近40 a銅仁市凝凍氣候特征及其異常年成因分析

張丹丹，嚴(yán)小冬，張李娟，黎 榮，許文亞

(1.貴州省銅仁市碧江區(qū)氣象局，貴州 銅仁 554300；2.貴州省氣候中心，貴州 貴陽(yáng) 550002；3.貴州省銅仁市氣象局，貴州 銅仁 554300；4.貴州省德江縣氣象局，貴州 德江 565200)

0 引 言

凝凍是貴州山區(qū)常見(jiàn)的氣象災(zāi)害。凝凍也稱(chēng)凍雨，是貴州主要災(zāi)害性天氣之一，冬季北方冷空氣的不斷入侵，長(zhǎng)時(shí)間的陰雨連綿低溫天氣導(dǎo)致貴州凝凍災(zāi)害事件發(fā)生。特別是2008年銅仁市出現(xiàn)的歷史罕見(jiàn)的凝凍災(zāi)害事件，對(duì)交通運(yùn)輸、供電、通訊等造成了巨大的損失，因此對(duì)銅仁市凝凍氣候變化特征開(kāi)展研究，能為凝凍災(zāi)害事件的評(píng)估提供基礎(chǔ)服務(wù)，同時(shí)也能為銅仁市凝凍災(zāi)害天氣的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)提供參考，能夠更好的開(kāi)展凝凍災(zāi)害氣象服務(wù)。

國(guó)外學(xué)者對(duì)凍雨的研究起步較早，Brooks等[1]很早就對(duì)凍雨形成的條件進(jìn)行了研究，凍雨常發(fā)生在近地面氣溫0 ℃左右條件下，Cortinas等[2]發(fā)現(xiàn)地形和水汽是美國(guó)凍雨形成的關(guān)鍵，對(duì)凍雨的時(shí)空特征方面也有比較全面研究。國(guó)內(nèi)學(xué)者從天氣氣候、預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)方法、凍雨個(gè)例等方面對(duì)凍雨的發(fā)生機(jī)制等進(jìn)行了大量研究，宗志平等[3]、趙美艷等[4]、楊貴名等[5]通過(guò)對(duì)2008年大范圍低溫凝凍天氣凝凍分析,揭示了逆溫層高度是凍雨發(fā)生的重要參考指標(biāo)，靜止鋒的位置決定著貴州凝凍的范圍，張智等[6]又從凍雨的微物理特征研究表明貴州凍雨的出現(xiàn)均有靜止鋒系統(tǒng)，白慧等[7]從高空環(huán)流及海溫異常方面出發(fā)，指出ENSO事件是貴州冬季凍雨的重要外強(qiáng)迫因子，海溫異常對(duì)貴州冬季凝凍具有很好的預(yù)測(cè)指示意義，嚴(yán)小冬等[8]對(duì)貴州凍雨氣候特征進(jìn)行研究，指出貴州雨凇空間分布不均，集中在貴州西北部及海拔較高地區(qū)，冬季凍雨存在準(zhǔn)4 a的年際變化，總體呈現(xiàn)減弱的趨勢(shì)。本文主要對(duì)銅仁市1978—2020年近40 a雨凇日數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，統(tǒng)計(jì)銅仁凝凍基本特征，建立銅仁市冬季凝凍事件數(shù)據(jù)庫(kù)，著重分析銅仁市冬季凝凍時(shí)空分布特征，劃分銅仁市強(qiáng)弱凝凍年,并從500 hPa高度場(chǎng)和海表面溫度兩方面分析銅仁市異常凝凍年的成因。本文建立了冬季凝凍事件個(gè)例庫(kù)，方便以后學(xué)者查閱了解近40 a銅仁市冬季凝凍的詳細(xì)信息，同時(shí)研究結(jié)果為今后銅仁市冬季凝凍預(yù)測(cè)指標(biāo)的研究奠定了基礎(chǔ)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)

由貴州省氣象信息中心提供的1978年1月—2020年2月銅仁市10個(gè)國(guó)家站的逐月雨凇日數(shù)據(jù)。

1978—2020年NCEP/NCAR逐月再分析資料，500 hPa高度場(chǎng)，分辨率為2.5°×2.5°；1978—2020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)，分辨率為2.0°×2.0°。

1.2 方法

本文的冬季指每年12月—次年2月，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)1978—2020年銅仁市10個(gè)國(guó)家站逐月雨凇日數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分析近40 a銅仁市冬季凝凍基本氣候特征。按照《貴州省氣象災(zāi)害的劃分標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)一次凝凍過(guò)程進(jìn)行定義，即同時(shí)出現(xiàn)日平均氣溫≤1 ℃、日最低氣溫≤0 ℃以及日雨量≥0 mm，并持續(xù)≥3 d(其中第4 d起允許間斷1 d日最低氣溫為0.1～0.5 ℃或無(wú)雨)且至少有1 d出現(xiàn)凝凍天氣現(xiàn)象，根據(jù)單站凝凍分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，分輕級(jí)、中級(jí)、重級(jí)、特重級(jí)建立銅仁市冬季凝凍事件個(gè)例庫(kù)。

將1978—2019年共42 a銅仁市逐月雨凇日數(shù)處理為逐年雨凇日序列，計(jì)算出年雨凇日的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，定義序列值>平均值與標(biāo)準(zhǔn)差之和為強(qiáng)凝凍發(fā)生年，序列值<平均值與標(biāo)準(zhǔn)差之差為弱凝凍發(fā)生年，定義強(qiáng)凝凍發(fā)生年為異常凝凍年。

對(duì)1978—2019年銅仁市逐年冬季雨凇日數(shù)運(yùn)用EOF分析方法進(jìn)行展開(kāi)分析，計(jì)算方差貢獻(xiàn)率，對(duì)特征值運(yùn)用North檢驗(yàn)方法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，分析銅仁市冬季凝凍時(shí)空分布特征。

2 凝凍特征分析

2.1 銅仁市凝凍基本特征

1978年1月—2020年2月銅仁市雨凇日共出現(xiàn)1 483 d(表1)，萬(wàn)山站出現(xiàn)1 088 d(占銅仁市73.4%)，銅仁市雨凇集中出現(xiàn)在12月、1月和2月，僅萬(wàn)山站在11月、3月出現(xiàn)過(guò)雨凇，所以銅仁市雨凇集中出現(xiàn)在冬季，由此本文主要對(duì)銅仁市冬季凝凍進(jìn)行研究。近40 a銅仁市10個(gè)國(guó)家站年平均雨凇天數(shù)在0.17～25.9 d之間，銅仁市東南部萬(wàn)山、南部江口、玉屏出現(xiàn)雨凇天數(shù)較多，其中萬(wàn)山年均雨凇天數(shù)長(zhǎng)達(dá)25.3 d。冬季雨凇日數(shù)與地理位置關(guān)系密切，除萬(wàn)山外銅仁市其余9個(gè)觀測(cè)站海拔高度在400～600 m之間，萬(wàn)山觀測(cè)站海拔884.3 m，導(dǎo)致其觀測(cè)到的雨凇日數(shù)是銅仁其他觀測(cè)站的10倍以上。

表1 1978—2020年雨凇日統(tǒng)計(jì)表(單位：d)Tab.1 Statistics of glaze days from 1978 to 2020(Unit∶d)

2.2 銅仁市冬季凝凍的時(shí)空特征

將1978—2019年銅仁市10個(gè)國(guó)家站冬季逐年雨凇日數(shù)據(jù)處理為距平序列，對(duì)序列進(jìn)行EOF展開(kāi)分析，探索近40 a銅仁市冬季雨淞的時(shí)空分布特征。研究結(jié)果表明，前4個(gè)特征值的累積方差貢獻(xiàn)率為98.61%(表2)，前2個(gè)特征值累積方差貢獻(xiàn)率達(dá)95.87%，第一、第二特征值通過(guò)了North顯著性檢驗(yàn)。

表2 近40 a銅仁市冬季雨凇日前4模態(tài)特征向量方差貢獻(xiàn)Tab.2 variance contribution of the first four modal eigenvectors of winter glaze in Tongren in recent 40 years

第一特征值代表的模態(tài)1的方差貢獻(xiàn)率為78.03%遠(yuǎn)高于其他模態(tài)，所以模態(tài)1是銅仁市冬季雨凇日的主要分布類(lèi)型(圖1)。模態(tài)1的特征值均為正值，表明近40 a銅仁市各區(qū)縣冬季出現(xiàn)雨凇日的高度一致性。空間分布圖上顏色較深為高值區(qū)表示出現(xiàn)雨凇日較多，顏色淺的為低值區(qū)表示出現(xiàn)雨凇日較少，高值區(qū)在東南部(萬(wàn)山)，弱高值中心在中南部(江口)和南部(玉屏)，低值區(qū)在西北部(沿河、德江)，所以銅仁市冬季雨凇日由西北向東南方向逐漸增加。對(duì)模態(tài)1時(shí)間系數(shù)做線(xiàn)性擬合，近40 a銅仁市冬季雨凇日有下降的趨勢(shì)，但不明顯，沒(méi)有通過(guò)顯著性水平α=0.05的顯著性檢驗(yàn)。

圖1 近40 a銅仁市冬季雨凇日第1模態(tài)時(shí)間和空間分布圖Fig.1 Time and space distribution of the first mode of winter glaze day in Tongren in recent 40 years

2.3 銅仁凝凍事件個(gè)例庫(kù)

按照《貴州省氣象災(zāi)害的劃分標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)凝凍過(guò)程進(jìn)行定義，本文收集了1978—2019年共42 a銅仁市冬季凝凍過(guò)程，并按站名、過(guò)程出現(xiàn)次數(shù)、過(guò)程出現(xiàn)起止日期、過(guò)程平均氣溫、過(guò)程最低氣溫、過(guò)程累積降水量6個(gè)要素，分輕級(jí)(2～3 d)、中級(jí)(4～5 d)、重級(jí)(6～9 d)、特重級(jí)(10 d以上)建立銅仁市冬季凝凍事件個(gè)例庫(kù)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，近40 a年銅仁市冬季共出現(xiàn)164次凝凍天氣過(guò)程，其中萬(wàn)山出現(xiàn)128次是銅仁市冬季凝凍事件總數(shù)的78%，近40 a銅仁市西北地區(qū)沿河沒(méi)有出現(xiàn)凝凍天氣過(guò)程、德江僅出現(xiàn)2次，中部思南僅出現(xiàn)1次、印江僅出現(xiàn)5次、松桃出現(xiàn)2次，西南部石阡僅出現(xiàn)3次，東南部是銅仁市冬季出現(xiàn)凝凍較嚴(yán)重地區(qū)，總的來(lái)說(shuō)銅仁市冬季凝凍事件由西北向東南方向逐漸增強(qiáng)(圖2)。

圖2 近40 a銅仁市冬季凝凍事件空間分布圖Fig.2 spatial distribution of winter freezing events in Tongren in recent 40years

按照凝凍級(jí)別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，近40 a銅仁市冬季輕級(jí)凝凍出現(xiàn)32次，中級(jí)凝凍出現(xiàn)77次，重級(jí)凝凍出現(xiàn)38次，特重級(jí)凝凍出現(xiàn)17次(表3)，銅仁市冬季多出現(xiàn)4～5 d的中級(jí)凝凍過(guò)程，是所有級(jí)別凝凍過(guò)程的47%，銅仁多在12月下旬開(kāi)始出現(xiàn)凝凍事件，銅仁冬季凝凍事件最早出現(xiàn)時(shí)間是1997年12月2日的萬(wàn)山站，2008年冬季石阡、江口、玉屏、碧江、萬(wàn)山等5個(gè)區(qū)縣出現(xiàn)特重級(jí)凝凍天氣過(guò)程，其中萬(wàn)山持續(xù)天數(shù)長(zhǎng)達(dá)22 d，最低氣溫低至-8 ℃，累積降雨量達(dá)79 mm。

表3 近40 a銅仁市冬季出現(xiàn)凝凍事件次數(shù)統(tǒng)計(jì)表Tab.3 Statistics of freezing events in winter in Tongren in recent 40 years

2.4 銅仁強(qiáng)弱凝凍年及異常凝凍年成因分析

2.4.1強(qiáng)弱凝凍年 按照前文強(qiáng)弱凝凍年定義方法，研究1978—2019年銅仁市強(qiáng)弱凝凍年和異常凝凍年。結(jié)果表明，近40 a銅仁市平均年雨凇日為35 d，平均值與標(biāo)準(zhǔn)差之和為59 d，平均值與標(biāo)準(zhǔn)差之差為12 d，由圖3可知其中有7 a為強(qiáng)凝凍年，僅有1999年、2017年為弱凝凍年，強(qiáng)凝凍年即異常凝凍年為1981年、1984年、1985年、2008年、2011年、2012年、2018年。

圖3 近40 a銅仁市凝凍強(qiáng)弱年變化曲線(xiàn)圖Fig.3 annual variation curve of freezing strength in Tongren in recent 40 years

根據(jù)本文凝凍事件個(gè)例庫(kù)統(tǒng)計(jì)分析表明，7個(gè)異常凝凍年共發(fā)生42次凝凍天氣過(guò)程，是近40 a銅仁市凝凍過(guò)程的1/4，除萬(wàn)山1985年、2018年12月最早出現(xiàn)凝凍過(guò)程外其余地區(qū)均在1月最早出現(xiàn)凝凍過(guò)程，凝凍過(guò)程平均溫度在0～-4.9 ℃之間，凝凍過(guò)程最低溫度在-0.6～-8 ℃之間，過(guò)程降雨量在1.7～79 mm之間。

2.4.2異常凝凍年的成因分析 利用1978—2020年500 hPa高度場(chǎng)逐月再分析資料和秋季海表面溫度數(shù)據(jù)對(duì)異常凝凍年的成因進(jìn)行了初探。

對(duì)1978—2020年冬季500 hPa高度場(chǎng)和銅仁市雨凇日數(shù)距平序列進(jìn)行相關(guān)性分析，通過(guò)了α=0.05的顯著性檢驗(yàn)，由圖4a可知在烏拉爾山以東、巴爾什湖以北呈正相關(guān)，在30°N以北內(nèi)蒙古附近呈負(fù)相關(guān)。對(duì)前文分析出的7個(gè)異常凝凍年冬季500 hPa高度場(chǎng)距平序列進(jìn)行合成分析，由圖4b可知在烏拉爾山以東、巴爾什湖以北有很明顯的正距平中心，距平中心強(qiáng)度達(dá)60 hPa以上，在40°N附近我國(guó)內(nèi)蒙古地區(qū)有明顯的負(fù)距平。由以上分析表明，歐亞大陸500 hPa高度場(chǎng)中高緯出現(xiàn)北高南低的異常環(huán)流，即烏拉爾山以東、巴爾什湖以北有阻塞高壓，在東亞內(nèi)蒙古地區(qū)有低槽，是銅仁市異常凝凍年的主要環(huán)流形勢(shì)。

圖4 (a)近40 a冬季500 hPa高度與雨凇日相關(guān)性分布圖、(b)銅仁市異常凝凍年500 hPa高度距平場(chǎng)Fig.4 (a) Correlation distribution of winter 500 hPa height and glaze day in recent 40 years(b) 500 hPa height anomaly field in Tongren abnormal freezing year

根據(jù)白慧等[7]研究結(jié)果秋季海溫異常對(duì)貴州冬季凝凍具有很好的預(yù)測(cè)指示意義，選用1978—2020年秋季海表面溫度和銅仁市冬季雨凇日數(shù)距平序列進(jìn)行相關(guān)性分析，通過(guò)了α=0.05的顯著性檢驗(yàn)，圖5a發(fā)現(xiàn)秋季赤道太平洋Nino3.4區(qū)海溫與銅仁市凝凍呈負(fù)相關(guān)。對(duì)7個(gè)異常凝凍年秋季海表面溫度進(jìn)行分析，由圖5b可知在赤道太平洋Nino3.4區(qū)有明顯的負(fù)距平中心，負(fù)距平中心強(qiáng)度在-0.8°以下，且統(tǒng)計(jì)近40 a銅仁市7個(gè)異常凝凍年中6個(gè)異常凝凍年均是在LaNina年后出現(xiàn)，只有1981年例外，表明秋季赤道太平洋Nino3.4區(qū)的海溫異常偏低是銅仁市異常凝凍年發(fā)生的重要影響因子。

圖5 (a)近40 a秋季海溫與雨凇日相關(guān)性分布圖、(b)銅仁市異常凝凍年海溫距平場(chǎng)Fig.5 (a) Correlation distribution of autumn SST and glaze days in recent 40 years(b) Anomaly field of SST in abnormal freezing year in Tongren

3 結(jié)果與討論

通過(guò)1978—2020年銅仁市凝凍數(shù)據(jù)、高度場(chǎng)再分析和海表面溫度資料，綜合分析得出如下結(jié)果：

①近40 a銅仁市雨凇日共出現(xiàn)1 483 d，萬(wàn)山站出現(xiàn)1 088 d(占銅仁市73.4%)，銅仁市雨凇集中出現(xiàn)在12月、1月和2月。近40 a銅仁市10個(gè)國(guó)家站年平均雨凇天數(shù)在0.16～25.3 d之間，銅仁市冬季雨凇日東南部(萬(wàn)山)出現(xiàn)最多，中南部(江口)和南部(玉屏)出現(xiàn)較多，在西北部(沿河、德江)出現(xiàn)最少，銅仁市冬季雨凇日由西北向東南方向逐漸增加，近40 a銅仁市冬季雨凇日有不明顯的下降趨勢(shì)。

②近40 a年銅仁市冬季共出現(xiàn)164次凝凍天氣過(guò)程，輕級(jí)凝凍出現(xiàn)32次，中級(jí)凝凍出現(xiàn)77次，重級(jí)凝凍出現(xiàn)38次，特重級(jí)凝凍出現(xiàn)17次，其中萬(wàn)山出現(xiàn)128次是銅仁市冬季凝凍事件總數(shù)的78%，銅仁市冬季多出現(xiàn)4～5 d的中級(jí)凝凍過(guò)程，多在12月下旬開(kāi)始出現(xiàn)凝凍事件，最早出現(xiàn)時(shí)間是1997年12月2日的萬(wàn)山站， 其中2008年出現(xiàn)持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)影響范圍最大的特重級(jí)凝凍天氣過(guò)程。

③近40 a銅仁市強(qiáng)凝凍年共出現(xiàn)7 a，1999年、2017年為弱凝凍年，強(qiáng)凝凍年即異常凝凍年為1981年、1984年、1985年、2008年、2011年、2012年、2018年。異常凝凍年共發(fā)生42次凝凍天氣過(guò)程是近40 a銅仁市凝凍過(guò)程的1/4，過(guò)程平均溫度在0～-4.9 ℃之間，凝凍過(guò)程最低溫度在-0.6～-8 ℃之間，過(guò)程降雨量在1.7～79 mm之間。

④秋季赤道太平洋Nino3.4區(qū)的海溫異常偏低，500 hPa高度場(chǎng)在歐亞大陸中高緯出現(xiàn)北高南低的異常環(huán)流，即烏拉爾山以東、巴爾什湖以北有阻塞高壓，在東亞內(nèi)蒙古地區(qū)有低槽，中低層存在逆溫層，配合低緯暖濕氣流的輸送是銅仁市異常凝凍年的主要成因。下一步將對(duì)異常凝凍年的成因進(jìn)行更深入的研究，尋找銅仁市異常凝凍年的預(yù)測(cè)指標(biāo)。