基于不同標準的四川強降溫時空分布和區(qū)域特征

汪 麗 , 李淑君 , 甘薇薇 , 高 潔 , 郭善云

（1. 四川省氣象臺, 成都 610072；2. 高原與盆地暴雨旱澇災(zāi)害四川省重點實驗室 成都 610072；3. 四川省氣候中心, 成都 610072）

引言

寒潮是冬半年影響中國的重大災(zāi)害性天氣之一。強冷空氣影響四川時，氣溫急劇下降并伴有雨雪冰凍天氣，給農(nóng)林畜牧業(yè)、交通運輸、能源供應(yīng)、人民生產(chǎn)生活及健康等造成影響，尤其是川西高原（阿壩州、甘孜州）、攀西地區(qū)（涼山州和攀枝花市）和盆地周邊高寒山區(qū)大雪、冰凍天氣的危害更為嚴重。

1950年以來, 我國的寒潮研究各有側(cè)重，如陶詩言[1]把45°~65°N、70°~90°E 范圍劃為寒潮關(guān)鍵區(qū)，張淮等[2]分析了東亞反氣旋活動規(guī)律。這些工作對早期了解我國寒潮活動規(guī)律和建立預(yù)報方法有重要價值。20世紀80年代，氣象工作者對寒潮展開了大規(guī)模的研究，主要分析了寒潮中期過程的基本物理事實，同時對寒潮中期預(yù)報方法進行了一系列探索。21世紀以來，科學(xué)家更側(cè)重于研究寒潮天氣的氣候變化及其可能原因?？抵久鞯萚3]分析了1951~2006年我國寒潮活動特征，發(fā)現(xiàn)我國寒潮逐年活動的頻次呈明顯下降趨勢，目前處于不活躍階段。王遵婭等[4]提出西伯利亞高壓和冬季風(fēng)強度的減弱、西伯利亞低層冷堆溫度和中國地表溫度的顯著升高是中國寒潮及其伴隨大風(fēng)頻次減少的可能原因。錢維宏等[5]分析寒潮時空變化與冬季增暖的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)西風(fēng)帶天氣尺度斜壓波動減弱導(dǎo)致了我國中高緯度寒潮事件減少。同時，中國地域遼闊，南北方冷空氣活動差異極大，各省采用的寒潮標準也不盡相同[6-19]，如福建省采用日最低氣溫降幅衡量，吉林省采用日平均氣溫降幅衡量，或者兩種氣溫皆用，2018年還實施了修訂版GB/T 21987-2017《寒潮等級》國家標準[20]。雖然對于四川盆地的強降溫過程和寒潮氣候特征已做過一些分析研究[21-24]，但對全省性、川西高原和攀西地區(qū)強降溫過程天氣氣候特征的揭示還不夠全面細致，也缺乏基于不同要素和標準對強降溫過程的深入探討。因此，本文擬采用日最低氣溫和日平均氣溫對四川全省、攀西、川西高原地區(qū)強降溫過程和強降溫氣候特征進行研究，探尋基于日平均氣溫與日最低氣溫衡量的四川省強降溫過程差異，加深對四川省區(qū)域強降溫過程的認識，為各級氣象部門強降溫預(yù)警預(yù)報提供參考依據(jù)，更好地做好防災(zāi)減災(zāi)、農(nóng)林畜牧業(yè)、公共服務(wù)、交通能源等產(chǎn)業(yè)氣象服務(wù)。

1 資料、方法與劃分標準

四川省地跨青藏高原、橫斷山脈、云貴高原、秦巴山地和四川盆地等幾大地貌單元，最高點是西部的大雪山主峰貢嘎山（海拔7556 m），最低處在東部廣安市鄰水縣的御臨河（海拔184 m）[25]。如圖1所示，周邊大地形總體表現(xiàn)為西高東低，山地環(huán)抱，地形類型、地勢高低、山脈分布與走向、迎風(fēng)坡與背風(fēng)坡等都對四川省天氣氣候產(chǎn)生了重要影響。本文研究地區(qū)主要是四川全省、四川盆地、攀西地區(qū)和川西高原。

圖1 四川省地形分布

依據(jù)資料的連續(xù)性及完整性，經(jīng)嚴格質(zhì)量控制后，本文選取四川省156縣（市）站1960年10月~2016年4月共56 a秋冬春3季的日平均氣溫、日最低氣溫資料。依據(jù)表1中單站不同強降溫標準，區(qū)域內(nèi)50%以上站點達標即視為一次區(qū)域性強降溫過程。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用多項式回歸、EOF、差值合成T檢驗、M-K檢驗等方法研究四川全省、盆地、攀西地區(qū)、川西高原強降溫發(fā)生頻次的異同及其時空特征。

需要特別指出，夏季高空槽冷平流、暴雨云團等影響，四川也會產(chǎn)生8℃的降溫，而這時日最低氣溫少有低于10℃的，不屬于強冷空氣活動。因此，強降溫標準應(yīng)有最低氣溫的要求，這樣可排除夏季的強降溫現(xiàn)象。

2 四川強降溫過程特征分析

2.1 不同標準下強降溫頻次的異同

以日平均氣溫1、2級(表1)合計，近56a盆地代表站區(qū)域性強降溫179次，平均每年出現(xiàn)約3.3次。其中1級區(qū)域性強降溫96次，年均發(fā)生1.7次；2級區(qū)域性強降溫83次，年均發(fā)生1.5次。強降溫過程的持續(xù)時間是盆地偏長（1~4 d），川西高原（1~3 d）、攀西（1~3 d，偶有4 d）稍短。

以日平均氣溫2級對比中央臺≥8℃全國性和中國南方強降溫天氣過程，發(fā)現(xiàn)四川盆地的強降溫過程較全國性過程偏少52%，表明入侵盆地的冷空氣遠不及全國性強降溫頻次多。如僅與中國南方地區(qū)強降溫頻次對比，則盆地與我國南方地區(qū)相差無幾。實際上，盆地的地形特點導(dǎo)致冷空氣進入盆地后易發(fā)生堆積，氣層不易變性，其降溫幅度與中國南方地區(qū)相當(dāng)，有時甚至更大，持續(xù)時間也更長。

按照2017新版寒潮國家標準（表1中日最低氣溫3~5級），盆地近56 a僅發(fā)生4次區(qū)域性寒潮過程，1次區(qū)域性強寒潮過程，區(qū)域性超強寒潮未發(fā)生。通過降溫數(shù)據(jù)的變化分析，發(fā)現(xiàn)盆地寒潮過程太少的主要原因是標準要求的降溫幅度大，尤其是日最低氣溫限制太強，有時即使降溫幅度達標，但日最低氣溫未能降至標準要求的數(shù)值以下，從而不能判定發(fā)生寒潮。

表1 單站強降溫標準

基于上述原因，用日最低氣溫1~2級分析盆地代表站強降溫過程（文中均以此定義），則近56 a區(qū)域性強降溫共發(fā)生182次，其中1級147次，2級35次，加上5次寒潮和強寒潮，盆地年均發(fā)生區(qū)域性強降溫3.4次。強降溫過程的持續(xù)時間也是盆地偏長（1~3 d，最長4 d），攀西和川西高原較短（多為1~2 d，偶有3 d）。

2.2 強降溫過程年際變化

由多項式回歸曲線看到，20世紀60年代~21世紀，四川省日平均氣溫和日最低氣溫強降溫頻次距平逐年時間序列呈大致相同的“增加-減少”年代際變化特征，但年際波動較大，整體呈弱減少趨勢（圖2a、b）。其中，20世紀60年代初~80年代末期為顯著的強降溫頻次偏多期，90年代為強降溫頻次偏少期，21世紀00年代為弱偏多或持平期，此后又逐漸轉(zhuǎn)為偏少期。以±1個標準差為基準確定異常偏多（少）年份，則研究時段內(nèi)主要有11年（1962、1965、1969、1971、1972、1976、1977、1978、1979、1986、2000年）為降溫頻次異常偏多的年份，有4年（1983、1996、2006、2014年）為異常偏少的年份。

運用Mann-Kendall方法對單站日均溫、日最低溫強降溫頻次時間序列進行突變檢驗（圖2c、d），可確定強降溫頻次的突變點均在1990年。由UF曲線變化可知，在2005年以后這種減弱趨勢均超過了0.05臨界線，表明2005年后無論是日平均氣溫還是日最低氣溫單站強降溫頻次的減少是十分顯著的。

圖2 四川強降溫頻次年際變化及M-K檢驗（a、c. 日平均氣溫，b、d. 日最低氣溫）

由單站日平均氣溫強降溫頻次異常偏多年與偏少年的差值合成T檢驗結(jié)果可知，全省強降溫頻次偏多年的主要貢獻來自于盆地和川西高原南部的局部地區(qū)，且通過了95%的顯著性檢驗（圖3a）。日最低氣溫強降溫頻次差值T檢驗則顯示全省降溫頻次偏多年的主要貢獻來自于盆地、阿壩州、甘孜州北部、攀西地區(qū)東部，同樣通過了95%的顯著性檢驗（圖3b）。

圖3 強降溫頻次差值合成 T 檢驗（a. 日平均氣溫，b. 日最低氣溫）

2.3 單站強降溫過程的時空分布

本節(jié)分析了四川省單站日平均氣溫、日最低氣溫強降溫頻次的EOF分解第一模態(tài)特征向量空間分布及其時間系數(shù)的演變。由第一模態(tài)的特征向量空間場（圖4a、b）可知，強降溫年際頻次變化趨勢主要呈現(xiàn)為全區(qū)一致型分布，其方差貢獻率分別為 32.5%、32.7%，表明四川省強降溫頻次的變化趨勢較為一致，其中盆地腹地一致性最高，然后向盆北、盆周及川西高原、攀西地區(qū)減小，四川省西南部邊緣地區(qū)一致性最差。對應(yīng)的時間系數(shù)（圖4c、d）反映了第一模態(tài)的年際變化特征，其正（負）位相對應(yīng)強降溫頻次全省偏多（少）的分布。由圖可見，兩種標準的年際變化總趨勢相似，略有差異，其中20世紀60年代中期~70年代初期差異較大。

圖4 日平均氣溫（左）、日最低氣溫（右）強降溫頻次EOF分解第一模態(tài)特征向量空間分布（a、b）及其時間系數(shù)（c、d）

由圖5a可知，單站日平均氣溫強降溫頻次全省平均每年發(fā)生4.4次，平均降溫幅度8.4℃。甘孜州北部、阿壩州西北部、涼山州中東部發(fā)生頻次最多，盆地西北部、阿壩州南部發(fā)生頻次最少。

如圖5b所示，單站日最低氣溫強降溫頻次全省平均每年發(fā)生6.7次，平均降溫幅度8.1℃。甘孜州、阿壩州北部發(fā)生頻次最多，然后自西北向東南減少，宜賓、瀘州、攀枝花市、涼山州南部等地發(fā)生頻次最少。隨著判定標準中日最低氣溫的升高以及部分條件的剔除，盆地東北部、中部、西南部、攀西中部、南部等地發(fā)生頻次顯著增多，而海拔高、氣溫低的甘孜州和阿壩州大部無甚變化。

如圖5c所示，若將日平均氣溫替換為日最低氣溫來衡量強降溫過程，則阿壩州西部和北部、甘孜州中部和西部以及廣元市頻次增多，涼山州中東部、攀枝花、樂山、宜賓、瀘州、自貢、內(nèi)江、眉山、雅安、廣安、達州、資陽等地頻次減少，涼山州寧南縣減少最多，近56 a達284次。

圖5 近56 a單站強降溫頻次空間分布（a. 日平均氣溫，b. 日最低氣溫，c. 差值）

另外，造成上述川西高原單站強降溫頻次多的主要原因還是區(qū)域小氣候的不同。由代表站的各月平均氣溫日較差（表2）可見，單站氣溫的日較差在川西高原和攀西地區(qū)大，而盆地小。結(jié)合降溫及天氣實況分析，僅天氣日變化，即可能造成川西高原和攀西部分地區(qū)單站或局地強降溫，全省東部、南部單站強降溫頻次的減少則與天氣影響系統(tǒng)、氣溫等因素相關(guān)。

表2 代表站各月氣溫平均日較差

2.4 盆地、攀西地區(qū)、川西高原強降溫過程的異同

將盆地、川西高原、攀西地區(qū)、盆地17個代表站和全省按各區(qū)域50%以上站點同一天達標視為一次區(qū)域性強降溫過程，分別討論各區(qū)不同標準下區(qū)域性強降溫頻次的差異。

由表3知，不同強降溫標準下，不同區(qū)域強降溫發(fā)生頻次差距較大，但盆地始終多于全省、攀西地區(qū)和川西高原，而由于攀西地區(qū)和川西高原區(qū)域性強降溫頻次偏少的緣故，全省區(qū)域性強降溫頻次始終少于盆地。用日平均氣溫和日最低氣溫分別衡量強降溫發(fā)生頻次時，攀西與川西高原的強降溫頻次變化截然相反，呈“一增一減”特征。

表3 不同區(qū)域強降溫頻次

在相同降溫幅度下，川西高原以日最低氣溫衡量的強降溫頻次較以日平均氣溫衡量的強降溫頻次偏多約130%，攀西地區(qū)以日最低氣溫衡量的強降溫頻次較以日平均氣溫衡量的強降溫頻次偏少約65%。

如果僅以日最低氣溫降幅衡量，剔除日最低氣溫必須降至多少度的限制，則由于攀西地區(qū)和川西高原強降溫頻次明顯增多，全省強降溫頻次也明顯升至120次（表略）。

2.4.1 盆地、攀西地區(qū)、川西高原強降溫過程發(fā)生時間的異同

將盆地、攀西地區(qū)和川西高原三區(qū)各自達標且時間連續(xù)的強降溫視為同一次過程進行統(tǒng)計，結(jié)果表明：三區(qū)同步的日最低氣溫強降溫過程僅3次，攀西地區(qū)與盆地同步有10次，川西高原與盆地同步有4次，川西高原與攀西地區(qū)同步有3次；而三區(qū)同步的日平均氣溫強降溫過程達11次，攀西地區(qū)與盆地同步有46次，川西高原與盆地同步有2次，川西高原與攀西地區(qū)同步有3次；其余強降溫過程均是各區(qū)域各自達標。這種盆地、川西高原、攀西地區(qū)區(qū)域性強降溫過程發(fā)生時間不同步的現(xiàn)象也間接證實了表3中全省性強降溫頻次偏少的原因。

根據(jù)已有研究，造成三區(qū)這種時間不同步現(xiàn)象的原因可能有兩個。一是與冷空氣影響路徑密切相關(guān)，冷空氣入侵四川有3條主要路徑：（1）經(jīng)河套后，翻越秦嶺、大巴山從正北方向進入四川，是最多一類；（2）經(jīng)內(nèi)蒙、華北一帶的冷空氣主體從東部南下，冷高壓后部冷空氣從四川盆地東北部入侵，再擴展到其余地區(qū)；（3）冷空氣翻越天山進入南疆，經(jīng)青海爬上青藏高原，再進入四川。二是與天氣影響系統(tǒng)相關(guān)，不同的天氣影響系統(tǒng)以及系統(tǒng)影響時間和范圍的不同均可能導(dǎo)致強降溫發(fā)生的時間和區(qū)域不同。

2.4.2 盆地、攀西地區(qū)、川西高原強降溫頻次的月際變化

圖6給出了不同標準下四川盆地、攀西地區(qū)和川西高原強降溫頻次月際變化。如圖6a所示，日平均氣溫強降溫過程盆地以3、4、5月最多，10、11月次之，隆冬最少；攀西地區(qū)以3、4、5月最多，11、12月最少；川西高原全年都少，1、2、3、4、5、11、12月有發(fā)生，9、10月無發(fā)生。如圖6b所示，日最低氣溫強降溫過程盆地以3、11、12月最多，1、2月次之，4、10月最少，5、9月無發(fā)生；攀西地區(qū)以11、12、1、3月最多，2、4、10月最少，5、9月無發(fā)生；川西高原以9、10、11月最多，3、4、12月次之，1、2、5月最少。

圖6 不同標準下四川盆地、攀西地區(qū)和川西高原強降溫頻次月際變化（a. 日平均氣溫，b. 日最低氣溫）

由上述雙標月際對比分析可知，盆地、攀西地區(qū)日最低氣溫強降溫頻次在4、10月最少，是由于強冷空氣影響后日最低氣溫必須低于限制溫度的標準過低，導(dǎo)致在春秋兩季冷空氣活躍時期出現(xiàn)強降溫過程最少（含5、9月）。若將日最低氣溫限制提高，則盆地和攀西地區(qū)春秋季強降溫頻次增多。

2.4.3 不同范圍區(qū)域性強降溫頻次的異同

四川省面積約49.2萬 km2，其中，攀西地區(qū)6.75萬 km2、川西高原23.72萬 km2、盆地18.13萬 km2。攀西地區(qū)和川西高原約占全省土地總面積的60%，但氣象站卻較盆地偏少50%，其站點分布密度是盆地>攀西>高原。本節(jié)降低強降溫過程的區(qū)域劃分標準，分別按各區(qū)域有1/3或1/4站點同一天達到強降溫標準即視為一次區(qū)域性強降溫過程進行統(tǒng)計，則區(qū)域性強降溫頻次明顯上升（圖7）。其中，川西高原上升最多，攀西地區(qū)次之，盆地最少。以日平均氣溫衡量降溫幅度（圖7a）可知，攀西地區(qū)發(fā)生頻次多于川西高原，但隨著達標范圍縮小至1/4站點時，反轉(zhuǎn)發(fā)生，川西高原發(fā)生頻次反超攀西地區(qū)。以日最低氣溫衡量降溫幅度（圖7b）可知，川西高原始終多于攀西地區(qū)，可能與川西高原特殊地形、氣候特征相關(guān)。

圖7 不同范圍區(qū)域性強降溫頻次（a. 日平均氣溫，b. 日最低氣溫）

3 結(jié)論與討論

本文采用1960年10月~2016年4月四川省156縣（市）逐日平均氣溫和最低氣溫資料，按照不同的強降溫標準，研究四川強降溫過程的時空分布和區(qū)域特征，得出如下主要結(jié)論：

（1）四川強降溫頻次逐年時間序列基本呈“增加-減少”的年代際變化特征，但年際波動較大，整體呈弱減少趨勢。

（2）四川強降溫頻次的突變點在1990年，自2005年后，單站強降溫頻次的減少十分顯著。

（3）由于冷空氣路徑和天氣影響系統(tǒng)的不同，以及四川特殊地形和氣候特征的差異，導(dǎo)致了盆地、攀西地區(qū)、川西高原區(qū)域性強降溫過程發(fā)生時間存在不同步性。

（4）以日平均氣溫和日最低氣溫衡量四川省區(qū)域性強降溫頻次，均是盆地最多，攀西地區(qū)和川西高原少；單站強降溫頻次川西高原北部最多。僅以日最低氣溫降幅、無日最低氣溫必須低至一定值衡量時，三區(qū)域強降溫頻次差距最小。

（5）在強降溫標準中增加最低氣溫指標，可排除夏季的強降溫天氣。如果按站點與區(qū)域面積的比例達標劃分區(qū)域性強降溫過程，則區(qū)域性強降溫過程可能更合理。

由于篇幅所限，本文未能對強降溫事件的空間分布差異、各區(qū)域發(fā)生時間的不同步性、單站頻次分布差異等進行深入探討，有待于在今后工作中進一步研究。