1961～2019年貴陽冬季凝凍時(shí)空特征與異常成因

嚴(yán)小冬,張 皓,楊 濤,陳 宇,蔡志穎,李忠燕

（1.貴州省氣候中心，貴陽 550002；2.貴州省清鎮(zhèn)市氣象局，清鎮(zhèn) 551400；3.貴州省貴陽市氣象局，貴陽 550022；4.南京信息工程大學(xué)，南京 210044）

引言

凝凍并不是我國(guó)冬季特有的天氣現(xiàn)象，而一旦發(fā)生持續(xù)性凝凍極易造成多災(zāi)種疊加事件，危害極大，對(duì)交通、居民生活健康、通訊電力設(shè)施等都有不利影響[1-5]。貴州是我國(guó)南方地區(qū)凝凍最為嚴(yán)重的省份[6]，同時(shí)作為中國(guó)南方喀斯特地貌中心，生態(tài)環(huán)境脆弱，環(huán)境承載力低，氣候變化敏感[7]。因此分析凝凍氣候特征，探討凝凍發(fā)生原因，開展凝凍天氣預(yù)報(bào)在防災(zāi)減災(zāi)中具有重要意義。在貴州凝凍時(shí)空分布特征及成因分析方面，嚴(yán)小冬等[8]把凍雨發(fā)生前的高度場(chǎng)和海溫場(chǎng)按步長(zhǎng)、時(shí)間劃分同時(shí)作為預(yù)報(bào)因子與冬季凍雨求復(fù)相關(guān)，發(fā)現(xiàn)影響貴州冬季凍雨的最佳預(yù)報(bào)因子主要集中于高度場(chǎng)和海溫場(chǎng)具有重要天氣氣候意義的關(guān)鍵區(qū)域。杜小玲等[9]采用統(tǒng)計(jì)分析和插值處理，揭示了貴州凍雨以27°N為中軸線的頻發(fā)地帶分布特征。針對(duì)特定年凝凍亦有大量研究成果。王興菊等[10]認(rèn)為2008年貴州凝凍的主要原因是西太平洋副熱帶高壓脊線明顯偏北、面積偏大、強(qiáng)度偏強(qiáng)等，拉尼娜事件的影響和歐亞阻塞異常偏強(qiáng)以及印緬槽出現(xiàn)持續(xù)的大量暖濕空氣的向北輸送則造成了2011年1月貴州雨凇災(zāi)害。白慧等[11]利用區(qū)域氣候模式RegCM4較為準(zhǔn)確的對(duì)貴州2008年初凝凍過程大氣逆溫層垂直結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模擬。李小龍等[12]發(fā)現(xiàn)2008年貴州威寧凍雨主要通過碰并形成，特殊的地形使貴州西部?jī)鲇晏鞖獾陌l(fā)生機(jī)制與我國(guó)東部其他低海拔地區(qū)的凍雨天氣不同。然而針對(duì)貴陽市凝凍日數(shù)特征的報(bào)道較少，已有成果選取數(shù)據(jù)多到2010年為止。為延續(xù)貴陽市凝凍時(shí)空特征及異常年成因相關(guān)研究，擬對(duì)1961～2019年貴陽市8個(gè)代表站點(diǎn)凍雨日數(shù)距平，進(jìn)行EOF展開并進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，得到貴陽凝凍異常變化的主模態(tài)空間分布特征，再采用Mann-Kendall檢驗(yàn)、Morlet小波方法對(duì)貴陽平均凝凍日數(shù)的時(shí)間序列進(jìn)行突變與周期分析，結(jié)合位勢(shì)高度場(chǎng)、海溫距平分析，探討貴陽凝凍異常年的成因，以期通過分析歷史資料來揭示貴陽的凝凍氣候特征，為地方凝凍災(zāi)害防御決策提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料來源

貴陽市8個(gè)地面觀測(cè)站自1961年12月～2019年2月共59a的雨凇觀測(cè)資料，數(shù)據(jù)來源于貴州省氣象局信息中心。1961～2019年NCEP/NCAR逐月再分析資料（https://psl.noaa.gov/data/gridded/data.ncep.reanalysis.surface.html），要素包括水平w、v風(fēng)速、高度場(chǎng)，分辨率為2.5°×2.5°；1961～2019年美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局重構(gòu)的第4版海表面溫度數(shù)據(jù)（https://psl.noaa.gov/data/gridded/data.noaa.ersst.v4.html），分辨率為2.0°×2.0°。冬季定義為當(dāng)年12月～次年2月（如1981年冬季指1981年12月～1982年2月）。氣候態(tài)為1981～2010年平均。

1.2 研究方法

主要采用了線性趨勢(shì)分析、EOF（經(jīng)驗(yàn)正交分解）[13]、Mann-Kendall（曼-肯德爾）分析[14-15]、Morlet小波分析[16]、合成分析和統(tǒng)計(jì)t檢驗(yàn)等。

2 貴陽市凝凍日數(shù)時(shí)空變化特征

2.1 貴陽市凝凍日數(shù)空間分布

圖1a為貴陽市1961～2019年冬季平均凝凍日數(shù)分布。如圖所示，貴陽市冬季凝凍由西南部向東北部逐漸增多，凝凍日數(shù)為5.9～23.4d，凝凍在10d以上的區(qū)域分布在清鎮(zhèn)東部、修文中東部、貴陽西北部、烏當(dāng)白云大部、開陽及息烽局部，其中15d以上區(qū)域主要分布在開陽，尤其是東北部凝凍達(dá)到20d以上。在進(jìn)行變異強(qiáng)度評(píng)價(jià)時(shí)引入了上海氣象科學(xué)研究所薛正平等[17]研發(fā)的三級(jí)評(píng)價(jià)法：變異系數(shù)CV＜10%，弱變異；10%≤CV≤30%，中等變異；CV＞30%，強(qiáng)變異。貴陽市近59年各區(qū)縣凝凍日數(shù)達(dá)到強(qiáng)變異，系數(shù)為48%，平均凝凍日數(shù)10.7d，大部分區(qū)域凝凍日數(shù)在10d以上。從各月分布來看（圖1b～d）凝凍日數(shù)均呈現(xiàn)西南低東北高特征，高值區(qū)間位于開陽，12月凝凍日數(shù)為0.9～3.7d，平均凝凍日數(shù)1.6d，變異系數(shù)為56%；1月凝凍日數(shù)為2.8～11.0d，平均凝凍日數(shù)5.2d，變異系數(shù)為47%；2月凝凍日數(shù)為2.2～8.4d，平均凝凍日數(shù)3.8d，變異系數(shù)為49%。

圖1 1961～2019年貴陽市凝凍日數(shù)分布（a.年平均，b.12月平均，c.1月平均，d.2月平均，單位：d）

對(duì)貴陽市8個(gè)站1961～2019年冬季及其各月凝凍日數(shù)的距平場(chǎng)進(jìn)行EOF展開，結(jié)果表明：冬季第一特征向量場(chǎng)在全市呈現(xiàn)一致性正值，由西南向東北逐漸遞增，特征向量值分別為0.24～0.49，該模態(tài)冬季凝凍日數(shù)特征根方差貢獻(xiàn)率為86.27%，收斂速度較快，表明1961～2019年貴陽市的凝凍日數(shù)變化趨勢(shì)具有高度的一致性，即全市冬季呈現(xiàn)同增或同減的分布特征，高值中心位于開陽，反映該區(qū)域凝凍時(shí)間變化大，低值中心位于息烽中部及修文西北部、清鎮(zhèn)西部、花溪西南邊緣（圖略）。

通過貴陽市冬季與各月凝凍日數(shù)第一時(shí)間系數(shù)相關(guān)性分析得出，2月與冬季及12月、1月為負(fù)相關(guān)，其中與1月相關(guān)性通過了0.01水平的顯著性檢驗(yàn)；冬季與12月、1月為正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.422、0.015，由表1可知冬季與12月凝凍日數(shù)第一時(shí)間系數(shù)相關(guān)性通過了0.01水平的顯著性檢驗(yàn)，說明12月凝凍日數(shù)變化趨勢(shì)同其他各月相比與冬季更為一致。

表1 冬季與各月第一時(shí)間系數(shù)相關(guān)性

2.2 貴陽市凝凍年等級(jí)劃分

以1961～2019年冬季凝凍日數(shù)第一時(shí)間系數(shù)的±1倍標(biāo)準(zhǔn)差為凝凍強(qiáng)弱年劃分依據(jù)[18]?；诖诉x取了10個(gè)強(qiáng)凝凍年，分別為1964、1967、1968、1969、1974、1977、1984、2008、2011、2012。同理，圖2還給出弱凝凍年 為1963、1987、2017，由于1973、1986、1992、1999、2001、2009、2015年接近1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差，也選取它們作為弱凝凍年。

圖2 貴陽市1961～2019年凝凍年等級(jí)劃分

2.3 貴陽市凝凍日數(shù)時(shí)間演變特征

通過線性趨勢(shì)分析可知近59a貴陽冬季及12月、2月凝凍日數(shù)總體呈下降趨勢(shì)，1月為上升趨勢(shì)，趨勢(shì)系數(shù)依次為-0.0964d/10a、-0.0648d/10a、-0.26038d/10a、0.03872d/10a。由圖3a可知，1961～1968年貴陽市冬季凝凍日數(shù)呈上升趨勢(shì)，在1963年這種趨勢(shì)超過了0.05顯著水平線，表明冬季凝凍持續(xù)時(shí)間增長(zhǎng)明顯。1968年以后持續(xù)下降，2014年以后凝凍日數(shù)減少趨勢(shì)明顯增強(qiáng)。20世紀(jì)70～80年代末貴陽市冬季凝凍日數(shù)出現(xiàn)多次突變，經(jīng)歷了2次“降低-升高-降低”的變化，1989年以后未見顯著起伏，究其原因發(fā)現(xiàn)1988年前后貴州冬季氣溫存在由低到高的突變轉(zhuǎn)折[19-20]。

圖3 1961～2019年貴陽市凝凍日數(shù)M-K檢驗(yàn)（a.冬季，b.12月，c.1月，d.2月）

由圖3b可知，1961～1965年貴陽市12月凝凍日數(shù)呈上升趨勢(shì)，在1963年這種趨勢(shì)超過了0.05顯著水平線，表明12月凝凍持續(xù)時(shí)間增長(zhǎng)明顯，1965～1984年波動(dòng)大，2015年以后凝凍日數(shù)減少趨勢(shì)明顯增強(qiáng)。1962、1968、1982、1986、1987、1992、1994、2002、2010、2012年12月凝凍日數(shù)出現(xiàn)突變，經(jīng)歷了4次“升高-降低”的起伏。

由圖3c可知，1961～1968年貴陽市1月凝凍日數(shù)呈上升趨勢(shì)，在1963年這種趨勢(shì)超過了0.001顯著水平線，表明1月凝凍持續(xù)時(shí)間增長(zhǎng)極顯著，1964～1994年凝凍日數(shù)波動(dòng)大，1994年以后呈下降趨勢(shì)。1965、1968、1979、1993、1996、1998、1999、2006、2009、2012年1月凝凍日數(shù)出現(xiàn)突變。

由圖3d可知，以1966年為分界點(diǎn)，1961～1966年貴陽市2月凝凍日數(shù)呈上升趨勢(shì)，在1963年這種趨勢(shì)超過了0.05顯著水平線，表明2月凝凍持續(xù)時(shí)間增長(zhǎng)明顯；1966年以后凝凍日數(shù)持續(xù)下降，2013年以后凝凍日數(shù)減少趨勢(shì)明顯增強(qiáng)。凝凍日數(shù)突變集中在20世紀(jì)60～70年代，1991年以后變化平穩(wěn)，在此期間經(jīng)歷了4次“升高-降低”的起伏。

通過對(duì)1961～2019年冬季、12月、1月、2月凝凍日數(shù)進(jìn)行小波功率譜分析可知，貴陽冬季凝凍日數(shù)在20世紀(jì)70年代存在準(zhǔn)8a周期，其中在70年代中期出現(xiàn)準(zhǔn)2.5a顯著周期，在1980～1990年及2005～2015年出現(xiàn)4a的顯著周期（圖4a）；貴陽12月凝凍日數(shù)9～10a的周期變化最為顯著，發(fā)生于1961～2015年，另外在1965～1985年存在準(zhǔn)5a周期（圖4b）；通過圖4c可知，20世紀(jì)70年代的中后期，貴陽1月凝凍日數(shù)周期為準(zhǔn)2.5a，21世紀(jì)初至2015年以準(zhǔn)3～4a變化周期為主；而1961～1972年，貴陽2月凝凍日數(shù)出現(xiàn)顯著的4a變化周期（圖4d）。

圖4 1961～2019年貴陽市凝凍日數(shù)小波功率譜分析（a.冬季，b.12月，c.1月，d.2月；黑色實(shí)線表示通過紅噪聲檢驗(yàn)顯著水平α=0.05的區(qū)域；黑色虛線以下為邊緣效應(yīng)影響區(qū)）；對(duì)應(yīng)的凝凍小波方差譜（e.冬季，f.12月，g.1月，h.2月；實(shí)線是計(jì)算譜；虛線是紅噪音譜）

3 貴陽市凝凍偏強(qiáng)年與偏弱年的成因分析

3.1 凝凍日數(shù)與北半球500hPa高度場(chǎng)關(guān)系

通過對(duì)近59a貴陽冬季凝凍日數(shù)與同期北半球500hPa位勢(shì)高度進(jìn)行相關(guān)分析可知（圖5a），貴陽冬季凝凍與同期北半球西伯利亞地區(qū)、加拿大-阿拉斯加地區(qū)、格陵蘭島的位勢(shì)高度存在顯著正相關(guān)，其他地區(qū)為負(fù)相關(guān)，其中赤道中東太平洋海域負(fù)相關(guān)最為顯著。

由北半球強(qiáng)凝凍年、弱凝凍年500hPa高度距平合成場(chǎng)及差值的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)可知：強(qiáng)凝凍年北半球高緯度地區(qū)格陵蘭、北美及烏拉爾山-西伯利亞一帶為正距平，對(duì)應(yīng)格陵蘭、北美及西伯利亞冷高壓（圖5b），其余地區(qū)為負(fù)距平，在蒙古高原、貝加爾湖-鄂霍茨克、阿爾卑斯山地區(qū)負(fù)距平通過了0.05水平的顯著性檢驗(yàn)，亞歐大陸的位勢(shì)高度呈現(xiàn)“北高南低”分布有利于高壓脊發(fā)展，極渦南壓，東亞大槽加深，維持較穩(wěn)定的經(jīng)向環(huán)流，西北氣流攜帶冷空氣南下，構(gòu)成了西南地區(qū)凝凍形成的必要條件；弱凝凍年北半球中高緯地區(qū)位勢(shì)高度場(chǎng)呈現(xiàn)與強(qiáng)凝凍年相反的配置，在高緯度不利于冷空氣南下補(bǔ)充（圖5c）；強(qiáng)弱年差值合成距平場(chǎng)中（圖5d），歐亞大陸中高緯地區(qū)表現(xiàn)為“北正南負(fù)”的分布形勢(shì)，強(qiáng)凝凍年東半球歐亞大陸中高緯地區(qū)有阻塞高壓，經(jīng)向環(huán)流加強(qiáng)西北方向冷空氣沿烏拉爾高壓脊前向我國(guó)輸入，貴陽500hPa高度上距平在-20～0hPa，在低槽引領(lǐng)下冷空氣影響貴陽。

圖5 (a) 凝凍日數(shù)與北半球500hPa高度場(chǎng)相關(guān)分布 ；(b) 強(qiáng)凝凍年、(c) 弱凝凍年、(d) 強(qiáng)-弱年的北半球500hPa高度場(chǎng)距平合成（網(wǎng)格區(qū)域通過了0.05水平的顯著性檢驗(yàn)）

3.2 凝凍日數(shù)與全球海溫場(chǎng)關(guān)系

白慧等[21]在開展冬季凍雨日數(shù)預(yù)報(bào)模型研究中發(fā)現(xiàn)：前期秋季海溫異常關(guān)鍵區(qū)（赤道中東太平洋）對(duì)貴州冬季凍雨日數(shù)多寡具有較好的預(yù)測(cè)指示意義；通過相關(guān)性分析得出貴陽凝凍日數(shù)與西北太平洋鄂霍茨克海、夏威夷群島為顯著正相關(guān)，而東北太平洋、赤道太平洋中東部、東南太平洋、南半球副熱帶地區(qū)的中大西洋、阿拉伯海以及我國(guó)的南海、渤海、黃海、東海與貴陽凝凍日數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)。

針對(duì)凝凍年秋季海溫進(jìn)行距平合成結(jié)果如圖6所示：強(qiáng)凝凍年夏威夷群島以東海域、阿留申-阿拉斯加灣為負(fù)距平，且通過0.05水平的顯著性檢驗(yàn)，負(fù)距平中心位于阿拉斯加灣；弱凝凍年太平洋海溫距平分布與強(qiáng)凝凍年相反；強(qiáng)弱年海溫差值距平在西北太平洋為正，中心位于千島群島以東，熱帶印度洋、東南大西洋、赤道中東太平洋、澳大利亞以南海盆至塔斯曼海為負(fù)距平，除熱帶印度洋外其他海域達(dá)到了顯著水平，負(fù)距平中心處于赤道中東太平洋上。已有研究表明海溫異常對(duì)大氣環(huán)流影響存在滯后性[19，22-23]，秋季海溫偏低引起緯向環(huán)流加強(qiáng)[24]，海洋水汽向我國(guó)輸入，冬季歐亞中高緯地區(qū)在高壓控制下冷空氣隨西北風(fēng)南下，配合中低緯南支系統(tǒng)的異?；钴S，可能造成貴陽地區(qū)凍雨日數(shù)偏多。

圖6 (a) 凝凍日數(shù)與秋季海溫相關(guān)分布；(b) 強(qiáng)凝凍年、(c) 弱凝凍年、(d) 強(qiáng)-弱年的凝凍年秋季海溫距平合成（網(wǎng)格區(qū)域通過了0.05的顯著性水平檢驗(yàn)）

3.3 凝凍日數(shù)與歐亞風(fēng)場(chǎng)關(guān)系

如圖7所示，200hPa青藏高原、孟加拉灣及其東北部上空存在明顯的輻散中心，30°N附近呈西風(fēng)異常。850hPa孟加拉灣及周邊受異常氣旋環(huán)流系統(tǒng)控制，云貴高原東北部（貴州中東部）受低空急流影響水汽上升條件較好，偏北強(qiáng)風(fēng)帶的建立南下易于低空冷鋒生成，低層大氣的熱量、水汽和能量累積。高層輻散低層輻合，同時(shí)500hPa上南支西風(fēng)帶孟加拉灣低槽較深，槽前強(qiáng)勁的西南氣流攜帶南海和印度洋的水汽沿反氣旋式環(huán)流輸送到云貴高原東北部與來自北方的冷空氣交匯，為貴陽凝凍的形成發(fā)展提供必要的水汽條件。

圖7 歐亞地區(qū) (a) 200hPa、(b) 500hPa、(c) 850hPa風(fēng)場(chǎng)、散度距平合成差值（網(wǎng)格區(qū)域通過了0.05的顯著性水平檢驗(yàn)，箭頭長(zhǎng)度表示風(fēng)速）

4 結(jié)論與討論

本文對(duì)貴陽冬季凝凍日數(shù)的時(shí)空特征及其與北半球500hPa高度場(chǎng)、全球氣溫場(chǎng)、全球秋季海溫場(chǎng)及歐亞水平風(fēng)場(chǎng)的關(guān)系進(jìn)行了分析，結(jié)論如下：

（1）1961～2019年貴陽市冬季及各月凝凍由西南部向東北部逐漸增多，全年凝凍日數(shù)為5.9～23.4d，平均凝凍日數(shù)10.7d，15d以上區(qū)域主要分布在開陽，其東北部凝凍日數(shù)達(dá)到20d以上。

（2）EOF分析表明1961～2019年貴陽市凝凍日數(shù)變化趨勢(shì)具有高度一致性，通過相關(guān)性分析得出冬季凝凍日數(shù)第一時(shí)間系數(shù)與12月為顯著性正相關(guān)。1961～1968年貴陽市冬季凝凍日數(shù)呈上升趨勢(shì)，1968年以后持續(xù)下降，2014年以后凝凍日數(shù)減少趨勢(shì)明顯增強(qiáng)，20世紀(jì)70～80年代末貴陽市冬季凝凍日數(shù)出現(xiàn)多次突變，在1980～1990年及2005～2015年出現(xiàn)4a的顯著周期變化。

（3）貴陽冬季凝凍與同期北半球西伯利亞地區(qū)、加拿大-阿拉斯加地區(qū)、格陵蘭島的位勢(shì)高度存在顯著正相關(guān)，在赤道中東太平洋海域?yàn)轱@著負(fù)相關(guān)。強(qiáng)凝凍年500hPa高度距平合成場(chǎng)歐亞大陸的位勢(shì)高度呈現(xiàn)“北高南低”分布，強(qiáng)弱年差值距平場(chǎng)歐亞大陸中高緯地區(qū)表現(xiàn)為“北正南負(fù)”，北半球高緯度地區(qū)格陵蘭、北美及烏拉爾山-西伯利亞一帶為正距平，其余地區(qū)為負(fù)距平，有利于高壓脊發(fā)展，極渦南壓，東亞大槽加深，維持較穩(wěn)定的經(jīng)向環(huán)流，西北氣流攜帶冷空氣南下，構(gòu)成了西南地區(qū)凝凍形成的必要條件。

（4）貴陽凝凍日數(shù)與西北太平洋鄂霍茨克海、夏威夷群島秋季海溫為顯著正相關(guān)，與東北太平洋、赤道太平洋中東部、東南太平洋、南半球副熱帶地區(qū)的中大西洋、阿拉伯海以及我國(guó)的南海、渤海、黃海、東海海溫呈顯著負(fù)相關(guān)。強(qiáng)凝凍年赤道中東太平洋秋季海溫距平為負(fù)，海溫偏低引起緯向環(huán)流加強(qiáng)，海洋水汽向我國(guó)輸入，水汽交換增加。

（5）冬季200hPa青藏高原、孟加拉灣及其東北部上空存在明顯的輻散中心，850hPa孟加拉灣及周邊受異常氣旋環(huán)流系統(tǒng)控制，以及偏北強(qiáng)風(fēng)帶南下低空冷鋒生成，為南海和印度洋的水汽輸送到云貴高原東北部與來自北方的冷空氣交匯繼而造成凝凍創(chuàng)造有利條件。

雖然對(duì)貴陽市凝凍日數(shù)空間分布、突變與周期變化進(jìn)行了分析，并根據(jù)凝凍強(qiáng)弱年的500hPa位勢(shì)高度場(chǎng)、溫度場(chǎng)、風(fēng)場(chǎng)合成分析得出了一定結(jié)論，但是突變年與強(qiáng)弱年之間關(guān)系未進(jìn)行探討，針對(duì)采用的凝凍強(qiáng)弱年劃分標(biāo)準(zhǔn)是否可以借助UF曲線特征進(jìn)行校對(duì)有待于深入研究。對(duì)于強(qiáng)弱凝凍年成因，在綜合考察厄爾尼諾、拉尼娜事件以及其他氣候系統(tǒng)要素的影響外，還應(yīng)該注意微地貌、植被覆蓋等在凝凍日數(shù)維持中的作用。因此將氣候、生態(tài)、植被等多因子融入定量凝凍預(yù)報(bào)模型，開展凝凍專項(xiàng)氣象服務(wù)及機(jī)理研究任重而道遠(yuǎn)。