江苏省(图 1)位于中国大陆东部沿海地区, 属温带向亚热带的过渡性气候, 全省年平均气温为13~16, ℃, 最冷月在1月份, 平均气温-1.0~3.3, ℃, 由南向北递减。全省地形以平原为主, 省内平原面积为7× 10⁴ km², 主要由苏南平原、苏中江淮平原和苏北黄淮平原组成, 南北都无高大山脉的屏障, 整体上具有很好的气温变化一致性。但由于该区域冬季冷暖空气频繁交替, 气温年际变率较大, 冬季气候异常已成为其主要的气候灾害。

图1

Fig.1

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	图1 江苏省行政区划及位置Fig.1 Administrative division and location of Jiangsu Province

研究资料主要来源于张德二(2004)主编的《中国三千年气象记录总集》, 以下简称《总集》。《总集》全书总共包括4个分册, 时间跨度自公元前23世纪至公元1911年, 通过从全国各地几十座图书馆收藏的古文献资料中系统采集出有关古气候信息, 经勘校、考订后辑集而成。该书辑集了中国历史上各种天气、大气物理现象, 如雨、水、雷、风、冻、旱、霜、雪等出现的时间地点, 灾害危害程度, 与气候相关的丰歉、疫病和饥荒等。由于该书系统地概括了中国的气象历史, 因此具有很高的研究价值。除了《总集》资料外, 作者搜集到的史料还来自《中国气象灾害大典· 江苏卷》(卞光辉, 2008)、《华东地区近五百年气候历史资料》(上海气象局等, 1978)以及江苏各地区的方志等。此外, 所利用的现代观测温度资料中:1873— 1911年的温度资料来自《中国之气温》(竺可桢等, 1947), 1960— 2010年的温度数据来源于国家气候中心。

史料来源主要包括整编历史资料和原始方志资料, 而整编资料收集的信息是由原始资料派生出来的, 由于其整理的目的和服务对象不同, 不同整编资料收集的史料信息和空间范围具有选择性, 内容也不够完整。因此在筛选史料中冷暖记载描述时, 首先将从整编资料中收集的信息和原始方志资料进行比对, 以查所收集记录是否完整, 描述内容是否一致。在进行多套资料的综合使用时, 若出现1条记录被多套资料引用, 就对其进行筛选对比取其中的1条; 若多条不同记录记载同一个区域的同一次冷暖过程, 就取记录较详细的或者取其并集; 若出现记载内容不一致的情况, 则依据“ 原始优先、校勘优先、价值优先、互相参照” 的原则进行处理(张向萍等, 2011), 以保证筛选出的记录信息的准确性。

根据上述的史料筛选原则, 共筛选出清代1644— 1911年江苏省冬季有关冷暖记载的描述共计310条。考虑到史料通常“ 记异不记常” , 即大多数记录记载的是因气候变化而造成的灾害性事件, 冷暖事件的记载比旱涝事件的记载相对少的多(葛全胜等, 2002)。因此在重建清代江苏省冬季冷暖等级序列时, 以江苏史料记载为主, 同时参考了与江苏省处于同一气候区的浙江、安徽和上海的史料, 以弥补江苏史料中的遗漏, 最终筛选出的史料描述共计1060余条。在筛选出的史料中, 江苏省有冷暖事件记载的年份为138个, 江苏省无冷暖记载而其余3省市有冷暖记载的年份为74个, 4省市都没有冷暖记载的年份为56个。

由于历史文献冷暖记载的时空分布不均匀性, 即使是文献资料丰富的地区, 也难以获得每个站点的连续记录(葛全胜等, 2002)。因此, 冷暖等级序列的重建必须依靠研究区内不同站点间记载资料的相互补充, 这也就需要保证研究区内气温变化具有一致性。通过前人(王绍武和王日昇, 1990傅云燕等, 2013)的研究表明, 在冬季气温空间变化上, 不仅江苏省内具有很高的一致性, 其与相邻的浙江省、安徽省和上海市也具有很高的一致性。

此外, 由于温度随纬度而变化, 在对1961— 2010年江苏省60个站点50 a冬季平均温度的进一步分析发现, 以长江为分界线, 苏南地区的冬季平均温度平均要比苏北地区高2, ℃左右。因此, 在对江苏省冬季冷暖定级时, 也需要充分考虑地区间冬季气温的差异性。

作者最终以曲建河(1986)在研究中国1470— 1984年冷暖等级序列变化给出的冬季冷暖分类定级标准为基础, 同时针对江苏省的区域气候特点, 制定了江苏省冬季的冷暖分类定级标准(表1)。

表1

Table1

表1(Table1)

表1 江苏省冬季冷暖分类等级 Table1 Taxonomy level of cold and warm in winter of Jiangsu Province 冷暖 等级 史料中冷暖事件描述 平均温度 /℃ 1级 海湖结冰, 河流尽冻。江河结冰, 冰厚尺余, 舟楫不通。井冻不可汲。冬大寒, 大雪逾月, 雪冻到次年始解。冬奇寒, 大雪深余丈, 人畜冻死者众多, 池鱼多冻死 1.2 2级 冬大雪七昼夜以上, 雪冻经旬不化。冬浅水结冰, 畏寒作物冻死。雨木冰。 苏北:冬雪达三尺以上; 苏南:冬雪达二尺以上 2.3 3级 冬雪小于二尺。瑞雪盈天。苏南:冬无冰; 冬无雪 3.2 4级 冬桃李华。苏北:冬无冰; 冬无雪 4.5 5级 冬大燠。冬酷炎如夏。冬暖, 百花齐放。十二月, 暖如初春 6.0 注:表中“ 平均温度” 一栏据上海市1873— 1911年冬季平均温度估算得出。

表1 江苏省冬季冷暖分类等级 Table1 Taxonomy level of cold and warm in winter of Jiangsu Province

参照表1的分类定级标准, 假如该年江苏省有冷暖描述记载时, 以江苏省的记载资料为主; 假如该年江苏省无冷暖描述记载时, 需要参照浙江、安徽和上海3个省市的有关记载。若这3个省市该年出现2条及以上1级或者4条及以上2级描述时, 该年冷暖等级定为2级, 若这3个省市该年出现1条及以上5级或者3条及以上4级描述时, 该年冷暖等级定为4级, 否则该年冷暖等级均定为3级。

根据上述确定的定级标准, 逐年建立了1644— 1911年江苏省冬季的冷暖变化等级序列(图2)。

图2

Fig.2

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	图2 清代江苏省冬季逐年冷暖等级序列(10 a滑动平均曲线)Fig.2 Series of annual level of cold and warm of Jiangsu Province in Qing Dynasty(10 a moving average)

由于作者是根据史料中有关冷暖变化的定性描述逐年对冷暖等级进行划分, 因此需要对建立的序列进行可靠性检验, 以表明已建序列的合理性。考虑到研究时间为清代, 器测温度资料较少, 而中国器测气温记录最早的地区是上海, 始于1873年。同时上海市和江苏省处于同一气候区, 据计算, 两区1960— 2010年冬季平均温度的相关系数为0.94, 通过了显著性水平0.001的t检验, 说明两区域的冬季冷暖变动趋势是十分一致的。因此可以利用上海有器测资料和史料描述交错的39 a(1873— 1911年)数据, 对序列进行可行性验证。

按照表1的冬季温度的定级标准, 建立了同时兼有史料和观测资料的1873— 1911年上海市的冬季冷暖等级序列, 通过与同时段的江苏省冬季冷暖等级序列对比(图 3)发现, 观测资料的平均冬温变化趋势与根据文中定级方法建立的上海、江苏等级序列变化趋势具有很高的一致性。如1881年, 观测资料的值为8.3, ℃, 为此时间段最高, 上海、江苏的冷暖等级也都达到了5级和4级, 相关描述如青浦县:“ 冬十二月辛酉, 温如暮春; 嘉定县:冬十二月温暖如仲春” ; 睢宁县:“ 冬桃李华” 。在1892年, 观测资料的值为1.9, ℃, 为此时段最低, 属于严寒冷冬, 上海、江苏两地的冷暖等级也都达到了1级, 相关描述如金山县: “ 冬奇寒, 黄浦皆冰” ; 青浦县:“ 冬十二月癸亥大雪冱寒, 泖殿、吴淞江冻, 经旬不解, 人行冰上” ; 南京市:“ 冬奇寒, 河冻, 十日不解” ; 吴县:“ 冬大雪严寒, 太湖冰厚尺许” 。进一步的分析表明, 观测资料的冬季平均温度变化与根据上述分类定级得到的上海市和江苏省冬季冷暖变化序列之间的相关系数分别为0.60和0.43, 均通过显著性水平0.01的t检验, 表明器测数据与所建序列之间有很好的相关关系。

图3

Fig.3

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	图3 1873— 1911年上海市冬季观测温度序列及上海、江苏冬季冷暖等级序列 a— 观测温度序列; b— 上海市冷暖等级序列; c— 江苏省冷暖等级序列Fig.3 Observed temperature series of Shanghai and series of level of cold and warm in winter of Shanghai and Jiangsu during 1873-1911 AD

综上所述, 文中建立的江苏省冬季冷暖变化序列具有很好的合理性, 能够反映区域内的冷暖变化特征。

根据得到的逐年定级资料(图 2), 分别统计了1644— 1911年江苏省冬季各冷暖等级所占的年份数(表 2)和1650— 1910年每10 a的冷暖冬出现的年数(图 4)。

表2

Table2

表2(Table2)

表2 1644— 1911年江苏省冬季各冷暖等级的年份数 Table2 Number of years of each level of cold and warm in winter of Tiangsu during 1644-1911 AD 冷暖等级 1级 2级 3级 4级 5级 年份数/个 31 65 132 28 12

表2 1644— 1911年江苏省冬季各冷暖等级的年份数 Table2 Number of years of each level of cold and warm in winter of Tiangsu during 1644-1911 AD

图4

Fig.4

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	图4 江苏省1650— 1910年间每10 a冷暖冬年数分布Fig.4 Distribution of year number of cold and warm winters per decade during 1650-1910 AD in Jiangsu Province

从表2可以得到, 正常年份占清代总年数的49%, 冷冬年份占总年数的36%, 暖冬年份占总年数的15%。因此, 从总体上可以看出, 整个清代江苏省冬季气候处于偏冷时段。此外, 正常年份所占的比例较高、暖冬年份所占比例相对较低现象的主要原因是, 史料通常记载的是由于气候变化而造成的灾害性事件, 而暖或偏暖气候远小于寒冷对社会的影响, 因而造成在历史文献中, 对暖或偏暖事件的记载明显会比冷或偏冷的事件记载少, 进而使得暖期的一些特征较难得到准确揭示(葛全胜等, 2002)。

通过对图2的冷暖等级序列进行10 a滑动平均, 同时结合图4, 大致可以将1644— 1911年江苏省冬季气候变化分为2个冷时段(1644— 1730年和1821— 1900年)和1个暖时段(1731— 1820年)。

在第1个冷时段(1644— 1730年)中, 冷暖等级相对较低, 其间有关冷暖记载多以寒冷为主, 平均每10 a中有4.5个寒冬年, 整个寒冷时段共有14 a冷暖等级都达到1级, 分别是1653— 1656年、1665— 1666年、1670年、1683年、1690年、1700年、1715— 1716年和1718— 1719年。在此期间, 一共出现25条有关江海湖结冰的记载, 如1653年江苏盱眙县:“ 冬, 淮冰合” ; 1654年江苏连云港县:“ 十二月初二日, 东海冰, 东西舟不通” ; 1665年江苏无锡县:“ 冬大寒, 太湖冰, 官河绝舟楫者匝月” ; 1670年江苏盱眙县:“ 冬, 雪深数尺, 淮河坚冻, 往来车马行冰上者两月” ; 1683年江苏武进县:“ 冬大雨雪, 太湖运河俱冰, 有冻死人” ; 1690年江苏涟水县:“ 黄河冰冻四十日, 骡马通行如大道” 。

在第2个冷时段(1821— 1900年)中, 其寒冷程度不如第1个冷时段, 平均每10 a中有4.2个寒冬年, 共有12 a冷暖等级达到了1级, 22 a冷暖等级达到了2级。这个冷时段中, 寒冷事件的描述除了江湖结冰外, 还体现在连续降雪日数增多和积雪厚度增加等方面。如1831年江苏省东台县:“ 自冬至春, 积雪弥月, 谷价珍贵” ; 1841年江苏省太仓县:“ 十一月初一日雪, 至初三、四两日积至丈余, 路绝行人, 至一月余犹未消” ; 1845年江苏省阜宁县:“ 冬, 大雪祁寒, 河冰四十日, 不陷车” ; 1886年江苏省南京:“ 冬十二月, 大雪经月, 折木坏屋, 平地深五尺” 。不过值得一提的是, 在1850— 1859年这个时段中, 气温有所上升, 寒冷事件的记载比较少, 暖事件的记载比较集中, 属于气温回旋的小暖期。

以上2个冷时段持续时间分别为87 a和80 a, 大约占了整个清代62%的时间段, 其中最寒冷的10 a主要分布于1650— 1659年、1710— 1719年、1830— 1839年和1870— 1879年。这些充分说明了清代处于气候寒冷期, 同时这也和王绍武等(1998)提出的有关气候小冰期的第2、第3冷期相符合。

在2个冷时段之间存在时间尺度大约为90 a的暖时段(1731— 1820年)。在这个暖期中, 寒冷事件的记载相对较少, 整个时期内仅有5年冷暖等级达到1级, 寒冬年份主要集中在1790— 1803年。除此之外, 暖事件的记载相对较多, 4个省市总共出现了29条类似于“ 冬暖” 、“ 冬桃李华” 、“ 冬大燠” 、“ 冬无冰, 冬无雪” 的记载, 仅江苏省就出现了11条记载, 这些都足以说明此时段内暖冬的存在。

表3

Table3

表3(Table3)

表3 不同时间尺度下清代江苏省冬季冷暖期分布 Table3 Distribution of cold and warm periods of Jiangsu Province during Qing Dynasty on different time scales 尺度 时段 偏冷期 偏暖期 38~42 a 1644— 1911 1644— 1690、1711— 1728、1751— 1768、 1789— 1810、1831— 1848、1871— 1890 1691— 1710、1729— 1750、1769— 1788、 1811— 1830、1849— 1870、1891— 1911 18~20 a 1690— 1790 1690— 1700、1713— 1723、1733— 1742、 1753— 1762、1773— 1782 1701— 1712、1724— 1732、1743— 1752、 1763— 1772、1783— 1790 13~15 a 1644— 1720 1653— 1658、1666— 1972、1681— 1690、 1701— 1706、1714— 1720 1644— 1652、1659— 1665、1673— 1680、 1691— 1700、1707— 1713 13~15 a 1830— 1911 1830— 1840、1846— 1851、1859— 1864、 1873— 1878、1886— 1891、1901— 1905 1841— 1845、1852— 1858、1865— 1872、 1879— 1885、1892— 1900、1906— 1911

表3 不同时间尺度下清代江苏省冬季冷暖期分布 Table3 Distribution of cold and warm periods of Jiangsu Province during Qing Dynasty on different time scales

从1900— 1911年来看, 其实也算是个小的暖期, 11 a中无年份冷暖等级达到1级, 达到2级的年份也仅有1个, 气温有上升趋势, 这也和20世纪暖期相符合。

在气候诊断中, 由于小波分析方法不仅可以给出气候序列变化的尺度, 还可以显现出变化的时间位置(魏凤英, 2007), 因而在气候分析中得到广泛应用。下面采用Morlet复小波函数对冷暖等级序列进行小波变换。

图5

Fig.5

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图5 清代江苏省冬季冷暖等级距平序列Morlet小波变换系数实部图Fig.5 Real part of Morlet wavelet transform coefficients of anomaly sequence of level of cold and warm in winter of Jiangsu Province during Qing Dynasty

图5是以1644— 1911年历年的冷暖等级距平序列标准化后的 Morlet 小波变换系数实部等值线图。图5中的符号反映振荡的位相, 正负中心值反映了不同尺度振幅最大值。其中, 正值对应着年冬季温度偏暖时期, 而负值则对应着年冬季温度偏低时期。根据江苏省1644— 1911年冬季逐年冷暖等级在多个特征时间尺度的时频分布情况, 可以发现, 其中有较明显的周期变化特征时间尺度是38~42 a、18~20 a、13~15 a和8 a。38~42 a和8 a特征时间尺度的周期变化相对具有全域性, 20 a尺度的周期变化在1690— 1790年之间比较明显, 13~15 a尺度的周期变化在1720年之前和1830年之后比较明显。

38~42 a的特征时间尺度的周期振荡中, 清代江苏省冬季气温大约经历了12次的冷暖交替变化, 周期相对稳定, 且信号强度较强, 总体上是由6个气温偏冷时段和6个气温偏暖时段组成; 18~20 a的尺度周期变化主要集中在1690— 1790年间, 存在有5个偏暖期和5个偏冷期; 13~15 a尺度周期变化主要集中在1720年之前和1830年以后, 在1644— 1720年期间主要由5个偏冷时段和5个偏暖时段组成, 在1830年以后时段主要由6个偏冷期和6个偏暖期组成。各时间尺度的冷暖期具体分布情况(表3)。

根据小波变换原理, 小波方差图可用来确定信号中存在的主要时间尺度, 即序列主周期。图6为绘制的清代江苏省冬季逐年冷暖等级序列的小波方差图。从图6中可以看出, 小波方差曲线有4个大小不同的峰值, 分别对应着3 a、8 a、20 a和42 a左右的主周期, 且42 a尺度时的方差值最高。这说明42 a左右周期振荡最强, 为第1主周期, 第2、3、4主周期依次是20 a、8 a和3 a。结合前人的研究发现, 在这些显著性周期中, 42 a、20 a和8 a左右的周期都与太阳黑子活动显著周期相一致(李可军等, 2004; 占腊生等, 2006), 这说明江苏省内冬季冷暖变化的周期与一些常见的气候变化周期在一定程度上都有着相同的反映。

图6

Fig.6

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图6 清代江苏省冬季逐年冷暖等级距平序列的小波方差Fig.6 Wavelet variance of anomaly sequence of annual level of cold and warm of Jiangsu Province in Qing Dynasty

根据小波方差检验出的冷暖序列的主周期, 绘制了第1主周期42 a尺度下的小波系数图(图 7)。由图7得知, 清代江苏省冬季气温分别经历了12次的冷暖交替变化, 包括了6个冷时段和6个暖时段, 周期性比较稳定。

图7

Fig.7

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	图7 42 a尺度下清代江苏省冬季冷暖等级小波系数Fig.7 Wavelet coefficient of level of cold and warm in winter of Jiangsu Province in Qing Dynasty in 42 a timescale

前文中作者将清代江苏省冬季气候大致划分为2个冷时段和1个暖时段。无论在冷时段还是暖时段, 总会存在与之相反的一些年份的气温回旋, 如暖时段中1790— 1799年冷冬的回旋, 以及第2个冷时段中1850— 1859年暖冬的回旋。而小波分析方法, 可以清晰地揭示出冷暖序列中的多种变化周期, 进而更精细地对冷暖时段进行划分。

竺可桢(1972)将中国近5000 a划分为4次温暖期和4次寒冷期, 而文中所研究的清代处于第4寒冷期里, 学术界通称为“ 小冰期” , 在此期间同样出现了若干次振幅较小的冷暖波动。前人对该时期的中国冷暖变化研究已有很多(张家诚, 1976; 张丕远和龚高法, 1979; 张德二, 1980; 王绍武和王日昇, 1990; 王日昇和王绍武, 1990; 郑景云和郑斯中, 1993; 王绍武等, 1998; 葛全胜等, 2002), 由于不同学者在研究区域以及分析时段上的不同, 因此在冷谷出现的具体时间和冷暖程度的界定上, 不同研究者所给出的研究结论并不一致(表 4); 但所有研究者均认为, 中国17世纪中期和19世纪中期较冷, 而18世纪前期相对较暖, 这点和文中关于清代江苏省冬季冷暖变化时段的结论是一致的。

表4

Table4

表4(Table4)

表4 清代中国不同地区寒冷阶段起讫时间 Table4 Cold stages in different areas of China during Qing Dynasty 序号 研究 地区 分析 时段 寒冷 阶段Ⅰ 寒冷 阶段Ⅱ 数据 来源 1 中国东部 冬季 1644— 1720 1840— 1890 张家诚, 1976 2 中国东部 冬季 1644— 1720 1830— 1900 张丕远和 龚高法, 1979 3 长江下游 冬季 1644— 1700 1820— 1890 张德二, 1980 4 中国东部 冬季 1644— 1700 1820— 1900 王绍武和 王日昇, 1990 5 中国东部 冬季 1644— 1699 1830— 1889 王日昇和 王绍武, 1990 6 山东 冬季 1644— 1679 1810— 1919 郑景云和 郑斯中, 1993 7 中国 整年 1640s— 1690s 1790s— 1890s 王绍武等, 1998 8 中国东部 冬半年 1640s— 1700s 1770s— 1910s 葛全胜等, 2002 9 江苏 冬季 1644— 1730 1821— 1900 本文

表4 清代中国不同地区寒冷阶段起讫时间 Table4 Cold stages in different areas of China during Qing Dynasty