1961—2016年?yáng)|北地區(qū)冬季寒潮事件變化特征及其對(duì)區(qū)域氣候變暖的響應(yīng)

胡春麗， 李 輯， 郭婷婷， 王婉昭， 王 婷，丁抗抗， 焦 敏， 李 菲

（1.遼寧省生態(tài)氣象和衛(wèi)星遙感中心，遼寧沈陽(yáng) 110166； 2.遼寧省氣象信息中心，遼寧沈陽(yáng) 110166；3.中國(guó)氣象局沈陽(yáng)大氣環(huán)境研究所，遼寧沈陽(yáng) 110166； 4.沈陽(yáng)區(qū)域氣候中心，遼寧沈陽(yáng) 110166）

0 引言

氣候系統(tǒng)變暖仍在持續(xù)，極端天氣氣候事件風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)一步加劇。20世紀(jì)50年代以來(lái)，觀測(cè)到的許多變化在幾十年乃至上千年都前所未有，主要表現(xiàn)在大氣和海洋變暖、積雪減少、冰川萎縮、海平面上升、溫室氣體濃度增加［1］，會(huì)導(dǎo)致極端氣候事件發(fā)生得更加頻繁。寒潮作為一種極端氣候事件，是自極地或寒帶的寒冷空氣向中、低緯度的侵襲活動(dòng)，在我國(guó)冬、春季頻繁發(fā)生，造成氣溫急劇下降，并伴有大風(fēng)和雨雪天氣。不僅造成經(jīng)濟(jì)損失，也會(huì)給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸和人體健康等帶來(lái)嚴(yán)重的影響［2-3］。長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者針對(duì)寒潮天氣過(guò)程，從冷空氣源地和路徑、寒潮機(jī)理、氣候特征等方面進(jìn)行了大量研究［4-17］，形成了比較系統(tǒng)和經(jīng)典的寒潮理論。在氣候變暖背景下，隨著氣象資料的積累和更新，研究發(fā)現(xiàn)中國(guó)寒潮頻次和強(qiáng)度呈現(xiàn)新的變化特征［18-22］，而區(qū)域尺度寒潮變化特征各有不同。毛煒嶧等［23］分析了1951—2015 年烏魯木齊市寒潮過(guò)程頻數(shù)及強(qiáng)度氣候特征，秋、冬、春季的寒潮過(guò)程頻數(shù)大多在20 世紀(jì)50 年代最多。姚永明等［24］研究發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)江中下游地區(qū)寒潮的發(fā)生隨著全球變暖的氣候趨勢(shì)，總體頻次減少，有明顯的年代際特征。劉憲鋒等［25］揭示1960—2013 年內(nèi)蒙古單站寒潮頻次總體呈下降趨勢(shì)，而1991 年之后呈增加趨勢(shì)，寒潮主要受北極濤動(dòng)（AO）、北大西洋濤動(dòng)（NAO）、冷空氣（CA）、亞洲極渦強(qiáng)度指數(shù)（APVII）和東亞大槽強(qiáng)度（CQ）控制。

本文根據(jù)寒潮國(guó)標(biāo)定義，利用最新的氣象資料，研究氣候變暖背景下東北地區(qū)冬季寒潮變化特征，研究結(jié)果有助于深入了解東北冬季氣候變化規(guī)律，探討區(qū)域氣候變化的原因，為未來(lái)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)寒潮等級(jí)、提高氣象防災(zāi)減災(zāi)能力提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)

本文研究區(qū)域行政上包括黑龍江、吉林、遼寧三省，采用的數(shù)據(jù)由遼寧省氣象信息氣象檔案館提供的1961—2016 年?yáng)|北地區(qū)164 個(gè)地面氣象觀測(cè)站逐日氣溫、最低氣溫資料，站點(diǎn)分布均勻，時(shí)間序列較長(zhǎng)。12 月至翌年2 月為冬季（如1961 年冬季為1961 年12 月至1962 年2 月），常年值采用1981—2010年30年的平均值。

1.2 寒潮等級(jí)定義

本文參照中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《寒潮等級(jí)》［26］（GB/T 21987—2017），給出寒潮等級(jí)判定。寒潮：某地的日最低氣溫24 小時(shí)內(nèi)降溫幅度≥8 ℃或48 小時(shí)內(nèi)降溫幅度≥10 ℃，72 小時(shí)內(nèi)降溫幅度≥12 ℃，而且該地日最低氣溫≤4 ℃的冷空氣活動(dòng)。強(qiáng)寒潮：某地的日最低氣溫24 小時(shí)內(nèi)降溫幅度≥10 ℃或48 小時(shí)內(nèi)降溫幅度≥12 ℃，72 小時(shí)內(nèi)降溫幅度≥14 ℃，而且該地日最低氣溫≤2 ℃的冷空氣活動(dòng)。超強(qiáng)寒潮：某地的日最低氣溫24小時(shí)內(nèi)降溫幅度≥12 ℃或48 小時(shí)內(nèi)降溫幅度≥14 ℃，72 小時(shí)內(nèi)降溫幅度≥16 ℃，而且該地日最低氣溫≤0 ℃的冷空氣活動(dòng)。寒潮日定義為降溫過(guò)程初終日之間（含初、終日）的天數(shù)，即各類(lèi)寒潮造成的極端低溫日數(shù)。

1.3 方法

采用線性?xún)A向估計(jì)法分析寒潮的變化趨勢(shì)，蒙特卡洛方法對(duì)空間變化趨勢(shì)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)［27］，Mann-Kendell（M-K）檢驗(yàn)寒潮的突變特征，Morlet小波［28］分析方法進(jìn)行周期分析。

1.3.1 Mann-Kendall檢驗(yàn)

Mann-Kendall 檢驗(yàn)是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)方法［27］，假設(shè)時(shí)間序列數(shù)據(jù)（x1，x2，…，xn），n為樣本數(shù)，M-K統(tǒng)計(jì)變量S的計(jì)算公式為

定義統(tǒng)計(jì)變量

若UFk值大于0，表明序列呈上升趨勢(shì)，小于0則表明呈下降趨勢(shì)。當(dāng)超過(guò)臨界直線時(shí)，則表明上升或者下降趨勢(shì)顯著。若兩條直線交點(diǎn)。且交點(diǎn)在臨界直線之間，那么交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻就是突變開(kāi)始的時(shí)間。

1.3.2 相似系數(shù)

采用相似系數(shù)定量表示兩幅圖的相似性，計(jì)算公式［29］為

式中：cosθ12為兩幅圖相似程度的定量指標(biāo)；n為站點(diǎn)數(shù)。相似系數(shù)數(shù)值在-1～1 之間，越接近±1 表示相似性越大，等于±1表示完全正（反）相似。

2 結(jié)果與分析

2.1 寒潮的空間分布特征

東北地區(qū)各站冬季平均氣溫與超強(qiáng)寒潮、強(qiáng)寒潮、寒潮出現(xiàn)日數(shù)相關(guān)程度較小，東北地區(qū)164站冬季平均氣溫與超級(jí)寒潮日數(shù)（圖略）、強(qiáng)寒潮日數(shù)（圖略）、寒潮日數(shù)關(guān)系的散點(diǎn)圖（圖1）表明冬季平均氣溫偏低的偏冷地區(qū)與氣溫偏高的偏暖區(qū)，寒潮日數(shù)差異小。從東北地區(qū)1961—2016 年寒潮出現(xiàn)總?cè)諗?shù)空間分布來(lái)看（圖2），超強(qiáng)寒潮日數(shù)區(qū)域性較為明顯，為4～530 d，其中黑龍江超強(qiáng)寒潮日數(shù)中部多，東西少，吉林東部多，西部少，遼寧東北部多，西南部少；高值中心位于吉林東南部靖宇（530 d），該結(jié)論與喬雪梅等［30］研究基本一致，低值中心位于遼寧西部和南部、吉林西北部、黑龍江西部和東部部分地區(qū)，上述地區(qū)超強(qiáng)寒潮出現(xiàn)日數(shù)不足30 d，其中黑龍江齊齊哈爾地區(qū)甘南站超強(qiáng)寒潮日數(shù)為4 d；東北地區(qū)強(qiáng)寒潮、寒潮出現(xiàn)日數(shù)空間分布與超強(qiáng)寒潮日數(shù)相類(lèi)似，強(qiáng)寒潮、寒潮日數(shù)以吉林東南部靖宇為高值中心，出現(xiàn)日數(shù)分別為900 d 和1 392 d，黑龍江中部、遼寧東北部出現(xiàn)日數(shù)相對(duì)偏多，黑龍江、吉林西部出現(xiàn)日數(shù)相對(duì)較少，低值中心位于黑龍江西部甘南，出現(xiàn)日數(shù)分別為19 d 和67 d。計(jì)算得到圖2（a）和圖2（b）、圖2（c）的相似系數(shù)為0.99和0.96，可見(jiàn)超級(jí)寒潮、強(qiáng)寒潮、寒潮相似性較高，表明超強(qiáng)寒潮偏多（少）的地區(qū)，強(qiáng)寒潮、寒潮同樣偏多（少）。

圖1 東北地區(qū)164站冬季平均氣溫與寒潮日數(shù)的關(guān)系Fig.1 Relationship between winter average air temperature and cold wave days at 164 stations in Northeast China

由以上分析可見(jiàn)，東北地區(qū)超級(jí)寒潮、強(qiáng)寒潮、寒潮日數(shù)空間分布相似，東部山區(qū)超級(jí)寒潮、強(qiáng)寒潮、寒潮出現(xiàn)日數(shù)最多，位于內(nèi)陸地區(qū)為最少；超級(jí)寒潮、強(qiáng)寒潮、寒潮的空間分布與海陸、地形分布有一定的關(guān)系，高海拔地區(qū)相對(duì)偏多，低海拔和平原相對(duì)偏少，大興安嶺、小興安嶺和長(zhǎng)白山屬于三種類(lèi)型寒潮發(fā)生日數(shù)較多地區(qū)，松遼平原和三江平原寒潮發(fā)生日數(shù)最少。三種類(lèi)型寒潮分布特點(diǎn)與寒潮路徑?jīng)Q定，我國(guó)冷空氣從東、中、西三條路線進(jìn)入時(shí)，大興安嶺和長(zhǎng)白山西側(cè)受到影響最大，大興安嶺東側(cè)松遼平原由于焚風(fēng)效應(yīng)及海拔低的因素影響，冷空氣逐漸變性，影響程度逐漸減少減弱；三江平原受區(qū)域氣候影響及小興安嶺和長(zhǎng)白山對(duì)冷空氣阻滯作用，寒潮影響較弱，發(fā)生日數(shù)最少。

2.2 寒潮的時(shí)間演變規(guī)律

1961—2016 年?yáng)|北地區(qū)冬季超強(qiáng)寒潮、強(qiáng)寒潮、寒潮日數(shù)均呈減少趨勢(shì)（圖3）。其中超強(qiáng)寒潮、強(qiáng)寒潮減少趨勢(shì)顯著，超級(jí)寒潮自20 世紀(jì)80 年代初期開(kāi)始減少，減少速率為1.9 d·（10a）-1，減少趨勢(shì)系數(shù)為-0.35，通過(guò)了0.01顯著性水平檢驗(yàn)，同時(shí)也是3 個(gè)等級(jí)寒潮減少速率最大的，2007 年達(dá)到最小值。強(qiáng)寒潮以1.3 d·（10a）-1的速率呈顯著減少趨勢(shì)，并通過(guò)了0.05 顯著性水平檢驗(yàn)。20 世紀(jì)80 年代末期到90 年代為比較明顯的偏少時(shí)段，21 世紀(jì)00 年代以后呈明顯地波動(dòng)變化。寒潮以0.5 d·（10a）-1的速率呈顯著減少趨勢(shì)，未通過(guò)0.05顯著性水平檢驗(yàn)。從年代際變化來(lái)看，三者均在20世紀(jì)60年代到90 年代初期相對(duì)偏多，20 世紀(jì)90 年代中期開(kāi)始進(jìn)入一個(gè)相對(duì)偏少的時(shí)段，21世紀(jì)00年代中期以后有所增加。超強(qiáng)寒潮和強(qiáng)寒潮、強(qiáng)寒潮和寒潮、超強(qiáng)寒潮和寒潮三者相關(guān)系數(shù)分別0.77、0.78、0.69，表明寒潮偏多（少）年份，超級(jí)寒潮、強(qiáng)寒潮偏多（少）。

圖3 1961—2016年?yáng)|北地區(qū)超強(qiáng)寒潮、強(qiáng)寒潮、寒潮日數(shù)年際變化Fig.3 Interannual changes of super-strong cold wave days，strong cold wave days and cold wave days in Northeast China during 1961—2016

1961—2016 年?yáng)|北地區(qū)寒潮站次（超強(qiáng)寒潮、強(qiáng)寒潮、寒潮）均呈減少趨勢(shì)（圖4）。超強(qiáng)寒潮、強(qiáng)寒潮、寒潮站次分別以32.9 站次·（10a）-1、43.3 站次·（10a）-1、51.7 站次·（10a）-1的速率減少，趨勢(shì)系數(shù)分別為-0.386、-0.305、-0.235，超強(qiáng)寒潮和強(qiáng)寒潮減少速率通過(guò)了0.01、0.05顯著性水平檢驗(yàn)。從年代際變化來(lái)看，三者均在20 世紀(jì)60 年代到70 年代末期相對(duì)偏多，1980 年開(kāi)始進(jìn)入一個(gè)相對(duì)偏少的時(shí)段，2007 年達(dá)到極端最少值，21 世紀(jì)00 年代中期以后有所增加，但是長(zhǎng)期下降趨勢(shì)沒(méi)有改變［31］。其中，超強(qiáng)寒潮站次最少5 年分別為2007 年、2011 年、1983 年、1994 年、2003 年，均發(fā)生在20 世紀(jì)80 年代后，最多5 年為1970 年、2000 年、1978 年、1971 年、1965年，大部分發(fā)生在20世紀(jì)80年代前。

圖4 東北地區(qū)1961—2016年超強(qiáng)寒潮、強(qiáng)寒潮、寒潮站次年際變化Fig.4 Interannual changes of super-cold wave station-times，strong cold wave station-times and cold wave station-times in Northeast China during 1961—2016

超強(qiáng)寒潮和強(qiáng)寒潮、強(qiáng)寒潮和寒潮、超強(qiáng)寒潮和寒潮三者相關(guān)系數(shù)分別0.97、0.97、0.91，表明寒潮站次偏多（少）年份，超級(jí)寒潮、強(qiáng)寒潮站次偏多（少）。

2.3 寒潮的周期特征

使用Morlet 小波分析方法，分析東北地區(qū)三種類(lèi)型寒潮站次和日數(shù)的周期特征（圖5 給出了超強(qiáng)寒潮站次和寒潮日數(shù)）。小波分析表明，超強(qiáng)寒潮日數(shù)、超強(qiáng)寒潮站次、強(qiáng)寒潮日數(shù)、強(qiáng)寒潮站次、寒潮日數(shù)、寒潮站次的周期性特征很明顯，在整個(gè)分析時(shí)段內(nèi)存在明顯的周期性變化。超強(qiáng)寒潮日數(shù)、強(qiáng)寒潮日數(shù)、寒潮日數(shù)分別在1977—1994 年、1970—1992 年和1970—2000 年有3 a 左右周期，在2000—2014 年、2004—2014 年和2002—2014 年有4～5 a左右周期；超強(qiáng)寒潮站次、強(qiáng)寒潮站次、寒潮站次分別在1972—1992 年、1972—1998 年、1972—2000 年有3～4 a左右周期，均在21世紀(jì)00年代以后有4～5 a左右周期。

圖5 東北地區(qū)寒潮周期特征Fig.5 Periodic characteristics of cold wave in Northeast China：super-cold wave station-times（a）and cold wave days（b）

2.4 寒潮與氣候變暖的關(guān)系

2.4.1 冬季氣溫變化

氣溫平均值的增加和氣溫變率的增加都會(huì)對(duì)極端氣溫事件產(chǎn)生影響［32］。氣候變暖伴隨著最高及最低氣溫的增溫，最高氣溫和最低氣溫的平均值會(huì)發(fā)生改變，寒潮也會(huì)發(fā)生相應(yīng)地改變，進(jìn)而影響到寒潮出現(xiàn)的日數(shù)和站次。隨著氣候變暖，發(fā)現(xiàn)東北平均氣溫呈顯著的增溫趨勢(shì)，分析1961—2016年?yáng)|北冬季氣溫的空間變化趨勢(shì)（圖6），全區(qū)100% 站點(diǎn)呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，66% 的站點(diǎn)通過(guò)了0.05 顯著性水平檢驗(yàn)，37% 的站點(diǎn)通過(guò)了0.01 顯著性水平檢驗(yàn)，15% 的站點(diǎn)（黑龍江省2 個(gè)站、吉林省8 個(gè)站、遼寧省10 個(gè)站）通過(guò)了0.001 顯著性水平檢驗(yàn)，增溫最顯著區(qū)域主要位于吉林東南部、遼寧西部和遼寧東北部地區(qū)，其中吉林二道站和遼寧本溪站趨勢(shì)系數(shù)0.55 以上。黑龍江、吉林、遼寧分別有37%、35%、24% 站點(diǎn)增溫不顯著，低值中心位于黑龍江西部（泰來(lái)站趨勢(shì)系數(shù)0.09）和吉林西部地區(qū)（農(nóng)安站趨勢(shì)系數(shù)0.03）。

圖6 東北地區(qū)氣溫變化趨勢(shì)系數(shù)的空間分布Fig.6 Spatial distribution of air temperature trend coefficients in Northeast China

圖7給出1961—2016 年?yáng)|北地區(qū)冬季平均氣溫的Mann-Kendall 突變檢驗(yàn)。 可見(jiàn)，UF 曲線在1972 年以后均大于0，且在1987 年以后突破臨界線，表明1972年以來(lái)東北地區(qū)冬季平均氣溫呈上升趨勢(shì)，且1987年以后上升趨勢(shì)顯著。UF和UB 曲線在1981 年左右出現(xiàn)交點(diǎn)，且交點(diǎn)在臨界線之間，說(shuō)明1981 年為東北地區(qū)冬季平均氣溫發(fā)生新突變的時(shí)間，該結(jié)論與前人基于1961—2007年?yáng)|北氣溫資料計(jì)算結(jié)果不一致［33］。利用本文處理的冬季1961—2007 年氣溫資料，得到突變點(diǎn)為1986/1987 年，結(jié)論與已有研究相同［33］，資料延長(zhǎng)至2016 年，突變點(diǎn)為1981年，東北地區(qū)冬季氣溫突變點(diǎn)發(fā)生漂移。

圖7 東北地區(qū)冬季平均氣溫的Mann-Kendall檢驗(yàn)Fig.7 Mann-Kendall test of average winter air temperature in Northeast China

2.4.2 寒潮對(duì)氣候變暖的響應(yīng)

分析1961—2016 年?yáng)|北地區(qū)氣溫與寒潮的相關(guān)系數(shù)，超強(qiáng)寒潮、強(qiáng)寒潮、寒潮日數(shù)與冬季平均氣溫均是顯著的負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)系數(shù)為-0.318、-0.246、-0.220，其中超強(qiáng)寒潮與氣溫相關(guān)性均通過(guò)了0.05顯著性水平檢驗(yàn)，這說(shuō)明寒潮事件與東北地區(qū)氣候變暖密切相關(guān)。使用Mann-Kendell 方法對(duì)東北地區(qū)冬季平均氣溫分析發(fā)現(xiàn)1981 年發(fā)生了突變，將1961—2016 年分為1961—1981 年和1982—2016 年兩個(gè)時(shí)段，分別統(tǒng)計(jì)兩個(gè)時(shí)段寒潮的發(fā)生日數(shù)，站次（表1）。可見(jiàn)氣候變暖后超強(qiáng)寒潮日數(shù)、超強(qiáng)寒潮站次、強(qiáng)寒潮日數(shù)、強(qiáng)寒潮站次、寒潮日數(shù)、寒潮站次一致減少。

表1 氣候變暖前后的寒潮日數(shù)和站次Table 1 Number of cold wave days and station-times during 1961—1981 and 1982—2016

根據(jù)氣候暖期減冷期寒潮日數(shù)差值空間分布（圖8），黑龍江中部地區(qū)超強(qiáng)寒潮、強(qiáng)寒潮、寒潮暖期較冷期偏多0.2～0.6 d、0.1～1.5 d、0.1～3.2 d，主要位于冬季氣溫增暖不顯著區(qū)域，其他地區(qū)寒潮暖期較冷期偏少為主，超強(qiáng)寒潮偏少中心主要位于黑龍江的東南部、吉林的東部、遼寧的東南部地區(qū)，其中遼寧撫順新賓站偏少4.3 d。強(qiáng)寒潮、寒潮冷暖期差值空間分布形式與超強(qiáng)寒潮大致相同，暖期偏少，日數(shù)較大值依然分布在吉林東部和遼寧東北部地區(qū)；強(qiáng)寒潮暖期較冷期偏少，最大值出現(xiàn)在遼寧本溪站，為-5.3 d，寒潮的最大差值出現(xiàn)在吉林柳河站，為-4.3 d。

圖8 東北地區(qū)氣候變暖前后寒潮日數(shù)差值的空間分布Fig.8 Spatial distribution of number differences of cold wave days before and after climate warming：super-strong cold wave（a），strong cold wave（b）and cold wave（c）

3 結(jié)論

本文根據(jù)《寒潮等級(jí)》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)東北地區(qū)1961—2016 年寒潮事件的氣候變化特征進(jìn)行了分析，結(jié)論如下：

（1）東北地區(qū)冬季三種類(lèi)型寒潮日數(shù)空間分布相似，吉林東部長(zhǎng)白山高海拔地區(qū)寒潮日數(shù)最多，三江平原受區(qū)域氣候影響及小興安嶺和長(zhǎng)白山對(duì)冷空氣阻滯作用，寒潮發(fā)生日數(shù)最少，該結(jié)論與寒潮實(shí)際發(fā)生情況相吻合。

（2）1961—2016 年?yáng)|北地區(qū)冬季三種類(lèi)型寒潮日數(shù)、站次均呈減少趨勢(shì)；從年代際變化來(lái)看，三者均在20 世紀(jì)60 年代到70 年代末期相對(duì)偏多，1980年開(kāi)始進(jìn)入一個(gè)相對(duì)偏少的時(shí)段，21世紀(jì)00年代中期以后有小幅度增加，但其幅度明顯小于80年代減少幅度，即進(jìn)入21 世紀(jì)以來(lái)寒潮頻次有所增加，但是長(zhǎng)期下降趨勢(shì)沒(méi)有改變。

（3）東北地區(qū)冬季三種類(lèi)型寒潮日數(shù)和站次存在明顯的周期性變化，21 世紀(jì)00 年代前以3 a 左右周期為主，00年代前后以5 a左右周期為主。

（4）1961—2016 年?yáng)|北大部地區(qū)冬季升溫顯著，檢測(cè)到的突變時(shí)間為1981 年，變暖后三種類(lèi)型寒潮日數(shù)和站次明顯減少，吉林東部和遼寧東北部減少最為明顯。東北冬季氣溫突變時(shí)間為1981年，前人研究資料截止至2007年，東北冬季氣溫的突變時(shí)間為1986/1987 年，資料的延長(zhǎng)致使突變時(shí)間發(fā)生了漂移，新的氣候突變時(shí)間與冬季氣溫主要影響環(huán)流因子的年代際轉(zhuǎn)折可能存在一定的聯(lián)系，也有待于未來(lái)進(jìn)一步研究。