1961—2019年吉林省暖冬氣候特征分析

劉 寧, 于秀晶*, 黃 晶

(1.吉林省氣候中心，長春 130062；2.安徽省大氣探測技術保障中心，合肥 230031)

隨著人類工業革命的開啟以及經濟的持續發展，地球也進入了一個新時期，大量溫室氣體被釋放到大氣層中，全球氣溫上升，導致極地冰川消融、海平面上升、氣候風險加大，中國主要表現為冬季氣溫升高，極端天氣氣候事件漸強漸多[1-6]。暖冬影響利弊兼備，冬季氣溫較高有利于減輕供暖壓力、節約能源；降雪融化快有利于交通運輸；可減少心腦血管疾病的發病及死亡人數；對牲畜越冬、蔬菜生長、多年生經濟林木、農田水利建設、道路施工及戶外作業等也均有有利影響。但暖冬也會導致極端事件發生、重大工程運行風險加大、農業生產條件改變、水資源稀缺等不利影響[7-10]。暖冬對人類健康、生態環境、經濟與農業生產活動均有直接或間接的影響，因此暖冬研究逐漸得到了廣泛的關注。

圖1 吉林省46個站點分布Fig.1 The 46 meteorological observation stations in Jilin Province

近年來，對暖冬的定義及等級劃分的方法在不斷更新，隨著氣象業務及氣候研究的不斷深入，逐漸形成了統一的定義和標準。2008年國家質量監督檢驗檢疫總局和國家標準化管理委員會發布了國家標準《暖冬等級》(GB/T 21983—2008)[11]。有諸多學者依據此標準對不同地區暖冬氣候特征進行了研究。林昕等[12]、杜軍等[13]、陳倩雯等[14]、李會霞等[15]、徐虹等[16]均利用國家標準《暖冬等級》對近幾十年福建、青藏高原、黃土高原、云南等地區暖冬事件時間序列進行提取與分析，并取得較為顯著的研究成果。吉林省位于松遼平原中心，是中國著名的大糧倉，土地肥沃，畜牧業資源也較為豐富，因此吉林省成為很多研究氣候變化及相關領域學者的關注焦點。尹煬等[17]、山珊等[18]的研究顯示，1960年以來吉林冬季氣溫呈現出波動上升的趨勢；高峰等[19]、楊雪等[20]認為吉林省平均氣溫在1986年發生增暖突變，且冬季增暖最為顯著，暖冬年內東北地區因僅受西北風影響，冷空氣勢力弱；任景全等[21]的研究顯示吉林省冷持續日數、冰凍日數等極端氣溫指數在20 世紀 80 年代發生突減，而暖持續日數、熱夜日數等發生突增；沈志超[22]則認為東北地區冬季增暖主要從20世紀80年代中期開始，暖冬年集中發生在90年代后，且發生強度和頻率有顯著增加趨勢。目前已有較多學者對吉林省氣溫變化進行了研究并得出冬季顯著增暖的結論，但根據氣溫對吉林省暖冬進行等級劃分并對其進行氣候變化特征的分析，尚未見相關的研究成果。現在國家標準《暖冬等級》基礎上，提取1961—2019年暖冬事件時間序列，并分析吉林省冬季氣溫變化特點及暖冬事件的氣候變化特征，為吉林省農牧業生產、生態環境保護及防災減災工作提供理論依據。

1 資料與方法

1.1 研究區域概況

吉林省位于中國東北地區中部，經緯度范圍為 122°E～131°E、 41°N～46°N。圖1所示為選取的46個站點分布。吉林省按區域劃分為西、中、東3個區域。西部包括白城和松原；長春、四平和遼源為中部；東部地區包括吉林、通化、白山、長白山保護區(東崗、二道)和延邊。

1.2 資料來源

選取吉林省氣候中心從長Z文件提取的國家基準站地面逐日氣溫觀測資料，資料經過均一化處理。為確保資料長度的一致性，剔除1961年之后缺測較多的站點，選取了資料完整性較好的46個站點1961—2019年冬季逐日氣溫觀測資料，包括日平均氣溫、日最高氣溫和日最低氣溫資料。以當年12月至翌年2月為翌年冬季 (如2018年12月—2019年2月為2019年冬季)，計算1961—2000年冬季氣溫距平采用1961—1990年30 a氣候平均值，計算2001—2010年冬季氣溫距平采用1971—2000年30 a氣候平均值，計算2011—2019年冬季氣溫距平采用1981—2010年30 a氣候平均值。

1.3 氣候傾向率

采用氣候傾向率估計方法對吉林省冬季平均氣溫變化趨勢進行分析，設t為年份(1961—2019年)，y為擬合值(對應年份的冬季平均氣溫)，a為氣候傾向率，b為常數，得到y和t之間的線性方程

y=at+b

(1)

式(1)中：a的正負代表趨勢，a>0，說明隨著時間t的增加，氣溫y呈上升趨勢，反之說明呈下降趨勢。|a|表示速率，值越大，表示氣溫上升或下降的趨勢越大，反之則氣溫上升或下降的趨勢越小。

1.4 暖冬指標和暖冬等級劃分

參考國家標準《暖冬等級》，對吉林省暖冬進行定義和劃分。在空間上可分為單站暖冬和區域暖冬(本文中區域暖冬即為吉林全省暖冬)，且兩者均有強弱兩個等級。該標準中根據氣溫來定義單站暖冬強度，并在此基礎上以單站暖冬站數與總站數的百分比來界定區域暖冬。

1.4.1 單站暖冬和暖冬等級劃分

(2)

(3)

將單站冬季平均氣溫距平ΔT與暖冬閾值0.43σ之差定義為單站暖冬指數IWs，單位為℃。當ΔT≥0.43σ時，即認為發生了單站暖冬。標準中將單站強暖冬閾值界定為1.29σ。因此，單站暖冬界定標準為0.43σ≤ΔT<1.29σ；強暖冬標準為ΔT≥1.29σ[23]。

1.4.2 區域暖冬和暖冬等級劃分

將某一區域內暖冬站數與總站數的百分比定義為區域暖冬指數IWa，當IWa≥50%時即認為發生了區域暖冬，發生的年份即為暖冬年。若區域內發生強暖冬的站數占暖冬站數的50%以上，即認為發生了區域強暖冬。具體等級劃分如表1所示。

表1 單站暖冬及區域暖冬劃分Table 1 The grade’s division of single station warm winter and regional warm winter

2 吉林省冬季氣溫變化

2.1 冬季平均最高氣溫、平均氣溫、平均最低氣溫變化

如圖2所示，1961—2019年吉林省冬季平均氣溫為-13.3 ℃，近59 a升溫速率為0.41 ℃/10 a，遠高于全國增暖趨勢( 0.16 ℃/10 a)[24]，并通過0.01的顯著性檢驗。80年代末期氣溫發生突變，增暖顯著，至2019年近30 a氣溫均處于高位，但變化趨勢不明顯，其中90年代末期至2019年近20 a氣溫波動幅度加大。

圖2 吉林省冬季各氣溫變化趨勢Fig.2 The trends of winter temperature in Jilin Province

吉林省冬季平均最高氣溫、平均氣溫、平均最低氣溫均呈現升高趨勢，平均最高氣溫的線性增溫率為0. 27 ℃/10 a，在三者中最小，平均氣溫的升溫趨勢次之，增溫率達到0. 41 ℃/10 a，平均最低氣溫的升溫趨勢最大為0.53 ℃/10 a，并通過0.001的顯著性檢驗。因此得知，冬季平均最低氣溫的升高是吉林省冬季變暖的主要因素。

從表2可知，冬季3個月平均最高氣溫、平均氣溫、平均最低氣溫均為升溫趨勢，而2月各氣溫的升溫趨勢均大于12月和1月，由此可見2月氣溫上升對冬季變暖的影響最大。

表2 吉林省冬季逐月各氣溫的氣候傾向率Table 2 The climate tendency rate of temperature in winter in Jilin Province

注：黑體表示2月各氣溫升溫趨勢均大于12月和1月。

2.2 冬季平均氣溫變化趨勢的空間分布

圖3 1961—2019年吉林省冬季平均氣溫變化趨勢分布Fig.3 The distribution of mean winter temperature trends in Jilin Province during 1961—2019

從圖3可知，本文中研究的46個站點冬季平均氣溫均呈上升趨勢，東部大部分站點氣溫變化率較大，全省大部均有較為明顯的變暖趨勢。各站點氣溫變化率范圍為0.05～0.77 ℃/10 a，其中農安變化率最小，每10 a氣溫僅上升0.05 ℃；有22個臺站氣溫變化率為0.25～0.4 ℃/10 a；松原大部、長春東南部、四平大部、吉林大部、通化、白山西部及洮南等23個臺站氣溫變化率大于0.4 ℃/10 a，其中吉林市區最大為0.77 ℃/10 a。

3 吉林省暖冬事件的變化

3.1 單站暖冬事件變化

由圖4可知，1961—2019年吉林省單站暖冬發生5～59次，頻次范圍較大。暖冬頻次呈現西南部和東南部大、北部小的空間分布。其中四平大部、通化南部、延邊東南部10縣市暖冬頻次≥40，集安、和龍、龍井和琿春4縣市暖冬頻次>50，琿春最多達59次，即1961—2019年每年均出現暖冬。扶余、蛟河、二道及長白暖冬頻次在10次以下，二道最少僅出現5次。

圖4 單站暖冬發生頻次Fig.4 Occurrence frquencies for single station warm winter

與單站暖冬發生頻次的空間分布相同，單站強暖冬發生頻次仍呈現西南部和東南部大、北部小的空間分布(圖5)。四平市區、梨樹、集安、和龍、龍井、延吉、琿春強暖冬發生頻次為33～57次，其中琿春最多達57次，僅1977年和2013年未發生強暖冬。白城北部、吉林中東部及扶余、榆樹、靖宇、二道和長白為1～4次，其中扶余、蛟河、靖宇、二道和長白僅出現一次強暖冬。

從單站暖冬指數變化趨勢可以看出(圖6)，1961—2019年吉林省大部分縣市的暖冬指數IWs呈上升趨勢，共42縣市暖冬指數線性趨勢為正，與冬季平均氣溫變化趨勢分布大致匹配，其中通化南部、吉林西北部、白山西部及寧江區(松原市區)、長春市區、敦化和二道10縣市IWs線性趨勢超過0.2 ℃/10 a，其中吉林市區最大為0.49 ℃/10 a，該站冬季平均氣溫變化趨勢也為全省最大；農安、德惠、長白和汪清4縣市IWs線性趨勢為負，其中農安最小為-0.23 ℃/10 a，由圖3可知農安冬季平均氣溫變化趨勢也為全省最小，兩者相匹配。

3.2 區域暖冬事件變化

近59年來吉林省區域暖冬指數呈升高趨勢，變化率約為4.3%/10a，說明吉林省冬季氣溫確實存在變暖的趨勢，達到暖冬標準的站點數呈增長趨勢。

59年間共出現25個暖冬，其中60年代出現1個，70年代出現3個，80年代出現4個，90年代最多出現9個暖冬，1990—2019年共出現17個暖冬，占總數的68%，21世紀以來出現8個。1998、2007年吉林省區域暖冬指數均為100%，即46個站點均發生暖冬。如表3所示，在25個暖冬年中，共有18個年份為強暖冬年，其中70年代出現1個，80年代出現3個，90年代的9個暖冬年均為強暖冬年，21世紀以來出現5個。2007年是自1961年以來暖冬范圍最大、強度最強的一年，全省有44站發生了單站強暖冬，其余兩站僅發生單站暖冬。

余下的34個非暖冬年均有單站暖冬發生，60年代非暖冬年最多為9個。全省暖冬指數在4%～46%，即發生了局地暖冬。

表3 1961—2019年吉林省區域(強)暖冬事件年份Table 3 Years of regional (strong) warm winter events in Jilin Province during 1961—2019

注：黑體為強暖冬發生年份。

4 結論

(1)1961—2019年吉林省冬季平均氣溫為-13.3 ℃，增溫趨勢明顯，近59 a升溫速率為0.41 ℃/10 a。冬季平均最高氣溫、平均氣溫、平均最低氣溫均呈現升高趨勢，其中平均最低氣溫的升溫趨勢最大為0.53 ℃/10 a，并通過0.001的顯著性檢驗。因此可知，冬季平均最低氣溫的升高是吉林省冬季變暖的主要因素。2月平均最高氣溫、平均氣溫、平均最低氣溫的升溫趨勢均大于12月和1月，由此可見2月氣溫上升對冬季變暖的影響最大。

(2)各站點冬季平均氣溫均呈上升趨勢，東部大部氣溫變化率較大。各站點氣溫變化率范圍為0.05～0.77 ℃/10 a，農安最小為0.05 ℃/10 a；有22個臺站氣溫變化率為0.25～0.4 ℃/10 a；23個臺站氣溫變化率大于0.4 ℃/10 a，其中吉林市區最大為0.77 ℃/10 a。

(3)1961—2019年吉林省各站單站暖冬發生頻次為5～59次，單站強暖冬發生1～57次，均呈現西南部和東南部大、北部小的空間分布。共42臺站IWs線性趨勢為正，與冬季平均氣溫變化趨勢分布大致匹配。共10臺站IWs線性趨勢超過0.2 ℃/10 a，其中吉林市區最大為0.49 ℃/10 a；4縣市IWs線性趨勢為負，其中農安最小為-0.23 ℃/10 a。

(4)近59年吉林省區域暖冬指數呈升高趨勢，變化率約為4.3%/10 a，說明吉林省冬季氣溫確實存在變暖的趨勢，達到暖冬標準的站點數呈增長趨勢。59年間共出現25個暖冬，1990—2019年共出現17個暖冬，占總數的近70%。在25個暖冬年中出現18個強暖冬年，2007年是自1961年以來暖冬強度及范圍最大的一年，全省有44站發生了單站強暖冬，其余兩站僅發生單站暖冬。

溫室氣體使地球能夠保持適宜的溫度，適于人類和動植物生存。但隨著經濟發展、人類活動增多導致溫室氣體的含量迅速升高，全球顯著升溫。而厄爾尼諾事件、西太平洋副熱帶高壓、東亞季風等自然因素也會使暖冬氣候發生[25-27]。中國在全球氣候系統變暖的大背景下，極端天氣事件發生頻繁，未來相關部門應在以往天氣氣候事件應對基礎上，合理利用氣候資源，減少或消除因暖冬氣候帶來的損失。