发生极端高温事件, 造成多人中暑, 公元1893年、1894年高温事件亦连年再发; 公元1875年和1877年的极端高温事件则隔年再发。

3.3 极端高温事件的影响及案例

在有记录高温事件发生的年份中, 公元1743年无论是高温发生的范围、炎热程度、危害都堪称罕见。其影响地域跨北京、天津、河北、山东、陕西等5个省市(图 4), 人体、农业、生物、设施、社会多个方面受到了明确的影响。人体健康方面, 仅记载人大量中暑而死的就有42个县市之多。乾隆《浮山县志》卷三十四“ 祥异” 中记载“ 京师更甚, 浮人在京贸易者亦有热毙者” , 表明在北京一带, 高温已直接严重威胁人们的基本生活。27个县市记录了因极热造成旱灾, 出现了“ 二麦尽枯” 、“ 是岁旱谷收三分” 、“ 禾苗尽槁” 、“ 秋禾未种” 等描述。生物方面, 除了“ (人)畜暍死外” , 还出现了“ 鸡子报不成” 、“ 风炙, 树木向西南辄多死” 等其他年份少有的具体描述。设施方面, 出现了“ 桅顶金流” 、“ 日中铅锡销化” 等记录, 表明地表温度已经极端高。同时, 公元1743年也是记录中唯一一个大量记载了高温影响至社会经济及政治层面的年份, 由于严重威胁人体的基本健康, 朝廷在部分地区“ 命地方官设冰厂, 施药以济” ; 高温带来的旱灾引起了粮价陡升, 多地出现“ 斗米千钱” 的记录, 为了缓解粮食短缺, 朝廷大量进行蠲免地租和赈济, 如河北省河间县记录“ 蠲银八千一百十一两, 米一百” , 衡水市、深县等地也记录“ 题准赈免” 、“ 详情蠲赈” 等。

图 4 公元1743年高温事件范围
底图来源: 1︰400万全国基础地理数据库
Fig.4 Range of high temperature events in AD 1743

张德二(2004)根据当时的宫廷天气记录、以及旅居北京的外国教士记载的北京早期器测气象资料, 确定了公元1743年7月25日北京的最高气温达44.4 ℃, 说明在工业革命前的自然背景下, 同样存在极为严重的高温事件。

其他的一些炎热年份少有如此严重的极端高温事件, 影响方面一般也仅限于人体以及农业、生物中的1~2个方面。但如公元1671年、1827年、1870年和1875年也出现了范围较广, 危害较大的极端高温事件, 多地出现了“ 苦热伤人” 、“ 人多触暑僵死” 、“ 大热如焚” 等描述中暑情形的。值得注意的是, 这些影响相对严重的年份, 高温发生的区域均位于华北地区, 这其中一方面有靠近政权中心资料记载相对详细的原因, 另一方面则是由于中国夏季华北区晴天频率高、高温同时伴有干旱的特征, 而南方地区夏季高温常常被降水或阴雨天气缓解, 故带来的影响常常不如华北地区。

4 讨论: 从记录“ 点” 推演出现高温的“ 面” 范围

由年表(表 3)可以看出, 一些县市是高温事件频繁记载地, 如华北的保定、邢台、唐山、秦皇岛、甚至辽宁葫芦岛等地多次记录了极端高温, 山西洪洞、运城、临汾也常记载极端高温, 江浙沪一带记录最多的首推上海, 兴化、嘉兴、高邮、南京也单独有记录。一方面可以认为这些地点是相对容易发生高温事件的区域, 另一方面也是因为这些地区明清时期相对发达, 有相对充足的整理人员和完善的地方志记录制度。由于历史文献记载终归非统一定量记载, 不同地区的地方志资料详细程度受制于当地的发展程度及相关制度的完善程度, 存在很大的区域差异, 且历史上本就相对忽视高温, 很多极端高温事件尽管从程度上看十分严重, 造成了大量人中暑而亡, 但记录仅限于个别县市, 数量少。因此作者尝试对单点记录在极端高温事件上是否有空间代表性以及其组合有多大范围的空间代表性进行探讨。

本研究选择了2个均出现了多人中暑而死的极端高温事件年份— — 公元1568年和1875年, 作为记录的空间代表性分析案例。前者发生于长江下游地区3个相对离散的地点(江苏兴化、东台和浙江嘉兴), 后者发生于华北4个相对离散的点(北京、天津、河北唐山、山东青岛), 这些地点也是历史记录中常出现高温事件记录的区域。利用1961— 2010年夏季7月日最高气温数据, 计算出现记录地点的7月份日最高气温与周围站点的空间相关性, 并用空间插值的方法得到相关性的空间分布, 从而推测高温记录可能代表的范围, 选择7月份的日最高气温的原因是, 高温事件指标一般以日最高温来记, 且7月份一般为中国东部地区的夏季最热月份, 对历史时期极端高温事件发生时间的统计也显示多在7月份。具体做法是: 形成东部地区(> 105° E, 10° ~42° N)所有站点(共417个)1961— 2010年50年的7月份日最高气温序列(序列长度为31× 50), 分别找到距每个高温记录点最近的气象站点i1, i2, ……, in, 计算其他所有站点的7月份日最高气温与站点i1, i2, ……, in, 之间的序列相关性, 对相关系数进行空间插值, 并确定阈值, 形成以站点为中心的高相关性区域Ei, Ej, 该次极端高温事件的可能空间范围可视为E=E1E2∪ …En

所得到的公元1568年和1875年的站点空间相关性分布如下(图 5)(相关系数均通过0.05显著性检验), 相关系数在0.7以下的站点及区域被认为相关性较弱而未予显示, 对于相关系数大于0.9的区域, 认为极有可能亦处于极端高温的情形。

图 5 利用站点相关性推算公元1568年和1875年的高温发生范围
底图来源: 1︰400万全国基础地理数据库
Fig.5 Ranges of high temperature in AD 1568 and 1875 estimated using site correlation

在公元1568年, 当长江下游的兴化市、东台市和杭州市出现极端高温天气时, 江苏南部至浙江北端这一区域是极有可能出现高温的区域(相关系数均大于0.9), 包括南京、镇江、苏州等主要城市, 可能也是本次事件的高温中心。以此为中心向内陆延伸的安徽大部至湖北东部是较有可能发生高温的区域(相关系数大于0.8), 且武汉尽管距离较远, 但7月份的日最高气温与长江下游表现出很高的相关性和一致性(相关系数大于0.9), 故也很有可能出现同步高温。与出现记录的站点相关系数大于0.9的区域面积达到了4× 104 km2以上(单点约为3× 104 km2), 大于0.8的区域面积则达到了近18× 104 km2, 尽管不能确定这些区域均发生了极端高温, 但有很大可能这些区域在同期也较热。公元1568年的高温事件比较符合中国东部夏季副高压控制下的长江中下游的高温情形, 其他年份中如公元1485年、1759年、1889年和1894年均有可能表现出类似的高温格局。

而在公元1875年的华北地区, 当北京、天津、唐县以及山东青岛出现极端高温天气时, 河北大部分平原地区(如唐山、保定、廊坊、沧州和衡水一带)以及山东东部(如潍坊、烟台)有较高的可能性亦发生了高温(相关系数大于0.8), 但相关系数大于0.9的区域相对离散, 说明在华北地区, 单站的高代表性区域较长江下游地区略小, 约(0.1~0.5)× 104 km2, 相关系数大于0.8的区域面积达到了10× 104 km2。但华北地区的高温记录相对长江中下游地区更丰富, 出现记录的县市也较多, 因此当不同的县市同时出现记录时, 可以认为高温事件发生的范围其实是较大的, 公元1711年、1743年、1827年的华北高温与公元1875年可能具有很相似的格局。

由上可知, 虽然历史时期只有个别地方出现极端高温记录, 但高温出现的空间范围应该不局限于个别县域, 华北平原区、长江下游地区的单点高温记录具有一定的空间代表范围。且出现类似格局的高温事件也较为典型。

5 结论与讨论

本研究考虑现代气象学对于极端高温事件的基本定义, 结合体感温度和中暑方面的研究, 通过“ 语义差异法” 对高温记录进行分级和极端性的判定, 确定了明清时期(1350— 1910年)的高温事件, 重建了1350— 1910年中国东部的极端高温事件年表, 并对高温事件发生的时空特征进行分析。结果表明:

1)明清时期极端高温事件在史料中记录较少, 共41个年份发生了高温事件, 其中36个年份为极端高温事件, 一定程度上反映了明清时期寒冷的背景, 但即使是在工业革命前的自然背景下, 极端高温的程度亦有可能很强, 可能出现如1743年类似的北京最高温达到44.4 ℃异常极端高温, 以其为代表的华北地区的高温常常伴随旱灾而带来较大影响。

2)极端高温事件在研究时段内呈现从“ 不频繁” 到“ 频繁” 的基本趋势。其发生频率和强度存在一定的阶段性变化, 这种阶段性变化与北半球及中国气温的冷暖阶段变化有一定的对应, 与极端冷事件频率基本呈反相变化, 其中1700— 1749年和1800— 1859年是明清时期极端高温事件发生频率最高且强度最大的2个时段, 分别对应小冰期中期1710— 1760年较温暖的时期和小冰期末期, 前者的极端冷事件发生亦明显较少; 16世纪末至17世纪极端高温事件相对不频繁, 符合小冰期中最寒冷的一个阶段, 这一时期极端冷事件发生频率高。

3)工业革命以后极端高温事件频率增加早于多数温度距平序列, 这一时期极端冷冬频率也增加, 表明极端气候事件对人类活动影响下的气候变化反应可能较气候平均态更为敏感。极端高温事件还具有连年或隔年再发的特点。

4)在自然地理背景(比如地貌)相对一致的区域内, 出现高温的空间范围不应是一个孤立点位。利用现代气象资料和站点相关的计算方法, 可以根据历史时期的个别县域记录推演极大可能出现高温的区域范围。长江下游地区和华北平原是高温事件发生的典型区域, 这些区域的单点高温记录有一定的空间代表范围, 可能反映了范围比较广的极端高温事件。

值得注意的是, 由于历史文献记载和语义差异法终归并非定量手段, 且相较于极端冷冬, 极端高温发生的区域尺度更小, 缺少大范围的标志性的灾害判断, 而体感温度虽能较好地反映温度的相对差异, 但对绝对温度的反映还缺少更为直接的证据, 仅能通过中暑的严重程度来进行辅助判断, 故本研究对于高温事件的高温程度和极端程度的判定可能仍存在不完善之处。

另一方面, 中国历史上相对忽视高温记载, 且记录大有“ 厚今薄古” 的趋势, 年代际的规律又仅能从频次上判断, 加之中国东部地区的夏季大气环流背景较冬季复杂, 南北温差较小, 极端高温事件的出现对夏季温度及年均温的影响相较寒潮和冷冬事件小, 因此事件显示出的与长期气候变化的相关性不如冷冬强。

其次, 许多高温事件的影响尽管十分严重, 但记录数少, 记载地少, 空间范围不明, 这与高温事件的发生背景复杂、尺度随机且不同地区的记录完善程度有很大差别有关系, 如何判断记录的空间代表范围是相对困难的, 本研究采取现代器测资料的站点相关性分析了较常出现记录的2个区域作为案例, 探讨了可能的空间范围, 但确切的空间范围重建可能需要更多的资料和理论支持。

致谢 感谢北京师范大学地理科学学部殷水清老师及其研究生王茂青在站点相关性分析上的数据处理指导。

(责任编辑 李新坡; 英文审校 刘贺娟)

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