1961～2019年貴陽冬季凝凍時空特征與異常成因

嚴小冬,張 皓,楊 濤,陳 宇,蔡志穎,李忠燕

（1.貴州省氣候中心，貴陽 550002；2.貴州省清鎮市氣象局，清鎮 551400；3.貴州省貴陽市氣象局，貴陽 550022；4.南京信息工程大學，南京 210044）

引言

凝凍并不是我國冬季特有的天氣現象，而一旦發生持續性凝凍極易造成多災種疊加事件，危害極大，對交通、居民生活健康、通訊電力設施等都有不利影響[1-5]。貴州是我國南方地區凝凍最為嚴重的省份[6]，同時作為中國南方喀斯特地貌中心，生態環境脆弱，環境承載力低，氣候變化敏感[7]。因此分析凝凍氣候特征，探討凝凍發生原因，開展凝凍天氣預報在防災減災中具有重要意義。在貴州凝凍時空分布特征及成因分析方面，嚴小冬等[8]把凍雨發生前的高度場和海溫場按步長、時間劃分同時作為預報因子與冬季凍雨求復相關，發現影響貴州冬季凍雨的最佳預報因子主要集中于高度場和海溫場具有重要天氣氣候意義的關鍵區域。杜小玲等[9]采用統計分析和插值處理，揭示了貴州凍雨以27°N為中軸線的頻發地帶分布特征。針對特定年凝凍亦有大量研究成果。王興菊等[10]認為2008年貴州凝凍的主要原因是西太平洋副熱帶高壓脊線明顯偏北、面積偏大、強度偏強等，拉尼娜事件的影響和歐亞阻塞異常偏強以及印緬槽出現持續的大量暖濕空氣的向北輸送則造成了2011年1月貴州雨凇災害。白慧等[11]利用區域氣候模式RegCM4較為準確的對貴州2008年初凝凍過程大氣逆溫層垂直結構進行了模擬。李小龍等[12]發現2008年貴州威寧凍雨主要通過碰并形成，特殊的地形使貴州西部凍雨天氣的發生機制與我國東部其他低海拔地區的凍雨天氣不同。然而針對貴陽市凝凍日數特征的報道較少，已有成果選取數據多到2010年為止。為延續貴陽市凝凍時空特征及異常年成因相關研究，擬對1961～2019年貴陽市8個代表站點凍雨日數距平，進行EOF展開并進行顯著性檢驗，得到貴陽凝凍異常變化的主模態空間分布特征，再采用Mann-Kendall檢驗、Morlet小波方法對貴陽平均凝凍日數的時間序列進行突變與周期分析，結合位勢高度場、海溫距平分析，探討貴陽凝凍異常年的成因，以期通過分析歷史資料來揭示貴陽的凝凍氣候特征，為地方凝凍災害防御決策提供科學依據。

1 資料與方法

1.1 資料來源

貴陽市8個地面觀測站自1961年12月～2019年2月共59a的雨凇觀測資料，數據來源于貴州省氣象局信息中心。1961～2019年NCEP/NCAR逐月再分析資料（https://psl.noaa.gov/data/gridded/data.ncep.reanalysis.surface.html），要素包括水平w、v風速、高度場，分辨率為2.5°×2.5°；1961～2019年美國國家海洋和大氣管理局重構的第4版海表面溫度數據（https://psl.noaa.gov/data/gridded/data.noaa.ersst.v4.html），分辨率為2.0°×2.0°。冬季定義為當年12月～次年2月（如1981年冬季指1981年12月～1982年2月）。氣候態為1981～2010年平均。

1.2 研究方法

主要采用了線性趨勢分析、EOF（經驗正交分解）[13]、Mann-Kendall（曼-肯德爾）分析[14-15]、Morlet小波分析[16]、合成分析和統計t檢驗等。

2 貴陽市凝凍日數時空變化特征

2.1 貴陽市凝凍日數空間分布

圖1a為貴陽市1961～2019年冬季平均凝凍日數分布。如圖所示，貴陽市冬季凝凍由西南部向東北部逐漸增多，凝凍日數為5.9～23.4d，凝凍在10d以上的區域分布在清鎮東部、修文中東部、貴陽西北部、烏當白云大部、開陽及息烽局部，其中15d以上區域主要分布在開陽，尤其是東北部凝凍達到20d以上。在進行變異強度評價時引入了上海氣象科學研究所薛正平等[17]研發的三級評價法：變異系數CV＜10%，弱變異；10%≤CV≤30%，中等變異；CV＞30%，強變異。貴陽市近59年各區縣凝凍日數達到強變異，系數為48%，平均凝凍日數10.7d，大部分區域凝凍日數在10d以上。從各月分布來看（圖1b～d）凝凍日數均呈現西南低東北高特征，高值區間位于開陽，12月凝凍日數為0.9～3.7d，平均凝凍日數1.6d，變異系數為56%；1月凝凍日數為2.8～11.0d，平均凝凍日數5.2d，變異系數為47%；2月凝凍日數為2.2～8.4d，平均凝凍日數3.8d，變異系數為49%。

圖1 1961～2019年貴陽市凝凍日數分布（a.年平均，b.12月平均，c.1月平均，d.2月平均，單位：d）

對貴陽市8個站1961～2019年冬季及其各月凝凍日數的距平場進行EOF展開，結果表明：冬季第一特征向量場在全市呈現一致性正值，由西南向東北逐漸遞增，特征向量值分別為0.24～0.49，該模態冬季凝凍日數特征根方差貢獻率為86.27%，收斂速度較快，表明1961～2019年貴陽市的凝凍日數變化趨勢具有高度的一致性，即全市冬季呈現同增或同減的分布特征，高值中心位于開陽，反映該區域凝凍時間變化大，低值中心位于息烽中部及修文西北部、清鎮西部、花溪西南邊緣（圖略）。

通過貴陽市冬季與各月凝凍日數第一時間系數相關性分析得出，2月與冬季及12月、1月為負相關，其中與1月相關性通過了0.01水平的顯著性檢驗；冬季與12月、1月為正相關，相關系數分別為0.422、0.015，由表1可知冬季與12月凝凍日數第一時間系數相關性通過了0.01水平的顯著性檢驗，說明12月凝凍日數變化趨勢同其他各月相比與冬季更為一致。

表1 冬季與各月第一時間系數相關性

2.2 貴陽市凝凍年等級劃分

以1961～2019年冬季凝凍日數第一時間系數的±1倍標準差為凝凍強弱年劃分依據[18]。基于此選取了10個強凝凍年，分別為1964、1967、1968、1969、1974、1977、1984、2008、2011、2012。同理，圖2還給出弱凝凍年 為1963、1987、2017，由于1973、1986、1992、1999、2001、2009、2015年接近1個標準差，也選取它們作為弱凝凍年。

圖2 貴陽市1961～2019年凝凍年等級劃分

2.3 貴陽市凝凍日數時間演變特征

通過線性趨勢分析可知近59a貴陽冬季及12月、2月凝凍日數總體呈下降趨勢，1月為上升趨勢，趨勢系數依次為-0.0964d/10a、-0.0648d/10a、-0.26038d/10a、0.03872d/10a。由圖3a可知，1961～1968年貴陽市冬季凝凍日數呈上升趨勢，在1963年這種趨勢超過了0.05顯著水平線，表明冬季凝凍持續時間增長明顯。1968年以后持續下降，2014年以后凝凍日數減少趨勢明顯增強。20世紀70～80年代末貴陽市冬季凝凍日數出現多次突變，經歷了2次“降低-升高-降低”的變化，1989年以后未見顯著起伏，究其原因發現1988年前后貴州冬季氣溫存在由低到高的突變轉折[19-20]。

圖3 1961～2019年貴陽市凝凍日數M-K檢驗（a.冬季，b.12月，c.1月，d.2月）

由圖3b可知，1961～1965年貴陽市12月凝凍日數呈上升趨勢，在1963年這種趨勢超過了0.05顯著水平線，表明12月凝凍持續時間增長明顯，1965～1984年波動大，2015年以后凝凍日數減少趨勢明顯增強。1962、1968、1982、1986、1987、1992、1994、2002、2010、2012年12月凝凍日數出現突變，經歷了4次“升高-降低”的起伏。

由圖3c可知，1961～1968年貴陽市1月凝凍日數呈上升趨勢，在1963年這種趨勢超過了0.001顯著水平線，表明1月凝凍持續時間增長極顯著，1964～1994年凝凍日數波動大，1994年以后呈下降趨勢。1965、1968、1979、1993、1996、1998、1999、2006、2009、2012年1月凝凍日數出現突變。

由圖3d可知，以1966年為分界點，1961～1966年貴陽市2月凝凍日數呈上升趨勢，在1963年這種趨勢超過了0.05顯著水平線，表明2月凝凍持續時間增長明顯；1966年以后凝凍日數持續下降，2013年以后凝凍日數減少趨勢明顯增強。凝凍日數突變集中在20世紀60～70年代，1991年以后變化平穩，在此期間經歷了4次“升高-降低”的起伏。

通過對1961～2019年冬季、12月、1月、2月凝凍日數進行小波功率譜分析可知，貴陽冬季凝凍日數在20世紀70年代存在準8a周期，其中在70年代中期出現準2.5a顯著周期，在1980～1990年及2005～2015年出現4a的顯著周期（圖4a）；貴陽12月凝凍日數9～10a的周期變化最為顯著，發生于1961～2015年，另外在1965～1985年存在準5a周期（圖4b）；通過圖4c可知，20世紀70年代的中后期，貴陽1月凝凍日數周期為準2.5a，21世紀初至2015年以準3～4a變化周期為主；而1961～1972年，貴陽2月凝凍日數出現顯著的4a變化周期（圖4d）。

圖4 1961～2019年貴陽市凝凍日數小波功率譜分析（a.冬季，b.12月，c.1月，d.2月；黑色實線表示通過紅噪聲檢驗顯著水平α=0.05的區域；黑色虛線以下為邊緣效應影響區）；對應的凝凍小波方差譜（e.冬季，f.12月，g.1月，h.2月；實線是計算譜；虛線是紅噪音譜）

3 貴陽市凝凍偏強年與偏弱年的成因分析

3.1 凝凍日數與北半球500hPa高度場關系

通過對近59a貴陽冬季凝凍日數與同期北半球500hPa位勢高度進行相關分析可知（圖5a），貴陽冬季凝凍與同期北半球西伯利亞地區、加拿大-阿拉斯加地區、格陵蘭島的位勢高度存在顯著正相關，其他地區為負相關，其中赤道中東太平洋海域負相關最為顯著。

由北半球強凝凍年、弱凝凍年500hPa高度距平合成場及差值的統計檢驗可知：強凝凍年北半球高緯度地區格陵蘭、北美及烏拉爾山-西伯利亞一帶為正距平，對應格陵蘭、北美及西伯利亞冷高壓（圖5b），其余地區為負距平，在蒙古高原、貝加爾湖-鄂霍茨克、阿爾卑斯山地區負距平通過了0.05水平的顯著性檢驗，亞歐大陸的位勢高度呈現“北高南低”分布有利于高壓脊發展，極渦南壓，東亞大槽加深，維持較穩定的經向環流，西北氣流攜帶冷空氣南下，構成了西南地區凝凍形成的必要條件；弱凝凍年北半球中高緯地區位勢高度場呈現與強凝凍年相反的配置，在高緯度不利于冷空氣南下補充（圖5c）；強弱年差值合成距平場中（圖5d），歐亞大陸中高緯地區表現為“北正南負”的分布形勢，強凝凍年東半球歐亞大陸中高緯地區有阻塞高壓，經向環流加強西北方向冷空氣沿烏拉爾高壓脊前向我國輸入，貴陽500hPa高度上距平在-20～0hPa，在低槽引領下冷空氣影響貴陽。

圖5 (a) 凝凍日數與北半球500hPa高度場相關分布 ；(b) 強凝凍年、(c) 弱凝凍年、(d) 強-弱年的北半球500hPa高度場距平合成（網格區域通過了0.05水平的顯著性檢驗）

3.2 凝凍日數與全球海溫場關系

白慧等[21]在開展冬季凍雨日數預報模型研究中發現：前期秋季海溫異常關鍵區（赤道中東太平洋）對貴州冬季凍雨日數多寡具有較好的預測指示意義；通過相關性分析得出貴陽凝凍日數與西北太平洋鄂霍茨克海、夏威夷群島為顯著正相關，而東北太平洋、赤道太平洋中東部、東南太平洋、南半球副熱帶地區的中大西洋、阿拉伯海以及我國的南海、渤海、黃海、東海與貴陽凝凍日數呈顯著負相關。

針對凝凍年秋季海溫進行距平合成結果如圖6所示：強凝凍年夏威夷群島以東海域、阿留申-阿拉斯加灣為負距平，且通過0.05水平的顯著性檢驗，負距平中心位于阿拉斯加灣；弱凝凍年太平洋海溫距平分布與強凝凍年相反；強弱年海溫差值距平在西北太平洋為正，中心位于千島群島以東，熱帶印度洋、東南大西洋、赤道中東太平洋、澳大利亞以南海盆至塔斯曼海為負距平，除熱帶印度洋外其他海域達到了顯著水平，負距平中心處于赤道中東太平洋上。已有研究表明海溫異常對大氣環流影響存在滯后性[19，22-23]，秋季海溫偏低引起緯向環流加強[24]，海洋水汽向我國輸入，冬季歐亞中高緯地區在高壓控制下冷空氣隨西北風南下，配合中低緯南支系統的異?；钴S，可能造成貴陽地區凍雨日數偏多。

圖6 (a) 凝凍日數與秋季海溫相關分布；(b) 強凝凍年、(c) 弱凝凍年、(d) 強-弱年的凝凍年秋季海溫距平合成（網格區域通過了0.05的顯著性水平檢驗）

3.3 凝凍日數與歐亞風場關系

如圖7所示，200hPa青藏高原、孟加拉灣及其東北部上空存在明顯的輻散中心，30°N附近呈西風異常。850hPa孟加拉灣及周邊受異常氣旋環流系統控制，云貴高原東北部（貴州中東部）受低空急流影響水汽上升條件較好，偏北強風帶的建立南下易于低空冷鋒生成，低層大氣的熱量、水汽和能量累積。高層輻散低層輻合，同時500hPa上南支西風帶孟加拉灣低槽較深，槽前強勁的西南氣流攜帶南海和印度洋的水汽沿反氣旋式環流輸送到云貴高原東北部與來自北方的冷空氣交匯，為貴陽凝凍的形成發展提供必要的水汽條件。

圖7 歐亞地區 (a) 200hPa、(b) 500hPa、(c) 850hPa風場、散度距平合成差值（網格區域通過了0.05的顯著性水平檢驗，箭頭長度表示風速）

4 結論與討論

本文對貴陽冬季凝凍日數的時空特征及其與北半球500hPa高度場、全球氣溫場、全球秋季海溫場及歐亞水平風場的關系進行了分析，結論如下：

（1）1961～2019年貴陽市冬季及各月凝凍由西南部向東北部逐漸增多，全年凝凍日數為5.9～23.4d，平均凝凍日數10.7d，15d以上區域主要分布在開陽，其東北部凝凍日數達到20d以上。

（2）EOF分析表明1961～2019年貴陽市凝凍日數變化趨勢具有高度一致性，通過相關性分析得出冬季凝凍日數第一時間系數與12月為顯著性正相關。1961～1968年貴陽市冬季凝凍日數呈上升趨勢，1968年以后持續下降，2014年以后凝凍日數減少趨勢明顯增強，20世紀70～80年代末貴陽市冬季凝凍日數出現多次突變，在1980～1990年及2005～2015年出現4a的顯著周期變化。

（3）貴陽冬季凝凍與同期北半球西伯利亞地區、加拿大-阿拉斯加地區、格陵蘭島的位勢高度存在顯著正相關，在赤道中東太平洋海域為顯著負相關。強凝凍年500hPa高度距平合成場歐亞大陸的位勢高度呈現“北高南低”分布，強弱年差值距平場歐亞大陸中高緯地區表現為“北正南負”，北半球高緯度地區格陵蘭、北美及烏拉爾山-西伯利亞一帶為正距平，其余地區為負距平，有利于高壓脊發展，極渦南壓，東亞大槽加深，維持較穩定的經向環流，西北氣流攜帶冷空氣南下，構成了西南地區凝凍形成的必要條件。

（4）貴陽凝凍日數與西北太平洋鄂霍茨克海、夏威夷群島秋季海溫為顯著正相關，與東北太平洋、赤道太平洋中東部、東南太平洋、南半球副熱帶地區的中大西洋、阿拉伯海以及我國的南海、渤海、黃海、東海海溫呈顯著負相關。強凝凍年赤道中東太平洋秋季海溫距平為負，海溫偏低引起緯向環流加強，海洋水汽向我國輸入，水汽交換增加。

（5）冬季200hPa青藏高原、孟加拉灣及其東北部上空存在明顯的輻散中心，850hPa孟加拉灣及周邊受異常氣旋環流系統控制，以及偏北強風帶南下低空冷鋒生成，為南海和印度洋的水汽輸送到云貴高原東北部與來自北方的冷空氣交匯繼而造成凝凍創造有利條件。

雖然對貴陽市凝凍日數空間分布、突變與周期變化進行了分析，并根據凝凍強弱年的500hPa位勢高度場、溫度場、風場合成分析得出了一定結論，但是突變年與強弱年之間關系未進行探討，針對采用的凝凍強弱年劃分標準是否可以借助UF曲線特征進行校對有待于深入研究。對于強弱凝凍年成因，在綜合考察厄爾尼諾、拉尼娜事件以及其他氣候系統要素的影響外，還應該注意微地貌、植被覆蓋等在凝凍日數維持中的作用。因此將氣候、生態、植被等多因子融入定量凝凍預報模型，開展凝凍專項氣象服務及機理研究任重而道遠。