福建霜凍時空分布特征及環流背景分析

吳幸毓,林毅,陳文鍵,何小寧

福建省氣象臺,福建 福州 350001

?

福建霜凍時空分布特征及環流背景分析

吳幸毓*,林毅,陳文鍵,何小寧

福建省氣象臺,福建 福州 350001

2014-11-17收稿,2015-06-17接受

福建省自然科學基金資助項目(2014J01147);福建氣象局青年科技專項資助項目(2012q02)

摘要利用福建省內68個地面測站1981—2011年1—4月、10—12月逐日觀測資料,結合最低地表溫度、天氣現象、最低氣溫作為福建霜凍判別指標,探討福建霜凍氣候特征及環流背景形勢。研究發現:1)福建年平均霜凍天數、初(終)霜凍日、無霜凍期具有明顯地域差異,等值線基本呈東北—西南走向,與臺站海拔高度具有良好相關性。區域平均初霜凍日、終霜凍日、無霜凍期總體分別呈推遲、提前、延長的變化趨勢。2)全省大范圍霜凍天氣呈現發生頻率低、過程持續時間短、總體逐漸減少的特征。3)霜凍越強,發生越晚,結束越早,且出現天數越少。4)隨著形勢場特征線略有南壓,霜凍逐漸增強,反之減弱。

關鍵詞

霜凍判別指標

初、終霜凍日

無霜凍期

氣候統計特征

環流背景形勢

霜凍,是指作物表面以及近地面空氣層的溫度迅速下降到作物生長的臨界溫度或以下時足以引起作物枯萎或死亡的現象,它是我國發生范圍廣、危害作物種類多、造成經濟損失大的一種農業氣象災害,北至黑龍江,南至廣東、廣西均存在霜凍災害(陳乾金和張永山,1995;吳國興等,2003;溫晶等,2010)。霜凍在我國有兩種情況,一是早、晚霜凍,發生在較溫暖時期;二是冷季霜凍,發生在溫暖地區,出現頻率小(崔讀昌,1999)。福建屬于第二種情況,雖然總體上影響福建的冷空氣弱于北方,但因福建境內的作物(熱帶、亞熱帶作物)對冷空氣的抵御能力較弱,較強的冷空氣活動也會給農作物帶來重大影響(宋德眾和蔡詩樹,2007)。葉殿秀和張勇(2008)采用577個測站資料分析我國1961—2007年霜凍變化特征,指出南方地區應特別注意預防極端霜凍影響。比如1999年,福建大部遭受幾十年以來最為嚴重的霜凍災害,全省農作物受災和成災面積分別達26.0、22.1萬公頃,部分縣市經濟損失超億元(陳曉華,2009)。

至今,針對福建霜凍的研究較少,多為基礎性研究工作(何小寧和吳幸毓,2012)。本文首先結合最低地表溫度、霜或結冰天氣現象、最低氣溫,給出福建霜凍判別指標,據此對福建霜凍氣候特征作細致、深入的分析,揭示其產生環流背景條件,并對適應福建不同強度霜凍開始與結束的環流特征作了初步研究,有助于福建霜凍的預報預警和防災減災工作。

1　資料與統計說明

1.1資料

1)福建省內68個地面測站1981—2011年1—4月、10—12月(共31 a、217個月)逐日觀測資料,選取其中最低地表溫度、天氣現象、最低氣溫三個要素,作為福建霜凍判別指標。2)利用同期NCEP/NCAR一日四次再分析資料(格距2.5°×2.5°),分析霜凍天氣環流形勢。

1.2統計說明

由溫暖季節向寒冷季節過渡第一次出現霜凍的日期,為初霜凍日;反之,由寒冷季節向溫暖季節過渡最后一次出現霜凍的日期,為終霜凍日。全年僅一天出現霜凍,則該日既為初霜凍日,也是終霜凍日。為便于統計和表述,將初、終霜凍日分別進行數值化,以日序表示,把6月1日定為1,6月2日定為2,以此類推,次年1月1日為215。將1—4月初霜凍日歸并為上一年冬季初霜凍記錄;同理,10—12月終霜凍日列入次年春季終霜凍記錄中。鄰近的終霜凍日與初霜凍日之間的日數,稱為無霜凍期。

2　霜凍判別指標

農業氣象上,通常設定最低地表溫度≤0 ℃為判定霜凍的指標(姜會飛,2008;李芬等,2012)。但是,受條件限制,最低地表溫度的歷史觀測資料多有缺失,部分學者改用最低氣溫進行研究,比如Easterling(2002)、Scheifinger(2002)、李嬌等(2014)以逐日最低氣溫≤0 ℃判定霜凍日;葉殿秀和張勇(2008)、張旭暉等(2013)則以≤2 ℃作為霜凍的氣候指標。最低氣溫與最低地表溫度之間沒有轉換公式,在最低溫度閾值的選取上,目前尚無統一標準,本文通過大量統計確定適合福建的閾值,稍后給出詳細說明。

另外,“霜”,也稱“白霜”,是近地面空氣中水汽直接凝華在溫度低于0 ℃的地面上或近地面物體上的白色松脆冰晶(《大氣科學辭典》編委會,1994)576,它是一種天氣現象。而“霜凍”是指植物生長季節里因土壤表面和植株體溫度降低到0 ℃或0 ℃以下而引起植物凍害,是一種農業氣象災害(《大氣科學辭典》編委會,1994)576。霜和霜凍兩者既有區別,又有聯系。當霜凍發生時,不一定能觀測到“白霜”,這取決于空氣潮濕程度,農民稱之為“黑霜”或“暗霜”。但有霜時,卻經常伴有程度不同的霜凍(馮玉香,1996)。“結冰”是露天水面(包括蒸發皿中的水)在0 ℃以下凍結成冰的現象(《大氣科學辭典》編委會,1994)331。霜和結冰同屬于地面氣象觀測內容,也可作為評判地表溫度≤0 ℃的補充(林良勛等,2000)。

統計研究時段內福建省地面觀測資料,發現當最低地表溫度≤0 ℃時,最低氣溫較最低地表溫度平均高出1.69 ℃;當出現霜或結冰天氣現象時,二者差值平均為1.47 ℃。另外,福建霜凍預警信號發布標準規定:“當24 h內最低氣溫將要下降到4 ℃以下時,發布霜凍藍色預警信號”。為選取最低氣溫的最佳閾值,針對最低氣溫≤2、3、4 ℃分別進行如下統計(表1):

假設將最低氣溫作為最低地表溫度≤0 ℃的預報指標,由上表計算可得,以2、3、4 ℃作為臨界值的預報空報率分別為29.25%、42.45%、54.56%;同法求得,2 ℃在對“白霜”及“黑霜”的預報中空報率(計算公式=1-A-B)也最小(19.76%)。最低地表溫度或天氣現象達標前提下,最低氣溫≤2 ℃的樣本比例分別達到87.30%、79.57%。權衡各項統計參數,最低氣溫≤2 ℃較3或4 ℃表現出更好的預報效果,故2 ℃是最低氣溫閾值的最優選擇。

由此,相比之前福建研究(何小寧和吳幸毓,2012)僅取最低地表溫度單一評判,將上述三個要素結合作為霜凍判定標準更為完善,即當最低地表溫度≤0 ℃,或者地面觀測有霜或結冰現象,或者最低氣溫≤2 ℃時,定義出現霜凍。這一判則表征了冷空氣的強度和降溫條件的共同作用。

3　霜凍氣候特征分析

3.1霜凍天數、初(終)霜凍日、無霜凍期空間分布特征

從1981—2011年福建年平均霜凍天數分布(圖1)可以看出,福建省霜凍天數具有明顯的地理分布特征,等值線基本呈東北—西南走向,自北向南遞減;疊加福建地形,發現霜凍天數與臺站海拔高度具有良好相關性(相關系數達0.829 3)。西部、北部地區及高海拔山區,受冷空氣影響大,降溫較快,霜凍天氣容易出現,年平均霜凍天數達25 d以上,其中以閩東北的鷲峰山及太姥山一帶(壽寧、周寧、屏南、柘榮平均海拔819 m)為最多(48～56 d)。沿海地區的丘陵地帶,更易受海洋氣候影響,31 a間極少出現霜凍,年均值在10 d以下,其中東山終年無霜凍。鷲峰山—戴云山—博平嶺與武夷山之間的閩中谷地及沿海地區內陸縣市,霜凍天數介于上述二者之間。由此,將福建省9地市的68個測站分為三個區域,分別記為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區(如圖2所示),三個分區站點數分別為17、19、32。

表1最低氣溫與天氣現象(有霜或結冰)、最低地表溫度對應的站次比例

Table 1Stations and times proportions with lowest temperature,weather phenomena(frost or ice),and lowest ground surface temperature%

前提條件最低地表溫度≤0℃有霜或結冰天氣現象(即“白霜”,記為A)無霜和結冰,最低地表溫度≤0℃(即“黑霜”,記為B)最低氣溫≤2℃≤3℃≤4℃≤2℃70.751)74.711)5.531)最低氣溫≤3℃57.5563.405.47≤4℃45.4452.174.63最低地表溫度≤0℃87.301)95.2398.27有霜或結冰天氣現象79.571)89.8896.26

注：1)代表最低氣溫≤2 ℃的對應情況.

圖1　1981—2011年福建年平均霜凍天數(等值線;單位:d)的空間分布(陰影為福建地形,單位:m;粗點線表示福建主要山脈,A—E分別表示武夷山、鷲峰山、太姥山、戴云山、博平嶺)Fig.1　Spatial distribution of the mean number of frost injury days from 1981 to 2011(contours;units:d)[shading indicates the relief of Fujian,units:m;thick dotted lines from A to E indicate the main mountains in Fujian,such as Wuyi Mountain,Jiufeng Mountain,Taimu Mountain,Daiyun Mountain,and Bopingling Mountain]

圖2　福建省68個地面測站的霜凍分區示意圖Fig.2　Frost injury partitioning based on 68 meteorological stations in Fujian

分析年平均初(終)霜凍日、無霜凍期空間分布特征(圖略),可知,三者與年均霜凍天數相關性極高(相關系數絕對值約為0.95),同樣具有明顯的地域差異,也按三個區域呈階梯狀排列(詳見表2)。初霜凍日與終霜凍日呈反相關,即從西部、北部高海拔地區向東南部沿海,區域平均初霜凍日從11月下旬逐漸推遲至12月底;反之,終霜凍日從3月上旬旬末逐漸提前到1月底;鷲峰山脈附近為全省最早出現霜凍、最晚結束霜凍的區域。全省三個霜凍分區多年平均無霜凍期基本持續8個月以上,最小值同樣出現于鷲峰山脈區域(230.4 d);中南部臨海站點(平潭、秀嶼、崇武、廈門、東山)31 a間霜凍天數總計不足10 d,近乎全年無霜凍。表2同時給出各分區初(終)霜凍日歷年最早(晚)極值出現站點及日期,對比極值較年均值的提前(推遲)量,Ⅲ區比Ⅰ區提前(推遲)幅度大,Ⅱ區介于二者之間。綜上,福建霜凍天氣與福建地形及福建所處地理位置有緊密關系。

3.2初(終)霜凍日、無霜凍期的年際變化特征

對于Ⅲ區,尤其是臨海站點,霜凍樣本少,僅個別較冷年份才出現,且初霜凍晚、終霜凍早。為保證樣本統一性,僅針對Ⅰ、Ⅱ區(共36站)分析平均初(終)霜凍日、無霜凍期的年際變化特征(如圖3所示)。

對比初、終霜凍日年際變化曲線(圖3a、b),可以看出,初霜凍日大體呈推遲變化趨勢,終霜凍日緩慢提前,其氣候傾向率分別為0.358 5、-0.127 3 d·a-1,初霜凍日變化趨勢略大于終霜凍日,但二者均不顯著,僅初霜凍日通過0.1信度檢驗。近30 a間,初(終)霜凍日年代均值(圖中橫虛線表示)略有起伏,80、90、00年代日序分別為179.4、187.7、185.5(273.8、269.4、270.8),前兩段時期變化相對較明顯,最大幅度為8.3 d·(10 a)-1。相應的,無霜凍期大體呈延長趨勢(圖3c),氣候傾向率為0.494 5 d·a-1,同樣波動大、趨勢不顯著(僅通過0.2信度檢驗),極差達59.9 d(2000年最大,為312.1 d;1995年最小,為252.2 d)。Zhai and Pan(2003)、葉殿秀和張勇(2008)利用近50 a來我國577個測站逐日最低氣溫資料分析了我國霜凍的氣候變化特征,也得到類似結論。

表21981—2011年福建各霜凍分區初、終霜凍日及無霜凍期的統計特征

Table 2Statistical characteristics of the first date,last date and the number of days free of frost injury over Fujian from 1981 to 2011

區域初霜凍日終霜凍日多年區域平均(日期)歷史最早極值(站點/日期)多年區域平均(日期)歷史最晚極值(站點/日期)無霜凍期/dⅠ區11-23屏南/1992-10-1903-09壽寧、周寧、屏南、柘榮/1996-04-23230～270Ⅱ區12-09福安/1986-11-0202-17福鼎/1988-04-09270～330Ⅲ區12-29南靖/1992-11-1001-30霞浦/1987-03-26>330

圖3　1981—2011年福建Ⅰ、Ⅱ區平均初(a)、終(b)霜凍日日序及無霜凍期(c)的年際變化Fig.3　Interannual variation of the (a)first date,(b)last date and (c)the number of frost injury-free days of frost injury in Region I and II over Fujian from 1981 to 2011

3.3全省區域霜凍日的年際變化及持續性特征

以上對于霜凍時空分布特征的分析均基于站點出發,而霜凍過程的討論要從面上著眼。引入區域霜凍日概念,當區域內≥1/3站點出現霜凍天氣,認為該區域出現大范圍霜凍,此日即為該區域霜凍日。

1981—2011年,全省性霜凍日總計571 d,平均每年18.4 d,大范圍霜凍發生頻率較低;由圖4可知,1986年最多,達38 d,1998年最少,僅4 d。年際變化曲線總體呈下降趨勢。其中,20世紀80、90年代起伏大,年代均值分別為21.3、15.9 d;進入21世紀,變化較為平穩,基本穩定在年代均值18.1 d附近振蕩。

圖4　1981—2011年全省區域霜凍日的年際變化Fig.4　Interannual variation of the number of frost injury days for the whole province from 1981 to 2011

統計分析全省區域霜凍過程的持續性特征(表3),36.79%的全省區域霜凍天氣僅1 d后便得到緩解,總計78次,為最多數情況;其次是維持2～3 d的過程,分別出現52、35次,占24.53%、16.51%;過程持續4 d及以上發生頻次大幅降低,合計僅48次,占樣本總數22.17%。由此可知,福建全省區域霜凍過程的持續時間普遍較短。31 a間,持續≥10 d的過程共4次,其中最長記錄為16 d(2001-12-22—2002-01-06)。

表31981—2011年全省區域霜凍過程統計

Table 3Frost injury statistics for the whole province from 1981 to 2011

過程持續天數/d出現次數/次出現率/%17836.7925224.5333516.514188.495104.72652.36720.94852.36931.421010.471220.941610.47

3.4霜凍強度的旬變化特征

普查研究時段內(共計6 579 d)三個分區各自的區域霜凍日,發現Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區分別有1 256、601、179 d。其中(除1996年2月4日外),其余樣本均顯示,Ⅲ區霜凍日同時也是Ⅰ、Ⅱ區霜凍日,此時Ⅰ、Ⅱ區霜凍站數分別為16～17站、13～19站,幾乎覆蓋全區范圍;Ⅱ區霜凍日時,Ⅰ區必定也出現大范圍霜凍,出現站數≥8站。福建所處地理位置和地形特點決定福建霜凍過程必然是自北而南,從Ⅰ區逐漸擴展到Ⅱ區,再蔓延至Ⅲ區。另外,Ⅱ、Ⅲ區多種植亞熱帶、熱帶作物,對霜凍更為敏感;而對于Ⅰ區,受氣候條件限制,所種植經濟作物在霜凍季節基本已收成完畢,霜凍可能造成的危害較弱。由此,定義霜凍強度:以區域內出現大范圍霜凍(≥1/3站)為衡量標準,僅Ⅰ區出現大范圍霜凍,為弱霜凍;大范圍霜凍擴展至Ⅱ區,為中等強度霜凍(簡稱中霜凍,下同);當Ⅲ區也達到標準,即全省大部均出現霜凍,稱為強霜凍。

表4給出霜凍強度的旬變化統計,可見,霜凍越強,發生越晚、結束越早,且出現天數越少。弱霜凍于10月下旬開始出現,4月上旬仍偶有發生,平均每年發生21.10 d;主要集中于12月中旬至2月上旬爆發,其中1月下旬最密集(年平均2.77 d);中霜凍從11月中旬開始,強霜凍更晚一旬,兩者最晚結束記錄均為3月中旬。中、強霜凍全年總天數的多年平均值分別達13.61、5.81 d。12月下旬為中、強霜凍相對高發期,多年平均出現天數分別為2.23、1.23 d,在此期間,中霜凍甚至較弱霜凍更易出現。

表4霜凍強度的旬變化統計特征

Table 4Ten-day variation statistics for frost injury intensity

旬弱霜凍中霜凍強霜凍總天數/d31a平均/(d·a-1)總天數/d31a平均/(d·a-1)總天數/d31a平均/(d·a-1)10月下旬10.0311月上旬70.2311月中旬270.8770.2311月下旬270.87190.6120.0612月上旬491.58642.0650.1612月中旬692.23461.48210.6812月下旬601.94692.23381.231月上旬642.06461.48290.941月中旬642.06501.61280.901月下旬862.77381.23260.842月上旬622.00381.23150.482月中旬421.35120.3980.262月下旬300.97140.4510.033月上旬461.48170.5560.193月中旬110.3520.0610.033月下旬60.194月上旬30.10總和65421.1042213.611805.81

4　環流背景形勢分析

利用同期NCEP/NCAR一日四次再分析資料,分三部分剖析福建霜凍天氣的環流特征。1)分析全省性霜凍日08時(北京時間,下同)平均形勢場,了解福建霜凍天氣總體環流背景;2)對比分析不同霜凍強度開始日08時平均形勢,旨在揭示霜凍爆發從無到有、從弱到強的形勢場指標,當影響福建冷空氣達到相應標準并將繼續增強或維持,分別相對應的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區將開始出現大范圍霜凍;3)同理,分析不同霜凍強度結束日次日08時平均形勢,找到過程減弱、甚至完全解除的形勢場指標,當影響福建冷空氣達到相應標準且將繼續減弱,預示對應區域大范圍霜凍即將結束。

圖5　全省區域霜凍日08時(北京時間,下同)500 hPa(a;實線為高度,單位:dagpm,568 dagpm線加粗顯示;虛線為溫度,單位:℃;點劃線為東亞大槽)、850 hPa(b;實(虛)線為正(負)溫度,單位:℃,0、4 ℃線加粗顯示;點劃線為溫度槽)和海平面(c;等值線為氣壓,單位:hPa)平均形勢場(G為標記的高壓中心)Fig.5　Analysis of the weather situation mean-field at 0800 BST on frost injury days for the whole province(the position of the high pressure center is denoted by “G”):(a)500 hPa[height field shown by solid lines(units:dagpm,with 568 dagpm for thickening);temperature field indicated by dashed lines(units:°C);position of the East Asian trough indicated by the dashed-dotted line];(b)850 hPa [temperature field shown as solid lines for positive numbers and dashed lines for negative numbers(units:°C,with 0 °C and 4 °C for thickening);positions of the temperature trough indicated by the dashed-dotted line];(c)SLP field(solid lines;units:hPa)

4.1全省性霜凍環流形勢分析

圖5a、b、c分別給出福建全省區域霜凍日08時500、850 hPa和地面平均形勢場。

500 hPa(圖5a),東亞大槽位于125°E以東,槽底伸至30°N以南,568 dagpm線橫穿浙江南部,福建受偏西到西北氣流控制;低渦槽內有-36 ℃冷區配合,-28 ℃線穿過山東半島,-12 ℃線南壓至福建中部;溫度槽落后于高度槽,冷平流明顯;環流經向度大,槽后強盛的西北氣流引導冷空氣大舉南下,影響我國東部地區,尤其是西路冷空氣,往往造成較大范圍急劇降溫。

850 hPa(圖5b),高壓中心一般位于湖南北部,福建為高壓前部偏北到東北氣流控制,風速小;溫度場上,我國東部地區為冷槽控制,槽底位置較南,冷平流強;0 ℃線已南壓臨近福建,4 ℃線壓至福建南部。

由平均海平面氣壓場(圖5c)可見,我國東部大部地區在冷高壓控制下,高壓主體位于長江以南(中心強度達1 029.5 hPa),高壓后部仍有冷空氣從西路或中偏西路不斷擴散南下。根據預報經驗,冷高中心位于30～32°N之間時,福建受其控制,以晴好天氣為主,夜間輻射降溫明顯,易造成霜凍。

4.2不同霜凍強度開始日天氣形勢對比分析

對比霜凍由無—弱、弱—中、中—強三個發展過程的開始日08時500、850 hPa和地面平均形勢場特征參數(表5),總體而言,霜凍強度與形勢場特征線位置有密切關系,特征線越偏南,霜凍越強。各特征參數大多在中—強過渡階段不如弱—中階段南壓明顯。這是因為大范圍霜凍擴展到Ⅱ區之后,冷空氣南襲勢頭往往減弱,冷高壓主體維持在長江中下游地區,強度不再增強,冷空氣從東南沿海擴散南下,有利于Ⅲ區出現霜凍。其次,強霜凍基本僅維持1～2 d,很快在回暖形勢下緩解,地面溫度對高空的溫度變化存在滯后反應,當高空特征溫度線已經開始逐漸北抬時,晴空輻射致使地面溫度在較低水平基礎上繼續下降,造成霜凍范圍擴大。

表5不同霜凍強度開始日08時平均形勢場特征參數對比

Table 5Comparison of the weather situation mean-field at 0800 BST on the day of frost injury beginning with different intensity

霜凍強度500hPa特征參數850hPa特征參數地面特征參數東亞大槽位置東亞大槽槽底568dagpm線-28℃線-12℃線高壓中心0℃線4℃線風場冷高壓1025hPa線弱約29.0°N1)29.0°N1)36.7°N1)27.0°N1)陜西南部28.0°N2)25.6°N2)26.0°N2)中大致穩定維持于125°E以東約28.0°N1)28.0°N1)35.4°N1)26.4°N1)陜西南部27.0°N2)24.6°N2)風向、風速變化不明顯,華南地區為2～4m·s-1東北風控制冷高壓控制,高壓中心位于31～29°N之間25.0°N2)強約27.0°N1)27.2°N1)34.7°N1)26.0°N1)湖南北部26.5°N2)23.7°N2)24.3°N2)

注：1)表示特征線與125°E相交的緯度;2)表示特征線與120°E相交的緯度.

4.3不同霜凍強度結束日天氣形勢對比分析

表6給出霜凍由強—中、中—弱、弱—無三個減弱過程的結束日次日08時500、850 hPa和地面平均形勢場特征參數對比情況。與初始日相反,隨著特征線逐漸北抬,霜凍由強到弱,直至完全解除。相較于初始日,500 hPa,東亞大槽東移約15個經距,槽底北縮。850 hPa,冷高壓東移入海,西北地區到長江中上游一帶高壓中心消失,取而代之,臺灣島東北方向出現海上小高壓;華南地區轉為海上高壓后部偏南氣流控制,有弱的暖平流;等溫線平直,特征溫度線北抬明顯。地面場上,海平面氣壓梯度顯著減小。

5　結論

本文結合最低地表溫度、霜或結冰天氣現象、最低氣溫三者,給出更為完善的福建省霜凍判別標準,并據此研究福建霜凍氣候態特征及環流背景形勢,得到如下結論:

表6不同霜凍強度結束日次日08時平均形勢場特征參數對比

Table 6Comparison of the weather situation mean-field at 0800 BST on the next day of frost injury ending with different intensity

霜凍強度500hPa特征參數850hPa特征參數地面特征參數東亞大槽位置東亞大槽槽底568dagpm線-28℃線-12℃線高壓中心0℃線4℃線風場冷高壓1025hPa線弱31.0°N1)38.9°N1)27.2°N1)33.3°N2)29.4°N2)29.6°N2)中大致穩定維持于140°E以東槽底北縮,大致位于30°N以北30.2°N1)38.6°N1)26.9°N1)臺灣島東北方向的東海海面上出現小高壓32.6°N2)28.3°N2)風向、風速變化不明顯,華南地區為2～4m·s-1偏南風控制冷高壓變性,減壓明顯27.8°N2)強29.6°N1)37.8°N1)26.7°N1)31.9°N2)27.6°N2)26.8°N2)

注：1)表示特征線與125°E相交的緯度;2)表示特征線與120°E相交的緯度.

1)福建年平均霜凍天數、初(終)霜凍日、無霜凍期具有明顯地域差異,等值線基本呈東北—西南走向,與臺站拔海高度具有良好相關性。據此,可將全省劃分三個霜凍區域,西部、北部地區及高海拔山區(Ⅰ區)最易出現霜凍,且最早開始、最晚結束,無霜凍期最短;沿海地區的丘陵地帶(Ⅲ區)極少出現霜凍。Ⅰ、Ⅱ區平均初霜凍日、終霜凍日、無霜凍期大體分別呈現推遲、提前、延長的變化趨勢。

2)福建全省大范圍霜凍天氣發生頻率低,平均每年18.4 d,總體呈減少趨勢,20世紀80、90年代起伏大,進入21世紀變化較平穩。霜凍過程持續時間短。

3)以霜凍范圍大小定義其強弱程度,范圍越廣,則強度越強,且發生越晚、結束越早、出現天數越少。強霜凍只出現在11月下旬至次年3月中旬。

4)500 hPa,環流經向度大,568 dagpm線橫穿浙江南部,東亞大槽槽后有-36 ℃冷區配合,冷平流明顯;850 hPa,0 ℃溫度線南壓臨近福建;地面場上,我國東部大部地區受冷高壓控制,中心強度平均可達1 029 hPa。在這樣的環流背景下,福建以晴好天氣為主,夜間輻射降溫明顯,易造成霜凍。

5)霜凍強度與形勢場特征線位置有密切關系。隨著形勢場特征線略有南壓,霜凍逐漸增強,特征線在霜凍中—強過渡階段不如弱—中階段南壓明顯。與之相反,隨著特征線逐漸北抬,霜凍由強到弱,直至完全解除。

參考文獻(References)

陳乾金,張永山,1995.華北異常初終霜凍氣候特征研究[J].自然災害學報,4(3):33-39.Chen Q J,Zhang Y S,1995.Climatic characteristics of anomaly first and last frost injury in North China[J].J Natural Disasters,4(3):33-39.(in Chinese).

陳曉華,2009.新中國農業60年統計資料[M].北京:中國農業出版社.Chen X H,2009.Agricultural statistics of China during the past 60 years[M].Beijing:China Agricultural Press.(in Chinese).

崔讀昌,1999.關于凍害、寒害、冷害和霜凍[J].中國農業氣象,20(1):56-57.Cui D C,1999.About freeze injury,cold injury,chilling injury and frost injury[J].Chinese Journal of Agrometeorology,20(1):56-57.(in Chinese).

大氣科學辭典編委會,1994.大氣科學辭典[M].北京:氣象出版社.Editorial board of dictionary of atmospheric sciences,1994.Dictionary of atmospheric sciences[M].Beijing:China Meteorological Press.(in Chinese).

Easterling D R,2002.Recent changes in frost days and the frost-free season in the United States[J].Bull Amer Meteor Soc,83(9):1327-1332.

馮玉香,何維勛,1996.霜凍的研究[M].北京:氣象出版社.Feng Y X,He W X,1996.Study on frost injury[M].Beijing:China Meteorological Press.(in Chinese).

何小寧,吳幸毓,2012.近三十年福建省霜凍天氣的氣候變化特征[J].海峽科學,68(8):3-8.He X N,Wu X Y,2012.Climatic characteristics of frost injury over Fujian during the past 30 years[J].Straits Science,68(8):3-8.(in Chinese).

姜會飛,2008.農業氣象學[M].北京:科學出版社.Jiang H F,2008.Agrometeorology[M].Beijing:China Science Press.(in Chinese).

李芬,于文金,張建新,等,2012.山西近50 a初霜凍的氣候變化特征及其周期分析[J].大氣科學學報,35(6):754-761.Li F,Yu W J,Zhang J X,et al.,2012.Analysis of the climate change characteristics and periodicity of the first frost in Shanxi Province in the past 5 decades[J].Trans Atmos Sci,35(6):754-761.(in Chinese).

李嬌,任國玉,任玉玉,等,2014.資料均一化對沈陽站氣溫趨勢和城市化偏差分析的影響[J].大氣科學學報,37(3):297-303.Li J,Ren G Y,Ren Y Y,et al.,2014.Effect of data homogenization on temperature trend estimation and urban bias at Shenyang station[J].Trans Atmos Sci,37(3):297-303.(in Chinese).

林良勛,薛登智,梁健,等,2000.近二十年廣東的霜凍氣候及其變化特征[J].廣東氣象,22(4):7-9.Lin L X,Xue D Z,Liang J,et al.,2000.Climatic change characteristics of frost injury over Guangdong during the past 20 years[J].Guangdong Meteorology,22(4):7-9.(in Chinese).

Scheifinger H,Menzel A,Koch E,et al.,2002.Trends of springtime frost events and phenological dates in Central Europe[J].Theor Appl Climatol,74(1):41-51.

宋德眾,蔡詩樹,2007.中國氣象災害大典(福建卷)[M].北京:氣象出版社.Song D Z,Cai S S,2007.Chinese Meteorological treasury(Fujian Part)[M].Beijing:China Meteorological Press.(in Chinese).

溫晶,胡麗甜,李霞,等,2010.近55年廣州霜凍的年際和年代際變化特征[J].廣東氣象,32(2):1-3.Wen J,Hu L T,Li X,et al.,2010.Inter-annual and Inter-decadal variations of the frost injury in Guangzhou during the past 55 years[J].Guangdong Meteorology,32(2):1-3.(in Chinese).

吳國興,高安寧,陳業國,等,2003.廣西異常霜凍天氣過程特征指數研究[J].廣西科學,10(1):72-74,80.Wu G X,Gao A N,Chen Y G,et al.,2003.Characteristic indices of abnormal frostbite weather process of Guangxi[J].Guangxi Sciences,10(1):72-74,80.(in Chinese).

葉殿秀,張勇,2008.1961—2007年我國霜凍變化特征[J].應用氣象學報,19(6):661-665.Ye D X,Zhang Y,2008.Characteristics of frost injury changes from 1961 to 2007 over China[J].J Appl Meteor Sci,19(6):661-665.(in Chinese).

Zhai P M,Pan X H,2003.Trends in temperature extremes during 1951—1999 in China[J].Geophys Res Lett,30(17):CLM 9-1-CLM 9-4.

張旭暉,居為民,蒯志敏,等,2013.江蘇春季霜凍氣候變化特征及其未來可能變化趨勢[J].大氣科學學報,36(6):666-673.Zhang X H,Ju W M,Kuai Z M,et al.,2013.Historical variation and possible future trends of spring frost in Jiangsu province[J].Trans Atmos Sci,36(6):666-673.(in Chinese).

Frost injury has great influence for tropical and subtropical crops in Fujian.Such crops possess poor ability to resist cold air,and so studying their frost injury characteristics is extremely important for disaster prevention and reduction.

Firstly,based on daily meteorological observational data at 68 stations over Fujian from January to April and from October to December(1981—2011),an index of frost injury in Fujian is determined,by combining the lowest ground surface temperature,weather phenomena,and lowest temperature.Frost injury is defined by any one of these three conditions as follows:the lowest ground surface temperature is lower than or equal to 0 ℃;frost or freezing is found on the ground surface;and the lowest temperature is lower than or equal to 2 ℃.

The climatic characteristics are investigated and discussed.The basic conclusions are as follows:(1)The annual average number of frost injury days,the first and last frost injury date,and the number of frost injury-free days in Fujian demonstrate obvious regional differences,with northeast—southwest-trending contours that correlate well with metrological station elevations.The whole province of Fujian is divided into three frost injury regions.The western and northern regions and high elevation mountain area belong to region I,where frost injury occurs easily,begins earlier,ends later,and there are fewer frost injury-free days.Region III encompasses hilly landscapes in coastal areas,seldom effected by frost injury.The regional averages of the first and last frost injury date in regions I and II,respectively,show delayed and advanced trends,while the number of frost injury-free days increase.(2)Frost injury over most areas of Fujian with short duration is uncommon,and its occurrence frequency becomes lower and lower.(3)By comparison of frost injury with different intensity,it shows that the stronger frost injury takes more widespread damage,occurs later,and finishes earlier,with less number of frost injury days.

The circulation background leading to frost injury in Fujian is also discussed,based on NCEP/NCAR four-times-daily reanalysis data during the same period.It is found that the meridional circulation increases at the level of 500 hPa,the line of 568 dagpm goes through the south of Zhejiang Province,and the upper cold center intensity at -36 ℃ stays behind the East Asian trough,with strong cold advection.The line of 0 ℃ on the 850 hPa layer moves southwards close to Fujian Province.On the surface layer,most areas of East China are controlled by cold high pressure at 1 029 hPa.In this circulation background,the weather is relatively fine in Fujian,but then the temperature plummets owing to surface radiation at night,so frost injury occurs easily.Through analysis of the circulation characteristics at 0800 BT on the day of beginning and the next day of ending with different frost injury intensity,it is found that the position of the index lines,such as the lines of 568 dagpm(500 hPa),0 ℃(850 hPa),1 025 hPa(surface layer) and so on,is closely related to the frost injury intensity.Frost injury strengthens gradually along with the index lines moving southward,and vice versa.The index lines move less significantly in the period from medium-strength to high-strength,as compared to during the period from low-strength to medium-strength.

frost injury index;frost injury date;frost injury-free days;statistical climate characteristics;circulation background

(責任編輯：孫寧)

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20141117003

Temporal and spatial distribution characteristics of frost injury in Fujian and its circulation background

WU Xingyu,LIN Yi,CHEN Wenjian,HE Xiaoning

FujianMeteorologicalObservatory,Fuzhou350001,China

引用格式：吳幸毓,林毅,陳文鍵,等,2016.福建霜凍時空分布特征及環流背景分析[J].大氣科學學報,39(4):501-509.

Wu X Y,Lin Y,Chen W J,et al.,2016.Temporal and spatial distribution characteristics of frost injury in Fujian and its circulation background[J].Trans Atmos Sci,39(4):501-509.doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20141117003.(in Chinese).

*聯系人，E-mail:omegawu@163.com