黑龍江省霜凍的氣候變化特征和預(yù)報(bào)指標(biāo)*

景學(xué)義，安曉存，宮沿平，歐娜音

(哈爾濱市氣象局，黑龍江哈爾濱150080)

霜凍是一個(gè)與農(nóng)業(yè)有重要關(guān)系的一種自然現(xiàn)象，它的發(fā)生地區(qū)幾乎遍及全國(guó)，并危害多種農(nóng)作物［1－3］。黑龍江省是全國(guó)的糧食基地，松嫩平原和三江平原盛產(chǎn)大豆、小麥、水稻和玉米等大田作物，早霜凍可造成糧食減產(chǎn)，是黑龍江省主要災(zāi)害性天氣之一。霜凍對(duì)農(nóng)作物的危害，主要是因?yàn)樗苁棺魑锏哪承┢鞴偈艿綋p傷，嚴(yán)重的能使作物死亡。作物受害的原因是由于低溫可使植物的細(xì)胞空隙之間的水分變成冰晶，冰晶又吸取細(xì)胞中滲透出來(lái)的水逐漸長(zhǎng)大，這樣不僅消耗了細(xì)胞的水分，還因冰晶的逐漸增大，使細(xì)胞受到機(jī)械壓縮而損傷，同時(shí)引起蛋白質(zhì)的沉淀，導(dǎo)致植物死亡。霜凍后如果天氣晴朗，氣溫急劇回升，會(huì)造成尚未凍死的植物枯萎，甚至引起死亡，對(duì)農(nóng)作物危害最大。因此，分析研究霜凍分布規(guī)律及其發(fā)生的氣象學(xué)條件，將有助于提高霜凍災(zāi)害的預(yù)測(cè)能力，為有效防御霜凍提供科學(xué)依據(jù)［4］。

本文利用實(shí)測(cè)資料和歷史天氣圖資料，對(duì)1970－2008年黑龍江省霜凍的分布規(guī)律、環(huán)流特征以及影響天氣系統(tǒng)進(jìn)行了分析，給出了霜凍發(fā)生的天氣學(xué)條件和一些對(duì)預(yù)報(bào)有用的判據(jù)。

1 黑龍江省霜凍的標(biāo)準(zhǔn)和種類

霜凍資料以地面最低氣溫≤1℃或地溫≤－1℃作為研究指標(biāo)，年代從1970－2008年共38年。

霜凍分為三種，平流霜凍、輻射霜凍和平流輻射霜凍。其中由于強(qiáng)冷空氣的侵入形成強(qiáng)冷平流而產(chǎn)生的霜凍為平流霜凍;當(dāng)冷空氣控制時(shí)夜間晴朗風(fēng)弱，由于輻射冷卻而產(chǎn)生的霜凍為輻射霜凍;由于冷平流降溫和輻射冷卻共同作用而產(chǎn)生的霜凍為平流輻射霜凍。

在黑龍江省三種霜凍都可出現(xiàn)，大多數(shù)情況下為平流輻射霜凍。

2 黑龍江省霜凍的分布特征

2.1 初霜凍的時(shí)空分布規(guī)律

9月份，黑龍江省自北向南開(kāi)始出現(xiàn)霜凍，我們統(tǒng)計(jì)了1970－2008年38年初霜凍資料?？傮w來(lái)看，北部初霜凍早，南部初霜凍晚，有明顯的時(shí)間梯度，同緯度山區(qū)地帶早于平原地帶。

初霜凍的平均日期，按時(shí)間出現(xiàn)的早晚可分為4個(gè)時(shí)間段(圖1)。

9月20日前，大興安嶺、黑河北部和伊春北部出現(xiàn)初霜凍;9月21－25日，黑河南部、伊春南部、齊齊哈爾北部、綏化北部、哈爾濱北部、齊齊哈爾西部的局部和牡丹江西南部的局部出現(xiàn)初霜凍;9月26－30日，齊齊哈爾中部、綏化南部、哈爾濱市中部和南部、鶴崗中部、佳木斯西部、牡丹江大部、雙鴨山西北角、雞西的西南角、大慶的北部出現(xiàn)初霜凍;10月1日后，鶴崗的中部和東部、大慶的中部和南部、齊齊哈爾的南端、哈爾濱市的中部局部、牡丹江的東南角、雞西中部和東部、七臺(tái)河的大部，佳木斯的大部出現(xiàn)初霜凍。

初霜凍出現(xiàn)的最早日期，按時(shí)間出現(xiàn)的早晚可分為5個(gè)時(shí)間段(圖2)。

9月1日前:大興安嶺大部、黑河西北部。

9月1－10 日:黑河大部、伊春大部、齊齊哈爾西北和西南部、綏化中部、哈爾濱西南部、齊齊哈爾西部的局部及西北部和牡丹江東部的局部。

圖1 1970－2008年黑龍江省平均初霜凍日期

圖2 1970－2008年黑龍江省初霜凍出現(xiàn)的最早日期

9月11－15 日:齊齊哈爾中部、綏化東北和西部、哈爾濱市中部和東部、鶴崗大部、佳木斯西部、牡丹江大部、雙鴨山東部、雞西的南部局部、大慶的大部。

9月16－20 日:鶴崗的東南部、大慶的中部局部、齊齊哈爾西北部的局部、哈爾濱市的中部局部、雞西中部和東部、七臺(tái)河的東部，佳木斯的東部。

9月20日以后:牡丹江南部的局部。

初霜凍出現(xiàn)的最晚日期，按時(shí)間出現(xiàn)的早晚可分為4個(gè)時(shí)間段(圖3)。

10月1日前:大興安嶺北部。

10月1－10 日:大興安嶺南部、黑河大部、伊春東北部、齊齊哈爾北部、綏化中部局部、哈爾濱北部、齊齊哈爾西部的局部和牡丹江西南部的局部。

圖3 1970－2008年黑龍江省初霜凍出現(xiàn)的最晚日期

10月11－15 日:齊齊哈爾中部和西部、綏化大部、伊春中南部、哈爾濱市大部、鶴崗中西部、佳木斯西部、牡丹江大部、雙鴨山東部、七臺(tái)河的西部、雞西的西部、大慶的大部。

10月15日后:鶴崗的東部、大慶的中部和南部、哈爾濱市的局部、牡丹江的東南角、雞西東部、七臺(tái)河的東部，佳木斯的東部、牡丹江南部的局部。

2.2 終霜凍的時(shí)空分布規(guī)律

總體來(lái)看，北部終霜凍結(jié)束晚，南部終霜凍結(jié)束早，有明顯的時(shí)間和空間差別，同緯度山區(qū)地帶晚于平原地帶。

按終霜凍結(jié)束時(shí)間的早晚可分為5個(gè)時(shí)間段(圖4)。

圖4 1970－2008年黑龍江省平均終霜凍日期

5月10日前，齊齊哈爾的南部、大慶的南部，哈爾濱的局部、鶴崗的南部、佳木斯的東部、雞西的大部、雙鴨山和七臺(tái)河終霜凍結(jié)束;5月10－14日，黑河的遜克、齊齊哈爾中部、綏化的西部、大慶的北部、哈爾濱市的大部、佳木斯的西部、牡丹江大部、鶴崗的北部和西部以及雞西的雞東市終霜凍結(jié)束;5月15－19日:黑河南部、伊春南部、齊齊哈爾北部、綏化東部、哈爾濱的通河終霜凍結(jié)束;5月20－29日:大興安嶺南部、黑河本站及北部和伊春北部終霜凍結(jié)束;5月30日以后，大興安嶺北部終霜凍結(jié)束。

3 黑龍江省霜凍天氣學(xué)模型

霜凍的產(chǎn)生都是在一定的大尺度環(huán)流背景下，根據(jù)霜凍發(fā)生前后的天氣學(xué)條件，黑龍江省霜凍出現(xiàn)的環(huán)流形勢(shì)可分為三種類型。

3.1 超極地路徑型

3.1.1 天氣形勢(shì)

亞洲東部環(huán)流形勢(shì)為兩槽一脊型，而且比較穩(wěn)定。高壓脊位于100°～120°E，脊前有橫槽，槽線或冷渦后部的橫槽槽線位于50°N、130°E附近。在120°E附近為高壓脊前偏北氣流，由60°E伸向40°E或更南，同時(shí)高壓脊線位于55°N(大興安嶺以北)有一冷中心，等溫線形成東－西向鋒區(qū)，冷空氣沿著脊前西北氣流由北向南侵襲，鋒區(qū)由北向東南移動(dòng)。

地面形勢(shì)表現(xiàn)為，在120°～125°E、55°N(大興安嶺以北)有閉合的高壓，其由北向南移動(dòng)，高壓的閉合線陸續(xù)移過(guò)并控制黑龍江省大部，在黑龍江省內(nèi)形成一個(gè)高壓帶，或者有完整的高壓環(huán)流。

3.1.2 預(yù)報(bào)著眼點(diǎn)

(1)兩槽一脊型穩(wěn)定，高壓脊前偏北氣流必須位于120°E附近，不能太偏西或偏東。

(2)脊前的北部必須有一冷中心。

(3)大興安嶺以北有閉合的高壓，數(shù)值預(yù)報(bào)地面場(chǎng)預(yù)報(bào)其由北向南移動(dòng)。

(4)超極地來(lái)的地面高壓南移速度快，高壓控制時(shí)即可出現(xiàn)霜凍。

(5)由于冷氣團(tuán)鮮冷，不變性，同時(shí)高壓控制天氣晴，風(fēng)小，所以預(yù)報(bào)700hPa低于－4℃線所控制的地區(qū)即可出現(xiàn)霜凍。

(6)此種天氣形勢(shì)一般出現(xiàn)全省大范圍霜凍。

3.2 西方路徑型

3.2.1 天氣過(guò)程描述

亞洲東部環(huán)流形勢(shì)有一定的徑向度，貝加爾湖到河套以西有一深冷槽(或低渦)，槽線從50°N一直伸向近35°N，其不分股，整體向東移動(dòng)槽前配合東北－西南向的斜鋒區(qū)，700 hPa冷中心至少低于－12℃。黑龍江省為弱暖脊控制時(shí)低值系統(tǒng)分為兩種形式東移:①冷槽(沒(méi)形成冷渦或無(wú)閉合線)東移，降水之后，處在高壓控制，風(fēng)小，當(dāng)冷空氣強(qiáng)度和輻射因子達(dá)到一定配合時(shí)即可出現(xiàn)霜凍;②冷槽東移進(jìn)黑龍江省內(nèi)時(shí)切斷形成東北冷渦，有時(shí)控制2 d，有時(shí)形成“渦三天”，冷渦控制時(shí)有云或降水，風(fēng)大出現(xiàn)不了霜凍，當(dāng)冷渦即將移出，天氣轉(zhuǎn)晴，風(fēng)小受高壓控制或等壓線稀疏，才能出現(xiàn)霜凍。第一種形式下地面形式表現(xiàn)為龐大的蒙古高壓向東南方向移動(dòng)，產(chǎn)生降水的強(qiáng)低壓在黑龍江省1 d左右后移出，轉(zhuǎn)為高壓前部控制，然后等壓線變成稀疏或轉(zhuǎn)為高壓控制時(shí)將出現(xiàn)霜凍。第二種形式之下地面形式表現(xiàn)為龐大的蒙古高壓向東南方向移動(dòng)，產(chǎn)生降水的強(qiáng)低壓在黑龍江省3d左右后移出，轉(zhuǎn)為高壓前部控制，然后等壓線變成稀疏或轉(zhuǎn)為高壓控制時(shí)將出現(xiàn)霜凍。

冷渦比冷槽出現(xiàn)的霜凍晚。西方路徑型是最為常見(jiàn)型，易產(chǎn)生全省大范圍霜凍。

3.2.2 預(yù)報(bào)著眼點(diǎn)

(1)西來(lái)的深冷槽不能分股，冷槽隨主體冷空氣一起東移。

(2)西來(lái)冷槽必須是深冷槽，700 hPa冷中心強(qiáng)度必須低于－12℃。

(3)冷空氣移入時(shí)有降水或多云，風(fēng)力大不易產(chǎn)生霜凍，即將移出時(shí)才能產(chǎn)生霜凍。

(4)冷空氣即將移出，雖然高空開(kāi)始升溫，但由于輻射條件好，且基礎(chǔ)溫度值低，有利出現(xiàn)霜凍。

3.3 西北路徑型

3.3.1 天氣形勢(shì)

亞洲東部環(huán)流形勢(shì)較平直，貝加爾湖到河套以西有一淺冷槽(或低渦)，槽線從80°～100°E、60°～50°N，東西向鋒區(qū)在60°～115°N、45°～55°N之間。第一種情況，冷槽東移到黑龍江省時(shí)加強(qiáng)，加深轉(zhuǎn)為西方路徑型;第二種情況，冷槽沿平直鋒區(qū)東移不加強(qiáng)，快速東移，冷槽將移出時(shí)，降水之后，處在高壓控制，風(fēng)小，當(dāng)冷空氣強(qiáng)度和輻射因子達(dá)到一定配合時(shí)即可出現(xiàn)霜凍。由于冷空氣偏北，霜凍主要出現(xiàn)在黑龍江省北部。

3.3.2 預(yù)報(bào)著眼點(diǎn)

(1)西來(lái)冷槽必須是深冷槽，700 hPa冷中心強(qiáng)度必須低于－12℃。

(2)冷空氣移入時(shí)有降水或多云，風(fēng)力大不易產(chǎn)生霜凍，即將移出時(shí)才能產(chǎn)生霜凍。

(3)冷空氣即將移出，雖然高空開(kāi)始升溫，但由于輻射條件好，且基礎(chǔ)溫度值低，仍有利出現(xiàn)霜凍。

4 黑龍江省霜凍天氣預(yù)報(bào)

霜凍的預(yù)報(bào)其實(shí)就是溫度一種臨界值的預(yù)報(bào)，所有影響溫度的氣象要素和因子都會(huì)影響霜凍的出現(xiàn)，如冷空氣的強(qiáng)度、天空狀況的云和降水、風(fēng)、地形和濕度等。表征冷空氣的強(qiáng)度可用高空的溫度值和冷空氣路徑;表征輻射的因子為云、降水、風(fēng)和地形等。地面高壓路徑和位置是一個(gè)綜合的表征輻射和冷空氣強(qiáng)度的因子。

4.1 冷空氣強(qiáng)度對(duì)霜凍的影響

冷空氣達(dá)到一定強(qiáng)度不管什么樣的路徑和輻射條件都可出現(xiàn)霜凍。據(jù)統(tǒng)計(jì)和經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)上空700 hPa的溫度低于－16℃時(shí)一定出現(xiàn)霜凍。在－16℃到－4℃之間，隨著溫度變高要求高壓路徑和地面輻射越來(lái)越苛刻。－4℃到－8℃出現(xiàn)霜凍的可能性非常小，必須是北來(lái)高壓且高壓中心控制。

4.2 輻射因子對(duì)霜凍的影響

云和降水:有云和降水一般情況下產(chǎn)生霜凍的可能性較小，只有冷空氣達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)才能出現(xiàn)。

風(fēng):風(fēng)力大不易出霜，如果風(fēng)力大于5級(jí)，且冷空氣不強(qiáng)時(shí)出霜凍的可能性較小。

冷高壓:高壓中心控制時(shí)，大多數(shù)風(fēng)小或靜風(fēng)，天空狀況以晴為主，綜合輻射條件有利于降溫，極易出現(xiàn)霜凍。對(duì)于北來(lái)高壓中心控制時(shí)有一定強(qiáng)度的冷空氣即可出現(xiàn)霜凍。高壓前部控制時(shí)由于有一定風(fēng)力，所以必須冷空氣達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)才能出現(xiàn)霜凍。

4.3 相對(duì)濕度因子對(duì)霜凍的影響

通過(guò)資料分析，近地面層的相對(duì)濕度的大小對(duì)初霜凍的出現(xiàn)有一定影響，當(dāng)早晨相對(duì)濕度大時(shí)，850 hPa 08時(shí)的相對(duì)濕度大于80%時(shí)不易出現(xiàn)霜凍。

4.4 地形對(duì)霜凍的影響

黑龍江省山區(qū)和平原分界明顯，在同樣的天氣條件下山區(qū)夜間輻射降溫比平原明顯，比平原更易出現(xiàn)霜凍。黑龍江省北部有大興安嶺山脈，東北部有小興安嶺山脈，東南部有長(zhǎng)白山系的張廣才嶺、老爺嶺和太平嶺。山地夜間因輻射冷卻，山坡上的冷空氣下沉、停滯形成“冷湖”，哈爾濱市北部和東南部山區(qū)、伊春地區(qū)的山區(qū)均比同緯度的平原容易出現(xiàn)霜凍。冷空氣越過(guò)大興安嶺山脈進(jìn)入松嫩平原時(shí)由于背風(fēng)坡使冷氣團(tuán)產(chǎn)生下沉增溫，所以當(dāng)冷空氣不強(qiáng)時(shí)不利于出現(xiàn)霜凍。

4.5 霜凍預(yù)報(bào)指標(biāo)

統(tǒng)計(jì)近38年霜凍發(fā)生前地面和700 hPa溫度變化規(guī)律，總結(jié)黑龍江省霜凍出現(xiàn)的預(yù)報(bào)指標(biāo)如下(表1、表2)。

表1 霜凍預(yù)報(bào)指標(biāo)

表2 霜凍預(yù)報(bào)指標(biāo)

5 霜凍預(yù)報(bào)難點(diǎn)

霜凍是由很多要素綜合配置而產(chǎn)生的，因此各要素的變化分析和預(yù)測(cè)及作用成為關(guān)鍵。

(1)當(dāng)冷空氣特別強(qiáng)時(shí)霜凍容易預(yù)報(bào)，而當(dāng)冷空氣強(qiáng)度一般時(shí)，就要考慮冷空氣的路徑，要綜合考慮各因子的影響，包括天空狀況、風(fēng)、相對(duì)濕度、地形。

(2)根據(jù)以往的預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)，局部的霜凍預(yù)報(bào)較難。

(3)第1 d出現(xiàn)霜凍后第2 d還是同樣的天氣形勢(shì)的霜凍預(yù)報(bào)容易，因此第1 d的霜凍預(yù)報(bào)難度大。

(4)冷空氣不強(qiáng)時(shí)，當(dāng)其剛進(jìn)來(lái)，由于風(fēng)大和天空狀況多云時(shí)，第1 d不易出現(xiàn)霜凍，當(dāng)冷空氣要移出時(shí)，雖然高空略升溫，但地面風(fēng)小，天氣晴，反而易出現(xiàn)霜凍。

［1］張養(yǎng)才．中國(guó)農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害概論［M］．北京:氣象出版社，

1991:129－199 ．

［2］馮玉香，何維勛．霜凍的研究［M］．北京:氣象出版社，1995．［3］楊克明，陳秀鳳，王東生，等．東北地區(qū)初霜凍的天氣氣候特征［J］．氣象，1999，25(6):13－18．

［4］陳乾金，張永山．華北異常初終霜凍氣候特征的研究［J］．自然災(zāi)害學(xué)報(bào)，1995，4(3):33－39．

［5］王秀萍，任國(guó)玉．近46年大連地區(qū)初、終霜凍事件和無(wú)霜凍期變化［J］．應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2008，19(6):673－678．

［6］杜軍，寧斌．雅魯藏布江中游近40年異常初霜凍分析［J］．氣象，2006，9(9):84－89．

［7］杜軍，向意．近40年拉薩霜期變化的氣候特征分析［J］．應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，1999，8(3):379－383．

［8］陳隆勛，邵永寧，張清芬．近40年我國(guó)氣候變化初步分析［J］．應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，1991，2(2):164－173．

［9］施淑，曹秋萍．黑龍江省無(wú)霜期的氣候變化［J］．氣象，1998，24(1):25－30．

［10］沈能展，梁榮欣，趙秀蘭，等．哈爾濱地區(qū)初、終霜凍日分布特點(diǎn)的研究［J］．東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，31(2):129－136．