包頭市秋冬季高影響天氣變化特征分析

吳瑕

摘要 基于1951—2020年包頭國家基本氣象站逐日氣候要素和天氣現(xiàn)象資料，分析了該區(qū)域秋冬季多種高影響天氣氣候事件的發(fā)生強(qiáng)度和頻率。結(jié)果表明：過去70年間，最大凍土深度以4.05 d/10 a的趨勢顯著下降，降雪日數(shù)、積雪日數(shù)、最大積雪深度、低溫日數(shù)以及冰雹日數(shù)變化趨勢總體平穩(wěn)，略有下降，平均地面溫度則以0.46 d/10 a的趨勢緩慢上升。積雪日數(shù)和低溫日數(shù)1月最多，降雪日數(shù)和冰雹日數(shù)分別是2月和9月最多。高影響天氣氣候事件發(fā)生的強(qiáng)度和頻率可能會在全球氣候變暖的背景下增加，因此，制定更多緩解與適應(yīng)氣候變化的策略是重中之重。

關(guān)鍵詞 秋冬季;高影響天氣事件;趨勢

中圖分類號：P467 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：2095–3305（2022）04–0082–03

隨著社會和國民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，全球范圍內(nèi)因自然災(zāi)害遭受的損失越來越大，社會公眾也越來越關(guān)注各種天氣事件對生產(chǎn)、生活及交通方面的影響。高影響天氣氣候事件被定義為可能造成嚴(yán)重災(zāi)害并且對社會產(chǎn)生重大影響的異常氣候或天氣現(xiàn)象，相比于氣候平均態(tài)的變化，高影響天氣氣候事件更易對社會經(jīng)濟(jì)和生命財(cái)產(chǎn)造成災(zāi)難性的后果[1-2]。國內(nèi)外許多學(xué)者都開展了關(guān)于高影響天氣發(fā)生發(fā)展特征的研究，翟盤茂等[3]發(fā)現(xiàn)長江中下游地區(qū)強(qiáng)降水事件發(fā)生頻率在氣候變暖背景下更頻繁，東北華北地區(qū)干旱趨勢在20世紀(jì)末期至21世紀(jì)初期間明顯上升。呂勇平[4]通過研究2010年廣州亞運(yùn)會期間同期氣象氣候條件得出，影響開幕式的高影響天氣是強(qiáng)降水與強(qiáng)冷空氣。左同連[5]分析了氣象災(zāi)害對航班延誤、損失與安全等方面造成的影響，從而建立了評估模型。史軍等[6]指出了1959—2010年長江三角洲的雷暴、大風(fēng)、低溫、降雪與大霧日數(shù)均明顯減少，而暴雨與高溫日數(shù)沒有顯著變化;雷暴、低溫、降雪與大霧日數(shù)發(fā)生了減少突變，而暴雨與高溫日數(shù)發(fā)生了增多突變。

包頭市地處中國華北地區(qū)，主要是溫帶大陸性季風(fēng)氣候，易出現(xiàn)各種極端天氣，從而對農(nóng)牧業(yè)造成嚴(yán)重影響[7]。本研究選用包頭國家基本氣象站1951—2020年的歷史資料，統(tǒng)計(jì)分析了降雪日數(shù)、積雪日數(shù)、最大積雪深度、低溫日數(shù)、地面溫度變化、地溫的垂直分布、凍土的凍結(jié)與融化規(guī)律、最大凍土深度以及冰雹日數(shù)的變化特征，以期為包頭市應(yīng)對災(zāi)害性天氣提供科學(xué)依據(jù)。

1 高影響天氣變化特征

1.1 降雪、積雪日數(shù)

當(dāng)氣象觀測站四周被雪（包括冰粒、米雪、霰）覆蓋超過能見面積50%時(shí)，氣象上稱為積雪，該日則稱之為一個(gè)積雪日[8]。1951—2020年包頭國家基本氣象站累年平均降雪日數(shù)為19.0 d，年際變化在1 d（2013年）～37 d（2020年）之間，降雪日數(shù)以0.24 d/10 a的速率減少。

降雪主要發(fā)生在1—3月和11—12月，分別為3.4、3.9、3.5、2.8、3.4 d。年平均積雪日數(shù)為22.7 d，歷年積雪日數(shù)在3 d（1965年）～55 d（1964年、1967年）之間變化，以平均每10 a減少0.09 d的趨勢下降。積雪月均日數(shù)表現(xiàn)出顯著的季節(jié)變化趨勢，冬季發(fā)生次數(shù)最多，春季次之。1月日數(shù)最多為7.8 d，2月次之，為5.9 d。

建站至今（1951—2020年），包頭國家基本氣象站最大積雪深度為21 cm，出現(xiàn)在1957年4月10日。年際變化趨勢總體平穩(wěn)，略有下降，以平均每10 a減少0.007 d的趨勢下降。

1.2 低溫日數(shù)

根據(jù)《內(nèi)蒙古地區(qū)極端高溫、低溫和降雨標(biāo)準(zhǔn)》（DB15/T 933—2015），日最低氣溫小于或等于-25℃被定義為“低溫日”。包頭國家基本氣象站累年平均低溫日數(shù)為2.0 d，1971年出現(xiàn)低溫日數(shù)最多，為17 d。此外，共計(jì)35年未發(fā)生低溫天氣，低溫日數(shù)呈下降趨勢。低溫天氣主要發(fā)生在1—2月和12月，分別為1.1、0.4、0.5 d。

1.3 凍融

地溫作為凍土區(qū)域各類建筑物地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的重要參數(shù)之一，對合理選擇施工期、基礎(chǔ)埋深和基礎(chǔ)斷面以及保障建筑物穩(wěn)定具有重大意義。因此，在礦區(qū)建設(shè)中，對建筑物的設(shè)計(jì)和施工必須準(zhǔn)確掌握凍土的發(fā)生發(fā)展規(guī)律，并考慮其對工程的影響。

1.3.1 地面溫度變化 圖1為包頭國家基本氣象站地面溫度年際變化圖。該站自1961年開始連續(xù)地溫觀測記錄，近60年（1961—2020年）包頭地區(qū)地面年平均溫度最高為11.8℃，最低為7.7℃，呈波動(dòng)性上升趨勢。

由包頭國家基本氣象站多年地面平均溫度統(tǒng)計(jì)資料（表1）可知：近60年、近30年和近10年年平均地面溫度分別為9.9、10.7和11.1℃。包頭國家基本氣象站地面溫度的年變化規(guī)律為：月最低地面溫度均出現(xiàn)在1月，月最高地面溫度均出現(xiàn)在7月，升溫均以4、5月最快，降溫則以10月、11月最劇烈。

1.3.2 地溫的垂直分布 包頭國家基本氣象站自1980年開始有深層地溫（160 cm）連續(xù)觀測資料，表2統(tǒng)計(jì)了近41年（1980—2020年）來包頭國家基本氣象站不同深度地溫值，該站不同深度地溫年變化見圖2。

冬季因氣溫急劇下降，地表不斷從土壤更深層汲取熱量，造成地溫由淺層向深層呈上升趨勢，包頭國家基本氣象站1月0、40、80和160 cm的平均地溫分別為-11.0、-5.4、-1.7和3.9℃;夏季則正好相反，地表升溫后，不斷向更深層傳送熱量，造成地溫由淺層向深層呈下降趨勢，7月0、40、80和160 cm平均地溫分別為29.2、24.6、21.7和16.9℃。

包頭國家基本氣象站地溫最低月與最高月的出現(xiàn)時(shí)間均表現(xiàn)為隨深度的增加而逐漸滯后，0 cm、40 cm最低月與最高月出現(xiàn)的時(shí)間與氣溫相仿，最低月為1月，最高月為7月;80、160 cm地溫最低月與最高月分別出現(xiàn)在2月和8月。地溫的年較差隨深度的增加而減小，0、40、80和160 cm地溫的年較差分別為40.2、30.0、23.8和16.3℃。這是因?yàn)榈乇硎巧峤禍睾臀鼰嵩鰷氐闹苯幼饔妹?，土壤的保溫作用越往深層則越強(qiáng)，在達(dá)到一定深度后，還可能出現(xiàn)恒溫層。

1.3.3 凍土的凍結(jié)與融化規(guī)律 凍土是指在0℃以下，含有水分的土壤發(fā)生凍結(jié)的現(xiàn)象，主要分為多年凍土、季節(jié)凍土和短時(shí)凍土，亦分別稱之為永久凍土、半月至數(shù)月凍土和數(shù)小時(shí)/數(shù)日以至半月凍土[9]。多年觀測表明，包頭國家基本氣象站屬季節(jié)性凍土地帶。通常每年10月開始出現(xiàn)凍土，隨著氣溫下降則凍土深度加深，至翌年2—3月凍土深度達(dá)到最大，4—5月凍土逐漸消失。該區(qū)域土壤凍結(jié)最早出現(xiàn)日期為9月27日（1982年），最晚出現(xiàn)日期為11月14日（1971年）;土壤凍結(jié)化通最早出現(xiàn)日期為3月10日（1990年），最晚出現(xiàn)日期為4月30日（1983年）。

1.3.4 最大凍土深度 該站自1954年開始有完整的記錄，1954—2020年間最大凍土深度最大值為175 cm，出現(xiàn)在1957年3月15日，最小值為86 cm，出現(xiàn)在2002年2月9日。年平均最大凍土深度為124.3 cm，其年際變化正以4.05 d/10 a的速率顯著減少。

1.4 冰雹日數(shù)

冰雹定義為堅(jiān)硬的錐狀、球狀或不規(guī)則形狀的固態(tài)降水，直徑可達(dá)幾毫米至幾十毫米，常與雷暴一起出現(xiàn)。根據(jù)其發(fā)生條件、降雹強(qiáng)度和發(fā)展過程可劃分為冷鋒降雹、颮線降雹和氣團(tuán)性降雹3種[10]。

包頭國家基本氣象站（1970—2020年）冰雹的年平均日數(shù)為2.0 d，有55年發(fā)生了冰雹天氣;冰雹天氣主要發(fā)生在5—9月，占全年的86.2%。

2 防御建議

2.1 降雪/積雪的防御建議

健全雨雪冰凍災(zāi)害應(yīng)急防御機(jī)制，明確各單位責(zé)任分工，檢查外露設(shè)備與線路是否被積雪覆蓋或結(jié)冰，及時(shí)處理覆雪、結(jié)冰，避免造成安全隱患或生產(chǎn)停工。社會公眾應(yīng)及時(shí)轉(zhuǎn)移室外易倒塌受損的物件，避免造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。

2.2 低溫災(zāi)害的防御建議

低溫天氣會降低人的體感溫度，造成凍傷，也易讓戶外工作人員感染呼吸道疾病。應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注氣象部門發(fā)布的低溫災(zāi)害預(yù)警信號，針對突發(fā)低溫事件，及時(shí)協(xié)調(diào)工作計(jì)劃，編制維護(hù)方案，減少其對公眾生產(chǎn)生活的直接危害。戶外施工人員應(yīng)根據(jù)各區(qū)域低溫持續(xù)時(shí)間，在受低溫災(zāi)害嚴(yán)重的區(qū)域，選用韌性、塑性較好的材料。

2.3 凍融的防御建議

施工人員應(yīng)充分考慮建筑區(qū)域氣候特征和凍土的凍結(jié)與融化規(guī)律，選擇耐性好的基礎(chǔ)材料，以減少凍害造成的損失。包頭市地區(qū)凍土期一般在9月下旬—翌年的5月，戶外工作人員應(yīng)盡量避免在此期間施工。如若實(shí)在避不開，需提前制定防凍措施，并嚴(yán)格按照冬季施工規(guī)劃進(jìn)行作業(yè)，確?；A(chǔ)地基在施工期間和施工完成后均不受凍。

包頭市地區(qū)最大凍土深度在1957年出現(xiàn)歷年最大值，達(dá)175 cm，因此該區(qū)域地面建筑物的地下結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)埋深不得少于175 cm。此外，燃?xì)夤艿?、?排水管道的管線覆土深度也必須嚴(yán)格按照凍土深度進(jìn)行設(shè)計(jì)。

研究表明，當(dāng)土壤溫度低于0℃時(shí)，電阻率會隨溫度的下降而顯著增高，當(dāng)溫度在-20℃左右時(shí)，電阻率可達(dá)到106 Ω·m[11]。因此，將接地體埋入土壤中時(shí)，其深度不得少于0.5 m。凍土深度和厚度會因地質(zhì)巖性、植被坡向、地理位置、水分狀況等條件略有差異，戶外工作人員應(yīng)根據(jù)實(shí)際勘探結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)、施工。

2.4 冰雹的防御建議

冰雹從高空急速落下，沖擊力較大，可能會損壞建筑，破壞通信設(shè)施，嚴(yán)重時(shí)還可能造成人員傷亡。人們應(yīng)及時(shí)關(guān)注氣象部門發(fā)布的冰雹天氣預(yù)報(bào)預(yù)警信息，社會公眾在冰雹天氣高發(fā)期應(yīng)做到盡量避免外出。已經(jīng)發(fā)生冰雹天氣時(shí)，戶外工作人員應(yīng)及時(shí)轉(zhuǎn)移易倒塌受損材料，并停止作業(yè)，避免被冰雹或建筑材料誤傷。

3 結(jié)論

以包頭國家基本氣象站近70年地面觀測資料為基礎(chǔ)，分析了該區(qū)域秋冬季發(fā)生頻率較高的高影響天氣的氣候特征，分析結(jié)果有利于增強(qiáng)社會公眾防災(zāi)減災(zāi)的意識，并及時(shí)采取防范措施，主要結(jié)論如下：

（1）近70年該站平均地面溫度以0.46 d/10 a的趨勢緩慢上升，而降雪日數(shù)、積雪日數(shù)、低溫日數(shù)、冰雹日數(shù)、最大積雪深度和最大凍土深度均呈下降趨勢;該站最大積雪深度為21 cm，出現(xiàn)在1957年4月10日。

（2）近60年該站地面年平均溫度呈波動(dòng)性上升趨勢，月最低地面溫度均出現(xiàn)在1月，月最高地面溫度均出現(xiàn)在7月，升溫均以4、5月為最快，降溫則以10月、11月最劇烈;冬季地溫由淺層向深層呈上升趨勢，夏季則相反;地溫最低月與最高月的出現(xiàn)時(shí)間均表現(xiàn)為隨深度的增加而逐漸滯后，地溫的年較差隨深度的增加而減小。

（3）包頭國家基本氣象站屬季節(jié)性凍土地帶，該區(qū)域土壤凍結(jié)最早出現(xiàn)日期為1982年9月27日，最晚出現(xiàn)日期為1971年11月14日;土壤凍結(jié)化通最早日期為1990年3月10日，最晚日期為1983年4月30日;年最大凍土深度最大值和最小值分別為1957年3月15日的175 cm和2002年2月9日的86 cm。

（4）社會公眾應(yīng)及時(shí)關(guān)注氣象部門發(fā)布的強(qiáng)對流天氣災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警信息，相關(guān)部門需要提前規(guī)劃好應(yīng)對極端天氣的防御措施，并不斷加大宣傳力度，加強(qiáng)市民對極端天氣的認(rèn)識和重視，增強(qiáng)防護(hù)意識，從而減少災(zāi)害性天氣造成的損失。

參考文獻(xiàn)

[1] 中國科學(xué)院學(xué)部.高影響天氣氣候事件對我國可持續(xù)發(fā)展的影響和對策[J].中國科學(xué)院院刊，2010，25（1）：94-95.

[2] 趙琳娜，馬清云，楊貴名，等.2008年初我國低溫雨雪冰凍對重點(diǎn)行業(yè)的影響及致災(zāi)成因分析[J].氣候與環(huán)境研究， 2008，13（4）：556-566.

[3] 翟盤茂，劉靜.氣候變暖背景下的極端天氣氣候事件與防災(zāi)減災(zāi)[J].中國工程科學(xué)，2012，14（9）：55-63，84.

[4] 呂勇平.亞運(yùn)會期間廣州同期歷史氣候特點(diǎn)及高影響天氣[J].廣東氣象，2010， 32（4）：4-5，9.

[5] 左同連.南京祿口國際機(jī)場氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評估方法初探[J].中國戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，2017（20）：126，128..

[6] 史軍，陳伯民，穆海振，等.長江三角洲高影響天氣演變特征及成因分析[J].高原氣象，2015，34（1）：173-182..

[7] 王躍勤.2015包頭春季氣候?qū)r(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)的影響[J].中國農(nóng)業(yè)信息，2015（15）： 103.

[8] 朱乾根，林錦瑞，壽紹文，等.天氣學(xué)原理與方法[M].北京：氣象出版社，2007.

[9] 徐學(xué)祖.凍土分類現(xiàn)狀及建議[J].冰川凍土，1994（3）：193-201.

[10] 洪延超.冰雹形成機(jī)制和催化防雹機(jī)制研究[J].氣象學(xué)報(bào)，1999，57（1）：31-45.

[11] 何金良，曾嶸，陳水明.輸電線路雷電防護(hù)技術(shù)研究（三）：防護(hù)措施[J].高電壓技術(shù)，2009，35（12）：2917-2923.

責(zé)任編輯：黃艷飛

Characteristics of Autumn and Winter High-influence Weather Variation in Baotou

WU Xia （Baotou Meteorological Observatory， Baotou， Inner Mongolia 014030）

Abstract Based on the daily climatic elements and weather phenomenon data of Baotou National Basic Meteorological Station from 1951 to 2020， this paper analyzed the occurrence intensity and frequency of various autumn-winter high- influence weather and climate events in this region. The results showed that the maximum frozen soil depth had decreased significantly with a trend of 4.05 days/10 years in the past 70 years. On one hand， the change of snowfall days， snow days， maximum snow depth， low temperature days and hail days were generally stable， with a slight decrease. On the other hand， the average ground temperature rose slowly at a trend of 0.46 days/10 years. The snow days and low temperature days were the most in January， while the snowfall days and hail days were the most in February and September， respectively. The intensity and frequency of high-influence weather and climate events may increase in the context of global warming， so developing more mitigation and adaptation strategies remains a top priority.

Key words Autumn-winter; High-influ-ence weather and climate events; Trends