1961—2010年臨夏州寒潮天氣氣候特征及其對農業的影響

岳高峰++馬旭潔++馬春英

摘要 使用甘肅省臨夏回族自治州的6個國家級地面自動氣象觀測站1961—2010共50年氣象觀測資料，利用數理統計分析、趨勢分析法、Mann-Kendall突變檢驗法和Morlet小波分析方法，對臨夏州50年寒潮天氣發生的氣候變化和時空分布進行分析和研究，發現寒潮天氣發生的周期和規律性。結果表明：春季的4—5月和秋冬季的10—11月是臨夏州寒潮天氣多發的2個時段；寒潮天氣平均降溫幅度最大的月份為5月，幅度最小為1月；不同類型和強度寒潮天氣的年、月變率差異大；50年寒潮天氣發生規律呈現出先增后減趨勢，與近年氣候變暖趨勢相一致；Mann-Kendall突變檢驗法顯示，臨夏州50年來寒潮天氣發生頻次沒有產生突變；寒潮天氣發生頻次存在18～22年、9～11年和2～4年周期振蕩規律。

關鍵詞 寒潮；氣候特征；周期規律；農業；甘肅臨夏；1961—2010年

中圖分類號 P425.5+4 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2016）20-0225-02

寒潮天氣過程是一種大規模的強冷空氣活動過程，主要特點是出現劇烈降溫和大風[1]。寒潮過程是我國春季、秋冬季常見的一種嚴重氣象災害天氣。北方的冷空氣大規模地向南侵襲，造成大范圍急劇降溫和偏北大風的天氣過程。寒潮天氣的主要特點是劇烈降溫和大風，有時還伴有雨、雪、雨凇和霜凍等，寒潮給工農業生產和人們的生活帶來很大影響，能導致灌港封凍、交通中斷、牲畜越冬困難和早春晚秋作物受凍，尤其是對農業的影響更為嚴重和明顯[1-2]。關于寒潮天氣，許多學者做了大量的研究工作，趙其庚[3]和席世平等[4]利用等熵位渦守恒性更強、持續時間更長這一特點追蹤寒潮天氣過程，更好地分析寒潮天氣發展規律，更準確預測其發展趨勢。林愛蘭等[5]根據寒潮天氣過程的影響范圍和危害程度，定義了寒潮強度指數來綜合衡量寒潮天氣的強度。趙俊榮[6]利用數值預報產品對寒潮暴風雪天氣過程進行了檢驗。魏風英等學者對我國寒潮天氣進行了深入的研究，分析研究了寒潮天氣形成的機制和原理，并標出了寒潮天氣關鍵區，確定了影響我國的4條寒潮移動路線，分析了寒潮天氣演變的規律[7-10]。

本文利用臨夏州6個國家氣象觀測站的日平均氣溫和最低氣溫資料，對臨夏州50年的寒潮天氣的氣候特征進行分析，分析寒潮天氣對農業的影響和危害，掌握寒潮天氣過程發生的規律和周期，做好寒潮天氣的監測預報預警和農業生產保護，為農業防災減災決策提供參考依據。

1 資料與方法

1.1 區域概況

臨夏回族自治州（簡稱臨夏州，下同）位于甘肅省的中南部，地理坐標介于34°57′～36°12′N，102°41′～103°40′E之間，總面積為81.67萬hm2。臨夏州地處青藏高原和黃土高原的過渡地帶，大部分地方屬溫帶半干旱氣候，其中西南部山區為高寒陰濕，東北部為干旱地區[11]。臨夏州為典型的農業區，主要以種植旱作農業為主，主要糧食作物有小麥、玉米、馬鈴薯、油菜和蠶豆等。受特殊的地形和氣候影響，臨夏州是一個氣象災害高頻發地區，寒潮天氣一年中均可發生，春秋季更頻繁。

1.2 資料來源

所用數據來源于臨夏州所轄的臨夏市、永靖縣、東鄉縣、廣河縣、和政縣和康樂縣共6個國家自動氣象觀測站1961—2010年間的常規氣象觀測資料，從中挑選出日平均氣溫和日最低氣溫資料，剔除異常值并進行插值處理，確保資料的準確率和可靠性。根據中國氣象局第16號令《氣象災害預警信號發布與傳播辦法》[12]中規定，將寒潮天氣定義為四級（一般）、三級（較重）、二級（嚴重）和一級（特別嚴重）。令Tave代表日平均氣溫、Tmin代表日最低氣溫，并規定寒潮量級：四級，48 h內Tave下降8 ℃以上，Tmin≤4 ℃；三級，24 h內Tave下降10 ℃以上，Tmin≤4 ℃；二級，24 h內Tave下降12 ℃以上，Tmin≤0 ℃；一級，24 h內Tave下降16 ℃以上，Tmin≤0 ℃。

1.3 寒潮強度指數定義

一次寒潮天氣過程的強度由日最低氣溫降溫幅度、日最低氣溫值、影響范圍和影響持續時間綜合決定。借鑒于林愛蘭等[5]關于寒潮強度的計算，定義臨夏州寒潮天氣過程強度指數KZ，其計算公式為：

KZ=KF-KD+KS

式中：KZ為寒潮天氣過程綜合強度指數，KF為寒潮天氣過程最低氣溫降溫幅度指數，KD為寒潮天氣過程最低氣溫指數，KS為寒潮天氣過程影響范圍和持續時間指數。經過計算，用KZ來綜合衡量寒潮天氣過程的強度，KZ值越大表明寒潮強度越高，KZ值越小表明寒潮強度越低。

1.4 統計與分析方法

使用數理統計方法、線性趨勢法、Mann-Kendall突變檢驗法和Morlet小波分析方法，對臨夏州1961—2010年50年間寒潮天氣過程時空間分布、寒潮天氣過程年發生頻次進行統計和分析；使用Morlet小波分析方法對寒潮天氣過程的進行趨勢進行分析，找出寒潮天氣發生的周期性和規律性。

2 結果與分析

2.1 寒潮天氣時空分布特征

2.1.1 寒潮天氣空間分布特征。50年來，臨夏州寒潮天氣過程空間分布從西南方的康樂縣至東北方的永靖縣依次減少。其中中南部的和政縣和偏南部的康樂縣為2個寒潮天氣多發區。全州50年間寒潮發生頻次平均為6.7次/年，和政縣最高，為7.1次/年，康樂縣次高，為6.9次/年，而北部的永靖縣最少，為4.8次/年。臨夏州寒潮天氣多發于2個時段，春季的4—5月是寒潮的高發時段，秋冬季的10—11月是寒潮天氣次高發時段。春季寒潮天氣平均降溫幅度最大的月份為5月，秋季寒潮天氣降溫幅度最大為10月。

2.1.2 寒潮天氣時間分布特征。

（1）寒潮天氣年際和年代際變化特征。50年間，臨夏州寒潮天氣發生頻次呈現出先增加后減少的趨勢。寒潮天氣發生次數最多的是1976年，為9次；其次是1986年，為8次；最少的年份為1998年，寒潮天氣平均發生次數為2次。1961—1970年霜凍頻次呈波動增加趨勢，但不顯著；1971—1980霜凍頻次呈現出顯著的增長趨勢；1981—1990霜凍頻次同樣呈現出增長趨勢；而在1991—2010年又呈現出減少趨勢，近年寒潮天氣發生的頻次在減少，這也與全球氣候變暖的趨勢相一致。

（2）寒潮天氣月際變化特征。從月際變化來看，寒潮天氣發生次數最的月份是5月，其次是10月，而1月為最少。50年間臨夏州共發生寒潮天氣過程335次，5月共發生寒潮天氣128次，占全部寒潮天氣發生頻次的38.2%；10月共發生寒潮天氣107次，占全部寒潮天氣發生頻次的31.9%；其余月份共100次，占全部寒潮天氣發生頻次的29.9%。從寒潮天氣變化強度來看，5月和10月出現強寒潮次數分別為最多和次最多，且強度變化也是最大。

（3）寒潮強度KZ指數變化特征。KZ指數月變化顯示，5月、10月寒潮指數均為正值，分別為0.62、0.49，說明5月和10月寒潮發生強度呈增強的趨勢，其余月份的KZ指數均為負值，說明寒潮發生強度呈減弱的趨勢。KZ指數年代際變化顯示，50年間臨夏州寒潮強度指數呈下降趨勢，以0.34/10年的趨勢下降（通過0.01顯著性水平檢驗）。

2.1.3 寒潮天氣Mann-Kendall突變檢驗。在臨夏州50年寒潮天氣發生頻次序列的Mann-Kendall突變檢驗圖上，曲線UF顯示，1961—1972年寒潮天氣發生頻次在波動上升，但不顯著；1972—1988年寒潮天氣發生頻次上升非常顯著；1989—2010年寒潮天氣發生頻次又處于減少的趨勢，1988年成為了轉折點。UF和UB曲線在1977年和2002年存在明顯交點，但始終沒有超過UF的信度線（0.05顯著水平），說明臨夏州50年來寒潮天氣發生頻次沒有產生突變。

2.1.4 寒潮天氣周期振蕩變化。通過用Morlet小波變換（使用復小波變換，可以有效避免出現虛假振蕩），得小波方差圖，顯示寒潮天氣發生頻次存在18～22年、9～11年和2～4年周期振蕩規律。小波系數圖顯示，18～22年周期振蕩非常顯著，9～11年較顯著，2～4年周期振蕩不明顯；18～22年周期振蕩在50年間整個時段存在；9～11年在1975年后有規律性周期振蕩；而2～4年周期振蕩在20世紀80年代后期開始存在，之前時間段不明顯。9～11年周期振蕩在2010年小波系數正值等值線并沒閉合并正處于中心，預計在之后的4～5年臨夏州寒潮天氣年發生率存在增長趨勢的可能。

2.2 寒潮天氣對農業的影響

寒潮天氣常伴隨著強降溫、雨雪、大風天氣。南下東移的冷空氣降溫可以達到10 ℃甚至20 ℃以上。寒潮天氣對農業的危害和影響非常大，臨夏州春季4—5月正值玉米、春小麥幼苗生長期，也是當地早酥梨、大接杏、啤特果等特色林果的現蕾和開花時段，而此時出現的寒潮和強降溫天氣對作物和林果的影響是巨大的，如果伴隨出現強霜凍則更是毀滅性的打擊。

不同地區不同種類的農作物耐寒的生理學溫度也都有一定的限度，如北方春小麥、豆類和油料作物屬耐寒作物，可以承受-10～-7 ℃的低溫，蘿卜可耐-6 ℃的低溫，白菜可耐-4 ℃的低溫，而玉米、馬鈴薯只能耐-3～-2 ℃的低溫。而且，各種植物不同生長發育期階段的耐寒能力也不同。對于大多數植物來說，當溫度降到0 ℃左右時，就會明顯受害。臨夏州歷史上幾乎每次寒潮天氣過程都會造成大面積的農作物和林果樹受害，災害程度會因冷空氣入侵范圍不同而有較大差異。寒潮天氣過境后，氣溫驟然下降，降溫可持續1 d至數天；而低洼的地區由于冷空氣堆積，降溫幅度大而且持續時間長；較高的塬地雖然降溫幅度小，但可以出現冰凍和霜凍現象。如在1976年4月18日，由于寒潮天氣暴發，臨夏市日最低氣溫降至-12.2 ℃，全州其余地方也出現極端最低氣溫和霜凍現象，致使當年農林牧業生產遭受重大損失。

2.3 寒潮天氣農業防御對策

一是露天增溫法，利用一切條件提高近地面層溫度，如布設煙堆、安裝鼓風機等，打亂逆溫層，對近地層有顯著增溫效果，其中熏煙一般能提高近地層溫度1～2 ℃。二是植被覆蓋法，利用覆蓋物保護植物體的地上部或地下怕凍部位，減少地面長波輻射，防御寒風侵襲，從而起到防寒作用。覆蓋有水平和垂直覆蓋2種，其中有直接覆蓋在作物上或果樹上的，有搭棚覆蓋的，還有采用包扎式的。風障對防御凍害也有較好效果，可以根據實際情況采用不同類型和不同傾角的風障設計。三是噴灑藥劑法，主要用于果樹防凍。噴化學藥劑防御凍害是利用生長激素控制果樹生長規律，增強抗凍能力?；瘜W方法防御凍害是一種應急措施，必須注意收聽收看當地天氣預報，在寒潮降溫開始前適時噴灑化藥劑才能起到好的效果。

3 結論與討論

利用臨夏州的6個國家自動氣象觀測站1961—2010年間的常規氣象觀測資料，從中挑選出日平均氣溫和日最低氣溫資料，使用數理統計方法、線性趨勢法、Mann-Kendall突變檢驗法和Morlet小波分析方法，對臨夏州50年寒潮天氣發生的氣候變化和時空分布進行分析和研究。定義臨夏州寒潮天氣過程強度指數和寒潮等級。臨夏州寒潮天氣多發于春季的4—5月和秋冬季的10—11月。1961—2010年間，臨夏州寒潮天氣發生頻次呈現出先增加后減少趨勢。50年間臨夏州寒潮強度指數呈0.34/10年的趨勢下降（通過0.01顯著性水平檢驗）。Mann-Kendall突變檢驗顯示，臨夏州50年來寒潮天氣發生頻次沒有產生突變。小波分析顯示，臨夏州寒潮天氣發生頻次存在18～22年、9～11年和2～4年周期振蕩規律。寒潮天氣常伴隨10 ℃以上的強降溫和大風天氣，對農業的危害和影響非常大。

4 參考文獻

[1] 朱乾根，林錦瑞，壽紹文，等.天氣學原理與方法[M].北京：氣象出版社，2000：266-268.

[2] LI X Y，XIE N，SHI J A，et al.Analysis of a cold wave weather process in Chengdu in March 2010[J].Meteomlogical and Environmental Research，2011，2（6）：1-5.

[3] 趙其庚.侵入青藏高原冷空氣過程的等熵位渦分析[J].氣象，1990，16（6）：9-14.

[4] 席世平，壽紹文，范學峰.一次區域暴雪過程中的等熵位渦分析[J].河南氣象，2006（4）：17-19.

[5] 林愛蘭，吳尚森.近40多年廣東省的寒潮活動[J].熱帶氣象學報，1998，14（4）：337-347.

[6] 趙俊榮.寒潮暴風雪天氣過程中數值預報產品的檢驗分析[J].新疆氣象，2002（4）：12-14.

[7] 魏風英.氣候變暖背景下我國寒潮災害的變化特征[J].自然科學進展，2008，18（3）：289-295.

[8] 劉婕，徐小波.全球氣候變暖背景下大連地區寒潮活動的氣候變化[J].大連海事大學學報，2007，33（1）：154-160.

[9] 高振榮，劉曉云，田慶明，等.甘肅河西地區一次強寒潮天氣個例診斷分析[J].干旱氣象，2009，27（1）：34-39.

[10] 周翠芳，張廣平，楊海山，等.寧夏冬季寒潮天氣過程對比分析[J].干旱氣象，2009，27（2）：142-147.

[11] 尹憲志.臨夏氣象[M].北京：氣象出版社，2011：3-5.

[12] 中國氣象局.氣象災害預警信號發布與傳播辦法[EB/OL].（2007-06-12）[2012-08-03].http：//www.cma.gov.cn/2011zwxx/2011zflfg/2011zgfx wj/201208/t20120803_180761.html.