適用于我國華南廣西區(qū)域冬季的冷濕指數(shù)計算方法研究

周秀華，陸 虹，金 龍，何 慧，朱秋宇

(廣西壯族自治區(qū)氣候中心，廣西 南寧 530022)

2008年初，我國南方地區(qū)接連出現(xiàn)四次嚴(yán)重的低溫雨雪天氣過程，致使近20個省(區(qū)、市)遭受了歷史罕見的冰凍災(zāi)害，交通運輸、能源供應(yīng)、電力傳輸、農(nóng)業(yè)及人民群眾生活等方面受到極為嚴(yán)重的影響。

對于低溫雨雪帶來的災(zāi)害及影響，需要氣象工作者給出客觀的定量評估。在以往的工作中，評估某一極端氣候事件，往往用某一個或多個極端氣候要素進(jìn)行歷史分析和定量評估。王凌等[1]、王遵婭等[2]、李雙雙等[3]在對2008年初低溫雨雪冰凍過程分析時，分別用過程氣溫、降雪量、連續(xù)低溫日數(shù)、連續(xù)降水日數(shù)、連續(xù)冰凍日數(shù)、氣溫和降水格網(wǎng)數(shù)據(jù)等評估低溫冷害所造成的影響，挖掘自然災(zāi)害的時空演化信息。賴珍權(quán)等[4]應(yīng)用天氣分析和診斷分析方法，研究了2016年初廣西的低溫雨雪天氣過程。胡鈺玲等[5]從事件實況方面，對2008年和2016年發(fā)生在中國南方的兩次低溫雨雪冰凍天氣過程做了對比分析。王海軍等[6]對冰凍天氣過程進(jìn)行了分級，給出了發(fā)生區(qū)域持續(xù)性冰凍過程起止時間和地理分布范圍，通過對冰凍日、雨凇霧凇日、冰凍指數(shù)及其重現(xiàn)期等統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析，揭示了我國南方地區(qū)冰凍天氣時空分布規(guī)律。一些研究則通過構(gòu)建綜合指數(shù)來評估事件的影響程度。萬素琴等[7]提出低溫雨雪冰凍過程綜合指數(shù)的概念，采用多因子綜合分析，使用無量綱數(shù)建立綜合指數(shù)計算模型。毛淑君等[8]選取合理的氣象要素條件建立了低溫雨雪冰凍綜合評估指數(shù)，并給出了我國南方發(fā)生低溫雨雪冰凍的風(fēng)險區(qū)劃。周月華等[9]通過組建上述指數(shù)對災(zāi)害性天氣過程進(jìn)行歷史分析、實時監(jiān)測和預(yù)評估。ZHANG等[10]使用持續(xù)時間、范圍、強(qiáng)度構(gòu)建了一個描述事件的嚴(yán)重程度的綜合指數(shù)，將中國區(qū)域性持續(xù)低溫事件劃分出強(qiáng)事件和弱事件，另外龔志強(qiáng)等[11]的研究中也采用了類似的綜合指標(biāo)。唐熠等[12]利用多因子綜合評估技術(shù)篩選出20次過程，并將廣西重大低溫雨雪冰凍天氣過程的天氣概念模型分為三類。而ZHANG等[13]使用站點的最基本的氣溫和降水資料，構(gòu)建了一個冷濕指數(shù)PT，根據(jù)逐日PT值的大小來評估低溫雨雪過程的強(qiáng)弱；QIAN等[14]利用了ZHANG等[13]定義的冷濕指數(shù)PT值對全國歷史上低溫雨雪過程進(jìn)行了檢測，并根據(jù)過程總的PT值大小對過程的嚴(yán)重程度進(jìn)行評估，所檢測到的發(fā)生嚴(yán)重過程的年份與王紹武[15]給出的冷冬年份基本一致，對災(zāi)害嚴(yán)重程度的評估與實況較為相符。但利用該指數(shù)對廣西低溫雨雪過程進(jìn)行評估時發(fā)現(xiàn)，降水量的大小對PT值的大小影響很大，使PT值不能準(zhǔn)確反映廣西的冷濕程度，因此，本文根據(jù)廣西冬季的氣候特點，結(jié)合溫度和降水條件，對ZHANG等[13]提出的冷濕指數(shù)PT值的計算方法進(jìn)行改進(jìn)，提出了一種新的冷濕指數(shù)計算方法，以便能更準(zhǔn)確的表征華南廣西區(qū)域的低溫雨雪冷害的強(qiáng)弱程度。

1 資 料

本文使用的資料為廣西92個國家級地面氣象站的逐日平均氣溫和降水量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)起止時間為1951-2015年。所用資料1951-2012年的部分來自中國國家氣象信息中心提供的中國國家級地面氣象站均一化氣溫日值數(shù)據(jù)集(V1.0)和中國國家級地面氣象站均一化降水?dāng)?shù)據(jù)集(V1.0)。以上數(shù)據(jù)集經(jīng)過國家信息中心的質(zhì)量控制，數(shù)據(jù)質(zhì)量得以保證[16-20]。2013-2015年的新資料補(bǔ)充由廣西區(qū)信息中心提供。本文研究時段是1951-2014年當(dāng)年11月至翌年3月。由于1960年代以前臺站數(shù)據(jù)缺測較多，故對1960年代前所統(tǒng)計出來的過程結(jié)果僅供參考。

2 對冷濕指數(shù)的改進(jìn)

2.1 冷濕指數(shù)計算方法

按照ZHANG等[13]的研究，單日冷濕指數(shù)PTi計算方法如下：

(1)

通過分析發(fā)現(xiàn)，在廣西冬季出現(xiàn)低溫雨雪過程時，日降水量有時會出現(xiàn)中雨以上的量級甚至?xí)霈F(xiàn)大到暴雨，而此時如采用原計算式(1)來計算PT值，則會發(fā)生在溫度變化不大的情況下，出現(xiàn)中雨以上降雨當(dāng)日的PT值會比前一日的PT值大幾倍的情況，但實際上當(dāng)日冷害的程度并不會比前一日嚴(yán)重幾倍的情況，以致會造成對低溫雨雪過程嚴(yán)重程度評估的錯誤。

為此，為了更客觀表述降水量對PT值大小的影響，本文將冬季日降水量進(jìn)行了分級處理，對原冷濕指數(shù)計算公式(1)式進(jìn)行了改進(jìn)，提出了以下新的計算公式。

(1)當(dāng)單站日降水量大于該站的降水量氣候平均值，即時：

(2)

式中：若日平均氣溫為2

(3)

這樣，當(dāng)降水量低于氣候值時，表明日降水量不大(因為一般冬季日降水氣候平均值不大)，所以直接使用實際降水量，不會造成由于降水量太大，其作用遠(yuǎn)大于溫度下降對冷濕指數(shù)計算的貢獻(xiàn)。這種情況類似于雨凇、凍雨等天氣，降水量小，但在一定程度上發(fā)生嚴(yán)重災(zāi)害。

(3)當(dāng)單站沒有降水時，即Pi=0時，取

(4)

即按原式(1)計算。即在沒有降水時，屬于干冷的情況，同樣存在霜凍等低溫冷害的發(fā)生。

2.2 修正后的冷濕指數(shù)合理性分析

為了進(jìn)一步分析研究，依據(jù)華南廣西區(qū)域冬季降水、氣溫的氣候特點，修正的冷濕指數(shù)能否更準(zhǔn)確地反映華南區(qū)域?qū)嶋H低溫冷濕狀況。我們選擇廣西低溫雨雪冰凍天氣出現(xiàn)次數(shù)多、受災(zāi)情況嚴(yán)重的站點——資源站作為代表站，當(dāng)該站點出現(xiàn)低溫雨雪過程時，分別采用原計算式(1)與修正后的計算式(2)、式(3)和式(4)計算PT值，進(jìn)行對比分析。

表1計算給出了資源站2007年1月14-18日發(fā)生的一次低溫冷濕天氣過程，分別用原計算式(1)和修正后的計算式(2)、式(3)和式(4)計算逐日冷濕指數(shù)PT值。首先我們分析按照原式(1)計算的PT值：可以發(fā)現(xiàn)，14日比15日溫度偏低0.3 ℃、降水量僅偏少0.2 mm，但其PT值相差了3倍多；而14日與16日溫度相同，但降水量16日比14日偏多6.3 mm，其PT值則比14日的PT值增大了8倍；再比較14日和18日的PT值，溫度相差0.6 ℃、降水相差15.9 mm，但2 d的PT值則相差約15倍，PT值的大小是代表當(dāng)天冷濕程度的，如果根據(jù)原式(1)計算得出的PT值來表征這兩天的冷濕程度，相差十幾倍，這顯然是極不合理的。然而進(jìn)一步使用修正后的計算式(2)、式(3)和式(4)對這一過程逐日計算PT值(表1)，我們發(fā)現(xiàn)，由于修正后的公式比較合理地考慮了不同量級的降水在不同溫度條件對計算冷濕指數(shù)的影響，因此沒有出現(xiàn)溫度相當(dāng)時，PT值相差好幾倍的情況，而且當(dāng)降雨出現(xiàn)大值時，PT值也不會出現(xiàn)突然增大十幾倍的狀況，如14日和18日的PT值僅增大了1倍，其表征的冷濕程度合理反映了實際溫度和濕度狀況。

表1 資源站2007年1月14-18日冷濕指數(shù)對比

該站2011年1月18-22日也發(fā)生了一次持續(xù)性低溫雨雪冰凍天氣過程，分別用原式(1)和修正后的式(2)、式(3)和式(4)逐日計算冷濕指數(shù)PT值，計算結(jié)果對比如下(表2)：18日和20日平均氣溫相同，均為-0.3℃，而18日降水量為1.7 mm，20日為23 mm，這兩天原式(1)計算的PT值分別為1.52和7.44，20日比18日增大了5.92，增大4倍，降水量的增大明顯夸大了冷濕程度的變化。而采用修正后的式(2)、式(3)和式(4)計算這兩天的PT值分別為2.09和2.41，20日比18日僅增大了0.32，降水量的增大造成PT值的變化比較平緩?？梢姡谕瑯訙囟葪l件下，降水量的大小，對原式(1)計算的PT值影響很大，而對修正公式計算的PT值影響較為合理，可見修正公式PT值計算方法能有效避免大降水量對冷濕指數(shù)計算的夸大影響。另外，該過程20日比19日溫度上升了0.2℃，降水量增大了11.4 mm，采用原式(1)計算的PT值20日比19日增大了3.26，和實際冷濕程度有偏差(一般是PT值越大，冷濕程度越重)。而修正公式計算的PT值是20日比19日減小0.22，能比較準(zhǔn)確地反映實際的冷濕程度。

表2 資源站2011年1月18-22日冷濕指數(shù)對比

2008年1月13日至2月4日，桂林市和我國南方大部分地區(qū)一樣，發(fā)生了一次持續(xù)性低溫雨雪冰凍過程，其中1月29日至2月1日桂林降水量為小雨轉(zhuǎn)大雨，用原式(1)計算逐日冷濕指數(shù)PT值，1月29-31日溫度和降水量逐日變化不大，計算得到的冷濕指數(shù)PT值在0.86～1.36，變化比較平緩，其中1月31日降水量為微量0.0 mm，溫度為1.5℃，PT值為0.86，而次日(2月1日)降水量為45.4 mm，溫度為1.2℃，PT值陡然增大為7.36，增大了6.50，是前1 d的8.6倍。而用修正公式(2)、式(3)和式(4)計算得到的冷濕指數(shù)PT值為在0.86～2.13，其中1月31日也為0.86，2月1日溫度下降0.3℃及降水量增大45.4 mm，使PT值增大到2.13，增大了1.27，是前1 d的2.5倍(表3)。可見，桂林站冷濕過程計算結(jié)果和資源站相似，即原式(1)計算的PT值受降水量影響較大，大降水量甚至在溫度變化較小的情況下使指數(shù)陡然增大，明顯夸大了冷濕的程度。而修正公式計算的PT值受降水量影響較小，能更恰當(dāng)?shù)胤从秤暄┍鶅鲞^程中逐日的冷濕程度。

表3 桂林站2008年1月29日至2月1日冷濕指數(shù)對比

綜合上面分析來看，修正后的冷濕指數(shù)計算方法可以更好地消除大降水量對冷濕程度的夸大影響、升溫和降溫對冷濕程度更敏感，能更合理的表征華南廣西區(qū)域冬季低溫冷害發(fā)生時的冷濕嚴(yán)重程度。

3 區(qū)域持續(xù)性低溫雨雪事件

3.1 定義

據(jù)統(tǒng)計，廣西各地出現(xiàn)降雪、雨淞和結(jié)冰等雨雪冰凍現(xiàn)象時，有70%以上的站點日平均氣溫低于4 ℃。因此本文在研究區(qū)域低溫雨雪事件時，所取的低溫閾值為4 ℃。定義區(qū)域性持續(xù)低溫雨雪事件如下：當(dāng)出現(xiàn)冷空氣影響時，采用修正后的冷濕指數(shù)計算公式(2)、式(3)和式(4)，對每天溫度達(dá)到低溫閾值4 ℃以下的所有站點的PT值進(jìn)行計算，若連續(xù)4 d有5個(或以上)站點達(dá)到低溫閾值條件(即日平均氣溫≤4 ℃)，且各天各站點PT值相加滿足∑PT≥10，則認(rèn)為發(fā)生了一次區(qū)域持續(xù)性低溫雨雪事件；第5 d起連續(xù)2 d不滿足站數(shù)要求或累積PT值要求，則事件結(jié)束。

在檢測區(qū)域持續(xù)性低溫雨雪事件時，出現(xiàn)以下情況，也視為發(fā)生一次事件：

(1)以下情況允許過程中單日累積PT值小于10。

①第1 d低溫站數(shù)達(dá)5個以上而∑PT∈(8,10)，也計入連續(xù)事件(即開始日提前1 d)；②過程中1 d(或2 d)∑PT∈(8,10)；③結(jié)束日允許低溫站數(shù)達(dá)5個以上而∑PT∈(8,10)。

(2)僅連續(xù)2 d或3 d的過程必須滿足：這2 d或3 d累加∑PT≥50，也視為連續(xù)過程。

(3)過程中(非開始日結(jié)束日)允許存在少于5個低溫站點的情況。

若在連續(xù)性區(qū)域低溫冰凍雨雪事件中，滿足以下條件之一則視為發(fā)生了一次嚴(yán)重區(qū)域持續(xù)性低溫雨雪事件：

(1)過程中必須有4 d(或以上)各站PT值之和∑PT≥50；

(2)過程中必須有6 d(或以上)各站PT值之和∑PT≥40。

3.2 事件識別結(jié)果

根據(jù)以上條件，本文識別出廣西區(qū)域持續(xù)性低溫雨雪冰凍事件89例、嚴(yán)重區(qū)域持續(xù)性低溫雨雪冰凍事件12例，表4給出區(qū)域持續(xù)性低溫雨雪事件過程累積PT值排序前40例過程，表5給出了嚴(yán)重區(qū)域持續(xù)性低溫雨雪事件12例的信息統(tǒng)計。這些過程和唐熠等[12]、陸虹等[21]用其他方法挑選的嚴(yán)重低溫冷害事件有較高的重合率。從表5可以看出，嚴(yán)重區(qū)域持續(xù)低溫雨雪事件一般持續(xù)影響一周以上，影響站數(shù)一般在30站以上，具有持續(xù)時間長、范圍廣、冷濕程度大等特點。

表4 區(qū)域持續(xù)性低溫雨雪(冰凍)事件列表

區(qū)域性低溫雨雪冰凍事件對廣西電力、交通、農(nóng)業(yè)、林業(yè)等行業(yè)及人民生產(chǎn)生活的各個方面有重大影響。從累積PT值排位看，冷濕程度最嚴(yán)重的是2008年1月13日至2月5日的持續(xù)性低溫雨雪冰凍事件，過程累積PT值達(dá)1 458.16，影響時間持續(xù)24 d，影響范圍最大達(dá)到61站，其中單日各站PT值之和≥50的嚴(yán)重冷濕日數(shù)最長持續(xù)達(dá)到9 d，導(dǎo)致持續(xù)出現(xiàn)冰凍、凍雨天氣，共有230站日出現(xiàn)冰凍，104站日出現(xiàn)凍雨，冰凍、凍雨最長連續(xù)日數(shù)分別為22 d和21 d，是廣西近60年來凍雨總站日最多、持續(xù)時間最長、影響最嚴(yán)重的一次過程。在此次過程中，單日各站PT值之和最大的是1月27日和28日，分別為149.08和160.02，這2 d凍雨站數(shù)也最多，各有16站。這次事件造成北部14個縣嚴(yán)重覆冰，電線覆冰厚度達(dá)29 mm，電力、通訊設(shè)施遭到嚴(yán)重破壞，對電網(wǎng)、通訊網(wǎng)絡(luò)運行造成災(zāi)難性影響。因路面結(jié)冰導(dǎo)致交通運輸受阻，廣西境內(nèi)共有20多條國省干線公路中斷交通，春運受到嚴(yán)重影響。持續(xù)凍雨和冰凍還導(dǎo)致大量林木被毀，蔬菜、水果、甘蔗及魚類、牲畜等遭受凍害。全自治區(qū)受災(zāi)人口超過1 677萬人，因災(zāi)造成直接經(jīng)濟(jì)損失321.8億元，是新中國建國以來同類災(zāi)害造成損失最嚴(yán)重的一次過程。

表5 嚴(yán)重區(qū)域持續(xù)性低溫雨雪(冰凍)事件列表

2011年1月2-11日是一次持續(xù)了10 d的冷濕過程，過程累積PT值為465.20，影響范圍最大為52站，但逐日各站PT值之和≥50的嚴(yán)重冷濕天數(shù)只有3 d，即3-4日和11日，達(dá)不到嚴(yán)重區(qū)域持續(xù)性低溫雨雪(冰凍)事件的條件。在此次過程中，廣西共有101站日出現(xiàn)冰凍，58站日出現(xiàn)凍雨，冰凍、凍雨最長連續(xù)日數(shù)分別為7 d和5 d，單日各站PT值之和最大的是11日130.89，這天凍雨站數(shù)也最多，有11站。逐日各站PT值之和在3-4日分別達(dá)到80.13、76.88，這兩天凍雨站數(shù)分別為4站和6站。這次事件造成桂北部分縣(市)出現(xiàn)電線覆冰、道路結(jié)冰和積雪，以及農(nóng)作物遭受凍害，全自治區(qū)受災(zāi)人口超過312萬人，因災(zāi)造成直接經(jīng)濟(jì)損失16.3億元。

通過對以上冷濕過程分析表明，過程累積PT值、持續(xù)的嚴(yán)重冷濕天數(shù)等指標(biāo)，能對低溫、降水作定量化衡量，綜合這些指標(biāo)可大致反映出冰凍、凍雨、降雪等冷濕天氣出現(xiàn)的嚴(yán)重程度，甚至冷濕過程造成的災(zāi)害損失等。如2011年1月的冷濕事件與2008年初的嚴(yán)重冷濕事件相比，過程累積PT值小2倍多，過程持續(xù)時間少14 d，持續(xù)的嚴(yán)重冷濕天數(shù)少7 d，影響范圍小9站，冰凍、凍雨站數(shù)分別少129站和46站，受災(zāi)人口少4倍，直接經(jīng)濟(jì)損失少18倍?？梢?，修訂后的冷濕指數(shù)PT值，以及表征區(qū)域持續(xù)性低溫雨雪(冰凍)事件、嚴(yán)重區(qū)域持續(xù)性低溫雨雪(冰凍)事件的指標(biāo)，能較準(zhǔn)確反映華南廣西區(qū)域冷濕天氣過程的嚴(yán)重程度，可用于定量評估低溫雨雪的冷濕程度。

4 結(jié)論和討論

(1)本文根據(jù)ZHANG等[13]的研究，對其用于評估低溫雨雪冷濕程度的冷濕指標(biāo)PTi的計算方法，結(jié)合廣西冬季溫度、降水的氣候特點，通過細(xì)分不同量級的降水量對冬季低溫冷害程度的影響，提出一種適用于華南廣西區(qū)域冬季的冷濕指數(shù)計算方法。修正后的計算公式通過改進(jìn)大降水量對計算PT值的影響，使冷濕指數(shù)能更準(zhǔn)確地表征包括冷干和冷濕情況在內(nèi)的低溫冷害程度，避免受大降水量干擾，從而能更準(zhǔn)確、更合理地反映華南廣西區(qū)域的低溫雨雪冷害的嚴(yán)重程度。

(2)利用修正公式計算冷濕指數(shù)，以區(qū)域性低溫雨雪冰凍事件為基礎(chǔ)，同時兼顧低溫雨雪冰凍事件的時間持續(xù)性，識別出一般區(qū)域性低溫雨雪冰凍事件89例，嚴(yán)重區(qū)域性低溫雨雪冰凍事件12例。區(qū)域性持續(xù)事件識別結(jié)果與實際發(fā)生冷害事件吻合度高，冷濕指數(shù)的大小較準(zhǔn)確地反映了實際低溫冷害情況。

(3)通過對幾個廣西區(qū)域性低溫雨雪冰凍過程分析表明，過程累積PT值、持續(xù)的嚴(yán)重冷濕天數(shù)等指標(biāo)，能對低溫、降水作定量化衡量，綜合這些指標(biāo)可明確反映冰凍、凍雨、降雪等冷濕天氣出現(xiàn)的時間、范圍，甚至冷濕過程造成的災(zāi)害損失等。因此，修正后的冷濕指數(shù)能較準(zhǔn)確反映華南廣西區(qū)域冷濕天氣過程的嚴(yán)重程度，可用于定量評估廣西低溫雨雪的冷濕程度。

區(qū)域性持續(xù)事件識別結(jié)果，由于能更好地從空間范圍和實際低溫冷濕程度上表征區(qū)域性低溫雨雪冰凍事件的嚴(yán)重程度，因此該冷濕指數(shù)序列也可作為后續(xù)環(huán)流分型等研究的基礎(chǔ)，以及南方低溫冷害的建模預(yù)報對象等后續(xù)研究。