貴陽和威寧霜消時氣象要素對比分析*

原 野，李 力，周永水，陳怡璇，郭 茜

(1.貴州省氣象服務中心，貴州 貴陽 550002；2.貴州省氣象臺，貴州 貴陽 550002；3.貴州省氣象信息中心，貴州 貴陽 550002)

0 引言

霜是水汽自地面和近地面物體上凝華而成的白色松脆冰晶，或者是由露凍結而成的冰珠[1]，在寒冷晴朗微風的夜晚最容易形成。霜凍是白天氣溫高于0 ℃，夜間氣溫短時間內(nèi)降至0 ℃以下導致的低溫危害現(xiàn)象，是一種農(nóng)業(yè)氣象災害。因此兩者有本質(zhì)的區(qū)別，大部分文獻對霜凍發(fā)生的判別指標為日最低氣溫或草溫低于0 ℃[2-4]或者地面0 cm處溫度低于0 ℃[5-8]，不考慮天空狀況或者水汽條件的變化，目前氣象上對于霜的確定主要是以觀測員觀測到結晶為判別手段[1]，不考慮地溫、氣溫和草溫的變化。

在霜的預報工作中，霜在何時生成和消融均是需要關注的重點，而霜一般伴隨著晴朗天氣出現(xiàn)，因此在南方地區(qū)，當白天太陽輻射加強造成地面附近升溫后，霜會逐漸消融。在測站附近，觀測員可以通過冰晶或冰珠的消失來判斷霜的消融，而對于測站以外區(qū)域霜的消融時間則需要預報員進行主觀的判斷，這些判斷應該是在對基本氣象觀測要素的綜合考量的基礎上作出的。在東部省份及北方地區(qū)，已有業(yè)務人員開展了基于基本觀測要素的霜的自動識別算法研究[8-9]，并分析了結霜的主要影響因子[10-13]，這些影響影子主要是基于平原地區(qū)的結霜日分析提取的，而在貴州等山地區(qū)域氣象要素和霜的生成及消融之間的分析較少。本文使用貴州地區(qū)1961—1980年威寧和貴陽臺站霜的觀測數(shù)據(jù)和地面及探空要素觀測數(shù)據(jù)，分析霜消前各類氣象要素的變化，以此來為預報員判別和預報霜消時間提供必要的參考。

1 數(shù)據(jù)來源

霜的觀測數(shù)據(jù)來源于貴州省氣象信息中心整編資料，1980年以前霜的觀測中霜的生成和消融時間均記錄到分鐘， 20世紀80年代以前地面氣象要素的觀測頻率為每天4次(北京時02時、08時、14時、20時)，探空數(shù)據(jù)每天2次(北京時08時、20時)，20時霜生消的次數(shù)較少，因此在霜消前地面氣象要素變化分析中采用1961—1980年08—09時之間消融的霜來查看08時的氣象要素變化，霜的氣候分布分析采用數(shù)據(jù)為1961—2020年，霜在白天的持續(xù)時長(08時—消融時)和08時地面氣象因子的相關性分析選擇的年份也為1961—1980年，探空因子和持續(xù)時長分析時數(shù)據(jù)的年份選擇1975—1980年，探空數(shù)據(jù)來自于懷俄明州大學網(wǎng)站(http://www.weather.uwyo.edu/upperair/sounding.html)，其余數(shù)據(jù)均來自于貴州省氣象信息中心。

2 貴陽和威寧霜的氣候分布

從貴陽和威寧霜的月分布特征來看，貴陽(圖1a)霜發(fā)生頻次最高的月份是12月，其次是1月、11月、2月，60 a來共觀測到的次數(shù)分別是222次、175次、69次、65次，其余月份60 a發(fā)生總數(shù)均小于60次，即在這些月份中平均每年發(fā)生次數(shù)小于1次，5—9月沒有觀測到霜的發(fā)生。威寧(圖1b)發(fā)生頻次最高的是1月份，其次是12月、2月、11月，60 a來共觀測到的次數(shù)分別是743次、676次、423次、207次。按季節(jié)來劃分，貴陽(圖1c)霜發(fā)生頻次最多是在冬季，共462次，占比81.5%，秋季和春季分別發(fā)生74次和31次，占比13.0%、5.5%，夏季則沒有觀測到結霜現(xiàn)象。威寧(圖1d)頻次最多也是冬季，共1 842次，占比78.5%，秋季和春季分別發(fā)生268次和236次，占比11.4 %、10.1%，夏季觀測到1次結霜現(xiàn)象，出現(xiàn)在1965年8月21日06時47分—07時29分。從貴陽和威寧逐月分布來看，貴陽(圖2a)結霜頻次在12月大于10次(含10次，下同)的年份有6 a，分別是1964、1975、1982、1987、1989、1999年，最高發(fā)月份是1975年12月共13次，1月則沒有超過10次的年份。威寧(圖2b)結霜頻次在12月大于10次的年份有39 a，大于15次有17 a，大于20次的有4 a，分別是1968、1977、1978、1992年，最高發(fā)月份為1992年12月共27次，1月大于10次的年份有46 a，大于15次有21 a，大于20次的只有1 a，是1965年1月；從年分布特征來看(圖2c)，威寧霜的年頻次明顯高于貴陽，1961—2020年間威寧共發(fā)生霜2347次，平均每年39.1次，貴陽共569次，平均每年9.5次，2010年后威寧霜的頻次逐漸下降，2018—2020年發(fā)生頻次均低于10次，分別發(fā)生8、4、5次。

圖1 1961—2020年貴陽(a、c)和威寧(b、d)霜日數(shù)月分布及季分布Fig.1 The monthly and seasonal distribution of frost in Guiyang (a.c) and Weining (b.d) from 1961 to 2020

圖2 1961—2020年貴陽(a)和威寧(b)霜的逐月及逐年(c)分布Fig.2 Monthly and yearly (c) distribution of frost in Guiyang (a) and Weining (b) from 1961 to 2020

3 霜在白天的持續(xù)時長與08時主要氣象因子相關性分析

天氣觀測的氣象要素較多，根據(jù)霜的定義，影響結霜的因子包括天空狀況、溫度、水汽、風等氣象要素，其中天空狀況一般為晴朗天氣即無云或少云，結霜一般是在冷高壓控制下的晴天，貴州以均壓場為主，風力大部分時間是微風，因此本文只討論霜的持續(xù)時長和溫度、水汽變化之間的關系，溫度主要查看氣溫、地溫的變化，水汽主要查看溫度露點差和相對濕度變化。本節(jié)選取氣溫、露點、地溫、5 cm地溫、溫度露點差、相對濕度作為相關因子進行分析，結霜時由于輻射冷卻，往往存在比較明顯的逆溫層，因此探空中逆溫是否對霜的持續(xù)時長有影響也是分析的因子之一。

圖3列出了貴陽和威寧站1961—1980年結霜日白天(08時后，下同)的持續(xù)時長，貴陽站(圖3a)共有186個結霜日，白天持續(xù)時長平均72 min，持續(xù)時長超過180 min的只有2次，最長266 min，最長霜日發(fā)生在1977年1月23日。威寧站(圖3b)共有653個結霜日，白天霜的持續(xù)時長平均94 min，持續(xù)時長超過180 min的有46次，最長320 min，該霜日發(fā)生在1964年12月28日。

圖3 貴陽(a)和威寧(b)白天霜的持續(xù)時長Fig.3 The duration in daytime of frost in Guiyang (a) and Weining (b)

把結霜日霜在白天的持續(xù)時長作為數(shù)據(jù)1，08時水汽和溫度的變化參數(shù)作為數(shù)據(jù)2，得出兩者之間的相關系數(shù)(表1)，貴陽站氣溫、露點、地溫、5 cm地溫與霜持續(xù)時長有較好的負相關，相關系數(shù)的絕對值均大于0.7，且通過α=0.02的置信度檢驗(樣本數(shù)大于120時α=0.02的臨界相關系數(shù)約為0.17)；溫度露點差、相對濕度、逆溫層厚度與霜持續(xù)時長的相關系數(shù)較小，其絕對值均小于0.15；逆溫差與霜持續(xù)時長的相關系數(shù)為0.31，有一定的相關性。威寧站氣溫、露點溫度、5 cm地溫與霜持續(xù)時長有較好的負相關，相關系數(shù)的絕對值均大于0.4，可通過α=0.02的置信度檢驗，溫度露點差、相對濕度、逆溫層厚度、地溫、逆溫差與持續(xù)時長的相關系數(shù)較小，其絕對值均小于0.15。

表1 貴陽和威寧站白天霜持續(xù)時長和08時要素的相關系數(shù)(貴陽樣本數(shù)186，威寧樣本數(shù)653)Tab.1 Correlation coefficients between duration in daytime of frost in Guiyang and Weining stations and the elements at 08：00(instances in guiyang are 186, Weining 653)

綜合來看，分析霜在白天的持續(xù)時長時，貴陽站可從氣溫、露點溫度、地溫、5 cm地溫、逆溫差入手，威寧站可從氣溫、露點溫度、5 cm地溫入手查看這些要素在霜消前的變化以此來判斷霜消時間。

4 貴陽和威寧霜消前氣象要素變化對比

由貴陽霜消前地溫和氣溫的變化可知(圖4a)，所有結霜日霜消前氣溫平均為3.15 ℃，標準差1.98 ℃，最高氣溫7 ℃，最低氣溫-3.4 ℃，低于0 ℃次數(shù)為4次，占比5%，高于0 ℃次數(shù)為76次，占比95%，高于2 ℃次數(shù)占比76.25%，高于3 ℃次數(shù)占比58.75%；地溫霜消前變化范圍為-4～5.3 ℃，平均0.98 ℃，標準差1.95 ℃，地溫總體上低于氣溫，兩者平均氣溫相差2.17 ℃，標準差為1.53 ℃。氣溫高于地溫的次數(shù)為 73次，占比91.25%，這可能是霜消前均為晴朗少云天氣，氣溫升溫比地溫上升更快導致。露點的變化范圍為-6.4～6.2 ℃(圖4b)，平均為1.70 ℃，標準差為2 ℃，高于0 ℃次數(shù)為65次，占比81.25%。5 cm地溫的變化范圍為0～8.4 ℃，平均為4.73 ℃，標準差為1.65 ℃。

威寧結霜日霜消前氣溫平均為3.96 ℃(圖4c)，標準差3.24 ℃，最高氣溫12.8 ℃，最低氣溫-6.6 ℃，低于0 ℃次數(shù)為19次，占比11.3%，高于0 ℃次數(shù)為149次，占比88.7%，高于2 ℃次數(shù)占比78%；地溫霜消前平均0.65 ℃，最高11.2 ℃，最低-9 ℃，地溫總體上低于氣溫，兩者平均氣溫相差3.31 ℃，氣溫高于地溫的次數(shù)為 143次，占比85.12%。威寧站霜消前露點的變化范圍為-18.7～7.3 ℃(圖4d)，平均為-0.244 6 ℃，標準差為3.62 ℃。5 cm地溫的變化范圍為-0.4～11 ℃，平均為5.09 ℃，標準差為2.09 ℃。

圖4 霜消前地溫、氣溫、露點溫度、5 cm地溫在貴陽(a，b)和威寧(c，d)站的變化Fig.4 Changes of ground temperature, air temperature, dew point, and 5 cm ground temperature before frost melting in Guiyang (a, b) and Weining (c, d)

5 小結

本文使用1961—2020霜的觀測數(shù)據(jù)討論了貴陽和威寧站的氣候分布特征，用霜在08時后的持續(xù)時長與08時的氣象要素進行相關性分析，選取與霜的持續(xù)時長有關的參數(shù)進行討論，結果如下：

①貴陽和威寧在夏季幾乎沒有結霜現(xiàn)象，其余季節(jié)均有霜出現(xiàn)，其中冬季霜頻次最高，貴陽占比81.5%，威寧占比78.5%；貴陽結霜頻次最高的月份出現(xiàn)在12月，威寧出現(xiàn)在1月。

②貴陽站氣溫、露點溫度、地溫、5 cm地溫與霜持續(xù)時長有較好的負相關，相關系數(shù)的絕對值均大于0.7，逆溫差與持續(xù)時長的相關系數(shù)為0.31，溫度露點差、相對濕度、逆溫層厚度與霜持續(xù)時長相關系數(shù)均小于0.13；威寧站氣溫、露點溫度、5 cm地溫與霜持續(xù)時長有較好的負相關，相關系數(shù)的絕對值均大于0.4，溫度露點差、相對濕度、逆溫層厚度、地溫、逆溫差與霜持續(xù)時長相關系數(shù)絕對值均小于0.14。

③霜消前的氣象因子中，貴陽、威寧站的氣溫均高于地溫，二者溫差貴陽站為2.17 ℃，威寧站為3.31 ℃；貴陽站氣溫和地溫的差值有最小的標準差1.53 ℃，威寧站則是5 cm地溫有最小的標準差2.09 ℃。從這兩個因子的平均態(tài)來看，當貴陽站氣溫和地溫之差大于2.17 ℃時預示著該站霜的消融，威寧站5 cm地溫大于5.09 ℃時預示著該站霜的消融。

不足與討論：在霜的持續(xù)時長與氣象因子相關性分析中，因20世紀60、70年代的探空觀測垂直分辨率較低，逆溫厚度和逆溫差計算可能存在較大的誤差，這也可能是這兩者與霜的持續(xù)時長沒有良好相關性的原因。