杨雨锟, 毕硕本, 邱湘开, 李士毫. (2024). 明清时期中国沿海地区台风灾害的时空特征* [J]. 古地理学报, 26(2): 446-459.
YANG Yukun, BI Shuoben, QIU Xiangkai, LI Shihao. (2024). Spatio-temporal characteristics of typhoon disasters in China’s coastal areas during Ming and Qing Dynasties[J]. Journal Of Palaeogeography, 26(2): 446-459.   
Doi: 10.7605/gdlxb.2024.02.035
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明清时期中国沿海地区台风灾害的时空特征*
杨雨锟1, 毕硕本1,2, 邱湘开1, 李士毫1
1 南京信息工程大学科学技术史研究院,江苏南京 210044
2 南京信息工程大学地理科学学院,江苏南京 210044
通讯作者简介 毕硕本,男,1965年生,教授,主要从事空间数据挖掘和三维可视化研究。E-mail: bishuoben@163.com。

第一作者简介 杨雨锟,男,1997年生,硕士生,主要从事历史灾害研究。E-mail: 614944986@qq.com。

收稿日期:2022-10-02 修回日期:2023-07-12
基金资助:*国家自然科学基金项目(编号: 41271410,41071253)资助
摘要

延长器测时代之前的台风序列,可为更长时间尺度的气候研究提供数据支持。基于历史文献,分区域重建了 1368— 1911年影响中国沿海地区的台风活动共 1447次,借助小波分析、 GIS空间分析等方法对其时空特征进行分析,并使用降水、干湿等序列对重建结果的可靠性进行验证。结果表明: ( 1)明清时期华北、华东、华南入境台风总数分别为 157、 596、 853次,影响华北沿海的台风大多也会影响华东沿海,而同次台风入境华东与华南沿海的情况则较少。( 2)重建台风与现代造成 8级及以上风的热带气旋的阴历月际分布特征大致相似,华北沿海台风高发期为 6、 7月份,华东为 6— 8月份、华南为 5— 9月份。( 3)在 1570— 1590年、 1660年代、 1850年代、 1890年代沿海各地区的台风活动均十分频繁,而在 1460年代、 1560年代、 1700年代、 1760年代、 1780年代则相对平静。( 4) 128 a周期尺度下的小波分析显示,明清时期华北沿海台风活动的第一、第二、第三主周期分别 123 yr、 86 yr、 10 yr,华东沿海为 122 yr、 85 yr、 42 yr,华南沿海为 73 yr、 116 yr、 40 yr,明清时期整个中国沿海地区为 122 yr、 75 yr、 42 yr。( 5)明清时期台风灾害集中分布于临海的平原地带,且呈现出由南向北、由临海地区向内陆显著减弱的趋势,华北沿海台风灾害主要分布于胶东、辽东半岛、渤海湾沿岸,除临海地区外海河平原东南部地区台风灾害也相对明显。( 6)明清时期沿海各区域台风序列与其相对应区域的降水序列均具有中等程度的相关性。

关键词: 台风; 明清时期; 中国沿海地区; 时空特征
中图分类号:P532 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2024)02-0446-14
Spatio-temporal characteristics of typhoon disasters in China’s coastal areas during Ming and Qing Dynasties
YANG Yukun1, BI Shuoben1,2, QIU Xiangkai1, LI Shihao1
1 Institute of Scientific & Technical History,Nanjing University of Information Science & Technology,Nanjing 210044,China
2 School of Geographical Sciences,Nanjing University of Information Science and Technology,Nanjing 210044,China
About the corresponding author BI Shuoben,born in 1965,professor,is mainly engaged in spatial data mining and 3D visualization research. E-mail: bishuoben@163.com.

About the first author YANG Yukun,born in 1997,is a master degree candidate,mainly engaged in the research on historical disasters. E-mail: 614944986@qq.com.

Fund:Co-funded by the National Natural Science Foundation of China(No.41271410,41071253)
Abstract

Extending the typhoon sequence before the instrumental era can provide data support for longer time scale climate research. Utilizing historical documents,this paper has reconstructed a total of 1447 typhoon events that affected the coastal areas of China from 1368 to 1911,categorized by subregion. This study employs wavelet analysis,GIS spatial analysis,and other methods to analyze the spatio-temporal characteristics of these events,verifying the reconstruction’s reliability through precipitation and dry/wet sequences. The results show that: (1)During the Ming and Qing Dynasties,the total number of incoming typhoons in North China,East China,and South China was 157,596,and 853,respectively. Most typhoons impacting North China’s coast also affected East China’s coast,with fewer typhoons simultaneously entering East and South China. (2)The monthly distribution of reconstructed typhoons closely mirrors that of modern tropical cyclones,which cause winds of magnitude eight or higher. Typhoons are most frequent along North China’s coast in June and July;in East China,during June,July,and August;and in South China,from May through September. (3)Typhoon activities in various coastal areas were very frequent during the 1570-1590,1660,1850,and 1890's,while during the 1460's,1560's,1700's,1760's,and 1780's,were relatively calm. (4)Wavelet analysis,based on a 128 yr cycle,shows the first,second,and third main periods of typhoon activity along the North China coast during the Ming and Qing Dynasties were 123 yr,86 yr,and 10 yr,respectively,while those along East China coast were 122 yr,85 yr,and 42 yr,while those along the South China coast were 73 yr,116 yr,and 40 yr,respectively. The first,second,and third main periods of typhoon activity for the entire coastal area of China during the Ming and Qing Dynasties was 122 yr,75 yr,and 42 yr. (5)Throughout the Ming and Qing Dynasties,typhoon disasters were primarily concentrated in coastal plains,and showed a significant trend of weakening from south to north and from coastal areas to inland. In North China,typhoon impacts were predominantly observed on the Jiaodong and Liaodong peninsulas and around Bohai Bay. Beyond these coastal regions,the southeast Haihe Plain also experienced notable typhoon effects. (6)During the Ming and Qing Dynasties,there was a moderate correlation between typhoon sequences and precipitation patterns in their respective coastal regions.

Key words: typhoon; Ming and Qing Dynasties; China’s coastal areas;; spatio-temporal characteristics
1 概述

中国沿海地区的台风活动十分频繁(宿海良等, 2021), 即便近代以来科学技术的进步让防灾措施更为有效, 减少了人口死亡, 但改革开放后经济快速发展, 人口与资产进一步集中, 台风灾害造成的经济损失仍然十分严重(卢莹等, 2021), 且近年的研究指出气候变暖或将导致中国沿海台风灾害强度上升(陈雪等, 2018), 这使得台风时至今日仍是威胁中国沿海地区的首要灾种。而中国大范围的台风科学记录仅有百年左右的历史(陈联寿和丁一汇, 1979)。在此情景下, 延长器测时代之前的台风活动序列, 扩大历史台风的研究范围成为必要工作。中国记载灾异的传统由来已久, 历史文献丰富, 前人基于此, 在台风史料的甄别以及历史台风活动的判定方面做了大量基础性的工作(Chan and Shi, 2000; Liu et al., 2001; 梁有叶和张德二, 2007; 徐明等, 2007; 王美苏, 2010; Zhang et al., 2012), 为后续研究奠定了基础, 目前已有诸多探讨历史台风灾害特征方面的研究成果。潘威等(2012)建立了华东地区清代登录台风的频次及影响时间天数序列。郑微微等(2014)利用清代日记中高分辨率的台风灾害记录建立了清代50年间影响浙北地区的台风序列, 并对其路径进行了分析。颜停霞等(2014)对长三角地区清前期7次造成严重损失的台风事件, 从台风过程、灾害分布与路径等方面进行了重建。王洪波(2016)提出风暴潮频率辨识方法, 建立了苏浙沿海明清两朝的台风风暴潮灾害频率序列。李晴和薛积彬(2018)对近500年广东的台风与现代台风的活动时空特征进行了比较, 并分析了广东历史台风活动与北半球平均气温以及太平洋年代际震荡之间的关系。孙力等(2019)分析了明清东南沿海台风灾害的时空特征变化规律, 以及台风频率与冷暖变化、太阳黑子之间的相关性。潘威等(2021)重建1650— 1900年间中国华东与日本地区的台风频率和运动路径等信息, 分析了台风运动路径的转变对东亚封建社会造成的影响。

在基于历史文献重建台风的研究中, 空间范围上, 以华东、华南沿海地区的区域性研究为主, 江苏以北沿海地区较少获得关注, 中国沿海区域整体性的研究比较薄弱。研究时段上, 清代以前的研究相对薄弱。研究方法上, 从历史文献中提取台风灾害信息以及重建台风事件的方法, 经过前人的不断丰富和完善, 目前在相关研究领域已经形成了比较完备的学术范式, 即在尽可能确保资料可靠性的情况下把握不同历史文献资料的特点, 通过建立现代台风特征与历史文献中自然现象、灾害描述等的联系, 来进行古代台风的判别和重建。研究内容方面, 以历史台风活动中各项指标的重建、台风灾害时空特征分析、台风活动的影响因素等研究为主。此外目前明清时期各区域的干湿特征、降水序列的研究成果较多, 但鲜有结合台风序列进行对比分析的研究。鉴于以上几点, 本研究利用明清时期沿海地区历史文献资料, 重建该区域明清时期台风的时空分布情况并分析其时空特征, 从而进一步揭示历史台风活动的总体特征和演变趋势, 并通过与降水、干湿、已有台风序列等进行对比, 验证重建结果的合理性, 为中国沿海地区防灾减灾及可持续发展提供历史视角, 为年代际尺度的气候研究提供参考。

2 研究区与数据来源
2.1 研究区概况

本研究以“ 中国历史地理信息系统6.0” 数据集中1820年清代的行政区为基准, 对研究区范围进行划定, 自北向南分为盛京、直隶、山东、江苏、浙江、福建、广东7个行政区, 并结合器测时代台风活动特征, 将研究区分为华北沿海(山东、直隶、盛京)、华东沿海(福建、浙江、江苏省)、华南沿海(广东、广西)3个区域(图 1)。

图 1 中国沿海地区位置与数据记录点分布Fig.1 Location of China’ s coastal areas and distribution of points with typhoon recorded in historical documents

2.2 数据来源

地方志自宋起以各级地方为对象开始扩大编撰规模, 明代时加入专门记载灾异的类目(饶展雄和程慧, 1996), 发展至清代形成了体例完善、数量庞大、具有连续性的文献群, 且详备程度由府志到镇志逐级增加(张静, 2021), 灾害信息较为详细, 时空上分布也较为均匀, 目前在各种历史文献资料中, 地方志是历史台风灾害资料最主要的来源。因此本研究使用的历史灾害资料主要以地方志为主, 正史、档案、日记、文集等为辅, 涉及的资料有《中国三千年气象记录总集》、《中国历代灾害性海潮史料》、《中国气象灾害大典》、《明实录类纂》、《华东五百年气候历史资料》、《福建省气候历史记载初步整理》、《清代辽河、松花江、黑龙江流域洪涝档案史料》、《清代海河滦河洪涝档案史料》、《清代淮河流域洪涝档案史料》、《清代长江流域洪涝档案史料》、《清代浙闽台地区诸流域洪涝档案史料》、《清代珠江韩江洪涝档案史料》12部整编资料。

通过对上述资料中含有“ 颶、颱、飚” 等特定词汇, 以及狂风、暴雨、潮灾、洪涝等灾害现象的记录进行搜集, 并对内容重复度较高的记录按照满志敏、葛全胜等提出的资料整理四原则“ 原始优先、校勘优先、价值优先和互相参照” (张丕远等, 1996)进行筛选处理, 保留时空分辨率较高、灾况描述详尽的记录。得到原始记录15 989条, 其中明代5249条, 清代10 740条, 并从每条记录中提取朝代年号、灾害发生时间、地点、灾况描述4个部分信息, 建立明清台风灾害记录数据库。

文中所用的沿海地区造成8级及以上风的热带气旋时间数据来自于中国台风网(cdata.typhoon.org.cn)的1949— 2018年热带气旋风雨资料(Lu et al., 2021)。

3 台风灾害记录与台风次数的判别

根据均变论思想, 古今台风造成的自然现象是相似的, 因此古代记录中反映自然现象的词汇可以与现代台风特征建立联系, 从而辨别古代灾害记录中的与台风有关的灾害记录, 但潘威等(2014)指出历史文献记录只能反映对沿海地区生产生活造成影响的那部分台风, 所以文中与历史文献有关的“ 台风” 均泛指对沿海地区造成影响的不同等级热带气旋, 并用王美苏(2010)提出的“ 入境台风” 概念进行指代。

3.1 台风灾害记录判别

3.1.1 直接判别准则

1)明清沿海地区灾害记录中出现的“ 飓” 、“ 颱” 、“ 飚” 这类词汇, 在历史台风重建方法的研究中(王美苏, 2010; Zhang et al., 2012, 潘威等, 2014)被认为是明清东南沿海地区大多数情况下描述台风的特定用词, 如1390年江苏海门“ 六月丁卯海门县, 是月三日夜, 飓风大作, 潮汐腾涌, 坏庐舍, 溺死居民孽畜无算” 。但对于其中“ 飓” 的含义, 作者在研究过程中发现其也被用于描述寒潮、沙尘暴等其他天气系统引起的大风, 在东南沿海地区这种情况出现较少, 而在纬度较高的华北沿海地区应用则较为多样, 因此本研究对含有此类特定词汇的灾害记录, 根据其记录所记载时间、地点、灾况描述来综合进行判别, 对于记录中含有这类词汇, 但不符合台风灾害特征的, 进行剔除。如1534年山东阳谷“ 十二月, 飓风, 飞沙如雨” , 1841年山东平度“ 正月二十六日, 飓风, 大雪丈余” 。

2)几个邻近或相近地点同时记载有一定持续时间的风、雨、潮现象, 可以判别为1次台风事件(张向萍等, 2012), 故将灾害记录中具有风、雨、潮3种现象, 且记录地点临近江海, 符合台风灾况特征则判别为台风灾害记录, 如1411年江苏扬州“ 六月十五日至十九日, 通州、泰兴、海门等县风雨暴作, 江潮泛涨, 坏庐舍, 漂流人畜” 。

3.1.2 间接判别准则

考虑到研究范围涉及整个沿海地区, 且台风本身的活动范围较广, 所以需从更大范围的时空尺度去考察较为完整台风活动过程, 从台风入境造成明显的大风高潮和暴雨现象到减弱消散过程中在不同区域产生的程度各异的次生灾害, 以及滞后的灾害影响都在判别范围之内, 且不同地域的气候特征对台风事件判别的干扰因素不同, 故在参考前人研究(徐明等, 2007; 王美苏, 2010; Zhang et al., 2012; 潘威等, 2012; 孙力等, 2019)和建国以来台风路径数据和台风气候特征研究成果(高建华等, 1999; 唐丽丽等, 2012; 魏娜等, 2013; 黄昌兴等; 2014)的基础上, 以文献中反映的灾害现象为主, 灾况描述为辅, 提出了以下几条符合本研究需求的间接判别准则。(1)对于仅出现风、雨或风、潮2种现象的记录, 以及风、雨、潮、洪涝现象单独出现的记录, 需与相近时空范围内的其他记录归为一组综合进行判别, 若该组记录在相近时空范围内有符合直接判别标准的记录作为佐证, 则判别为台风灾害记录, 如风潮现象记录: 1378年太仓州“ 七月四日, 海风自东北来, 拔木扬沙, 排山倒海, 堆阜高陵皆为漂没, 三洲一千七百家尽葬鱼腹” , 其相近时空范围内的飓风记录: 同年松江府“ 七月四日, 飓风海溢, 人庐漂没” ; 如风雨现象记录: 1409年浙江天台“ 八月, 大风雨, 拔木没禾, 倾屋无算” , 同年浙江飓风记录“ 八月十二日松门、海门、昌国、台州四卫, 楚门等六千户所飓风骤雨, 坏城垣, 漂流房舍” 。(2)若同组记录在相近时空范围内没有符合直接判别标准的记录作为佐证, 但多条记录在相近时空范围内共包含风、雨、潮3种现象, 且符合台风灾况特征, 则皆视为台风灾害记录, 如1522年上海“ 七月二十四日, 疾风甚雨, 越明日, 一昼夜乃止。灾连南畿两浙, 数千里间洋海啸, 邑无完屋” , 同年浙江嘉兴“ 七月二十五日, 自辰至酉大风, 拔木坏庐舍” , 同年江苏常州“ 七月二十五, 大风雨拔木, 江海啸涌, 漂室庐人畜无算” 。

参考现代台风特征研究, 对上述提及的“ 相近时空范围” 进行补充说明, 现代台风特征研究表明在中国登陆并在陆地上消失的台风其陆上维持时间平均为31 h左右, 最长达132 h(魏娜等, 2013); 台风在各地平均影响持续时间为1.9~3.4 d(徐明等, 2007), 近30年西北太平洋6— 10月的台风平均移动速度为466 km/d(唐家翔, 2011), 据此将符合以下条件的记录视作处于“ 相近时空范围” 内, 同一组内的各记录与其相邻最近的记录在空间距离上不超过4.4纬距, 在时间跨度上具备日分辨率的记录不超过4 d, 月分辨率的记录不超过1月。

3.1.3 台风信息过滤

强对流天气、寒潮、温带气旋、龙卷风、叠加风雨的天文大潮等造成的部分自然现象和灾害影响与台风相似, 在历史灾害记录中也用类似的词汇进行描述, 容易造成混淆, 需要根据各天气系统不同特征加以区分。作者利用前人研究(徐明等, 2007; 王美苏, 2010; Zhang et al., 2012; 潘威等, 2012)中提出的过滤准则对台风记录进行剔除:(1)风雨现象持续时间大于10 d, 且同时间段内无大风、潮灾记录; (2)出现雹、雪等冷性气团或明显的降温描述; (3)出现大风扬尘、沙、霾等现象; (4)大风风向为西北或西, 降雨和大风移动过程由北向南; (5)有龙卷风现象记载但无风雨潮现象伴随; (6)天文大潮期间单独出现的风雨潮记录; (7)虽有风雨现象但不临海, 发生地点位于内陆且相近临海地区无其他台风记录支持。另外本研究中参与辨别的台风记录其时间分辨率有精确到日以下、日、月、季和年5种, 其中年分辨率记录中除含有“ 飓” 等特征词汇的记录之外, 其余年分辨率记录不足以判断其是否为台风引起, 故舍去该类记录。通过上述方法进行判别筛选和过滤, 得到台风灾害记录7156条。

3.2 台风灾害事件判别

在前人历史台风事件判定方法(徐明等, 2007; 王美苏, 2010; Zhang et al., 2012; 潘威等, 2014)的基础上, 结合研究区台风活动特征总结出符合本研究需求的台风次数判别准则。将研究区每年的台风灾害记录分别按季、月、日、时依次进行排序处理, 梳理出每年台风记录的时间先后顺序, 在此基础上结合台风记录的空间信息对处于“ 相近时空范围” 内的多条台风记录进行综合判断, 若多条记录处于上文提及的“ 相近时空范围” 内并符合一般台风移动路径规律, 时间顺序上对应的空间位置大致为由南向北、由海向陆(潘威等, 2014), 则将多条记录视为同一次台风事件, 并按时间顺序赋予台风事件编号。其中对于季、年分辨率的记录则根据其相近空间范围内有无其他月以上分辨率的记录情况进行划入、插补, 或剔除。

根据以上判别准则得到明清时期中国沿海地区台风灾害事件1447次, 年平均2.7次, 其中具备日分辨率的785次、月分辨率的1406次, 仅具有季、年分辨率的台风事件为53次。

4 明清时期台风时间特征分析
4.1 重建台风基本情况

通过对1447次台风事件的时空信息进行分类统计, 明清时期台风的重建情况如下: 在整个沿海地区, 明代的台风次数及年平均值分别为448次、1.62次, 清代为999次、3.75次。在华北沿海地区, 明代台风次数及年平均值分别为62次、0.22次, 清代为95次、0.35次, 明清两代华北沿海入境台风总数157次, 其中入境华东、华北沿海2区域的台风88次, 占华北台风总数的56%, 在可辨别台风路径的台风事件中, 台风大致移动方向均为由南向北。在华东沿海地区, 明代台风次数及年平均值分别为250次、0.90次, 清代为346次、1.3次, 明清2代华东沿海入境台风总数为596次。华南沿海地区, 明代台风次数及年平均值分别为184次、0.67次, 清代为669次、2.51次, 华南沿海入境台风总数为853次, 其中入境华南、华东沿海2区域的台风占65次, 占华东台风总数的11%, 占华南台风总数的7%, 在可辨别台风路径的台风事件中自东向西推进的台风多于自西向东的台风。上述结果显示, 明清2代之间台风的重建数量具有较大差异, 这与历史文献资料“ 厚今薄古” 的局限性以及明代与清代地方志体量的差距、古代各区域不平衡的发展有关。据统计, 明代修志约3470种, 现存约1014种(巴兆祥, 2004); 清代修志约8000多种, 现存5800多种(许卫平, 1994)。明代方志的编纂规模和现存数量都少于清代, 这意味着明代被记录下来台风灾害记录相较清代是偏少的, 从而导致明代的重建台风数量与清代有较大差异。

4.2 月际特征

通过对研究区各区域明清时期具有月分辨率的入境台风事件进行整理统计, 得到阴历月际分布情况, 并与1949— 2018年期间对沿海地区引发8级以上风的热带气旋的阴历月际分布进行了对比, 如图 2所示。研究区各区域的台风在月际分布上具有明显差异, 华北沿海台风主要集中于6、7月份, 各时期6、7月份台风次数的占比为72%(明代)、79%(清代)、70%(建国以来), 春冬季节虽有疑似受台风影响的灾害记录, 但数量极少且灾况描述与该地区春冬季频发的寒潮、温带气旋等造成的强对流天气现象十分接近, 不足以判断为台风灾害, 故作者认为明清时期华北沿海地区冬春季受台风灾害的影响的情况是极少的; 华东沿海台风主要发生于6— 8月份, 几乎没有冬季台风, 春季台风极少, 各时期6— 8月份台风次数的占比为75%(明代)、80%(清代)、78%(建国以来); 华南沿海台风主要发生于5— 9月份, 春冬2季均有少量的台风发生且春季略多于冬季, 各时期5— 9月份台风次数的占比为90%(明代)、93%(清代)、92%(建国以来)。其中在没有现代台风记录的阴历2月份, 明清2代华南地区皆出现了较为明确的台风事件记载, 如1516年广东雷州“ 二月, 飓风害稼, 民告灾, 乃减征” (康熙《遂溪县志》卷一事纪); 1900年海南东方“ 二月, 飓风大作, 伤损民房甚多” (民国《感恩县志》卷二十灾异), 除此之外重建台风月际分布与建国以来的台风观测情况大致相同。

图 2 明清时期中国沿海各区域入境台风与建国以来登录台风的阴历月际分布
a— 明清时期华北沿海入境台风、建国以来登录台风阴历月际分布; b— 明清时期华东沿海入境台风、建国以来登录台风阴历月际分布; c— 明清时期华南沿海入境台风、建国以来登录台风阴历月际分布Fig.2 Lunar monthly distribution of inbound typhoons in China’ s coastal areas during Ming and Qing Dynasties and inbound typhoons since 1949

可以发现, 3个区域的台风活动情况均存在明显的季节差异, 春、冬2季的台风数量占比均较低, 但在夏、秋2季不同区域之间台风数量的占比存在较明显的差别, 6、7月份的台风占比由南向北逐渐增加, 华北、华东沿海高发期的月际分布较华南沿海更为集中, 5、9月份的台风主要影响华南沿海地区, 在华东、华北沿海占比很小, 而8月份台风主要影响华东、华南沿海地区。以上台风活动月际分布特征可能与台风源地、西太平洋副热带高压位置的季节性变化有关, 在阴历6、7月份, 随着海温升高暖池范围扩大以及副高北移东退, 西北太平洋上生成的台风在洋面上移动的距离更长, 能够吸收更多的水汽和热量, 形成强度较大的台风, 且伴随着夏季风增强, 为台风北上提供了条件, 从而导致华北、华东地区的6、7月份台风活动的占比较高, 而5、9月份台风活动主要影响华南沿海则可能与华南沿海纬度较低、更靠近热带洋面有关。

4.3 台风频率序列分析

通过对1447次台风事件中的时空信息进行分类与统计, 重建明清时期各区域入境台风序列如图 3所示, 各沿海区域的台风逐年频次均表现出明显的年际变化。从各沿海地区序列所反映的变化趋势来看, 明代华北沿海地区在1570— 1590年、1600— 1620年期间台风活动最为频繁, 而1400年代、1440年代、1510年代、1530年代、1560年代则处于台风平静期, 清代华北沿海在1830— 1860年、1870— 1900年期间台风活动最为频繁, 而1680— 1710年、1760年代、1780— 1800年处于台风平静期。明代华东沿海地区在1530— 1550年、1570— 1610年、1620— 1640年期间台风活动最为频繁, 而1400年代、1420年代、1440年代、1560年代、1620年代则处于台风平静期。

图 3 明清时期中国沿海各区域台风序列
a— 明代华北沿海台风序列; b— 明代华东沿海台风序列; c— 明代华南沿海台风序列; d— 清代华北沿海台风序列; e— 清代华东沿海台风序列; f— 清代华南沿海台风序列; g— 明清中国沿海台风频率序列序列Fig.3 Typhoon sequences in China’ s coastal areas during the Ming and Qing Dynasties

清代华东沿海在1660年代、1850年代、1880— 1910年期间台风活动最为频繁, 而1700年代、1760年代、1790年代、1820年代处于台风平静期。明代华南沿海地区在1510— 1530年、1540— 1560年、1570— 1590年、1620年代期间台风活动最为频繁, 而1360— 1400年、1440— 1460年、1480年代、1510年代、1560年代则处于台风平静期。清代华南沿海在1650— 1690年、1850— 1880年、1890— 1910年代台风活动最为频繁, 而1645— 1660年、1690— 1710年、1770年代、1790年代、1840年代、1880年代处于台风平静期。整体来看, 在1570— 1590年、1660年代、1850年代、1890年代3个沿海地区的台风活动均十分频繁, 而在1460年代、1560年代、1700年代、1760年代、1780年代则均处于台风活动的低谷期。

图 4 明清时期中国沿海台风频率的小波分析Fig.4 Wavelet analysis of typhoon frequency of China’ s coastal areas during Ming and Qing Dynasties

4.4 台风序列周期性分析

本研究使用Morlet函数, 以128 yr为周期尺度对明清时期华北、华东、华南沿海的台风频率序列分别进行小波分析, 小波功率谱变换图(图中锥形曲线之外的功率谱受到边界效应影响, 存在较大不确定性, 锥形曲线之内黑色实线所包围的区域则表示通过了95%置信水平的红噪声标准谱检验)、小波方差图如图 4所示, 前者可以较细致地反映不同时段的周期特征, 后者则是从整体上反映研究时段内最主要的周期特征, 序列分析结果显示明清时期沿海各区域的台风频率序列存在多时间尺度的周期变化特征。华北沿海台风活动在1540— 1580年间存在9~13 yr的周期, 在1600年代存在2~8 yr的周期, 在1630— 1680年存在50~60 yr的周期, 在1830— 1900年间存在2~19 yr的周期。华东沿海台风活动在1470— 1600年、1650— 1890年间的多个时段内存在2~8 yr的周期, 其中4~8 yr的周期在1660— 1690年较为显著, 而在1490— 1520年存在12~16 yr的周期。华南沿海台风活动在1640— 1780年、1800— 1890年间的多个时段存在2~8 yr的周期, 在1640— 1730年存在55~75 yr的周期。整个沿海地区的台风活动则在1400— 1430年、1500— 1560年、1630— 1670年、1700— 1720、1760年代、1820年代、1890年代存在2~4 yr的周期, 在1600— 1720年存56~96 yr的周期。小波方差图显示, 明清华北沿海台风活动的第一、第二、第三主周期分别123 yr、86 yr、10 yr, 华东沿海为122 yr、85 yr、42 yr, 华南沿海为73 yr、116 yr、40 yr, 明清整个中国沿海地区为122 yr、75 yr、42 yr。

5 明清时期台风灾害空间特征与分析

本研究从1447次台风活动所涉及的灾害记录中提取其发生地点(县、州、厅、府), 参考《中国历史地图集》(谭其骧, 1982)中明代和清代沿海各省的政区图, 将灾害记录地点统一转换为清代1820年的地名, 从而对各府所受台风影响次数进行统计, 并利用“ 中国历史地理信息系统6.0” 中清代1820年政区图绘制明清时期中国沿海地区府级台风影响次数空间分布图(图 5)。

图 5 明清时期中国沿海地区台风灾害影响次数空间分布Fig.5 Spatial distribution of typhoon disasters in China’ s coastal areas during Ming and Qing Dynasties

从图5可以看出, 明清时期研究区台风灾害的空间分布情况表现出明显的区域差异, 且明代和清代具有相似的分布特征, 即台风灾害主要分布于华南、华东沿海地区, 华北沿海地区则明显较少, 长三角地区以北显著减少, 集中分布于临海的平原地带, 总体上呈现出由南向北、由临海地区向内陆显著减弱的情况。

华南沿海地区台风灾害最为密集的地区为珠江三角洲地区, 其次是海南岛、韩江三角洲地区, 华东沿海地区台风灾害最为密集的地区为长江三角洲地区, 其次是杭州湾沿岸、温州湾沿岸、闽江口沿岸地区。以上区域地形主要为水网密布的临海平原, 直面西向、西北向的台风, 且人口相对密集、耕地面积占比较高, 这导致上述区域面对台风时的灾害暴露度和脆弱性较高, 同时此类地区对财政贡献较高, 受统治者重视, 发生于此类区域的台风灾害也就更容易被关注和记载。离海岸线较远的地区受台风灾害的影响则相对较小, 一方面, 在台风灾害频繁的东南沿海地区, 除江苏地形以平原为主之外, 其余各省地形均以山地、丘陵为主, 台风对地形因素敏感, 向内陆推进时强度会明显衰减, 另一方面, 与山地丘陵地区人口和耕地面积占比较少有关, 使得这类地区对台风灾害的敏感度相对较低。华北沿海地区的台风灾害主要分布于胶东半岛、辽东半岛, 其次是渤海湾沿岸地区, 除上述临海地区外, 海河平原东南部地区台风灾害的分布情况却相对明显, 这可能与影响华北沿海地区的台风路径以及该区域地形有关。器测时代的台风路径数据表明侵入华北沿海地区的主要台风可分为2类: 在华东沿海地区登陆北上的台风、近海沿岸北上的台风, 2类台风抵达华北沿海地区后大多转向东北、衰减消散, 在2类台风的路线上, 胶东半岛因其相对靠南的地理位置, 且南北跨度较长、平均海拔相对较高, 首当其冲对北上台风形成阻挡, 而辽东半岛既受北行台风转向后再次登陆的影响, 也受沿海北上台风直接登陆的影响, 故两区域受台风影响较为明显。对渤海湾沿岸、海河平原地区造成影响的北行台风则以抵达渤海湾或沿华北平原北上再转向东北2种情况为主, 虽然此类北上台风侵入时强度已经减弱, 但由于该地区主要为地势较低、水系密布的平原地带, 且西部背靠太行山、北部背靠燕山山脉, 台风低压与地形作用容易在海河流域上游引发暴雨, 加之此类台风几乎都出现在夏秋季, 往往与汛期叠加从而造成严重的涝灾。

6 明清时期台风序列与降水、干湿及已有台风序列对比

根据近50年来台风降水研究, 长江以南地区的台风降水量占夏季降水量的比重可达10%以上, 在沿海地区夏季台风降水对夏季降水的贡献率约为10%~65%, 在空间上由南向北依次减少(申茜等, 2013), 且沿海地区台风大暴雨日在全年大暴雨日数中占30%~80%(王咏梅等, 2008), 而历史文献中的灾害记录具有记异不记常的特点, 基于历史文献重建的降雨、干湿序列对极端降雨特征应有较好的保留, 而入境台风是引发沿海地区极端降雨主要因素之一, 同样基于历史文献资料进行重建的干湿、降水序列有相当一部分记录是与本研究重建台风的记录重叠, 在相关分析中应存在较明显的相关性, 地质记录与重建台风之间也具有内在联系, 故本研究将各区域台风序列与其他学者重建的降水、干湿序列进行对比, 以此来说明本研究重建台风结果的合理性, 同时也能一定程度上反映各区域的极端降水事件与入境台风的关联性。其中华东沿海地区缺少时空范围上大致吻合的降水重建序列, 故使用石笋氧同位素记录进行替代, 台风引发的极端降雨由于强对流和充分时间的分馏作用, 与低纬雷暴降雨相比较, 雨水的 δ 18O 值比后者明显偏小, 台风过后强降雨带来的贫18O雨水在地表和地下水中可以停留数周, 通过生物和化学过程, 贫18O的信息进入到洞穴石笋的生长微层中(Kam and Liu, 2008), 因此石笋氧同位素记录同样保留了台风极端降水事件的特征信息。

各序列对比结果如图 6所示。选取各序列1470— 1911年的数据分别进行相关性分析。结果表明: 华北沿海台风9 yr滑动平均曲线与刘艳丽等(2022)重建的海河流域年平均降水量变化曲线在1 yr分辨率下的相关系数为0.568(P=0.05), 华南沿海台风9 yr滑动平均曲线与刘艳丽等(2022)重建的珠江流域年平均降水量变化曲线在1 yr分辨率下的相关系数为0.514(P=0.01), 华东沿海台风11 yr滑动平均曲线与李禧亮等(2016)重建的明清时期苏浙皖沪地区干湿11 yr滑动平均曲线, 以及崔田丰(2019)建立的浙江金华宋涯洞石笋氧同位素11 yr滑动平均曲线在1 yr分辨率下的相关系数分别为0.203(P=0.05)、0.429(P=0.05)。以上结果显示, 除华东台风序列与干湿序列可能受干旱因素影响而导致相关性较差之外, 其余3组的相关分析结果表明沿海各区域台风逐年频次变化与对应区域的全年降水趋势变化均为中等程度相关性, 再结合图 6的对比结果可知, 明清时期各区域台风次数的增减趋势与对应区域全年降水的增减趋势在半数左右的时间中呈现正相关。此外, 由于以上降水序列所用的重建方法、数据各不相同, 数据范围也与文中研究区有所出入, 且为全年降水数据, 故该对比结果仅能一定程度上反映各区域全年降水的大致波动趋势与本研究重建台风逐年频次变化之间的对应关系, 并不能很好地验证台风与极端降水之间的相关性, 故下一步工作需要进一步挖掘历史时期各区域夏半年极端降雨数量的年际变化特征, 以此与台风序列进行更深入的对比分析。

图 6 明清时期中国沿海各区域台风序列与降水、干湿序列对比
a— 明清华北沿海台风序列与1470-1911年海河流域降水序列(刘艳丽等, 2022); b— 明清华东沿海台风序列与明清苏浙皖沪干湿等级序列(李禧亮等, 2016); c— 明清华东沿海台风序列与明清宋崖洞石笋氧同位素序列(崔田丰, 2019); d— 明清华南沿海台风序列与1470-1911年珠江流域降水序列(刘艳丽等, 2022)Fig.6 Comparison of typhoon sequences, precipitation, dry and wet sequences in China’ s coastal areas during Ming and Qing Dynasties

为进一步验证本研究重建序列的可靠性, 选取其他学者重建的台风相关序列进行对比。将本研究重建的华东台风11 yr滑动平均序列与王洪波(2016)重建的1368— 1911年的苏浙地区台风风暴潮11 yr滑动平均序列进行对比, 对比结果如 图 7-a 所示, 在1 yr分辨率下的相关系数分别为0.627(P=0.05), 华南台风10 yr滑动平均序列与李晴和薛积彬(2018)重建的1470— 1949年广东沿海台风频次标准化值曲线进行对比, 对比结果如图 7-b所示, 在1 yr分辨率下的相关系数分别为0.93(P=0.05)。整体而言, 本研究重建台风序列与已有台风序列在频次上存在一定差异, 但总体趋势上大致相同。其中王洪波(2016)文中指出分辨率季以上风暴潮灾害中台风风暴潮占总数94.61%, 其序列可看作引发了海潮灾害的台风序列, 但历史时期的入境台风并不均会引发潮灾, 引发的潮灾也不均被记载, 且王洪波(2016)序列是以苏浙两省的潮灾史料作为重建数据, 其中部分台风风暴潮事件可能缺乏其他风、雨现象记录的佐证, 而本研究以华东3省风、雨、潮3种现象作为入境台风事件判别依据进行重建, 因此本研究重建的台风事件较之更为全面。文中所选李晴和薛积彬(2018)序列为重建台风频次减去10 yr尺度平均值后与标准差做商得到的各年标准化值, 史料数据来源也有所差异, 范围上与本研究华南沿海相比缺少广西数据, 故与本研究重建台风序列的实际频次差异上不具备对比意义, 但其在趋势上与本研究序列有较好的对应。在清代时段, 潘威等(2014)重建的华东、华南沿海台风序列在范围上与本研究一致, 在史料的种类与数量上较本研究丰富且包含了本研究使用的史料数据, 在重建方法上也对其有诸多借鉴, 故其序列是本研究重建结果较好的参照对象, 其中华东沿海两序列相关系数为0.879(P=0.05), 华南沿海为0.906(P=0.05), 均具有很强相关性, 在波动趋势上大致相同, 但两序列的台风频次有所差异, 潘威等(2014)华东、华南沿海重建台风次数分别为263次、704次, 本研究华东、华南沿海重建次数则分别为346次、669次。这种差异主要来源于2个方面, 一是在台风记录、台风事件判别标准中对于同次台风的判定范围有所不同, 本研究与其相比考虑范围更大, 对判断台风事件的标准设定更为细致, 对台风活动完整性的考察更具体深入, 涵盖了既入境华南、华北沿海也入境华东沿海的台风, 而潘威等(2014)统计的华东、华南沿海台风次数均为各自区域独立的台风事件, 其重建的台风总数为华东、华南台风次数之和967次, 华东、华南沿海2区域的台风统计数量并不涵盖同时影响入境2区域的台风, 因此本序列在对台风事件的判别上相较潘威序列更加完善, 在原始资料差距相对较小的华东沿海地区, 本研究序列较潘威序列更具合理性, 但在华南沿海地区潘威等(2014)序列在广东地区的史料运用上较本研究更加丰富, 存在基础数据上的差距, 如台湾地区留存的史料等, 因此在华南沿海地区本研究序列相较潘威有所不足, 有待进一步完善。

图 7 本研究重建明清时期台风序列与已有台风序列的对比
a— 明清华东沿海台风相关序列对比; b— 明清华南沿海台风相关序列对比Fig.7 Comparison between the reconstructed typhoon sequence in Ming and Qing Dynasties and existing typhoon sequences

7 结论

利用历史文献资料重建得到1368— 1911年间入境研究区台风活动1447次。研究结论如下:

1)明清时期各区域台风总数由北向南呈递增趋势, 华北、华东、华南入境台风总数分别157、596、853次, 其中影响华北沿海的台风大多也会影响华东沿海, 而在华东、华南沿海, 同次台风入境2个区域的情况较少。此外各区域台风总数在明清两代间存在较大差异, 清代明显多于明代, 其中数量差异相对较小的为华东沿海地区, 其次为华北沿海, 华南沿海差异最大, 这种差异与历史文献资料“ 厚今薄古” 的局限性以及明代与清代地方志体量的差距、古代各区域不平衡的发展有关。

2)明清时期台风活动主要发生于夏秋2季, 春冬2季的台风数量很少且由北向南递增, 春季台风多于冬季台风。各区域一年中台风活跃期持续时间由华南沿海向华北逐渐缩短, 华北、华东沿海台风活动的月际分布较华南沿海更为集中。明清时期各区域入境台风与建国以来在沿海地区造成8级以上风的热带气旋阴历月际分布特征大致相似。

3)各区域的台风逐年频次均表现出明显的年际波动, 但各区域的波动趋势并不一致, 仅在1570— 1590年、1660年代、1850年代、1890年代3个沿海地区的台风活动均十分频繁, 而在1460年代、1560年代、1700年代、1760年代、1780年代则均处于台风活动的低谷期。其中华北、华东沿海台风频次波动在17世纪前期、19世纪前期、19世纪末具有较为明显的反相位关系, 而华东与华南沿海台风序列的波动趋势则大致相同。

4)小波分析显示, 明清沿海各区域的台风频率序列存在多时间尺度的周期变化特征。在华北、华东沿海, 台风活动2~8 yr的周期震荡比较具有全域性, 而在华南沿海则为2~6 yr。3个区域均在17世纪存在64 yr左右的周期。小波方差结果显示, 128 yr周期尺度下, 明清各沿海区域台风活动均存120 yr左右、75 yr左右、42 yr左右、12 yr左右的周期震荡, 其中120 yr左右的周期震荡最为显著。

5)明代和清代台风灾害的分布情况表现出一致性, 主要发生于东南沿海, 华北沿海受台风灾害影响明显相对较弱, 台风灾害集中分布于临海的平原地带, 具有由临海地区向内陆地区显著减弱的情况。

6)选取在研究范围和时段上与本研究大致吻合的降水、干湿等重建序列以及已有台风序列与本研究成果进行对比, 其中本研究重建的华北、华南沿海台风序列与刘艳丽等(2022)重建的1470— 1911年海河流域、珠江流域的降水序列相关系数分别为0.568(P=0.05)、0.514(P=0.01), 华东台风序列与李禧亮等(2016)等重建的明清时期苏浙皖沪干湿等级序列、崔田丰(2019)建立的明清时段浙江金华宋涯洞石笋氧同位素记录的相关系数分别为0.203(P=0.05)、0.429(P=0.05)。与已有台风序列的对比结果显示, 虽然在频次变化上有一定差异, 但总体趋势大致相同, 且在相关分析中本研究各区域台风序列与已有台风序列均具有很强的相关性。

历史文献资料在时空分布上的局限性仍是造成重建结果出现不确定性的首要因素, 且这种不确定性随时间尺度延伸而增大, 从重建结果中可以看出明代前期的数据缺失已经十分严重, 在之后的重建工作中应在扩大历史文献资料的搜集范围与其他国家史料进行对比互补并根据研究需求改进文献筛选方法, 提高资料的利用效率, 结合多种考古代用资料对缺失严重的时段进行数据的插补, 进一步提高重建结果的准确性。本研究在与降水重建序列的对比研究中, 在对比范围上的考虑还需要进一步完善, 下一步研究中, 将在台风影响显著的中尺度区域, 对台风活动的其他指标如强度、影响时间等进行重建, 并对同区域的夏秋季降水进行重建, 从而进行更为细致的对比研究, 而在大尺度范围上, 与重建的夏季风指数、海面温度、ENSO等序列进行对比分析。

(责任编辑 李新坡; 英文审校 徐 杰)

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