黔南州凝凍氣候特征以及異常凝凍年環(huán)流特征

高紅梅,陳 波,夏 陽，唐紅忠,潘啟學(xué)

(1.貴州省黔南自治州氣象局，貴州 都勻 558000;2.貴州省六盤水市氣象局，貴州 六盤水 553000)

0 引言

凝凍主要是指環(huán)境溫度低于0 ℃的情況下，大氣中過冷卻云霧滴、雨滴和水汽在地物表面凝結(jié)或凝華成冰的一種天氣現(xiàn)象，是貴州冬季常見的一種災(zāi)害性天氣，其對(duì)農(nóng)業(yè)、林業(yè)、電力、通訊網(wǎng)絡(luò)等重點(diǎn)行業(yè)造成大量的經(jīng)濟(jì)損失[1]，同時(shí)會(huì)威脅到交通安全以及人民生活。凝凍天氣主要以降水的形式出現(xiàn)，里面包含多種復(fù)雜的天氣現(xiàn)象如凍雨、凍毛毛雨、霧等，可導(dǎo)致雨凇、霧凇、混合淞的現(xiàn)象，但在貴州以雨凇為主要形式，雨凇是指過冷卻液態(tài)水碰到地面物體后直接凍結(jié)雨呈的毛玻璃狀或透明的堅(jiān)硬冰層，凝凍災(zāi)害是需要出現(xiàn)持續(xù)性雨凇天氣才會(huì)形成。凝凍強(qiáng)度與低緯高原地區(qū)獨(dú)有的地理位置、復(fù)雜地形條件以及云貴靜止鋒天氣有密切關(guān)系[2]，黔南處于貴州中部到南部，地形北高南低，所以在本區(qū)域內(nèi)氣候特征差異性較大，凝凍影響程度也不同。自2008年南方出現(xiàn)大范圍雨雪冰凍天氣[3]，引起不少氣象工作者和專家對(duì)凝凍、凍雨、雨凇等天氣研究[4-6]，而對(duì)于貴州本省凝凍基礎(chǔ)研究部分時(shí)間過早[7-9],近幾年來也有少數(shù)地市州對(duì)本區(qū)域做了凝凍的氣候研究[10-12]，目前黔南本地對(duì)凝凍天氣的分析比較少，所以本文主要對(duì)黔南本區(qū)域近50 a出現(xiàn)的凝凍天氣進(jìn)行一些基礎(chǔ)研究，通過分析歷史資料來了解黔南區(qū)域的凝凍氣候特征，為政府部門針對(duì)黔南凝凍災(zāi)害防御決策提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料

本文基于黔南12個(gè)地面觀測(cè)站自1968年12月—2018年3月共50 a的雨凇觀測(cè)資料，并按照《貴州省氣象災(zāi)害的劃分標(biāo)準(zhǔn)》[13],即在每年12月1日—次年2月28日期間，凡日平均氣溫≤1 ℃、日最低氣溫≤0 ℃以及日雨量≥0 mm，3者同日出現(xiàn)，持續(xù)≥3 d(其中第4 d起允許間隔1 d的日最低氣溫為0.1～0.5 ℃或無雨)且至少有1 d出現(xiàn)凝凍天氣現(xiàn)象的時(shí)段，定為一次冬季凝凍天氣過程。單站凝凍分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為：持續(xù)2～3 d為輕級(jí)，持續(xù)4～5 d為中級(jí)，持續(xù)6～9 d為重級(jí)，持續(xù)≥10 d為特重級(jí)。以黔南出現(xiàn)凝凍的站數(shù)頻率為依據(jù)，按“定高不定低”的原則自高到低劃分，得到黔南本地的區(qū)域年度凝凍災(zāi)害強(qiáng)度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(表1)。同時(shí)根據(jù)劃分不同級(jí)別的凝凍年，利用NCEP/NCAR日平均北半球500 hPa環(huán)流資料，分析黔南出現(xiàn)區(qū)域性特重級(jí)和重級(jí)凝凍年的環(huán)流場(chǎng)差異，總結(jié)出其凝凍異常氣候特征。

2 雨凇分布特征

2.1 雨凇年空間分布

黔南地勢(shì)北高南低，甕安、福泉、貴定、龍里、惠水、長順、獨(dú)山和都勻的氣象觀測(cè)站海拔高度在925～1 140 m，平塘觀測(cè)站708.7 m，羅甸、荔波、三都海拔高度在419～440.3 m。在緯度上，甕安在27°N，福泉、貴定、龍里、惠水、長順、都勻在26°N，羅甸、平塘、獨(dú)山、荔波、三都在25°N。

表1 黔南區(qū)域年度凝凍災(zāi)害強(qiáng)度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Standard for classification of annual freezing disaster intensity in Qiannan

圖1 黔南1969—2018年平均雨凇日數(shù)空間分布圖Fig.1 The spatial distribution of average annual glaze days in Qiannan during 1969—2018

雨凇分布是北多南少的特征比較明顯(圖1)。甕安出現(xiàn)雨凇日最多，年均15.3 d；26°N中，黔南年均雨凇日在1.8 d(惠水)～9.3 d(福泉)，在這一緯度間，雨凇呈現(xiàn)東多西少的特征；25°N中，50 a來羅甸、荔波未出現(xiàn)有雨凇記錄，三都僅出現(xiàn)6次雨凇，獨(dú)山因地勢(shì)相比周圍要高，形成一個(gè)孤立點(diǎn)，所以獨(dú)山年均雨凇日較多(8.9 d)，其次平塘年均雨凇日1.4 d。

2.2 雨凇月空間分布

黔南雨凇出現(xiàn)在11月—次年的3月，11月出現(xiàn)雨凇占總數(shù)0.5%，12月占12.3%，1月占53.8%，2月占30.2%，3月占3.3%，由此可見黔南雨凇多出現(xiàn)在冬季且在1月出現(xiàn)頻率最大。11月，50 a來甕安出現(xiàn)雨凇8次，福泉有3次，長順和獨(dú)山僅出現(xiàn)1次；12月雨凇日開始增加(圖2a)，甕安平均出現(xiàn)2 d，其次福泉和獨(dú)山平均出現(xiàn)1.1 d，龍里0.7 d，貴定和都勻0.6 d，惠水和長順0.3 d，平塘0.1 d；1月雨凇日大幅增加(圖2b)，甕安平均雨凇日為7.7 d，福泉和獨(dú)山為5 d，都勻3.1 d，貴定和龍里為2.7 d、2.9 d，平塘、惠水和長順分別為1 d、1.1 d、1.6 d，三都為0.5 d；2月(圖2c)甕安平均出現(xiàn)5 d，福泉和獨(dú)山分別為3 d、2.8 d，都勻?yàn)?.9 d，貴定和龍里分別為1.4 d、1.5 d，平塘、惠水、長順分別為0.3 d、0.4 d、0.5 d，三都50 a來僅出現(xiàn)1次；3月雨凇，甕安平均出現(xiàn)0.8 d，其次福泉和獨(dú)山平均出現(xiàn)0.3 d，貴定、龍里和都勻平均出現(xiàn)0.1 d，平塘、長順50 a來僅出現(xiàn)1～2次。

圖2 1969—2018年12月(a)、1月(b)、2月(c)平均雨凇日數(shù)Fig.2 Average days of glaze in December (a), January (b), February (c), 1969—2018

2.3 雨凇初(終)日

黔南州平均雨凇初日大致出現(xiàn)在12月下旬末到1月下旬(表2)，其中甕安、福泉和獨(dú)山雨凇平均初日最早出現(xiàn)在12月下旬末，貴定、龍里、惠水、平塘和都勻的雨凇平均初日在1月上旬，三都在1月中旬，長順雨凇平均初日在1月下旬。黔南州平均雨凇終日大致在1月下旬—2月下旬，其中雨凇平均終日最早出現(xiàn)在1月下旬的是福泉、平塘和獨(dú)山，平均終日出現(xiàn)在2月上旬的是龍里、惠水、長順和三都，平均終日出現(xiàn)在2月中旬的是甕安和都勻，2月下旬的是貴定。

表2 黔南州12縣市平均雨凇初日和雨凇終日Tab.2 the average start date and end date of the glaze weather in Qiannan 12 county

3 凝凍特征

根據(jù)黔南區(qū)域年度凝凍災(zāi)害強(qiáng)度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(表1)，1969—2018年全州共出現(xiàn)有100次凝凍天氣過程(表3)，其中區(qū)域性特重級(jí)凝凍過程有4次(占總數(shù)的4%)，重級(jí)凝凍有12次(占總數(shù)12%)，中級(jí)凝凍有21次(占總數(shù)21%)，輕級(jí)凝凍有8次(占總數(shù)8%)，其余55次凝凍過程僅有1～2站出現(xiàn)凝凍，沒有達(dá)到區(qū)域性凝凍天氣過程，占55%。區(qū)域特重級(jí)凝凍過程有4次，分別是1974年1月29日—2月8日、1984年1月16日—2月5日、2008年1月12日—2月7日、2011年1月1—11日；區(qū)域重級(jí)凝凍過程共12次，20世紀(jì)70年代出現(xiàn)3次、80年代出現(xiàn)4次、90年代出現(xiàn)3次、21世紀(jì)以來到目前出現(xiàn)2次。

表3 黔南不同等級(jí)凝凍過程出現(xiàn)時(shí)間表Tab.3 A time table of different grade freezing process in Qiannan

3.1 凝凍初(終)日以及凝凍持續(xù)時(shí)間

黔南凝凍平均初日(表4)大致出現(xiàn)在1月下旬，其中甕安凝凍出現(xiàn)最早11月28日，福泉、貴定、龍里、獨(dú)山最早出現(xiàn)在12月上旬，惠水、長順和都勻最早出現(xiàn)在12月中旬，平塘最早出現(xiàn)在1月中旬。黔南凝凍平均終日都在1月下旬后期到2月上旬初，長順最晚凝凍終日在2月下旬，福泉、貴定、龍里、惠水、平塘、獨(dú)山和都勻最晚終日在3月上旬，甕安最晚終日在3月下旬。由此可見，甕安地處黔南最北，是冷空氣首先影響的區(qū)域，所以甕安凝凍開始的早，結(jié)束得最晚。

表4 黔南12縣市平均凝凍初日和凝凍終日Tab.4 the average start date and end date of the freezing weather in Qiannan 12 county

黔南凝凍各地平均持續(xù)時(shí)間為0.3 d～5.5 d，甕安平均持續(xù)時(shí)間最長(5.5 d)，其次福泉、獨(dú)山分別是2.9 d、2.8 d，都勻?yàn)?.9 d，貴定、龍里分別為1.1 d、1.3 d，惠水和長順為0.5 d、0.6 d，平塘0.3 d。歷年凝凍持續(xù)時(shí)間最長的是2008年1月12日—2月7日，甕安和都勻持續(xù)26 d的凝凍天氣，福泉、獨(dú)山分別持續(xù)24 d、23 d的凝凍天氣，貴定、龍里、惠水、長順持續(xù)15～16 d，平塘持續(xù)9 d。

3.2 凝凍期間最低溫度

凝凍期間極端最低溫度，甕安、福泉、貴定、龍里、獨(dú)山為-9.2 ℃～-8.0 ℃，惠水、長順、平塘、三都、荔波、都勻?yàn)?6.9 ℃～-4.2 ℃，羅甸為-1 ℃，其中福泉、惠水、長順和都勻4縣市極端低溫出現(xiàn)在重級(jí)凝凍年(1977年)，其余8縣市極端低溫出現(xiàn)在中級(jí)凝凍年(1970、1969年)。凝凍期間平均最低氣溫甕安為-5 ℃，福泉、貴定、龍里、獨(dú)山為-4 ℃，都勻?yàn)?3 ℃，惠水、長順、平塘為-2 ℃，三都為-1 ℃，荔波為0 ℃，羅甸為2 ℃。

4 黔南凝凍年環(huán)流異常特征

產(chǎn)生凝凍天氣需要強(qiáng)冷空氣以及暖濕空氣的共同持續(xù)影響作用形成，黔南處于中低緯度的喀斯特山地環(huán)境中，凝凍天氣識(shí)別最主要是冷空氣的強(qiáng)度以及影響持續(xù)時(shí)間，影響我國的冷空氣最終都可以追溯到北冰洋及其附近地區(qū)。以下通過分析黔南出現(xiàn)重級(jí)以上凝凍年的500 hPa日平均高度場(chǎng)與30 a(1981—2010年)歷史同期的距平場(chǎng)(以下簡(jiǎn)稱高度距平場(chǎng))的分布特征，了解形成黔南出現(xiàn)重級(jí)凝凍的一些環(huán)流特點(diǎn)，能在以后凝凍預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中提供有用的科學(xué)參考。

50 a來黔南重級(jí)以上凝凍年共有14 a，其中4 a為特重凝凍年，在黔南區(qū)域內(nèi)凝凍影響范圍有7～9個(gè)縣市，10 a為重級(jí)凝凍年，影響黔南區(qū)域3～7縣市。在這些年的高度距平分布場(chǎng)上有以下幾個(gè)特點(diǎn)：①在我國高度距平場(chǎng)上，有11個(gè)凝凍年(1972、1974、1977、1980、1982、1984、1991、1996、2011、2012、2018年)500 hPa高度場(chǎng)在我國(除我國東北地區(qū)以外)都為負(fù)距平，距平都在-10～0 hPa之間；3個(gè)凝凍年(1981、1988、2008年)500hPa高度場(chǎng)在我國偏東和華南地區(qū)為正距平，其余負(fù)距平，其正距平為0～5 hPa之間，在我國中西部地區(qū)負(fù)距平在-10～0 hPa之間，特別在2008年，我國東部的正距平是從北太平洋的強(qiáng)高壓帶延伸過來，2008年的特重級(jí)凝凍說明太平洋副高的作用也是非常重要的影響因素。②有6個(gè)凝凍年(1972、1974、1977、1984、2011、2012年)在高緯地區(qū)有一共同特點(diǎn)，即有完整的正距平系統(tǒng)覆蓋在50°N以北地區(qū)，正距平中心在20 hPa以上，正距平顯示的是極地高壓的存在。其中有3個(gè)凝凍年出現(xiàn)特重級(jí)凝凍，從極地到烏拉爾山有明顯在正距平中心，尤其2011年(圖3b)的正距平中心最大(20 hPa)，天氣實(shí)況顯示是由于中高緯度的阻塞高壓建立形成的明顯正距平中心。在正距平中心偏東地區(qū)相應(yīng)有負(fù)距平中心，我國中西部也為負(fù)距平。③8個(gè)凝凍年(1980、1981、1982、1988、1991、1996、2008、2018年)在極圈附近有負(fù)距平中心，所以在中高緯又分裂出多個(gè)正距平中心，其中東半球50°N以北地區(qū)有1～2個(gè)正距平中心，其1個(gè)正距平中心占多數(shù)，僅有1982年(圖3a)有2個(gè)正距平中心(中心值為15 hPa)，分別在烏山以西和貝湖以東，中高緯環(huán)流呈兩高一低，其余凝凍年在東半球正距平中心值在10～30 hPa之間，多數(shù)在東半球正距平中心值為15 hPa，但在1980年中西伯利亞有30 hPa正距平中心，正距平副高整個(gè)西伯利亞地區(qū)。

在出現(xiàn)重級(jí)以上凝凍年的環(huán)流場(chǎng)中，主要的環(huán)流形勢(shì)是極圈上有負(fù)距平，說明有極渦存在，極渦向南發(fā)展，對(duì)應(yīng)的在其東西兩側(cè)有正距平，在東半球的歐亞大陸中高緯度上，平均正距平中心在15 hPa，在實(shí)際環(huán)流場(chǎng)上對(duì)應(yīng)的是阻塞高壓的存在，通常阻塞高壓的建立、崩潰和后退與冷空氣的堆積和爆發(fā)有緊密的聯(lián)系，我國中部以西地區(qū)均為負(fù)距平，距平都在-10～0 hPa之間，黔南500 hPa高度上距平在-5～0 hPa，負(fù)距平說明有低槽已經(jīng)影響，低槽引領(lǐng)冷空氣影響我國中部以西地區(qū)。在特重凝凍環(huán)流年中主要特點(diǎn)是在50°N以北地區(qū)有完整的正距平區(qū)域，正距平中心在20 hPa以上，在歐亞大陸的環(huán)流形勢(shì)與重級(jí)凝凍年一致。綜上所述，黔南出現(xiàn)重級(jí)以上凝凍年，主要是中高緯阻塞高壓的存在以及阻塞高壓前的冷空氣南下，持續(xù)的強(qiáng)冷空氣與南方適當(dāng)?shù)呐瘽窨諝馀浜喜懦霈F(xiàn)影響范圍較大的凝凍天氣。

圖3 1982(a)、2011(b)年500 hPa高度距平場(chǎng)Fig.3 1982(a)、2011(b)500 hPa height anomaly field

5 小結(jié)

根據(jù)黔南雨凇天氣資料統(tǒng)計(jì)，雨凇天氣在空間分布上和凝凍災(zāi)害分布是一致的，即北多南少，這主要與其地理位置和地形地貌有關(guān)；黔南雨凇的初日比凝凍初日偏早，尤其是甕安、福泉、長順、平塘和獨(dú)山，偏早13～33 d；黔南凝凍天氣平均初日大致出現(xiàn)在1月中旬到下旬初，平均終日出現(xiàn)在1月下旬后期；全州出現(xiàn)區(qū)域性凝凍天氣過程占45%，多數(shù)以局地凝凍天氣為主，尤其是黔南北部的甕安，出現(xiàn)凝凍頻次最多、持續(xù)時(shí)間最長、出現(xiàn)得最早、結(jié)束得最晚；黔南南部羅甸、荔波縣站在50 a內(nèi)還未出現(xiàn)過凝凍天氣；在區(qū)域性凝凍期間，全州最低氣溫，除南部地區(qū)外，其余均在0℃ 以下。

在分析重級(jí)以上凝凍的環(huán)流特征中，高緯地區(qū)極渦、極地高壓和阻塞高壓的影響非常明顯，尤其是極地高壓的存在，是黔南出現(xiàn)特重級(jí)凝凍天氣過程的重要影響因素，高壓距平在20 hPa以上；在我國中西部高度距平場(chǎng)均為負(fù)距平，距平都在-10～0 hPa之間，配合高緯阻塞高壓系統(tǒng)，冷空氣南下影響我國中西部大部分地區(qū)；太平洋高壓西伸點(diǎn)對(duì)黔南出現(xiàn)重級(jí)以上凝凍年也有密切影響，高壓長時(shí)間穩(wěn)定在我國東部和華南地區(qū)，高壓西側(cè)的暖濕氣流與西北強(qiáng)冷空氣配合，造成長時(shí)間的凝凍天氣。

本次研究主要針對(duì)黔南州區(qū)域性凝凍過程的基礎(chǔ)研究，凝凍影響因素有很多，除了大的環(huán)流背景，還有微物理機(jī)制、云層厚度以及垂直空間的冷暖機(jī)制等等因素，所以下一步仍需利用多種觀測(cè)要素對(duì)其影響因素細(xì)致分析，才能了解透徹。