閩東近44a寒潮氣候特征分析*

黃文霖 張翔宇 王偉偉

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閩東近44a寒潮氣候特征分析*

黃文霖 張翔宇 王偉偉

寧德市氣象局

利用閩東9個(gè)氣象觀測站1971～2014年的逐日最低氣溫資料,分析近44a閩東寒潮頻次的空間分布、寒潮氣候特征及環(huán)流特征。結(jié)果表明，閩東寒潮活動時(shí)空差異較大，西北部開始早、結(jié)束晚，東南部開始晚、結(jié)束早；寒潮頻次在冬季最多，秋季次之，春季再次；秋季寒潮略呈減少趨勢，春季寒潮略呈增加趨勢；M-K檢驗(yàn)表明，寒潮頻次未發(fā)生明顯突變；在11月、12月、1月、3月寒潮活動偏強(qiáng)年和無寒潮過程年，環(huán)流特征存在顯著的差異；前期菲律賓附近海區(qū)、日本以東洋面、澳大利亞東部海區(qū)、鄂霍茨克海、渤海和東海、澳大利亞西北部海區(qū)海溫異常的變化，對預(yù)報(bào)閩東不同季節(jié)寒潮頻次異常有一定的前兆意義。

閩東 寒潮 氣候特征 環(huán)流特征 海溫

閩東位于福建東北部沿海，其西部、北部內(nèi)陸有4個(gè)高海拔山區(qū)縣，沿海與內(nèi)陸氣候差異顯著[1]。寒潮是閩東冬半年主要的氣象災(zāi)害，近五十多年福建出現(xiàn)寒潮最早和最遲的站點(diǎn)均在閩東[2]。寒潮爆發(fā)時(shí)往往帶來強(qiáng)降溫和大風(fēng)，常給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸?shù)葞韲?yán)重影響。近年來，不少學(xué)者對我國不同區(qū)域的寒潮氣候特征及可能原因進(jìn)行了研究[3-10]，對福建寒潮氣候特征的研究較少[2,11]，目前尚無對閩東在福建寒潮新標(biāo)準(zhǔn)下的氣候特征研究。本文分析了閩東寒潮的氣候特征、環(huán)流特征及海洋背景，為寒潮天氣的趨勢預(yù)報(bào)和服務(wù)提供參考依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料

（1）閩東9個(gè)氣象觀測站（福鼎、霞浦、福安、寧德、壽寧、周寧、柘榮、屏南、古田）逐日最低氣溫資料；（2）NCEP/NCAR再分析2.5°× 2.5°月平均500hPa高度場資料；（3） NOAA 擴(kuò)展重構(gòu)全球2.0°×2.0°逐月海溫資料；所用氣溫和500hPa高度場資料年限為1971～2014年，海溫資料年限為1970～2014年。

1.2 寒潮標(biāo)準(zhǔn)與方法

根據(jù)《福建省天氣預(yù)報(bào)技術(shù)手冊》，寒潮定義：“24h日最低氣溫降溫≥8.0℃或48h日最低氣溫下降≥10.0℃或過程降溫幅度（72h～120h日最低氣溫最大降溫幅度）≥12.0℃，且日最低氣溫內(nèi)陸地區(qū)在5℃以下，沿海地區(qū)在6℃以下的冷空氣過程（沿?？h市為福鼎、霞浦、寧德；其余為內(nèi)陸縣市）”。9個(gè)氣象站中，若有1站或1站以上出現(xiàn)寒潮，則定義為1次單站寒潮天氣過程；若≥1/3的站點(diǎn)出現(xiàn)寒潮，則為一次區(qū)域性寒潮過程；若≥2/3的站點(diǎn)出現(xiàn)寒潮，則為一次全區(qū)性寒潮過程；因一次冷空氣過程造成的閩東不同代表站影響日不同的寒潮，作為一次寒潮處理。

采用線性傾向估計(jì)方法分析寒潮頻次的年際變化趨勢，采用Mann-Kendall法（以下簡稱M-K檢驗(yàn)方法）進(jìn)行寒潮頻次的突變分析，利用合成分析法分析閩東發(fā)生寒潮的環(huán)流背景，利用相關(guān)分析法分析寒潮頻次與前期、同期海溫的相關(guān)性。

2 寒潮的空間分布特征

根據(jù)寒潮標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算閩東各站單站寒潮頻次，結(jié)果表明，寒潮發(fā)生次數(shù)的地區(qū)差異明顯，呈現(xiàn)出西北向東南方向遞減的形勢。出現(xiàn)最多的是壽寧（162次），最少為寧德（16次），即出現(xiàn)最多的次數(shù)是最少的10.1倍。根據(jù)寒潮過程次數(shù)的多少，可將閩東劃分為3個(gè)影響區(qū)：(1) 多寒潮區(qū)，包括高海拔山區(qū)的壽寧、周寧、屏南和柘榮，平均每年出現(xiàn)寒潮3.23～3.68次；(2) 次多寒潮區(qū)，包括福安、福鼎和古田，平均每年出現(xiàn)寒潮1.43～2.23次；(3) 少寒潮區(qū)，包括沿海的寧德和霞浦，平均每年出現(xiàn)寒潮僅0.36～0.82次。

3 寒潮的氣候特征

3.1 月際分布特征

閩東海拔差異顯著，寒潮開始期和結(jié)束期地域差異較大：西北部開始早、結(jié)束晚；東南部開始晚、結(jié)束早。最早出現(xiàn)寒潮的站點(diǎn)是壽寧縣，出現(xiàn)于10月10日（1981年）；周寧縣和屏南縣次之，均為10月21日（1984年）；寧德的寒潮開始期最晚，為11月14日（1979年）。寒潮結(jié)束最晚的站點(diǎn)是周寧縣，出現(xiàn)在5月4日（1987年）；其次為壽寧縣，最晚結(jié)束期出現(xiàn)在5月3日（1981年）；寧德的寒潮結(jié)束期最早，為3月5日（1989年）。

從圖1可見，對單站寒潮而言，12月最多，占總數(shù)的23.9%；其次為11月，占19.6％；1月、3月、2月依次次之，分別占總數(shù)的16.9%、15.3%、14.1%（這5個(gè)月約占總數(shù)的89.8%，為寒潮發(fā)生的主要時(shí)段）；4月、10月、5月發(fā)生數(shù)量較少，4月、10月占總數(shù)均為4.7%，5月僅占0.8%。

圖1 閩東各月寒潮頻次分布

統(tǒng)計(jì)表明，44a來，全區(qū)性和區(qū)域性寒潮共發(fā)生113次，平均每年2.6次。從各月分布看，區(qū)域性寒潮12月最多，共發(fā)生29次，占總數(shù)的25.7%；11月次之，占總數(shù)的23.0%；5月沒有出現(xiàn)過，10月和4月發(fā)生最少。44a來，全區(qū)性寒潮共29次，年均0.7次；同樣是12月最多，共出現(xiàn)10次，占總數(shù)的34.5%；11月次之，占27.6%；1月、3月依次次之。與單站寒潮和區(qū)域性寒潮不同的是，在主要寒潮發(fā)生時(shí)段的2月份，無全區(qū)性寒潮發(fā)生。

季節(jié)分布上，對單站寒潮而言，主要發(fā)生在冬季（12月～2月），占全年的54.9%；其次是秋季（10月～11月），占全年24.3%；再次為春季（3月～5月），占全年20.8%。區(qū)域性寒潮和全區(qū)性寒潮的季節(jié)分布同單站寒潮一致。

3.2 年際及年代際變化

從圖2a可以看出，閩東各年單站寒潮頻次差異明顯，最多為11次，最少僅2次；不同季節(jié)寒潮頻次年際差異明顯，冬季寒潮最多達(dá)8次，最少為0次，而秋季和春季寒潮最多均達(dá)5次，最少均為0次。近44a年寒潮和冬季寒潮頻次的氣候變化傾向率很小；春季寒潮呈略增加趨勢，氣候變化傾向率為0.12次/10a；秋季寒潮呈略減少趨勢，氣候變化傾向率為-0.16次/10a。

利用9a滑動平均對年寒潮和各季節(jié)寒潮頻次進(jìn)行處理（圖2），可以看出年寒潮頻次的變化較為平緩，20世紀(jì)70年代中期至90年代末呈小幅波動減少趨勢，20世紀(jì)90年代末至21世紀(jì)00年代中期小幅增加；冬季寒潮20世紀(jì)70年代末至80年代末逐漸減少，20世紀(jì)90年代初至21世紀(jì)00年代中期變化平緩；春季寒潮在20世紀(jì)70年代中期至21世紀(jì)00年代中期變化平緩，之后略增加；秋季寒潮頻次在20世紀(jì)70年代中期至80年代初期呈增加趨勢，20世紀(jì)80年代初期至90年代末逐漸減少，2000年至2008年逐漸增加，2008年至今呈減少趨勢。

圖2 閩東寒潮頻次的逐年變化

（黑色虛線為寒潮頻次，黑實(shí)線為線性趨勢，棕色虛線為九年滑動平均線）

圖3為閩東近44a來年寒潮頻次的M-K檢驗(yàn)曲線，可見UF與UB曲線在1975年、1977年、1979年、1982年左右存在交點(diǎn), 且交點(diǎn)位于兩條臨界直線之間, 但在這4個(gè)交點(diǎn)之后曲線UF都沒有超出臨界直線，因此1971～2014年閩東年寒潮頻次序列不存在明顯突變。對閩東各季節(jié)寒潮頻次序列進(jìn)行Mann- Kendall突變分析，結(jié)果顯示均未發(fā)生突變（圖略）。

圖3 閩東年寒潮頻次的M-K統(tǒng)計(jì)量

4 寒潮偏強(qiáng)和無寒潮典型年份的主要環(huán)流特征

根據(jù)上述分析，閩東寒潮主要發(fā)生在11月至次年3月之間，這5個(gè)月中只有2月無全區(qū)性寒潮，因此分別對11月、12月、1月、3月進(jìn)行大氣環(huán)流合成分析。選取各月區(qū)域性寒潮總站次在多年序列中排前5位的年份以及全市9個(gè)氣象站均達(dá)到寒潮標(biāo)準(zhǔn)的年份作為各月寒潮活動偏強(qiáng)年份（1月由于有3個(gè)年份總站次均為8，故取6年分析）；將寒潮發(fā)生次數(shù)為0的年份定義為各月無寒潮發(fā)生的年份（見表1）。

表1 閩東各月寒潮偏強(qiáng)和無寒潮發(fā)生年份

由圖4可見，閩東11月、12月、1月、3月寒潮偏強(qiáng)和無寒潮年份500 hPa高度距平場的分布明顯不同。11月寒潮偏強(qiáng)年份貝加爾湖以北的亞洲大部地區(qū)為負(fù)距平，負(fù)距平中心為-20gpm，表明東亞大槽偏強(qiáng)，利于冷空氣爆發(fā)；而在無寒潮過程時(shí)，貝加爾湖以北的西伯利亞地區(qū)為正距平，日本附近有-10gpm的負(fù)距平中心，較強(qiáng)寒潮活動時(shí)弱，表明東亞大槽較常年偏弱且位置偏東。

12月寒潮偏強(qiáng)年份在俄羅斯中部、45°N以南的亞洲大部為負(fù)距平區(qū)，負(fù)距平中心達(dá)45gpm，表明東亞大槽較強(qiáng)，引導(dǎo)槽后的冷空氣向南擴(kuò)散，造成閩東的強(qiáng)寒潮活動；在12月無寒潮過程時(shí)，貝加爾湖附近存在25gpm的正距平中心，在新疆西方和日本分別存在20gpm的負(fù)距平中心，與強(qiáng)寒潮活動時(shí)期相比減弱,范圍也明顯縮小。

1月寒潮偏強(qiáng)年份在40°～135°E，45°～70°N 的大范圍區(qū)域?yàn)樨?fù)距平，新地島以南低值中心達(dá)-35gpm,在中國東北負(fù)距平也達(dá)-20gpm，表明中高緯度多低槽、低渦系統(tǒng)活動，有利于北方冷空氣南下；在無寒潮過程年，貝加爾湖以北為正距平區(qū)，貝加爾湖以南的亞洲大陸和西太平洋為負(fù)距平，負(fù)距平值較強(qiáng)寒潮活動時(shí)弱，且位置偏東。

3月寒潮偏強(qiáng)年份在俄羅斯和中國的中東部、北冰洋為負(fù)距平區(qū)，在中國東北有-25gpm的負(fù)距平中心，在北冰洋負(fù)距平最大值達(dá)75gpm，表明東亞大槽強(qiáng)度強(qiáng)；在無寒潮過程年，俄羅斯中南部和中國東北為正距平，在西太平洋存在較強(qiáng)的負(fù)距平區(qū)，東亞大槽雖然較強(qiáng)，但位置偏東。

圖4 閩東11月(a,b)、12月(c,d)、1月(e,f)、3月(g,h)寒潮偏強(qiáng)年（a,c,e,g）和無寒潮年（b,d,f,h）500hPa高度距平場（單位：gpm）

5 各季寒潮頻次與海溫異常的聯(lián)系

為了解前期、同期海溫與閩東寒潮頻次的關(guān)系，用各季節(jié)單站寒潮頻次序列分別與前期、同期各季節(jié)海溫做相關(guān)分析，海溫資料分別將每年3～5月、6～8月、9～11月、12月至次年2月三個(gè)月海溫的平均值作為該年春季、夏季、秋季、冬季的海溫值。

由圖5a～圖5b可見,與閩東秋季寒潮頻次相關(guān)系數(shù)較大的海區(qū)主要在太平洋：（1）菲律賓附近海區(qū)，前期秋季、冬季、夏季和同期秋季存在顯著負(fù)相關(guān)區(qū)；（2）在日本以東洋面，前期春季和夏季相關(guān)系數(shù)＜-0.3，其中前期夏季相關(guān)性更好、相關(guān)區(qū)較大；（3）澳大利亞東部海區(qū)，前期四季和同期秋季均有顯著負(fù)相關(guān)區(qū)。由此可見，菲律賓附近海區(qū)、日本以東洋面、澳大利亞東部海區(qū)的海溫異常變化超前于寒潮頻次的異常變化，對預(yù)報(bào)閩東秋季寒潮頻次異常有一定的前兆意義。

與閩東冬季寒潮頻次相關(guān)系數(shù)較大的海區(qū)同樣主要在太平洋和赤道印度洋（圖5c～圖5d）：（1）鄂霍茨克海，前期冬季和春季均有顯著負(fù)相關(guān)區(qū)；（2）渤海和東海海區(qū)，前期夏季和秋季均存在顯著負(fù)相關(guān)區(qū)；（3）澳大利亞西北部海區(qū)，前期夏季和秋季均存在顯著負(fù)相關(guān)區(qū)?？梢娺@三個(gè)海區(qū)是影響閩東寒潮的關(guān)鍵區(qū)域，當(dāng)其海溫偏低時(shí)，冬季寒潮頻次可能偏多。

閩東春季寒潮頻次與同期春季海溫場相關(guān)系數(shù)較大的海區(qū)主要在北印度洋、馬達(dá)加斯加附近海區(qū)和低緯大西洋，均存在大面積顯著正相關(guān)區(qū)（圖5e）。在鄂霍茨克海，前期春季和夏季均存在顯著正相關(guān)區(qū)；在澳大利亞東部海區(qū)，前期夏季、秋季和冬季均有顯著正相關(guān)區(qū)，其中前期夏季位置較北、相關(guān)區(qū)面積較大（圖5f）?？梢娗捌诙趸舸目撕：桶拇罄麃問|部海區(qū)的海溫偏高時(shí)，閩東春季寒潮可能偏多。

圖5 閩東寒潮頻次與海溫相關(guān)系數(shù)分布

(陰影區(qū)表示通過0.05信度的顯著性檢驗(yàn)，其它季節(jié)圖略）

6 結(jié)論

(1)閩東寒潮呈明顯的西北向東南方向遞減的區(qū)域分布，從而將閩東劃分為多寒潮區(qū)、次多寒潮區(qū)和少寒潮區(qū)。寒潮開始和結(jié)束期空間差異較大，其中西北部開始早、結(jié)束晚，東南部開始晚、結(jié)束早。

(2)閩東寒潮發(fā)生在10月至次年5月，其中12月最多，2月無全區(qū)性寒潮發(fā)生。單站寒潮、區(qū)域性寒潮和全區(qū)性寒潮的季節(jié)分布一致，均為冬季最多，秋季次之，春季再次。

(3)近44a年寒潮和冬季寒潮頻次的氣候變化傾向率很小；秋季寒潮略呈減少趨勢，春季寒潮略呈增加趨勢。Mann-Kendall突變檢驗(yàn)表明，近44a來寒潮頻次沒有發(fā)生明顯突變。

(4)通過11月、12月、1月、3月強(qiáng)（無）寒潮年500hPa環(huán)流距平場的對比分析可知，寒潮偏強(qiáng)年份東亞大槽偏強(qiáng)或中高緯度多低槽、低渦系統(tǒng)活動，引導(dǎo)北方冷空氣南下，導(dǎo)致閩東寒潮活動強(qiáng)烈；無寒潮過程年份，東亞大槽較弱或位置偏東，強(qiáng)冷空氣很難南下影響到閩東。

(5)海溫異常通過遙相關(guān)影響大氣環(huán)流異常，從而影響寒潮發(fā)生。本研究發(fā)現(xiàn)前期菲律賓附近海區(qū)、日本以東洋面、澳大利亞東部海區(qū)海溫偏低時(shí)，閩東秋季寒潮頻次可能偏多；前期鄂霍茨克海、渤海和東海、澳大利亞西北部海區(qū)海溫偏低時(shí)，閩東冬季寒潮可能偏多；前期鄂霍茨克海和澳大利亞東部海區(qū)海溫偏高時(shí)，閩東春季寒潮可能偏多。如何進(jìn)一步通過海溫變化預(yù)測閩東寒潮天氣有待進(jìn)一步研究。

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福建省氣象局研究生基層專項(xiàng)（2015G03）資助。