貴州省區(qū)域性凝凍過程的時空特征分析

任曼琳 , 李忠燕 , 譚婭姮 , 嚴小冬* , 張東海

（1.貴州省氣候中心，貴陽 550002；2.貴州省山地氣候與資源重點實驗室，貴陽 550002）

引言

當過冷水滴下降至地面，與低于0℃的物體接觸并在其表面凍結形成覆冰層的現象，被稱為凝凍，其中以雨凇為主，形成雨凇的雨叫凍雨。貴州是我國凝凍災害最重、發(fā)生最為頻繁的省份，約占全國總數的84%[1-3]，這是由于貴州地區(qū)海拔普遍在1000 m以上，呈現西高東低的喇叭口地形，境內山地、河流眾多，處于中低緯且位于西南水汽輸送帶上，多冷暖空氣交匯，靜止鋒及切變系統(tǒng)極易形成，每年冬季在北方冷空氣的不斷入侵之下，常形成陰雨連綿的低溫天氣導致貴州地區(qū)凝凍災害頻發(fā)[4-7]。目前，已從環(huán)流形勢和影響系統(tǒng)演變等角度對貴州凝凍災害形成的天氣形勢和垂直結構特征有了一定的認識[8-10]，并從海溫異常、環(huán)流異常、關鍵區(qū)因子等方面入手，深入分析了貴州凝凍災害的氣候背景[4,11-15]，取得了一系列有意義的成果。

眾所周知，持續(xù)的區(qū)域性凝凍災害對交通、電力及人民群眾的生活生產安全影響巨大，其中2008年1月10日～2月2日和2011年1月1日～2月5日貴州省經歷了極端的區(qū)域性凝凍過程，這兩次超強凝凍過程事件的影響范圍之廣、強度之大、持續(xù)時間之長，歷史罕見，給貴州社會經濟造成了嚴重的損失[16-20]。因此，本文利用1961～2019年貴州省84站逐日雨凇資料，在改進現有區(qū)域性凝凍過程指標并確立新標準的基礎上，進一步分析區(qū)域性凝凍過程的時空演變特征，以期為加深對區(qū)域性凝凍災害的認知和提升區(qū)域性凝凍災害的預測水平提供科學參考。

1 資料與方法

凝凍主要包括雨凇和霧凇。據統(tǒng)計，1961～2019年貴州霧凇共計出現1214 站次，雨凇共計出現31566站次，霧凇占比較少。另一方面，霧凇非冰非雪，是霧中無數0℃以下而尚未凝華的水蒸氣隨風在樹枝等物體上不斷積聚凍粘的結果，其形成條件較特殊。因此，本文選取1961年10月～2020年4月貴州省84站逐日雨凇觀測資料作為樣本數據，對霧凇不予考慮。冬季定義為當年10月1日～翌年4月30日，如1961年冬季為1961年10月1日～1962年4月30日。

本文采用小波分析、功率譜分析及M-K突變檢驗方法對區(qū)域性凝凍過程發(fā)生次數和天數的周期及突變特征進行分析，利用合成分析、聚類分析方法分析區(qū)域性凝凍過程的空間分布特征。

2 區(qū)域性凝凍過程指標確定

在實際業(yè)務中，多個國家和地方標準[21-23]均規(guī)定了貴州省單站凝凍過程的指標及分級指標，但是國家標準冰凍天氣等級和《貴州短期氣候預測技術》均未對區(qū)域性凝凍過程給出明確定義，而地方標準貴州省凝凍災害等級中給出的定義未對過程結束日進行明確規(guī)定。因此，有必要進一步完善這一標準。

《貴州短期氣候預測技術》中首先對單站凝凍過程進行了定義及分級：規(guī)定單個縣（區(qū)）連續(xù)出現3個以上（含3個）凝凍日則為單站凝凍過程，而當凝凍現象消失持續(xù)兩日，則凝凍消失的前一日定義為凝凍結束日；而凝凍過程持續(xù)天數≤3 d為輕級凝凍，持續(xù)4～5 d為中級凝凍，持續(xù)6～9 d為重級凝凍，持續(xù)天數≥10 d為特重級凝凍；以區(qū)域內各級凝凍的站數占比為依據，給出了年度區(qū)域性凝凍過程分級標準。地方標準貴州省凝凍災害等級中指出全省同時段有8個以上（含8個）縣（區(qū)）出現單站（縣級）凝凍過程則為一次區(qū)域性凝凍過程。

李忠燕等[24]利用貴州省雨凇觀測資料對貴州省單站凝凍過程的指標進行了訂正，指出單個縣（區(qū)）連續(xù)出現3 d以上（含3 d）凝凍日則為單站凝凍過程的起始條件。本文根據這一定義再結合地方標準貴州省凝凍災害等級中區(qū)域性凝凍過程的定義，規(guī)定某日監(jiān)測區(qū)域內有8站及以上出現凝凍則為一個區(qū)域性凝凍日，若監(jiān)測區(qū)域內連續(xù)出現3 d及以上區(qū)域性凝凍日，則一次區(qū)域性凝凍過程開始，連續(xù)出現2 d非區(qū)域性凝凍日，則該次區(qū)域性凝凍過程結束，過程首個區(qū)域性凝凍日為過程開始日，最后一個區(qū)域性凝凍日為過程結束日，開始日至結束日（含）的天數為過程持續(xù)天數。

3 區(qū)域性凝凍過程的時間分布特征

按照上節(jié)給出的新標準，統(tǒng)計了1961～2019年貴州省區(qū)域性凝凍過程。如圖1所示，近59 a貴州省共計出現134次區(qū)域性凝凍過程，年平均區(qū)域性凝凍過程次數為2.3次；其中1987年冬季發(fā)生區(qū)域性凝凍過程次數最多（6次），2004年和2011年冬季次之（5次），而1986年、2000年、2001年、2016年和2019年冬季未發(fā)生區(qū)域性凝凍過程。從每年區(qū)域性凝凍過程的累積天數來看，其累積天數介于0～43 d，平均為15 d；其中 1976 年累積天數最長（43 d），1983 年次之（40 d），1968年再次（34 d），1986年、2000年、2001年、2016年和2019年均為0 d。年區(qū)域性凝凍過程次數與累積天數均呈現明顯的年際振蕩特征，且兩者之間為顯著的正相關關系，相關系數為0.727；在年代際時間尺度上，二者變化特征相似，均呈“偏多-偏少-偏多-偏少”的趨勢變化。

圖1 1961～2019年貴州省區(qū)域性凝凍過程次數（藍線）和累積天數（紅線）時間序列

根據1961～2019年貴州省區(qū)域性凝凍過程次數的小波系數實部（圖2a）和功率譜（圖2b），可以看出：貴州省區(qū)域性凝凍過程次數主要存在7～8 a和3～4 a的年際變化周期；7～8 a振蕩周期在1990s末～2000s表現較明顯，為第1主周期，且該周期通過了95%信度檢驗；其次3～4 a為第2主周期，主要在1980s表現較為明顯。此外，M-K突變檢驗（圖略）顯示，近59 a貴州區(qū)域性凝凍過程次數呈減少趨勢且無明顯突變。

圖2 1961～2019年貴州省區(qū)域性凝凍過程次數的（a）小波分析及（b）功率譜分析（綠線表示5%信度檢驗，紅線表示紅噪音，藍線表示95%信度檢驗）

從1961～2019年貴州省區(qū)域性凝凍過程累積天數的小波系數實部和功率譜（圖略）分析表明：貴州省區(qū)域性凝凍過程累積天數同樣存在7～8 a和3～4 a的年際變化周期，且均通過95%信度檢驗；其中7～8 a振蕩周期在2000s～2010s初表現得較明顯，是第1主周期；其次3～4 a為第2主周期，主要表現在1970s初～1990s初。同樣由M-K突變檢驗（圖略）可知，近59 a貴州區(qū)域性凝凍過程累積天數無明顯突變點，在1990s初之前波動大，之后呈明顯減少趨勢。

從134次區(qū)域性凝凍過程的具體時間分布（圖3a）來看，近59 a區(qū)域性凝凍過程最早開始出現于11月15日（1976年），最晚結束于3月14日（1962年和1977年），主要集中出現在12月～翌年2月（圖3b），其中1月占比最多（47%），2月次之（33%），11月最少（2%）。從單次區(qū)域性凝凍過程的持續(xù)天數（圖略）來看，持續(xù)時間介于3～33 d，其中2007年冬季的一次區(qū)域性凝凍過程持續(xù)天數最長（33 d），之后依次為2010年、1983年和1976年冬季的某次區(qū)域性凝凍過程，分別對應32 d、28 d、25 d。

圖3 1961～2019年貴州省134次區(qū)域性凝凍過程（a）發(fā)生時間和（b）各旬占比情況

從134次區(qū)域性凝凍過程的影響站數（單次過程中全省出現雨凇的站數而非站次）（圖4a）來看，單次區(qū)域性凝凍過程影響站數為11～78站，平均影響42站；其中2010年冬季的一次區(qū)域性凝凍過程影響站數最多，為78站，占監(jiān)測總站數的91.8%；2007年和2017年次之，分別為77和76站，占監(jiān)測總站數的90.6%和89.4%；而2013年冬季的一次區(qū)域性凝凍過程影響站數最少，為11站，占監(jiān)測總站數的12.9%。從影響站數不同區(qū)間值的占比百分率（圖4b）來看，近59 a區(qū)域性凝凍過程影響站數主要介于21～60站，其中31～35站的區(qū)間占比最多。

圖4 1961～2019年貴州省134次區(qū)域性凝凍過程影響站數（a）及其在不同區(qū)間值占比百分率（b）

4 區(qū)域性凝凍過程的空間分布特征

圖5為1961～2019年貴州省134次區(qū)域性凝凍過程中各站發(fā)生頻率的空間分布。如圖所示，貴州省易發(fā)生區(qū)域性凝凍過程的地區(qū)主要集中在中部一線，其中大方（100%）、開陽（98.5%）、威寧（97.8%）、萬山（96.7%）、水城（94%）、甕安（94%）、丹寨（94%）、畢節(jié)（92.5%）、麻江（91.8%）和納雍（91%）的發(fā)生頻率均超過了90%，表明這些地區(qū)極易發(fā)生區(qū)域性凝凍過程，其中大方站達100%，表明134次區(qū)域性凝凍過程中大方站均有雨凇天氣現象出現；而在東北部和南部部分地區(qū)，區(qū)域性凝凍過程的發(fā)生頻率低于30%，其中望謨和羅甸站發(fā)生頻率為0%，表明該地區(qū)無區(qū)域性凝凍過程發(fā)生。

圖5 1961～2019年貴州省134次區(qū)域性凝凍過程各站發(fā)生頻率的空間分布（單位：%）

將單次區(qū)域性凝凍過程中發(fā)生雨凇日數最多的站點定義為該次區(qū)域性凝凍過程的中心站點，若某次過程中雨凇日數最多的站點有多個，則該次過程的中心站點為多個。圖6給出了1961～2019年貴州省134次區(qū)域性凝凍過程中各站作為中心站點的發(fā)生頻率。如圖所示，貴州省區(qū)域性凝凍過程中中心站點發(fā)生頻率的高值區(qū)同樣主要集中在中部一線，其中開陽（77.6%）、大方（72.4%）、威寧（60.4%）、萬山（48.4%）和丹寨（47%）作為中心站點的發(fā)生頻率在45%以上，而其余大部地區(qū)的發(fā)生頻率在10%以下，東北部和南部地區(qū)的發(fā)生頻率為0%?？梢?，近59 a貴州省區(qū)域性凝凍過程的頻發(fā)區(qū)和中心站點高頻區(qū)均主要集中在中部一線。

圖6 1961～2019年貴州省134次區(qū)域性凝凍過程各站作為中心站點的發(fā)生頻率分布（單位：%）

根據1961～2019年貴州省每次區(qū)域性凝凍過程中各站出現雨凇天數的分布特征對其進行聚類分析，可分為中東部型、中部型、中西部型、西部型、全省型共5類。從各個類型的合成場（圖7）來看，近59 a中東部型（圖7a）發(fā)生15次，占比11.2%，區(qū)域性凝凍現象主要發(fā)生在以開陽-三穗-萬山為中心的中東部一帶；中部型（圖7b）發(fā)生14次，占比10.4%，凝凍現象主要發(fā)生在以開陽為中心的中部地區(qū)；中西部型（圖7c）發(fā)生43次，占比32.1%，凝凍現象主要發(fā)生在以開陽-大方-威寧為中心的中西部一帶；西部型（圖7d）發(fā)生18次，占比13.4%，凝凍現象主要發(fā)生在以威寧為中心的西部地區(qū)；全省型（圖7e）發(fā)生44次，占比 32.8%，凝凍現象主要發(fā)生在 25.5°～27.5°N，以威寧-大方-開陽-萬山為大值中心?？梢?，貴州省區(qū)域性凝凍過程以中西部型和全省型為主。

圖7 貴州省不同類型區(qū)域性凝凍過程的雨凇日數空間分布（a.中東部型，b.中部型，c.中西部型，d.西部型，e.全省型，百分數表示該類型占比）

為了檢驗1961～2019年貴州省134次區(qū)域性凝凍過程中凝凍天數實況與不同類型合成場的相似程度，分別計算了各次過程中凝凍天數與其對應類型合成場凝凍天數的相關系數（表1）。從表1可見，中東部型的15次區(qū)域性凝凍過程的相關系數為0.79～0.93，均通過0.001的信度檢驗，平均為0.852，最佳相似過程是1969年2月16日開始的區(qū)域性過程；中部型的14次區(qū)域性凝凍過程的相關系數為0.71～0.94，均通過0.001的信度檢驗，平均為0.826，最佳相似過程是1997年2月3日開始的區(qū)域性過程；中西部型的43次區(qū)域性凝凍過程的相關系數為0.75～0.93，均通過0.001的信度檢驗，平均為0.851，最佳相似過程是2007年1月12日開始的區(qū)域性過程；西部型的18次區(qū)域性凝凍過程的相關系數為0.81～0.95，均通過0.001的信度檢驗，平均為0.878，最佳相似過程是1972年12月19日開始的區(qū)域性過程；全省型的44次區(qū)域性凝凍過程的相關系數為0.66～0.94，均通過0.001的信度檢驗，平均為0.870，最佳相似過程是1984年1月16日開始的區(qū)域性過程。綜上所述，各個類型區(qū)域性凝凍過程的凝凍天數實況與不同類型合成場均高度相關，由此可見分型結果較合理。

表1 1961～2019年貴州省134次區(qū)域性凝凍過程凝凍天數實況與不同類型合成場的相似程度

5 結論

本文利用1961～2019年貴州省84站逐日雨凇觀測資料，確定了貴州省區(qū)域性凝凍過程指標，并根據新標準對貴州省區(qū)域性凝凍過程的時空特征進行了分析，得出以下主要結論：

（1）1961～2019年貴州省區(qū)域性凝凍過程次數與累積天數均呈減少趨勢，其趨勢變化均呈現 “偏多-偏少-偏多-偏少”的特征，二者均存在7～8 a與3～4 a的年際變化周期，且無明顯突變。區(qū)域性凝凍過程主要集中出現在12月下旬～2月下旬，影響持續(xù)天數介于3～33 d，過程影響站數主要集中在21～60站。

（2）1961～2019年貴州省區(qū)域性凝凍過程的頻發(fā)區(qū)及中心站點高頻區(qū)均主要集中在中部一線，東北部和南部地區(qū)的發(fā)生頻率較低。貴州省區(qū)域性凝凍過程可分為中東部型、中部型、中西部型、西部型和全省型共5類，其中以中西部型和全省型為主。