黑龍江省冬半年寒潮變化的氣候特征

王瑩，徐永清，李永生

（1.哈爾濱市氣象局，黑龍江哈爾濱 150028；2.黑龍江省氣候中心，黑龍江哈爾濱 150030）

黑龍江省冬半年寒潮變化的氣候特征

王瑩1，徐永清2，李永生2

（1.哈爾濱市氣象局，黑龍江哈爾濱 150028；2.黑龍江省氣候中心，黑龍江哈爾濱 150030）

使用黑龍江省信息中心整編的62個(gè)站點(diǎn)1961年1月1日-2010年2月28日日平均氣溫、日最低氣溫等氣象要素，著重分析了黑龍江省冬半年寒潮頻次的時(shí)空變化特征。結(jié)果表明，過去的近半個(gè)世紀(jì)，黑龍江省冬半年寒潮活動頻次總的趨勢是減少的，存在明顯的年際和年代際變化，而且不同地形區(qū)寒潮頻次也有明顯差異，對所有臺站進(jìn)行Mann-Kendall檢驗(yàn)，沒有突變現(xiàn)象。使用GIS對黑龍江省不同的地形發(fā)生的寒潮頻次進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)山區(qū)發(fā)生寒潮的頻次比平原地帶明顯多。

寒潮；氣溫；變化趨勢；地形

1 引言

黑龍江省地處東亞中高緯度的西風(fēng)帶地區(qū)，靠近冷空氣的發(fā)源地，位于東亞季風(fēng)區(qū)的北端，深受東亞冬季風(fēng)的影響，氣候寒冷、氣溫年際變化大，因此氣溫異常頻繁發(fā)生。寒潮是影響黑龍江省的主要災(zāi)害性天氣之一，最主要的表現(xiàn)就是劇烈降溫并伴有大風(fēng)和雨雪天氣，可造成人畜傷亡、電線積冰、通信中斷、農(nóng)作物遭受損害導(dǎo)致減產(chǎn)等事故，給人們的生產(chǎn)和生活帶來很大的危害。早在上世紀(jì)50年代中國氣象工作者就對寒潮進(jìn)行了研究，分析侵襲中國寒潮的源地、寒潮的天氣系統(tǒng)、成因及其預(yù)報(bào)，形成比較系統(tǒng)的寒潮理論，國內(nèi)不同地區(qū)對區(qū)域寒潮進(jìn)行了大量的研究，有的研究還定義了區(qū)域寒潮強(qiáng)度指數(shù)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)無論是從寒潮發(fā)生頻次，還是寒潮發(fā)生強(qiáng)度都有減少和減弱的趨勢。任國玉等[1]對中國氣候變化的研究指出，自20年代開始，全國大范圍的寒潮活動逐漸減弱。黑龍江省發(fā)生的寒潮與全國發(fā)生的寒潮有共同的規(guī)律，但也有其獨(dú)特的特點(diǎn)，雖然近幾年許多氣象工作者對不同區(qū)域的寒潮活動變化規(guī)律進(jìn)行了研究[2-5]，但對黑龍江省寒潮活動的研究非常少，僅限于個(gè)例分析，而且從氣候和氣候變化的角度分析黑龍江省的寒潮天氣過程發(fā)生頻次的時(shí)、空分布特征到目前還沒有，本文的研究目的是用最新的資料，對黑龍江省寒潮進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并分析其長期變化狀況，并在此基礎(chǔ)上用地理信息系統(tǒng)進(jìn)行區(qū)劃分析，從防災(zāi)減災(zāi)的角度出發(fā)，對決策部門提供指導(dǎo)意見，對寒潮事件的發(fā)生變化和預(yù)測起到一定的參考作用。

2 資料和方法

使用的資料來自黑龍江省氣象信息中心整編的1961-2010年2月的逐日平均氣溫資料和逐日最低氣溫資料?？紤]1960年前觀測站點(diǎn)數(shù)的限制和資料的完整性，本文選取了1961年1月1日-2010年2月28日日最低氣溫缺測不超過1次的62個(gè)站點(diǎn)，為研究方便，將寒潮發(fā)生的季節(jié)進(jìn)行劃分，春季（3-5月），秋季（9-10月），冬季（當(dāng)年11-翌年2月），冬半年（10月-翌年3月），本文只研究冬半年寒潮氣候變化特征。

目前各地對寒潮的定義還有差異，由于黑龍江處于高緯度地區(qū)，氣候比較寒冷，秋、冬和春季的降溫對人們的生產(chǎn)生活有很大影響，因此參照《寒潮年鑒》和《中國氣象災(zāi)害大典》黑龍江卷[6-7]，定義黑龍江省單站寒潮標(biāo)準(zhǔn)：日平均氣溫在24 h內(nèi)下降8℃及以上，同時(shí)日最低氣溫≤4℃的強(qiáng)冷空氣過程稱為單站寒潮。

采用EOF分解方法對黑龍江省62個(gè)臺站寒潮天氣過程發(fā)生頻次的時(shí)、空分布特征進(jìn)行了分析，采用線性傾向估計(jì)、滑動平均分析寒潮的變化趨勢，采用Mann-Kendall法對1961-2009年黑龍江省各個(gè)臺站冬半年寒潮活動頻次的序列分別進(jìn)行突變分析，并利用統(tǒng)計(jì)相關(guān)分析和合成分析法對黑龍江省寒潮活動異常的環(huán)流背景進(jìn)行分析，采用GIS對黑龍江省發(fā)生的寒潮進(jìn)行地形劃分。

3 結(jié)果與分析

為了進(jìn)一步揭示黑龍江省冬半年寒潮頻次的時(shí)空變化特征，對剔除缺測之后的黑龍江省62個(gè)臺站近50 a冬半年的寒潮頻次進(jìn)行了EOF分析，并選取方差占優(yōu)的前3個(gè)主要模態(tài)進(jìn)行討論。圖1為寒潮頻次前3個(gè)EOF空間模態(tài)，它們占原始場的方差分別為48%、8.7%、4.7%，累積方差達(dá)到61.4%，用North等人[8]提出的計(jì)算特征值誤差范圍來進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，前三個(gè)特征值通過檢驗(yàn)，因此認(rèn)為前三個(gè)空間模態(tài)可以代表寒潮頻次的主要變化特征。

3.1 冬半年寒潮頻次異常分布特征

圖1 1961－2009年黑龍江省62個(gè)站冬半年寒潮頻次EOF分解模態(tài)空間分布

3.1.1 空間異常分布特征

對1961-2009年黑龍江省62個(gè)站逐年冬半年的寒潮頻次資料EOF分解表明，冬半年寒潮頻次的特征可通過其相應(yīng)的載荷量場來描述。冬半年寒潮頻次經(jīng)EOF分解的前3個(gè)模態(tài)，方差貢獻(xiàn)率占總方差的61.4%，其特征具有一定代表性。以下重點(diǎn)分析這前三個(gè)模態(tài)。

EOF的第一模態(tài)空間分布表明（圖1a）全省為一致的正值區(qū)，加之這一類型的空間分布特征占總體方差的48%，說明這是黑龍江省冬半年寒潮頻次空間變化的主要分布類型，即冬半年寒潮頻次空間變化的主體一致性，表明盡管黑龍江省地形復(fù)雜，地勢參差不齊，高山、丘陵、盆地、谷地縱橫交錯(cuò)，但冬半年寒潮頻次的空間分布仍有相當(dāng)好的一致性。第一模態(tài)的分布具體表現(xiàn)為“中間高兩端低”型，整個(gè)中部地區(qū)均異常偏高，變化趨勢比較一致。嫩江、孫吳、遜克一線向北逐漸減小，以及五常、寧安一線以南偏小。

EOF的第二模態(tài)（圖1b）可較好地反映出黑龍江省冬半年寒潮頻次變化西南與東北呈現(xiàn)出完全相反的異常分布。從嫩江到伊春再到通河、五常圍成了一條圓弧形的零等值線，表明冬半年寒潮頻次可能以此為界具有西南與東北相反的變化特征，其方差貢獻(xiàn)占總體方差的8.7%，西南地區(qū)最低值中心出現(xiàn)在拜泉一帶，東北部正的最大值中心位于東部的雙鴨山地區(qū)。

EOF第三模態(tài)（圖1c）的空間分布自西向東可以概括為負(fù)-正-負(fù)型。兩條零等值線基本呈經(jīng)向型分布：西部負(fù)值區(qū)包括了大興安嶺地區(qū)、黑河、齊齊哈爾、大慶、綏化西部等地，負(fù)值中心位于富裕境內(nèi)，零線從遜克到綏棱穿過大慶東部直到肇源。而另一片負(fù)值區(qū)中心出現(xiàn)在樺南附近，零等值線也成南北走向，依次穿過蘿北、佳木斯、勃利、雞西。兩條零等值線所夾的中部地區(qū)為第三模態(tài)的正值區(qū)，最大正中心出現(xiàn)在五常。這種空間分布表明了黑龍江省冬半年寒潮頻次呈現(xiàn)出中部地區(qū)與西部和東部相反的關(guān)系，即黑龍江中部地區(qū)冬半年寒潮頻次偏多時(shí)，西部和東部寒潮頻次偏少。

3.1.2 時(shí)間系數(shù)年際變化特征

EOF分解第一模態(tài)相應(yīng)的時(shí)間系數(shù)（圖2a）顯示年際變化明顯，可以說1980年是一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，1980年以前寒潮頻次偏高，絕大多數(shù)年份均在0線以上，表明上世紀(jì)80年以前寒潮頻次普遍偏多；而從1980年開始，時(shí)間系數(shù)明顯以負(fù)值為主，只有20世紀(jì)末期的幾年，系數(shù)連續(xù)出現(xiàn)了正值，這與上世紀(jì)80年代后全球氣候普遍變暖具有總體一致性。

第二模態(tài)時(shí)間系數(shù)（圖2b）顯示波動比較明顯，上世紀(jì)60年代，年際變化明顯，基本以1 a為一周期起伏變化，1970-1976年與1980-1993年這兩個(gè)時(shí)間段內(nèi)，系數(shù)均在0線以下，結(jié)合空間分布圖可以總結(jié)出這段時(shí)間內(nèi)黑龍江省西南地區(qū)寒潮頻次多于其它地區(qū)；1977-1980年這4 a中，系數(shù)升幅劇烈，意味著西南地區(qū)寒潮頻次迅速減少，相反的全省其它大部分地區(qū)寒潮頻次增多；1994年開始周期變化再次呈現(xiàn)，波動起伏很大，大約以1～2 a為一周期變化。

第三模態(tài)時(shí)間系數(shù)圖中（圖2c）從1961-1975年這15 a中，只有4個(gè)年份時(shí)間系數(shù)出現(xiàn)了負(fù)值，表明在這15 a中，黑龍江省西部和東部寒潮頻次偏少，而中部地區(qū)異常偏多；1976-1991年時(shí)間系數(shù)波動起伏比較大，而上世紀(jì)90年代至21世紀(jì)初，時(shí)間系數(shù)均在零線以下，說明上世紀(jì)末到本世紀(jì)初中部地區(qū)寒潮頻次偏少，與其相反的西部和東部寒潮頻次明顯偏多。

圖2 EOF分解第1、2、3個(gè)模態(tài)空間分布相應(yīng)的時(shí)間系數(shù)

3.2 不同地形寒潮分布特點(diǎn)

區(qū)域氣候特點(diǎn)與其對應(yīng)的地理環(huán)境是分不開的，黑龍江省地域遼闊，南北和東西跨度大，由于其處在特定的地理位置和特殊的地形下，決定了它的不同區(qū)域在氣候上還是有很大差異的。黑龍江省的地勢大致是西北部、北部和東南部高，東北部、西南部低；主要由山地、臺地、平原和水面構(gòu)成。西北部為東北-西南走向的大興安嶺山地，北部為西北-東南走向的小興安嶺山地，東南部為東北-西南走向的張廣才嶺、老爺嶺、完達(dá)山脈，土地約占全省總面積的24.7%；海拔高度在300 m以上的丘陵地帶約占全省的35.8%；東北部的三江平原、西部的松嫩平原，是中國最大的東北平原的一部分，平原占全省總面積的37.0%，海拔高度為50～200 m。

冬半年單站寒潮的多年平均發(fā)生頻次有兩個(gè)大值區(qū)，分別位于西北部大興安嶺山區(qū)，松嫩平原東北部和小興安嶺山脈交界處，都在5次以上，尤其是松嫩平原東北部和小興安嶺山脈交界處，部分地區(qū)達(dá)7次以上。松嫩平原西部和三江平原大部地區(qū)，年均發(fā)生寒潮頻次在3次以下。松嫩平原中部和東部，年均發(fā)生寒潮頻次在3～6次。西南山區(qū)張廣才嶺和長白山脈一帶，在3次左右。松嫩平原西部一帶和三江平原東北部年均發(fā)生寒潮頻次最少，年均1次左右。春、秋和冬季的分布情況與此相似（圖略），雖然3個(gè)季節(jié)分布的差別不大，但冬季寒潮發(fā)生的頻次最多，秋季次之，春季最少。從區(qū)域平均的單站寒潮頻次在各月份的分布圖中（圖略）可以看出，10-12月份的寒潮明顯多于其他月份，尤其是l1月是全年中發(fā)生寒潮頻次最多的月份，這可能與秋冬季大氣環(huán)流轉(zhuǎn)換有關(guān)。

利用線性傾向估計(jì)方法討論冬半年寒潮頻次在近49 a的變化趨勢可知，對單站而言，黑龍江省大部分區(qū)域的寒潮頻次在冬半年的趨勢都是減少的，只有個(gè)別站點(diǎn)的趨勢沒有變化，西北部大興安嶺山區(qū)減少的趨勢尤其明顯，線性趨勢系數(shù)大都在-0.05次/年以上，局部地區(qū)達(dá)到-0.07次/年，并且寒潮頻次的減少趨勢達(dá)到了95%的信度檢驗(yàn)。

北部小興安嶺山脈，寒潮頻次減少的趨勢也達(dá)到了-0.05次/年以上，松嫩平原南部有部分地區(qū)和三江平原部分地區(qū)達(dá)到了-0.05次/年，東南部張廣才嶺和長白山脈地區(qū)寒潮頻次減少的趨勢為-0.03次/年以上，其它地區(qū)，寒潮頻次的變化趨勢大都為-0.02次/年左右，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，有66.1%的站點(diǎn)寒潮減少的趨勢通過了95%的信度檢驗(yàn)。

4 結(jié)論與討論

（1）通過統(tǒng)計(jì)分析，近49 a，山區(qū)發(fā)生寒潮的頻次比平原地區(qū)要多，西北部大興安嶺山區(qū)和北部小興安嶺山區(qū)，都在5次以上，松嫩平原西部和三江平原大部地區(qū)，年均發(fā)生寒潮頻次在3次以下，松嫩平原西部一帶和三江平原東北部年均發(fā)生寒潮頻次最少，年均1次左右。

（2）黑龍江省大部分地區(qū)，每年的寒潮頻次都在逐漸減少，山區(qū)比平原地區(qū)減少的幅度要明顯，松嫩平原西部和三江平原東北部減少的趨勢最不明顯，西北部大興安嶺山區(qū)和北部小興安嶺山區(qū)減少的趨勢最明顯，通過了95%的信度檢驗(yàn)。

（3）寒潮發(fā)生在春、秋、冬三季，其中冬季發(fā)生的頻次要多于春秋季，從各月寒潮發(fā)生的頻次來看，10-12月，這3個(gè)月發(fā)生的頻次較多，其中11月最多。

（4）溫度的劇烈變化是造成寒潮天氣發(fā)生的主要原因，近百年來，全球的溫度持續(xù)增加，黑龍江省的氣候也在變暖，特別是冬季的氣溫增加顯著，這也可能是造成寒潮頻次減少的原因。

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Climatic characteristics of the cold wave happened in the winter half year in Heilongjiang province

WANG Ying1，XU Yong-qing2，LI Yong-sheng2
（1.Harbin Meteorological Bureau,Heilongjiang Harbin 150028; 2.Climate Center of Heilongjiang province,Heilongjiang Harbin 150030）

The temporal and spacial characteristics of the cold wave occurred in winter half year was studied in detail with the data of daily mean temperature and daily minimum temperature of 62 observation stations from 1 January 1961 to 28 February 2010 which is edited by Information Center of Heilongjiang Province.The results show that the frequency of cold wave decreases within past half century and has apparent inter-annual and interdecadal variation,besides that,the cold waves in different terrain are significantly different.All of the data from 62 observation stations is checked with the Mann-Kendall method and no mutation is found.Using the GIS to analyze the frequency of cold wave happened in different terrain,it found that cold waves occurred in mountain areas is more than in plain areas.

cold wave;temperature;change trend;terrain

P463.1

A

1002－252X（2012）03－0001－03

2012－6－1

王瑩（1984-），女，黑龍江省齊齊哈爾市人，南京信息工程大學(xué)，本科生，助理工程師.