河北省石家莊元氏縣近60年寒潮氣候的變化特征

中圖分類(lèi)號(hào)：P429 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：2095-3305（2025）05-0287-03

寒潮是一種西伯利亞高壓向南暴發(fā)的激烈天氣過(guò)程，是冬半年在特定的大氣環(huán)流背景下，由極地或寒帶的寒冷空氣大規(guī)模地向中、低緯度的侵襲活動(dòng)，寒潮過(guò)程來(lái)臨時(shí)會(huì)造成氣溫急劇下降，并伴有大風(fēng)、沙塵和雨雪天氣[1-2]。寒潮天氣過(guò)程是河北地區(qū)乃至我國(guó)最主要的災(zāi)害性天氣之一，嚴(yán)重的寒潮天氣過(guò)程對(duì)漁牧業(yè)、交通業(yè)、畜牧業(yè)、農(nóng)耕行業(yè)及人體健康等都有較為嚴(yán)重的影響[3]。

影響我國(guó)的冷空氣源地主要有新地島以西洋面、新地島以東洋面和冰島以南洋面[4]。影響河北省的冷空氣路徑主要為自西伯利亞中部地區(qū)東南下。宋曉輝、郭立平、李紅英等學(xué)者分別針對(duì)邯鄲市、廊坊市、京津冀地區(qū)、華北地區(qū)、呼倫貝爾市、柴達(dá)木盆地、魯南地區(qū)、七臺(tái)河市的寒潮活動(dòng)特征展開(kāi)研究[5-12]。研究利用1963一2020年元氏縣最低氣溫逐日資料，對(duì)該地區(qū)寒潮活動(dòng)的天氣氣候特征進(jìn)行分析，從而提高寒潮及極端低溫的預(yù)測(cè)水平，為當(dāng)?shù)胤罏?zāi)減災(zāi)和應(yīng)對(duì)氣候變化提供參考。

1數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)

選用河北省石家莊元氏站1963一2020年的逐日地面氣象觀測(cè)資料，選取每年的冬半年（11月1日一翌年1月31日）逐日最低氣溫進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，常年值采用1981一2010年30年的平均值。參照中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《寒潮等級(jí)》（GB/T21987—2017）[13]，給出寒潮等級(jí)判定。

1.2 方法

1.2.1 氣候傾向率

氣象要素y序列的長(zhǎng)期趨勢(shì)變化用一元線性函數(shù)y=ax+b 來(lái)表示， x 為年序列號(hào)（ x=1963 ，1964，1965，…，2020年），b為常數(shù)項(xiàng)，a為線性?xún)A向值[14]。傾向值Δ_a 的符號(hào)表示氣候變量的趨勢(shì)傾向性值， Δ_a 值的大小反映上升或下降的速率，正號(hào)為增加趨勢(shì)，負(fù)號(hào)為減少趨勢(shì)。以線性回歸系數(shù) a 的10倍作為氣候傾向率。

1.2.2 Mann-Kendall檢驗(yàn)

Mann-Kendall檢驗(yàn)可以用來(lái)判斷氣候序列中是否存在氣候突變，確定突變發(fā)生時(shí)間，假設(shè)時(shí)間序列數(shù)據(jù) 為樣本數(shù) Mann-Kendall統(tǒng)計(jì)變量 S 的計(jì)算公式如下：

定義統(tǒng)計(jì)變量的計(jì)算公式如下：

若 UF_k 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。若兩條直線相交，且交點(diǎn)在臨界直線之間，則交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻就是突變發(fā)生的時(shí)間。

2冬季寒潮的氣候變化特征

2.1 寒潮日數(shù)的月際變化特征

從河北省石家莊市元氏站1963一2020年冬季寒潮日數(shù)的月際變化（表1）可以看出，元氏站冬季寒潮總?cè)諗?shù)和一般寒潮日數(shù)均在11月份出現(xiàn)天數(shù)最多，其次是1月份，再次是12月份。各月均是一般寒潮日數(shù)最多，其次是強(qiáng)寒潮和特強(qiáng)寒潮日數(shù)。強(qiáng)寒潮日數(shù)11月份最多，達(dá)11d，1月和12月均為8d;特強(qiáng)寒潮日數(shù)11月和12月份最多，均為4d，1月為 2d_?

2.2 寒潮日數(shù)的年際變化特征

2.2.1寒潮總?cè)諗?shù)的年際變化特征

根據(jù)1963一2020年元氏冬季寒潮總?cè)諗?shù)的年際變化情況可知，隨著全球氣候變暖，元氏地區(qū)寒潮總?cè)諗?shù)常年值為1.97d，整體呈現(xiàn)顯著減少的變化趨勢(shì)0 Γlt;0.01） ，以 0.56d/10 年的速度減少。且年際波動(dòng)明顯，其中1972年寒潮總?cè)諗?shù)最高，達(dá)8d，整體存在一定的年代際差異。20世紀(jì)60＼～70年代，寒潮總?cè)諗?shù)相對(duì)較多，20世紀(jì)80年代寒潮總?cè)諗?shù)次之，20世紀(jì)末最少。寒潮總?cè)諗?shù)的年際變化在各時(shí)段呈現(xiàn)出“減一減一減”顯著減少趨勢(shì)（ Plt;0.1） ，1963—1980年減少趨勢(shì)最顯著，以 1.86d/10 年的速度減少；其次是1981—2000年，以 1.36d/10 年的速度減少；2001—2020年寒潮總?cè)諗?shù)以 1.14d/10 年的速度減少。

2.2.2一般寒潮日數(shù)的年際變化特征

根據(jù)1963—2020年元氏冬季一般寒潮日數(shù)的年際變化情況可知，其變化與寒潮總?cè)諗?shù)相一致。隨著全球氣候變暖，元氏地區(qū)一般寒潮日數(shù)常年值為 1.5d 整體呈現(xiàn)顯著減少的變化趨勢(shì)（ Plt;0.01） ，以 0.31d 10年的速度減少；年際波動(dòng)明顯，其中1966和1984年一般寒潮日數(shù)最高，達(dá)5d;整體存在一定的年代際差異，其中20世紀(jì)60和80年代末，一般寒潮日數(shù)相對(duì)較多，2010年前后相對(duì)較少。具體來(lái)看，一般寒潮日數(shù)的年際變化在各時(shí)段呈現(xiàn)出“減一減一減”顯著減少趨勢(shì)（ Plt;0.1? 。2001一2020年一般寒潮日數(shù)減少趨勢(shì)最顯著，以 1.13d/10 年的速度減少，其次是1963—1980年，以 1.08d/10 年的速度減少；最后是1981—2000年，以0.87d/10 年的速度減少。

2.2.3強(qiáng)寒潮和特強(qiáng)寒潮日數(shù)的年際變化特征

根據(jù)1963—2020年元氏冬季強(qiáng)寒潮和特強(qiáng)寒潮日數(shù)的年際變化情況可知，與寒潮總?cè)諗?shù)及一般寒潮日數(shù)的年際變化相一致，元氏地區(qū)強(qiáng)寒潮日數(shù)呈現(xiàn)顯著減少的變化趨勢(shì)（ Plt;0.1） ，以 0.19d/10 年的速度減少，特強(qiáng)寒潮日數(shù)也為減少的變化趨勢(shì)，以 0.06d/10 年的速度減少；年際波動(dòng)明顯，其中1972年的強(qiáng)寒潮日數(shù)最高，達(dá)6d，1967和1981年特強(qiáng)寒潮日數(shù)最高，均為2d;整體存在一定的年代際差異，其中20世紀(jì)60年代左右，強(qiáng)寒潮和特強(qiáng)寒潮日數(shù)相對(duì)較多，2010年前后相對(duì)較少。

2.3寒潮過(guò)程數(shù)的年際變化特征

元氏地區(qū)寒潮過(guò)程數(shù)常年值為1.37次，整體呈現(xiàn)顯著減少的變化趨勢(shì)（ Plt;0.01） ，以0.30次/10年的速度減少。年際波動(dòng)明顯，其中寒潮過(guò)程數(shù)最高為4次，分別出現(xiàn)在1963、1964、1966、1969、1970和1988年。整體存在一定的年代際差異，其中20世紀(jì)60＼～70年代，寒潮過(guò)程數(shù)相對(duì)較多，其次是20世紀(jì)80年代，2010年前后相對(duì)較少。具體來(lái)看，寒潮過(guò)程數(shù)的年際變化在各時(shí)段呈現(xiàn)“減一減一減”顯著減少趨勢(shì)，1963—1980年減少趨勢(shì)最為顯著（ Plt;0.01， ，以1.45次/10年的速度減少；其次是1981—2000年，以0.84次/10年的速度減少；2001—2020年寒潮總?cè)諗?shù)以0.54次/10年的速度減少。

3冬季寒潮特征的突變檢驗(yàn)

3.1寒潮日數(shù)的年際突變檢驗(yàn)

3.1.1寒潮總?cè)諗?shù)的年際突變檢驗(yàn)

由UF曲線（圖1）可看出，自20世紀(jì)70年代之后，元氏冬季寒潮總?cè)諗?shù)有明顯的減少趨勢(shì)。根據(jù)UF和UB曲線的交點(diǎn)可以看出，2010年前后，元氏冬季寒潮總?cè)諗?shù)存在明顯的年際突變。

3.1.2一般寒潮日數(shù)的年際突變檢驗(yàn)

由UF曲線可看出，元氏冬季一般寒潮日數(shù)在整體時(shí)段呈現(xiàn)出明顯的減少趨勢(shì)，且其在20世紀(jì)70年代中后期和21世紀(jì)初期呈現(xiàn)出一定的增加趨勢(shì)。根據(jù)UF和UB曲線的交點(diǎn)可以看出，2012年前后，元氏冬季一般寒潮日數(shù)存在明顯的年際突變。

3.1.3強(qiáng)寒潮和特強(qiáng)寒潮日數(shù)的年際突變檢驗(yàn)

由UF曲線可看出，元氏冬季強(qiáng)寒潮和特強(qiáng)寒潮日數(shù)在整體時(shí)段呈現(xiàn)出明顯的增加趨勢(shì)，且其在20世紀(jì)70年代中后期存在顯著增幅。根據(jù)UF和UB曲線無(wú)交點(diǎn)可以看出，分析時(shí)段元氏冬季強(qiáng)寒潮和特強(qiáng)寒潮日數(shù)不存在明顯的年際突變。

3.2寒潮過(guò)程數(shù)的年際突變檢驗(yàn)

與寒潮總?cè)諗?shù)的突變分析相一致，自20世紀(jì)70年代之后，元氏冬季寒潮過(guò)程數(shù)有明顯的減少趨勢(shì)。根據(jù)UF和UB曲線的交點(diǎn)可以看出，2010年和2015年前后，元氏冬季寒潮過(guò)程數(shù)存在明顯的年際突變。

4冬季寒潮特征的能量譜特征分析

4.1寒潮日數(shù)的能量譜特征分析

4.1.1寒潮總?cè)諗?shù)的能量譜特征分析

根據(jù)1963一2020年元氏冬季寒潮總?cè)諗?shù)年際能量譜分布可以看出，元氏冬季寒潮總?cè)諗?shù)在年際尺度上存在一定差異，其在1963一2014年左右，呈現(xiàn)出較明顯的2＼～4年的帶狀連續(xù)高能量區(qū)，且其在20世紀(jì)60年代、80年代以及21世紀(jì)初存在4年能量值相對(duì)較高，2010年后不存在顯著高能量區(qū)。

4.1.2一般寒潮日數(shù)的能量譜特征分析

根據(jù)1963一2020年元氏冬季一般寒潮日數(shù)年際能量譜分布可以看到，與寒潮總?cè)諗?shù)相一致，元氏冬季一般寒潮日數(shù)在年際尺度上存在一定差異，整體存在較明顯的2＼～4年的帶狀連續(xù)高能量區(qū)，且其在20世紀(jì)60年代、80年代以及21世紀(jì)初存在4年能量值高值中心，2020年左右該高能量區(qū)繼續(xù)存在。

4.1.3強(qiáng)寒潮和特強(qiáng)寒潮日數(shù)的能量譜特征分析

根據(jù)1963一2020年元氏冬季強(qiáng)寒潮和特強(qiáng)日數(shù)的年際能量譜分布可以看到，元氏冬季強(qiáng)寒潮日數(shù)在20世紀(jì)70年代存在2＼～4年的強(qiáng)能量區(qū)域，而對(duì)于特強(qiáng)寒潮日數(shù)來(lái)說(shuō)，其2＼～4年的帶狀連續(xù)高能量區(qū)分布在整個(gè)時(shí)段，且其在20世紀(jì)60年代、80年代以及21世紀(jì)初存在2＼～4年能量值高值中心區(qū)域。

4.2寒潮過(guò)程的能量譜特征分析

1963一2020年元氏冬季寒潮過(guò)程數(shù)年際能量譜分布整體來(lái)看，與寒潮過(guò)程數(shù)相一致，元氏冬季寒潮過(guò)程數(shù)年際尺度上存在一定差異，整體存在較明顯的2＼～8年的帶狀連續(xù)高能量區(qū)，且其在20世紀(jì)60年代、80年代末存在2＼～4年能量值高值中心。

5結(jié)論

選取了元氏站近58年的氣象資料，分析寒潮總?cè)諗?shù)、不同等級(jí)寒潮日數(shù)、寒潮過(guò)程數(shù)、不同持續(xù)時(shí)間寒潮過(guò)程、寒潮過(guò)程最長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間的氣候變化特征，結(jié)論如下。

（1）在月際變化中，寒潮總?cè)諗?shù)、一般寒潮日數(shù)和強(qiáng)寒潮日數(shù)均在11月最多，分別為66、51和11d。各月一般寒潮日數(shù)占比最大。特強(qiáng)寒潮日數(shù)11和12月最多，均為4d。在年際變化中，寒潮總?cè)諗?shù)、一般寒潮、強(qiáng)寒潮和特強(qiáng)寒潮日數(shù)呈現(xiàn)顯著減少趨勢(shì)，最大減少趨勢(shì)分別為 1.86，1.13，0.19，0.06d/10 年。寒潮過(guò)程數(shù)呈顯著減少趨勢(shì)，1963—1980年最為顯著，為1.45次/10年。

（2）UF和UB曲線有交點(diǎn)得出，2010年前后，寒潮總?cè)諗?shù)存在明顯年際突變。2012年前后，一般寒潮日數(shù)存在明顯的年際突變。2010年和2015年前后，元氏冬季寒潮過(guò)程數(shù)存在明顯的年際突變。元氏冬季寒潮最長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間在2018年左右，呈現(xiàn)明顯年際突變。UF和UB曲線無(wú)交點(diǎn)得出，持續(xù)1＼～3d的寒潮過(guò)程數(shù)在分析時(shí)段不存在明顯的年際突變。強(qiáng)寒潮和特強(qiáng)寒潮日數(shù)不存在明顯的年際突變。

（3）寒潮總?cè)諗?shù)在年際尺度上存在一定差異，在1963一2014年左右，呈現(xiàn)2＼～4年帶狀連續(xù)高能量區(qū)，且在20世紀(jì)60年代、80年代以及21世紀(jì)初存在4年能量值相對(duì)較高，2010年后不存在顯著高能量區(qū)。一般寒潮日數(shù)整體存在2＼～4年帶狀連續(xù)高能量區(qū)，且其在20世紀(jì)60年代、80年代以及21世紀(jì)初存在4年能量值高值中心，2020年左右該高能量區(qū)繼續(xù)存在。強(qiáng)寒潮日數(shù)在20世紀(jì)70年代存在2＼～4年的強(qiáng)能量區(qū)域，對(duì)于特強(qiáng)寒潮日數(shù)來(lái)說(shuō)，其2＼～4年帶狀連續(xù)高能量區(qū)分布在整個(gè)時(shí)段，且其在20世紀(jì)60年代、80年代以及21世紀(jì)初存在2＼～4年能量值高值中心區(qū)域。寒潮過(guò)程數(shù)整體存在較明顯的2＼～8年的帶狀連續(xù)高能量區(qū)，且其在20世紀(jì)60年代、80年代末存在2＼～4年能量值高值中心。

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