寒冷天氣等級研究

趙廣娜，吳 巖，齊 鐸，關(guān) 銘，孫 琪

(黑龍江省氣象臺，黑龍江 哈爾濱150030)

1 引言

冬季低溫寒冷是東北冬季的典型天氣特征。冬季在極地大陸氣團控制下，黑龍江省氣候寒冷干燥，最近幾年，黑龍江省極端氣候事件頻發(fā)，2010年冬季黑龍江省多地出現(xiàn)極端低溫氣候事件，2012年12月氣溫特低，為1961年以來歷史第3位，是近10 a來最冷的12月。寒冷天氣的頻繁出現(xiàn)，對黑龍江省的農(nóng)業(yè)、人民群眾的健康和出行都帶來很大的不便，因此做好關(guān)于寒冷天氣等級的劃分工作對氣象公眾服務(wù)和農(nóng)業(yè)防災(zāi)減災(zāi)等方面都有重要意義。

祖雪梅[1]曾利用8項氣候指標對黑龍江省5個寒冷氣候區(qū)劃分，王春林[2-3]以過程降溫幅度和過程最低氣溫作為災(zāi)害指標，將廣東省寒冷災(zāi)害分為2個等級5個亞類；遼寧省按照日最低氣溫來劃分，制定了寒冷等級。黑龍江作為農(nóng)業(yè)大省，多數(shù)學(xué)者主要研究生長季低溫冷害對農(nóng)作物影響[4-6]，但對于冬季黑龍江省寒冷天氣等級、寒冷天氣過程的評估等研究還有待進一步深入，為此本文從日最低氣溫著手，制定寒冷天氣等級的寒冷強度指標、持續(xù)時間指標、覆蓋范圍指標三項分項評估指標，并對三項分項評估指標進行加權(quán)求和，即得寒冷天氣的綜合評估指標。

以此方法為基礎(chǔ)的地方標準 《寒冷天氣等級》(DB23T 2170-2018)[7]，已于 2018 年 9 月發(fā)布，10 月實施。

本文每年12月-次年2月，研究的寒冷天氣是指當年12月-翌年2月，由于氣溫較低使城市交通、城市供暖、人民群眾生產(chǎn)生活等受到明顯影響的災(zāi)害天氣。

2 寒冷天氣時空分布

2.1 資料

利用黑龍江省氣象局整編的黑龍江省站點逐日最低氣溫值（日最低氣溫指當日14時-次日14時的24 h內(nèi)最低氣溫）資料。經(jīng)質(zhì)量控制后采用的站點數(shù)為77個（圖1）。資料的時間長度為1981-2010年，共30 a。

圖1 黑龍江省臺站分布示意圖（77站）

2.2 30 a黑龍江省冬季寒冷天氣時空分布

30 a黑龍江省冬季平均最低氣溫年際波動很大（表1）。冬季平均最低氣溫年份最高值與最低值相差達7.31℃。冬季平均最低氣溫排名前三位是2000年、2009年和1985年，分別達－26.16℃、－24.29℃和－24.12℃；最后三位是1988年、2001年和2006年，分別達－20.55℃、－19.43℃和－18.85℃；其余年份冬季平均最低氣溫介于－24－(－20.5)℃之間。

表1 30 a黑龍江省冬季平均最低氣溫（℃）排序（1981-2010年）

30 a中黑龍江省冬季月平均最低氣溫第1位為－28.64℃，出現(xiàn)在2001年的1月份。最后一位為－16.44℃，出現(xiàn)在2002年的2月份。不同年份的冬季月平均最低氣溫最低的多出現(xiàn)在1月份。30 a中月平均最低氣溫低于－20℃的有68個月，占75.6%。（表 2）。

表2 30 a黑龍江省冬季月平均最低氣溫（℃）排序（1981-2010 年）（前 20）

1981－2010年黑龍江省冬季各旬平均最低氣溫差異較大（表略），前三位為2001年1月中旬、1990年1月下旬和2001年2月上旬，分別達－32.68℃、－32.49℃和－30.77℃；后三位為1990年12月上旬、1998年2月下旬和2002年2月下旬，分別達－13.29℃、－12.86℃和－10.68℃，旬平均最低氣溫差值達22℃，跨度較大。排序前50位中有33個在1月，占66%，與冬季1月氣溫最低相吻合。其中1月中旬有17個，占51.5%，上旬和下旬分別有9個和7個，說明1月中旬為冬季最冷時段。排序后50位中2月內(nèi)的旬有31個占62%，剩下19個旬均在12月。其中2月下旬有20個，占66.7%，中旬和上旬分別有10個和1個，說明2月下旬平均最低溫度為整個冬季最高。

30 a中黑龍江省冬季單日最低氣溫平均值差異較大（表略），最低值出現(xiàn)在2001年1月11日，為－36.81℃，最高值出現(xiàn)在2002年2月27日，為－5.17℃。最低氣溫低于－32℃日數(shù)為45 d，低于－34℃日數(shù)為10 d。

黑龍江省地域廣闊，地形復(fù)雜，南北跨度大。黑龍江省冬季極端最低氣溫空間分布具有緯向分布特點，自南向北逐漸遞減。30 a中黑龍江省冬季極端最低氣溫第1位出現(xiàn)在漠河站，達－48.1℃，最后一位出現(xiàn)在東寧站。77個站中極端最低氣溫均低于－30℃，其中極端最低氣溫在－40℃以下的有31個站，占40.3%。從各站的極端最低氣溫出現(xiàn)時間來看，多出現(xiàn)在1月份，其次是2月份，在12月份出現(xiàn)極端低溫的站數(shù)很少(表3)。

3 寒冷天氣等級研究

3.1 寒冷天氣等級分項評估指標計算方法

寒冷天氣的分項評估指標為寒冷強度指標、持續(xù)時間指標和覆蓋范圍指標。寒冷天氣的分項評估指標的計算方法如下：

(1)寒冷強度指標按式（1）、（2）計算：

式中：

i—表示被評估天數(shù)，即第i天；

j—表示被評估站數(shù)，即第j個站點；

Item—為寒冷強度指標；

Itemi—為第i天寒冷強度指標；

表3 30 a黑龍江省77站極端最低氣溫及出現(xiàn)時間（1981-2010年）（℃）

Tij—表示第j個氣象觀測站點在被評估天氣中的日最低氣溫的最小值，單位為攝氏度（℃）；

Tij—表示第j個氣象觀測站點在被評估天氣中的日最低氣溫旬歷史平均值或候歷史平均值或任意天滑動歷史平均值，單位為攝氏度（℃）；

ni—表示被評估區(qū)域內(nèi)第i天達到寒冷天氣標準的氣象觀測站點個數(shù)，單位為個；當時Tij-Tij≥0，則ni=ni+1。

（2）持續(xù)時間指標 Ilas按式（3）計算：

式中：

Ilas—為持續(xù)時間指標；

Ndi—第j個氣象觀測站點在被評估天氣中的連續(xù)出現(xiàn)寒冷天氣的最大天數(shù)，單位為天。

（3）覆蓋范圍指標 Icov按式（4）、（5）計算：

式中：

Icov—為覆蓋范圍指標；

n—被評估區(qū)域內(nèi)達到寒冷天氣標準的氣象觀測站點總個數(shù)，單位為個；

N—為被評估區(qū)域內(nèi)氣象觀測站點總數(shù)，單位為個。

3.2 寒冷天氣的綜合評估指標計算方法

寒冷天氣的綜合評估指標Icold按式（6）計算：

3.3 寒冷天氣等級劃分

寒冷天氣的綜合評估指標所隸屬的級別即為該寒冷天氣的劃分等級，詳見表4和表5。

表4 寒冷天氣等級的劃分標準(被評估天數(shù)＞10 d，即＞10)

表5 寒冷天氣等級的劃分標準(被評估天數(shù)≤10 d，即≤10)

4 寒冷天氣等級劃分結(jié)果驗證和分析

利用2011年、2012年、2013年冬季日最低氣溫資料，對本文評估方法進行驗證和分析。

2011年冬季平均最低氣溫為－23.69℃，可在冬季平均最低氣溫排序（表1）中排在第6位；在冬季月平均最低氣溫排序中 （表2），2012年1月平均最低氣溫為－27.34℃，可排在第5位，2012年12月平均最低氣溫為－25.66℃，在可排第12位。

黑龍江省2011年冬季氣候影響評價指出：冬季氣溫12、1月偏低，1月寒冷為近10 a極值。2011年冬季低溫持續(xù)時間長，2012年1月1－4日，撫遠持續(xù)降溫4 d，最大連續(xù)降溫幅度為22.0℃，為本站有歷史記錄以來第3位；7－13日，五大連池持續(xù)降溫7 d，最大連續(xù)降溫幅度為23.4℃，為本站有歷史記錄以來第3位。其中“1月寒冷為近10 a極值”與前面統(tǒng)計的2012年1月平均最低氣溫為－27.34℃，與在表2中排第5位的結(jié)果是一致。

表6 2012年1月1-4日寒冷天氣評估結(jié)果

利用寒冷天氣等級劃分方法（表5），對2012年1月1－4日寒冷天氣過程進行評估計算結(jié)果，如表6所示，2012年1月1－4日寒冷天氣過程強度=1.04，屬于Ⅳ級輕度寒冷等級。撫遠站=1.4，為Ⅱ級重度寒冷等級。

對2012年1月7－13日寒冷天氣過程進行評估計算結(jié)果，如表7所示，2012年1月7－13日寒冷天氣過程強度Icold=1.12，屬于Ⅲ級中度寒冷等級。五大連池站Icold=1.42，為Ⅱ級重度寒冷等級。

根據(jù)對2011－2012年冬季寒潮天氣個例的驗證分析，證明本項目制定的寒冷天氣等級是實用、可行的。

表7 2012年1月7-13日寒冷天氣評估結(jié)果

按照寒冷天氣等級的劃分標準（表4、5）對全省逐年冬季寒冷天氣進行等級劃分，結(jié)果如表8所示，最低氣溫距平在一定程度上可表征當年寒冷程度，所以按年平均最低氣溫距平進行排序，則發(fā)現(xiàn)寒冷天氣等級與最低氣溫距平有很好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為 0.87。2000、2012年冬季最低氣溫距平＜（－3）℃，劃分為Ⅰ級特重寒冷等級是合適的，最低氣溫距平＞0℃的年份，大部分被劃分為Ⅳ級輕度寒冷等級，也是比較合適的。

對全省逐月寒冷天氣進行等級劃分，按月平均最低氣溫距平進行排序，前13位月最低氣溫距平＜（－3）℃，劃分為Ⅱ級重度寒冷等級，其中2012年12月，由于低溫持續(xù)時間長，劃分為Ⅰ級特重，是較為客觀和合適的。最低氣溫距平在－（0－2）℃的月份，大部分被劃分為Ⅲ級中度寒冷等級。最低氣溫距平＞0℃的月份，大部分被劃分為Ⅳ級輕度寒冷等級。最低氣溫距平＞1℃的月份，大部分被劃分為無災(zāi)害。

對全省逐旬寒冷天氣進行等級劃分，按旬平均最低氣溫距平進行排序，前3位分別是2001年2月上旬、1990年1月下旬、2001年1月中旬，這三旬旬最低氣溫距平＜（－7）℃，劃分為Ⅰ級特重寒冷等級。最低氣溫距平在－（3－7）℃的各旬，大部分被劃分為Ⅱ級重度寒冷等級。最低氣溫距平在－（0－3）℃的各旬，大部分被劃分為Ⅲ級中度寒冷等級。最低氣溫距平＞0℃的各旬，大部分被劃分為Ⅳ級輕度寒冷等級。最低氣溫距平＞1℃的各旬，大部分被劃分為無災(zāi)害。

根據(jù)最低氣溫距平來驗證逐年、逐月、逐旬的寒冷天氣等級，二者相關(guān)系數(shù)分別達到 0.87、0.85、0.87，相關(guān)性較好，說明本項目制定的寒冷天氣等級的劃分標準是比較客觀的。

表8 黑龍江省逐年寒冷天氣等級劃分（1981-2013年）