1961—2010年臨夏州寒潮天氣氣候特征及其對農(nóng)業(yè)的影響

岳高峰++馬旭潔++馬春英

摘要 使用甘肅省臨夏回族自治州的6個國家級地面自動氣象觀測站1961—2010共50年氣象觀測資料，利用數(shù)理統(tǒng)計分析、趨勢分析法、Mann-Kendall突變檢驗法和Morlet小波分析方法，對臨夏州50年寒潮天氣發(fā)生的氣候變化和時空分布進(jìn)行分析和研究，發(fā)現(xiàn)寒潮天氣發(fā)生的周期和規(guī)律性。結(jié)果表明：春季的4—5月和秋冬季的10—11月是臨夏州寒潮天氣多發(fā)的2個時段；寒潮天氣平均降溫幅度最大的月份為5月，幅度最小為1月；不同類型和強(qiáng)度寒潮天氣的年、月變率差異大；50年寒潮天氣發(fā)生規(guī)律呈現(xiàn)出先增后減趨勢，與近年氣候變暖趨勢相一致；Mann-Kendall突變檢驗法顯示，臨夏州50年來寒潮天氣發(fā)生頻次沒有產(chǎn)生突變；寒潮天氣發(fā)生頻次存在18～22年、9～11年和2～4年周期振蕩規(guī)律。

關(guān)鍵詞 寒潮；氣候特征；周期規(guī)律；農(nóng)業(yè)；甘肅臨夏；1961—2010年

中圖分類號 P425.5+4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1007-5739（2016）20-0225-02

寒潮天氣過程是一種大規(guī)模的強(qiáng)冷空氣活動過程，主要特點是出現(xiàn)劇烈降溫和大風(fēng)[1]。寒潮過程是我國春季、秋冬季常見的一種嚴(yán)重氣象災(zāi)害天氣。北方的冷空氣大規(guī)模地向南侵襲，造成大范圍急劇降溫和偏北大風(fēng)的天氣過程。寒潮天氣的主要特點是劇烈降溫和大風(fēng)，有時還伴有雨、雪、雨凇和霜凍等，寒潮給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人們的生活帶來很大影響，能導(dǎo)致灌港封凍、交通中斷、牲畜越冬困難和早春晚秋作物受凍，尤其是對農(nóng)業(yè)的影響更為嚴(yán)重和明顯[1-2]。關(guān)于寒潮天氣，許多學(xué)者做了大量的研究工作，趙其庚[3]和席世平等[4]利用等熵位渦守恒性更強(qiáng)、持續(xù)時間更長這一特點追蹤寒潮天氣過程，更好地分析寒潮天氣發(fā)展規(guī)律，更準(zhǔn)確預(yù)測其發(fā)展趨勢。林愛蘭等[5]根據(jù)寒潮天氣過程的影響范圍和危害程度，定義了寒潮強(qiáng)度指數(shù)來綜合衡量寒潮天氣的強(qiáng)度。趙俊榮[6]利用數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品對寒潮暴風(fēng)雪天氣過程進(jìn)行了檢驗。魏風(fēng)英等學(xué)者對我國寒潮天氣進(jìn)行了深入的研究，分析研究了寒潮天氣形成的機(jī)制和原理，并標(biāo)出了寒潮天氣關(guān)鍵區(qū)，確定了影響我國的4條寒潮移動路線，分析了寒潮天氣演變的規(guī)律[7-10]。

本文利用臨夏州6個國家氣象觀測站的日平均氣溫和最低氣溫資料，對臨夏州50年的寒潮天氣的氣候特征進(jìn)行分析，分析寒潮天氣對農(nóng)業(yè)的影響和危害，掌握寒潮天氣過程發(fā)生的規(guī)律和周期，做好寒潮天氣的監(jiān)測預(yù)報預(yù)警和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)保護(hù)，為農(nóng)業(yè)防災(zāi)減災(zāi)決策提供參考依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 區(qū)域概況

臨夏回族自治州（簡稱臨夏州，下同）位于甘肅省的中南部，地理坐標(biāo)介于34°57′～36°12′N，102°41′～103°40′E之間，總面積為81.67萬hm2。臨夏州地處青藏高原和黃土高原的過渡地帶，大部分地方屬溫帶半干旱氣候，其中西南部山區(qū)為高寒陰濕，東北部為干旱地區(qū)[11]。臨夏州為典型的農(nóng)業(yè)區(qū)，主要以種植旱作農(nóng)業(yè)為主，主要糧食作物有小麥、玉米、馬鈴薯、油菜和蠶豆等。受特殊的地形和氣候影響，臨夏州是一個氣象災(zāi)害高頻發(fā)地區(qū)，寒潮天氣一年中均可發(fā)生，春秋季更頻繁。

1.2 資料來源

所用數(shù)據(jù)來源于臨夏州所轄的臨夏市、永靖縣、東鄉(xiāng)縣、廣河縣、和政縣和康樂縣共6個國家自動氣象觀測站1961—2010年間的常規(guī)氣象觀測資料，從中挑選出日平均氣溫和日最低氣溫資料，剔除異常值并進(jìn)行插值處理，確保資料的準(zhǔn)確率和可靠性。根據(jù)中國氣象局第16號令《氣象災(zāi)害預(yù)警信號發(fā)布與傳播辦法》[12]中規(guī)定，將寒潮天氣定義為四級（一般）、三級（較重）、二級（嚴(yán)重）和一級（特別嚴(yán)重）。令Tave代表日平均氣溫、Tmin代表日最低氣溫，并規(guī)定寒潮量級：四級，48 h內(nèi)Tave下降8 ℃以上，Tmin≤4 ℃；三級，24 h內(nèi)Tave下降10 ℃以上，Tmin≤4 ℃；二級，24 h內(nèi)Tave下降12 ℃以上，Tmin≤0 ℃；一級，24 h內(nèi)Tave下降16 ℃以上，Tmin≤0 ℃。

1.3 寒潮強(qiáng)度指數(shù)定義

一次寒潮天氣過程的強(qiáng)度由日最低氣溫降溫幅度、日最低氣溫值、影響范圍和影響持續(xù)時間綜合決定。借鑒于林愛蘭等[5]關(guān)于寒潮強(qiáng)度的計算，定義臨夏州寒潮天氣過程強(qiáng)度指數(shù)KZ，其計算公式為：

KZ=KF-KD+KS

式中：KZ為寒潮天氣過程綜合強(qiáng)度指數(shù)，KF為寒潮天氣過程最低氣溫降溫幅度指數(shù)，KD為寒潮天氣過程最低氣溫指數(shù)，KS為寒潮天氣過程影響范圍和持續(xù)時間指數(shù)。經(jīng)過計算，用KZ來綜合衡量寒潮天氣過程的強(qiáng)度，KZ值越大表明寒潮強(qiáng)度越高，KZ值越小表明寒潮強(qiáng)度越低。

1.4 統(tǒng)計與分析方法

使用數(shù)理統(tǒng)計方法、線性趨勢法、Mann-Kendall突變檢驗法和Morlet小波分析方法，對臨夏州1961—2010年50年間寒潮天氣過程時空間分布、寒潮天氣過程年發(fā)生頻次進(jìn)行統(tǒng)計和分析；使用Morlet小波分析方法對寒潮天氣過程的進(jìn)行趨勢進(jìn)行分析，找出寒潮天氣發(fā)生的周期性和規(guī)律性。

2 結(jié)果與分析

2.1 寒潮天氣時空分布特征

2.1.1 寒潮天氣空間分布特征。50年來，臨夏州寒潮天氣過程空間分布從西南方的康樂縣至東北方的永靖縣依次減少。其中中南部的和政縣和偏南部的康樂縣為2個寒潮天氣多發(fā)區(qū)。全州50年間寒潮發(fā)生頻次平均為6.7次/年，和政縣最高，為7.1次/年，康樂縣次高，為6.9次/年，而北部的永靖縣最少，為4.8次/年。臨夏州寒潮天氣多發(fā)于2個時段，春季的4—5月是寒潮的高發(fā)時段，秋冬季的10—11月是寒潮天氣次高發(fā)時段。春季寒潮天氣平均降溫幅度最大的月份為5月，秋季寒潮天氣降溫幅度最大為10月。

2.1.2 寒潮天氣時間分布特征。

（1）寒潮天氣年際和年代際變化特征。50年間，臨夏州寒潮天氣發(fā)生頻次呈現(xiàn)出先增加后減少的趨勢。寒潮天氣發(fā)生次數(shù)最多的是1976年，為9次；其次是1986年，為8次；最少的年份為1998年，寒潮天氣平均發(fā)生次數(shù)為2次。1961—1970年霜凍頻次呈波動增加趨勢，但不顯著；1971—1980霜凍頻次呈現(xiàn)出顯著的增長趨勢；1981—1990霜凍頻次同樣呈現(xiàn)出增長趨勢；而在1991—2010年又呈現(xiàn)出減少趨勢，近年寒潮天氣發(fā)生的頻次在減少，這也與全球氣候變暖的趨勢相一致。

（2）寒潮天氣月際變化特征。從月際變化來看，寒潮天氣發(fā)生次數(shù)最的月份是5月，其次是10月，而1月為最少。50年間臨夏州共發(fā)生寒潮天氣過程335次，5月共發(fā)生寒潮天氣128次，占全部寒潮天氣發(fā)生頻次的38.2%；10月共發(fā)生寒潮天氣107次，占全部寒潮天氣發(fā)生頻次的31.9%；其余月份共100次，占全部寒潮天氣發(fā)生頻次的29.9%。從寒潮天氣變化強(qiáng)度來看，5月和10月出現(xiàn)強(qiáng)寒潮次數(shù)分別為最多和次最多，且強(qiáng)度變化也是最大。

（3）寒潮強(qiáng)度KZ指數(shù)變化特征。KZ指數(shù)月變化顯示，5月、10月寒潮指數(shù)均為正值，分別為0.62、0.49，說明5月和10月寒潮發(fā)生強(qiáng)度呈增強(qiáng)的趨勢，其余月份的KZ指數(shù)均為負(fù)值，說明寒潮發(fā)生強(qiáng)度呈減弱的趨勢。KZ指數(shù)年代際變化顯示，50年間臨夏州寒潮強(qiáng)度指數(shù)呈下降趨勢，以0.34/10年的趨勢下降（通過0.01顯著性水平檢驗）。

2.1.3 寒潮天氣Mann-Kendall突變檢驗。在臨夏州50年寒潮天氣發(fā)生頻次序列的Mann-Kendall突變檢驗圖上，曲線UF顯示，1961—1972年寒潮天氣發(fā)生頻次在波動上升，但不顯著；1972—1988年寒潮天氣發(fā)生頻次上升非常顯著；1989—2010年寒潮天氣發(fā)生頻次又處于減少的趨勢，1988年成為了轉(zhuǎn)折點。UF和UB曲線在1977年和2002年存在明顯交點，但始終沒有超過UF的信度線（0.05顯著水平），說明臨夏州50年來寒潮天氣發(fā)生頻次沒有產(chǎn)生突變。

2.1.4 寒潮天氣周期振蕩變化。通過用Morlet小波變換（使用復(fù)小波變換，可以有效避免出現(xiàn)虛假振蕩），得小波方差圖，顯示寒潮天氣發(fā)生頻次存在18～22年、9～11年和2～4年周期振蕩規(guī)律。小波系數(shù)圖顯示，18～22年周期振蕩非常顯著，9～11年較顯著，2～4年周期振蕩不明顯；18～22年周期振蕩在50年間整個時段存在；9～11年在1975年后有規(guī)律性周期振蕩；而2～4年周期振蕩在20世紀(jì)80年代后期開始存在，之前時間段不明顯。9～11年周期振蕩在2010年小波系數(shù)正值等值線并沒閉合并正處于中心，預(yù)計在之后的4～5年臨夏州寒潮天氣年發(fā)生率存在增長趨勢的可能。

2.2 寒潮天氣對農(nóng)業(yè)的影響

寒潮天氣常伴隨著強(qiáng)降溫、雨雪、大風(fēng)天氣。南下東移的冷空氣降溫可以達(dá)到10 ℃甚至20 ℃以上。寒潮天氣對農(nóng)業(yè)的危害和影響非常大，臨夏州春季4—5月正值玉米、春小麥幼苗生長期，也是當(dāng)?shù)卦缢掷?、大接杏、啤特果等特色林果的現(xiàn)蕾和開花時段，而此時出現(xiàn)的寒潮和強(qiáng)降溫天氣對作物和林果的影響是巨大的，如果伴隨出現(xiàn)強(qiáng)霜凍則更是毀滅性的打擊。

不同地區(qū)不同種類的農(nóng)作物耐寒的生理學(xué)溫度也都有一定的限度，如北方春小麥、豆類和油料作物屬耐寒作物，可以承受-10～-7 ℃的低溫，蘿卜可耐-6 ℃的低溫，白菜可耐-4 ℃的低溫，而玉米、馬鈴薯只能耐-3～-2 ℃的低溫。而且，各種植物不同生長發(fā)育期階段的耐寒能力也不同。對于大多數(shù)植物來說，當(dāng)溫度降到0 ℃左右時，就會明顯受害。臨夏州歷史上幾乎每次寒潮天氣過程都會造成大面積的農(nóng)作物和林果樹受害，災(zāi)害程度會因冷空氣入侵范圍不同而有較大差異。寒潮天氣過境后，氣溫驟然下降，降溫可持續(xù)1 d至數(shù)天；而低洼的地區(qū)由于冷空氣堆積，降溫幅度大而且持續(xù)時間長；較高的塬地雖然降溫幅度小，但可以出現(xiàn)冰凍和霜凍現(xiàn)象。如在1976年4月18日，由于寒潮天氣暴發(fā)，臨夏市日最低氣溫降至-12.2 ℃，全州其余地方也出現(xiàn)極端最低氣溫和霜凍現(xiàn)象，致使當(dāng)年農(nóng)林牧業(yè)生產(chǎn)遭受重大損失。

2.3 寒潮天氣農(nóng)業(yè)防御對策

一是露天增溫法，利用一切條件提高近地面層溫度，如布設(shè)煙堆、安裝鼓風(fēng)機(jī)等，打亂逆溫層，對近地層有顯著增溫效果，其中熏煙一般能提高近地層溫度1～2 ℃。二是植被覆蓋法，利用覆蓋物保護(hù)植物體的地上部或地下怕凍部位，減少地面長波輻射，防御寒風(fēng)侵襲，從而起到防寒作用。覆蓋有水平和垂直覆蓋2種，其中有直接覆蓋在作物上或果樹上的，有搭棚覆蓋的，還有采用包扎式的。風(fēng)障對防御凍害也有較好效果，可以根據(jù)實際情況采用不同類型和不同傾角的風(fēng)障設(shè)計。三是噴灑藥劑法，主要用于果樹防凍。噴化學(xué)藥劑防御凍害是利用生長激素控制果樹生長規(guī)律，增強(qiáng)抗凍能力。化學(xué)方法防御凍害是一種應(yīng)急措施，必須注意收聽收看當(dāng)?shù)靥鞖忸A(yù)報，在寒潮降溫開始前適時噴灑化藥劑才能起到好的效果。

3 結(jié)論與討論

利用臨夏州的6個國家自動氣象觀測站1961—2010年間的常規(guī)氣象觀測資料，從中挑選出日平均氣溫和日最低氣溫資料，使用數(shù)理統(tǒng)計方法、線性趨勢法、Mann-Kendall突變檢驗法和Morlet小波分析方法，對臨夏州50年寒潮天氣發(fā)生的氣候變化和時空分布進(jìn)行分析和研究。定義臨夏州寒潮天氣過程強(qiáng)度指數(shù)和寒潮等級。臨夏州寒潮天氣多發(fā)于春季的4—5月和秋冬季的10—11月。1961—2010年間，臨夏州寒潮天氣發(fā)生頻次呈現(xiàn)出先增加后減少趨勢。50年間臨夏州寒潮強(qiáng)度指數(shù)呈0.34/10年的趨勢下降（通過0.01顯著性水平檢驗）。Mann-Kendall突變檢驗顯示，臨夏州50年來寒潮天氣發(fā)生頻次沒有產(chǎn)生突變。小波分析顯示，臨夏州寒潮天氣發(fā)生頻次存在18～22年、9～11年和2～4年周期振蕩規(guī)律。寒潮天氣常伴隨10 ℃以上的強(qiáng)降溫和大風(fēng)天氣，對農(nóng)業(yè)的危害和影響非常大。

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