近50a東北地區冷冬氣候變化特征分析

王 雷，吳正方，杜海波，宗盛偉

（東北師范大學地理科學學院，吉林長春130024）

近50a東北地區冷冬氣候變化特征分析

王 雷，吳正方，杜海波，宗盛偉

（東北師范大學地理科學學院，吉林長春130024）

參照中華人民共和國國家標準《暖冬等級》，對單站、區域冷冬進行了定義和等級劃分，并自定義了冷冬強度及冷冬嚴重度指數.在此基礎上，利用1961—2010年東北地區90個氣象觀測站的地面氣象觀測資料，對東北地區1961—2010年冷冬事件的時空分布規律進行了分析.結果表明：1961—2010年東北各站冬季均表現出增溫的趨勢，增溫的幅度為每10年0.02℃～0.94℃，在區域上由西往東增溫幅度逐漸變大.就整個東北地區而言，近50a冬季平均氣溫呈顯著的上升趨勢，為每10年0.55℃.東北地區各站冷冬發生的頻率為30%～48%，總體的變化趨勢為從東南往西北再向東北逐漸降低.近50a東北地區各站點冷冬強度為1.18～2.20，但冷冬強度的分布較為復雜，沒有明顯的空間格局；各站點冷冬嚴重度為0.22～0.68，其分布大致為從東南往西北再向東北逐漸減弱.近50a東北地區冷冬指數呈明顯的下降趨勢，線性趨勢為每10年－10.47%，通過了95%的顯著性檢驗.La Nina現象的發生可能對東北地區出現冷冬的影響不大，而北極濤動的負異常可能是東北地區發生冷冬事件的主要原因.

冷冬；冷冬嚴重度；東北地區

在全球氣候變暖的大背景下，近100a來中國年平均地表溫度明顯增加，升溫幅度約為0.5℃～0.8℃，且增溫主要發生在冬季和春季［1］.冬季平均氣溫的升高必然導致暖冬發生頻率的增大，20世紀80年代中期以后我國頻繁出現全國性暖冬［2］.暖冬的頻繁出現使冷冬逐漸走出人們的視野.但2008年1月我國發生的低溫、雨雪、冰凍天氣，對南方的交通、通訊和輸電等造成的嚴重影響極大地提高了人們研究冷冬的興趣［3－4］.王紹武對中國冷冬的氣候特征進行了分析，指出2008年冬季是中國東部30a來最冷的冬季，而近50a來的寒冬年份是1968年和1977年［3］.杜軍等對近50a西藏冷暖冬氣候變化特征進行了研究，指出近50a西藏區域強冷冬事件出現了8次，1962年是近50a中范圍最廣、強度最大的冷冬，1968年和1983年次之，而2008年是區域強暖冬事件［5］.兩地強冷冬發生年份的不盡相同表明，冷冬的發生可能受地理位置和地勢地貌的影響而具有區域性差異，不同區域不盡相同.

東北地區位于中國內地的東北部，地處歐亞大陸東岸中高緯度地區，地理位置為115°25′～135°09′E、38°72′～53°55′N.四周分別環列著遼西山地、大興安嶺、小興安嶺和長白山地，其特殊的地理位置與地貌組合形成了其特有的自然環境，并且在植被、海陸分布、大氣環流、人文等因素的影響下，東北各地冬季氣溫的變化顯得更加復雜，冷冬事件的發生也有其自身的特點.冷冬事件會對東北地區的園林業、畜牧業、交通運輸以及供熱、人們的穿衣保健等產生重大的影響.然而針對東北地區冷冬事件的研究很少.本文參照中華人民共和國國家標準《暖冬等級》單站、區域暖冬的定義及其等級劃分方法［6］，對單站、區域冷冬進行了定義和等級劃分.并在此基礎上，對東北地區1961—2010年近半個世紀冷冬事件的時空分布規律進行了分析，以揭示我國東北地區冬季氣溫和冷冬變化特征，為冬季設施農業發展、露天園林植物凍害防御、制定冬季供暖和能源采購計劃提供參考依據［7］.

1 數據和方法

1.1 數據

本文所采用的數據由中國氣象局國家氣象信息中心（http：／／www.nmic.gov.cn／）提供，將資料長度不足和臺站遷移距離過大的站點剔除后，選取東北地區90個國家地面氣象觀測站（見圖1）1961—2010年共50a逐日地面觀測資料，包括逐日平均溫度、最高和最低溫度.以上年12月到翌年2月為冬季（如2010年冬季為2009年12月—2010年2月），計算了東北地區90個氣象站點1961—2010年冬季平均溫度及其距平.氣候平均值采用1971—2000年30a的冬季氣溫均值.

1.2 冷冬指標及等級劃分

本文參照中華人民共和國國家標準《暖冬等級》（GB／T 21983－2008），給出單站、區域冷冬的定義及其等級劃分的標準.

1.2.1 單站冷冬

當某站冬季平均氣溫距平（ΔT）小于等于其標準差（σ）的0.43倍，即為冷冬；強冷冬屬于冷冬事件中的極端（異常）氣候事件，本文采用的標準是發生概率為10%，其閾值界定為－1.29σ.單站弱冷冬界定標準為－1.29σ＜ΔT≤－0.43σ，強冷冬標準為ΔT≤－1.29σ［6］.

為了反映和比較各站點冷冬的強弱程度，本文提出冷冬強度指數（Yi，i＝1，2，3，…，n）.n為研究區域中站點的個數.

圖1 東北地區氣象站點分布圖

式中：ΔT為各站點冷冬年冬季平均氣溫距平；Ty為各站點冷冬的閾值，即－0.43σ.

以前針對單站冷冬的相關研究主要是從單站冷冬頻次（頻率）或強度（冷冬指數）單方面進行分析［45］，然而一地冷冬發生頻次多少或者冷冬指數高低并不能準確反映該地的冷冬嚴重程度.因此在冷冬強度指數的基礎上，本文把冷冬發生的頻次（Xi，i＝1，2，3，…，n）和強度（Y）綜合分析，提出了冷冬嚴重度指數（cold winter severity index，ICWS）的概念，用來反映各站點冷冬的嚴重程度.先對冷冬發生頻次和冷冬強度進行標準化，使它們成為無量綱參數.

式中：Xmin和Xmax分別為冷冬發生頻次的最小值和最大值；Ymin和Ymax分別為冷冬強度指數的最小值和最大值；xi和yi分別為冷冬發生頻次和冷冬強度指數的標準化值.考慮到一地的冷冬發生頻次多而強度弱、或者冷冬發生頻次少而強度大，都不能準確反映該地冷冬的嚴重度，只有當冷冬發生頻次多且強度大時，冷冬嚴重度才較強.因此，本文對它們進行求和以代表冷冬嚴重度.

式中，k1和k2分別為冷冬發生頻次和冷冬強度的權重系數，且k1＋k2＝1.本文認為它們對冷冬嚴重度的貢獻率相等，即k1＝k2＝0.5.因此ICWS的數值范圍為0～1.

1.2.2 區域冷冬

定義區域內冷冬站數占站點總數的百分比為區域冷冬指數（Icd）.區域冷冬指數通過冷冬站數反映其冷冬強度.若Icd≥50%，即為區域冷冬；在區域冷冬年，區域范圍內強冷冬站數與冷冬站數百分比大于等于50%，即為區域強冷冬［6］.

1.3 線性傾向

氣象要素的變化趨勢采用線性方程表示，即：y＝a＋bt.式中：y為氣象要素；t為時間（本文為1961—2010年）；b為線性趨勢項，b＊10表示氣象要素傾向率，b的系數為正，則表明呈增加趨勢，反之為減小趨勢［8］.

1.4 克里格（Kriging）插值

克里格方法是以空間自相關性為基礎，利用原始數據和半方差函數的結構性，對區域化變量的未知采樣點進行無偏估值的插值方法，是地統計學的主要內容之一［9］.由于需要插值的區域變量Z的期望值是未知的，所以本文采用普通克里格法對氣象數據進行空間插值.

2 結果與分析

2.1 冬季平均氣溫的變化

根據東北地區各站點近50a冬季平均氣溫變化趨勢分布圖（見圖2a）可以看出，90個站點均表現出增溫的趨勢，增溫的幅度為每10年0.02℃～0.94℃，由西往東增溫幅度逐漸變大.87個站點的變化趨勢達到了0.05的顯著性水平，占96.7%.只有滿洲里、額爾古納右旗和沈陽的增溫趨勢沒有通過95%的顯著性檢驗.增溫幅度最大的站點是集安，達到了每10年0.94℃.東北大部分地區的增溫幅度在每10年0.17℃～0.33℃，特別是濕潤高海拔地區增溫幅度較大，比如小興安嶺地區和長白山冬季增溫的幅度為每10年0.63℃～0.94℃，而大興安嶺地區的增溫幅度較小.

就整個東北地區而言（見圖2b），近50a冬季平均氣溫呈上升的趨勢，增幅為每10年0.55℃，且達到了0.05的顯著性水平，比全國冬季平均氣溫上升的幅度要大［10］，與董滿宇等研究得出的結果基本一致［11］.從年代際變化來看，冬季平均氣溫60年代呈下降趨勢，70年代的波動幅度較大，1977年達到50a來的最低值，為－17.45℃；80年代和90年代波動幅度較小，總體上呈上升的趨勢.進入21世紀以來，東北地區冬季平均氣溫變化幅度較大，2001年達到50a來第二低值，為－16.90℃；而2007年達到50a來的最高值，為－10.36℃，兩者相差6.54℃.

圖2 1961—2010年東北地區各站點（a）及整個區域（b）冬季平均氣溫變化趨勢

2.2 單站冷冬事件的變化

2.2.1 單站冷冬頻率

由冷冬發生頻率（見圖3a）來看，近50a東北地區各站點冷冬發生的頻率為30%～48%，總體的變化趨勢為從東南往西北再向東北逐漸降低.吉林哈達嶺地區、龍崗山和千山地區冷冬發生頻率較高，達到40%～48%；伊勒呼里山地區、小興安嶺東側及三江平原地區發生頻率較低，為30%～33%.氣象站點中扎蘭屯、葉柏壽、本溪冷冬發生的頻率最低為30%；沈陽的頻率最高為48%.各站點強冷冬發生的頻率（見圖3b）為6%～18%，空間上表現為中部的科爾沁沙地和松嫩平原發生的頻率較低，僅為6%～10%；而四周的大興安嶺中段地區、三江平原及長白山地區冷冬發生的頻率較高，為14%～18%；通榆和安達站點發生的頻率最低，為6%；集安和伊春站點的頻率為18%，為所有站點中最高的.

結合東北地區近50a冷冬和強冷冬發生頻率的分布可以看出，中部地區雖然發生冷冬的頻率較高，但是強冷冬的頻率較低，其原因可能為從西北部來的冷空氣翻過大興安嶺就到達了中部地區，但是東北的地形中南部和東北部都有缺口，冷空氣不易長時間停留，強冷冬的發生的頻率就少.長白山地區冷冬與強冷冬發生的頻率都較高，其原因可能為此區山地較多，冷空氣進入后不易流通，冷凍持續時間較長，容易發生強冷冬.三江平原發生冷冬的頻率最低，但是強冷冬的發生頻率較高，原因在于其地理位置，能夠到達三江平原的冷空氣，其勢力都較強，但頻次較少.

圖3 1961—2010年東北地區單站冷冬（a）和強冷冬（b）頻率分布圖

2.2.2 單站冷冬強度

由單站冷冬強度（見圖4）可以看出，近50a東北地區各站點冷冬強度為1.18～2.20，但冷冬強度的分布較為復雜，沒有明顯的方向上的變化.東北大部分地區冷冬強度為1.51～1.63；科爾沁沙地地區、哈爾濱地區及張廣才嶺和老爺嶺南段冷冬強度最低，為1.18～1.51；大興安嶺北部地區、伊勒呼里山地區及三江平原冷冬強度最高，為1.81～2.20；遼西地區和千山地區冷冬強度也較強，為1.63～1.81.站點中松江的冷冬強度最低，為1.18；圖里河的冷冬強度最高，為2.20.

圖4 1961—2010年東北地區單站冷冬強度分布圖

5 1961—2010年東北地區單站冷冬嚴重度分布圖

2.2.3 冷冬嚴重度分析

從冷冬嚴重度（見圖5）來看，東北地區近50a來各站點冷冬嚴重度為0.22～0.68，其中冷冬嚴重度較強的站點主要分布在吉林省東南部和遼寧千山地區，嚴重度較弱的站點主要分布在黑龍江省的中部地區.氣象站點中冷冬嚴重度最弱為松江站，其值為0.22；嚴重度最強的是沈陽站，其值高達0.68.通過克里格空間插值可以看出，整個東北地區冷冬嚴重度的分布大致為從東南往西北再向東北逐漸減弱.吉林哈達嶺、龍崗山和千山地區冷冬嚴重度最強，為0.48～0.68，原因為冷冬嚴重度是由頻次和冷冬強度共同決定的，此地冷冬的頻次最多，加上冷冬強度也高，冷冬嚴重度自然較強.小興安嶺地區、三江平原、張廣才嶺和老爺嶺地區冷冬嚴重度較弱，僅為0.22～0.39，原因為冷冬頻次較少，冷冬的強度也較弱.

2.3 區域冷冬事件變化

從區域冷冬指數（Icd）變化來看，東北地區近50a冷冬指數呈明顯的下降趨勢，線性趨勢為每10年－10.47%，通過了95%的顯著性檢驗，這表明近50a來東北地區冷冬站點數以每10年10.47%的速率減少.由圖6可以看出，東北地區區域冷冬指數在80年代中期以前保持在較高水平，從80年代中期到2010年處在較低水平.特別是從1987年以來，區域冷冬指數超過50%的年份只有5a，且基本都發生在21世紀之后.

1961—2010年東北地區共發生冷冬事件20次.60年代發生次數最多，達8次，占冷冬總次數的40%，其中在1964—1970年連續7a發生冷冬.90年代冷冬較少，僅為1次.進入21世紀以來，發生了4次冷冬事件.90年代以前共發生冷冬事件15次，占冷冬總次數的75%.近20a冷冬事件發生次數為5次，發生頻率僅為25%.值得注意的是，在2008年南方遭受強烈低溫、雨雪、冷凍天氣，而東北地區竟然是暖冬氣候.20次冷冬事件中強冷冬事件為5次，占冷冬總次數的25%，60年代最多為3次，且為1968—1970連續3a.70年代和80年代各有1次，即1977年和1981年.90年代沒有發生，進入21世紀以來發生1次，為2001年.

在發生冷冬的20a中，1964年的Icd最低，僅為58%，是冷冬年中范圍最小的.1977年Icd最高，為100%，其中達到強冷冬的站點為87個，占站點總數的97%，是50a中冷冬范圍最大和最強的年份.1970年和2001年Icd也較高，為99%和97%.1965—1970年連續6a的Icd都在80%以上，為近50a的罕見現象.

2.4 東北冷冬事件與ENSO和北極濤動的關系

2.4.1 ENSO的影響

El Nino和La Nina是指赤道太平洋東部和中部海面溫度持續異常偏暖和偏冷的現象［5］，是熱帶海洋和大氣共同作用的產物.有研究表明，它們的發生會引起我國氣候的異常［12－14］.通常情況下，El Nino的發生會使我國冬季氣溫升高，形成暖冬；La Nina的發生會使我國冬季氣溫降低，形成冷冬［15］.由表1可以看出，東北地區近50a發生的20次冷冬中，有3年El Nino現象也發生了，并且El Nino發生的年份中1968—1970年還是東北地區的強冷冬年［5，12］.在近50aLa Nina發生的14a中，東北地區只有4a發生冷冬，只占29%.這表明La Nina現象的發生和東北地區冷冬的發生并沒有很好的對應關系，所以La Nina現象的發生可能對東北地區出現冷冬的影響不大，這與它的發生會使我國冬季氣溫降低，形成冷冬有所不同［16］.

2.4.2 北極濤動（AO）的影響

圖6 1961—2010年東北區域冷冬指數變化趨勢

北極濤動（AO）是北半球高緯度和中緯度氣壓場距平的“蹺蹺板”現象，這種中高緯度氣壓場距平的變化會引起西伯利亞高壓、東亞冬季風強度的異常，從而引起氣溫的異常［16－19］.由表1可以看出，1961—2010年的50a中，冬季北極濤動的負異常年份發生了8a，60年代較多為3次，70年代到90年代較少各1次，21世紀頭10a發生2次.在這8次冬季北極濤動負異常年中有7a東北地區為冷冬，占87.5%，由此可以看出冬季北極濤動的負異常與東北地區的冷冬年發生有很好的對應關系.從北極濤動和我國東北地區冬季氣溫的分析可以看出，北極極渦的減弱（即北極濤動的負異常）會導致西伯利亞高壓增強，阿留申低壓加深，西伯利亞高壓東南部、阿留申低壓西南部東北風強度增強，東亞太平洋地區海平面氣壓梯度加大，東亞冬季風強度偏強，我國東北地區冬季氣溫偏低，即出現冷冬［20－21］.

表1 1961—2010年東北地區各年代冷冬、El Nino、La Nina、冬季AO負異常事件發生年份

3 討論

本文自定義了單站冷冬強度指數而沒有參照單站暖冬指數［2］定義的單站冷冬指數來反映和比較各氣象站點的冷冬強弱程度，原因有兩個：其一，單站冷冬指數為冬季平均氣溫距平和冷冬閾值之差，各站點近50a冬季平均氣溫的趨勢與距平的趨勢相同，而距平的趨勢就是冷冬指數的趨勢，在前文中已分析過故沒有采用.其二，用冷冬指數來比較各站點的冷冬強弱程度有些不妥，因為各站點的冷冬閾值不同.例如，有氣象站點A和B，A的冷冬閾值為－1.25℃，某年距平為－2.25℃，冷冬指數為－1℃；B的冷冬閾值為－0.75℃，同年距平為－1.75℃，冷冬指數也為－1℃.兩個站點的冷冬指數相同，但A的超出閾值部分占閾值的80%，而B的為130%，冷冬的強度顯然是B更強.

姚俊英等采用月平均氣溫權重系數法得出從1961—2006年黑龍江省強冷冬的年份為1966，1970，1977，2001，其中最強冷冬為1977年［22］.與本文結果對比可以看出，冷冬變化相同的地方雖采用了不同的確定強冷冬的方法，得出的結果不盡相同，但是最強冷冬的年份是一致的.杜軍等也采用與本文相同的強冷冬定義方法［5］，得出1962年為西藏近50a最冷冬年；楊志剛等同樣采用此方法分析得出1983年是西藏怒江流域近40a中范圍最廣、強度最大的冷冬年份［23］.與本文結果對比分析可以看出，由于區域位置和海拔的不同，即使采用同樣的方法，最強冷冬發生年份還是不同，正是冷冬發生區域性的表現.

近百年來全球變暖是不爭的事實，但其存在不確定性［24－26］.Knight等利用HadCR UT3溫度資料進行分析，得出1999—2008年全球溫度增加幅度為（0.07±0.07）℃，顯著低于1950年以來其他10a尺度上的溫度變化，過去10a全球氣候變暖停滯［27］；Kerr也支持這種觀點［28］.在研究歷史氣候時，由于氣象資料中城市熱島效應、覆蓋面、分辨率等的影響，近百年來的增溫幅度可能并沒有估計的那么高［29］；另外對造成全球變暖的主因溫室效應的機理科學界還沒有達成共識.冬季氣溫變暖趨勢、冷冬事件減少趨勢與氣候變暖一樣，也具有不確定性.整個東北地區冬季平均氣溫，從近50a來看呈上升的趨勢，但是近20a來其呈明顯的下降趨勢，并且近10a冬季氣溫較前10a有所下降［30］，未來如何變化存在不確定性；同時近10a來這種區域性（東北和新疆）冬季均溫的降低在全國未來氣候變化過程中扮演什么角色還不確定.全球氣候變暖的背景下，冷冬事件應呈減少的趨勢，但近幾年冷冬事件在我國及北歐各國、俄羅斯等地頻頻發生，增加了其發生的不確定性，應予以特別注意.另外冷冬事件發生的自然和人為機制并不十分的明確，有關這方面的研究有待進一步的展開.

4 結論

（1）1961—2010年東北各站均表現出增溫的趨勢，增溫的幅度為每10年0.02℃～0.94℃，在區域上由西往東增溫幅度逐漸變大.其中大部分地區的增溫幅度在每10年0.17℃～0.33℃，小興安嶺地區和長白山冬季增溫的幅度較大為每10年0.63℃～0.94℃，而大興安嶺地區的增溫幅度較小.就整個東北地區而言，近50a冬季平均氣溫呈上升的趨勢，為每10年0.55℃，且達到了0.05的顯著性水平.

（2）近50a東北地區各地冷冬發生的頻率為30%～48%，總體的變化趨勢為從東南往西北再向東北逐漸降低.吉林哈達嶺地區、龍崗山和千山地區冷冬發生頻率較高，達到40%～48%；伊勒呼里山地區、小興安嶺東側及三江平原地區發生頻率較低，為30%～33%.各站點強冷冬發生的頻率為6%～18%，空間上表現為中部的科爾沁沙地和松嫩平原發生的頻率較低，僅為6%～10%；而四周的大興安嶺中段地區、三江平原及長白山地區冷冬發生的頻率較高，為14%～18%.

（3）近50a東北地區各站點冷冬強度為1.18～2.20，但冷冬強度的分布較為復雜，沒有明顯的方向上的變化.各站點冷冬嚴重度為0.22～0.68，其分布大致為從東南往西北再向東北逐漸減弱.吉林哈達嶺、龍崗山和千山地區冷冬嚴重度最強，為0.48～0.68；小興安嶺地區、三江平原、張廣才嶺和老爺嶺地區冷冬嚴重度較弱，僅為0.22～0.39.

（4）東北地區近50a區域冷冬指數呈明顯的下降趨勢，線性趨勢為每10年－10.47%，通過了95%的顯著性檢驗，即近50a來東北地區冷冬站點數以每10年10.47%的速率減少.1961—2010年東北地區共發生冷冬20次，其中60年代發生次數最多，達8次，占冷冬總次數的40%，其中在1964—1970年連續7a發生冷冬.90年代冷冬較少，僅為1次.進入21世紀以后，發生了4次冷冬.其中1977年是范圍最大的和強度最強的冷冬年.

（5）La Nina現象的發生和東北地區冷冬的發生并沒有很好的對應關系，所以La Nina現象的發生可能對東北地區出現冷冬的影響不大；而北極濤動的負異常與東北地區的冷冬年發生有很好的對應關系，其導致西伯利亞高壓增強、阿留申低壓加深，西伯利亞高壓東南部、阿留申低壓西南部東北風強度增強，東亞太平洋地區海平面氣壓梯度加大，東亞冬季風強度偏強，我國東北地區冬季溫度偏低，即出現冷冬.

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Climatic variation characteristics in cold winter over Northeast China，1961—2010

WANG Lei，WU Zheng－fang，DU Hai－bo，ZONG Sheng－wei
（School of Geographical Science，Northeast Normal University，Changchun 130024，China）

According to the China national standard of warm winter grade，define the grade of single station and regional cold winter（CW）and propose the CW intensity index（CWII）and the CW severity index（CWSI）.Based on the recorded data of 90meteorological stations over Northeast China during 1961—2010，analyze the spatio－temporal variations of CW.The results show that the mean temperature of each station in winter shows a clear increasing trend with the value of 0.02℃～0.94℃per ten years over Northeast China in the last 50years.The positive amplitude gradually increases from west to east.The mean temperature of the entire region in winter also shows an obvious increasing trend with the value of 0.55℃per ten years.The CW frequency for single station is 30%～48%with a decreasing trend on the southeast－northwest－northeast direction.CWII of each station is within the range of 1.18～2.20over Northeast China in the last 50years.However，the distribution of CWII is complex and shows a non－obvious spatial pattern.CWSI of each station is in the range of 0.22～0.68with a weakened trend on the southeast－northwest－northeast direction.Regional cold winter index has an obvious decreasing trend with the value of－10.47%per ten years.The change trend is significant at the 0.05confidence level.La Nina phenomenon may not have obvious effect on the occurrence of CW in Northeast China.The Arctic Oscillation negative anomalies may be the main reason for the cold winter events over Northeast China.

cold winter；cold winter severity index；Northeast China

P 467 ［學科代碼］ 170·1535

A

（責任編輯：方 林）

1000－1832（2014）02－0117－05

10.11672／dbsdzk2014－02－023

2013－06－11

國家自然科學基金資助項目（41171038）；吉林省自然科學基金資助項目（20101561）.

王雷（1987—），男，碩士研究生，主要從事區域氣候變化研究；通訊作者：吳正方（1960—），男，博士，教授，博士研究生導師，主要從事生態氣候研究.