貴陽(yáng)和威寧霜消時(shí)氣象要素對(duì)比分析*

原 野，李 力，周永水，陳怡璇，郭 茜

(1.貴州省氣象服務(wù)中心，貴州 貴陽(yáng) 550002；2.貴州省氣象臺(tái)，貴州 貴陽(yáng) 550002；3.貴州省氣象信息中心，貴州 貴陽(yáng) 550002)

0 引言

霜是水汽自地面和近地面物體上凝華而成的白色松脆冰晶，或者是由露凍結(jié)而成的冰珠[1]，在寒冷晴朗微風(fēng)的夜晚最容易形成。霜凍是白天氣溫高于0 ℃，夜間氣溫短時(shí)間內(nèi)降至0 ℃以下導(dǎo)致的低溫危害現(xiàn)象，是一種農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害。因此兩者有本質(zhì)的區(qū)別，大部分文獻(xiàn)對(duì)霜凍發(fā)生的判別指標(biāo)為日最低氣溫或草溫低于0 ℃[2-4]或者地面0 cm處溫度低于0 ℃[5-8]，不考慮天空狀況或者水汽條件的變化，目前氣象上對(duì)于霜的確定主要是以觀測(cè)員觀測(cè)到結(jié)晶為判別手段[1]，不考慮地溫、氣溫和草溫的變化。

在霜的預(yù)報(bào)工作中，霜在何時(shí)生成和消融均是需要關(guān)注的重點(diǎn)，而霜一般伴隨著晴朗天氣出現(xiàn)，因此在南方地區(qū)，當(dāng)白天太陽(yáng)輻射加強(qiáng)造成地面附近升溫后，霜會(huì)逐漸消融。在測(cè)站附近，觀測(cè)員可以通過冰晶或冰珠的消失來判斷霜的消融，而對(duì)于測(cè)站以外區(qū)域霜的消融時(shí)間則需要預(yù)報(bào)員進(jìn)行主觀的判斷，這些判斷應(yīng)該是在對(duì)基本氣象觀測(cè)要素的綜合考量的基礎(chǔ)上作出的。在東部省份及北方地區(qū)，已有業(yè)務(wù)人員開展了基于基本觀測(cè)要素的霜的自動(dòng)識(shí)別算法研究[8-9]，并分析了結(jié)霜的主要影響因子[10-13]，這些影響影子主要是基于平原地區(qū)的結(jié)霜日分析提取的，而在貴州等山地區(qū)域氣象要素和霜的生成及消融之間的分析較少。本文使用貴州地區(qū)1961—1980年威寧和貴陽(yáng)臺(tái)站霜的觀測(cè)數(shù)據(jù)和地面及探空要素觀測(cè)數(shù)據(jù)，分析霜消前各類氣象要素的變化，以此來為預(yù)報(bào)員判別和預(yù)報(bào)霜消時(shí)間提供必要的參考。

1 數(shù)據(jù)來源

霜的觀測(cè)數(shù)據(jù)來源于貴州省氣象信息中心整編資料，1980年以前霜的觀測(cè)中霜的生成和消融時(shí)間均記錄到分鐘， 20世紀(jì)80年代以前地面氣象要素的觀測(cè)頻率為每天4次(北京時(shí)02時(shí)、08時(shí)、14時(shí)、20時(shí))，探空數(shù)據(jù)每天2次(北京時(shí)08時(shí)、20時(shí))，20時(shí)霜生消的次數(shù)較少，因此在霜消前地面氣象要素變化分析中采用1961—1980年08—09時(shí)之間消融的霜來查看08時(shí)的氣象要素變化，霜的氣候分布分析采用數(shù)據(jù)為1961—2020年，霜在白天的持續(xù)時(shí)長(zhǎng)(08時(shí)—消融時(shí))和08時(shí)地面氣象因子的相關(guān)性分析選擇的年份也為1961—1980年，探空因子和持續(xù)時(shí)長(zhǎng)分析時(shí)數(shù)據(jù)的年份選擇1975—1980年，探空數(shù)據(jù)來自于懷俄明州大學(xué)網(wǎng)站(http://www.weather.uwyo.edu/upperair/sounding.html)，其余數(shù)據(jù)均來自于貴州省氣象信息中心。

2 貴陽(yáng)和威寧霜的氣候分布

從貴陽(yáng)和威寧霜的月分布特征來看，貴陽(yáng)(圖1a)霜發(fā)生頻次最高的月份是12月，其次是1月、11月、2月，60 a來共觀測(cè)到的次數(shù)分別是222次、175次、69次、65次，其余月份60 a發(fā)生總數(shù)均小于60次，即在這些月份中平均每年發(fā)生次數(shù)小于1次，5—9月沒有觀測(cè)到霜的發(fā)生。威寧(圖1b)發(fā)生頻次最高的是1月份，其次是12月、2月、11月，60 a來共觀測(cè)到的次數(shù)分別是743次、676次、423次、207次。按季節(jié)來劃分，貴陽(yáng)(圖1c)霜發(fā)生頻次最多是在冬季，共462次，占比81.5%，秋季和春季分別發(fā)生74次和31次，占比13.0%、5.5%，夏季則沒有觀測(cè)到結(jié)霜現(xiàn)象。威寧(圖1d)頻次最多也是冬季，共1 842次，占比78.5%，秋季和春季分別發(fā)生268次和236次，占比11.4 %、10.1%，夏季觀測(cè)到1次結(jié)霜現(xiàn)象，出現(xiàn)在1965年8月21日06時(shí)47分—07時(shí)29分。從貴陽(yáng)和威寧逐月分布來看，貴陽(yáng)(圖2a)結(jié)霜頻次在12月大于10次(含10次，下同)的年份有6 a，分別是1964、1975、1982、1987、1989、1999年，最高發(fā)月份是1975年12月共13次，1月則沒有超過10次的年份。威寧(圖2b)結(jié)霜頻次在12月大于10次的年份有39 a，大于15次有17 a，大于20次的有4 a，分別是1968、1977、1978、1992年，最高發(fā)月份為1992年12月共27次，1月大于10次的年份有46 a，大于15次有21 a，大于20次的只有1 a，是1965年1月；從年分布特征來看(圖2c)，威寧霜的年頻次明顯高于貴陽(yáng)，1961—2020年間威寧共發(fā)生霜2347次，平均每年39.1次，貴陽(yáng)共569次，平均每年9.5次，2010年后威寧霜的頻次逐漸下降，2018—2020年發(fā)生頻次均低于10次，分別發(fā)生8、4、5次。

圖1 1961—2020年貴陽(yáng)(a、c)和威寧(b、d)霜日數(shù)月分布及季分布Fig.1 The monthly and seasonal distribution of frost in Guiyang (a.c) and Weining (b.d) from 1961 to 2020

圖2 1961—2020年貴陽(yáng)(a)和威寧(b)霜的逐月及逐年(c)分布Fig.2 Monthly and yearly (c) distribution of frost in Guiyang (a) and Weining (b) from 1961 to 2020

3 霜在白天的持續(xù)時(shí)長(zhǎng)與08時(shí)主要?dú)庀笠蜃酉嚓P(guān)性分析

天氣觀測(cè)的氣象要素較多，根據(jù)霜的定義，影響結(jié)霜的因子包括天空狀況、溫度、水汽、風(fēng)等氣象要素，其中天空狀況一般為晴朗天氣即無云或少云，結(jié)霜一般是在冷高壓控制下的晴天，貴州以均壓場(chǎng)為主，風(fēng)力大部分時(shí)間是微風(fēng)，因此本文只討論霜的持續(xù)時(shí)長(zhǎng)和溫度、水汽變化之間的關(guān)系，溫度主要查看氣溫、地溫的變化，水汽主要查看溫度露點(diǎn)差和相對(duì)濕度變化。本節(jié)選取氣溫、露點(diǎn)、地溫、5 cm地溫、溫度露點(diǎn)差、相對(duì)濕度作為相關(guān)因子進(jìn)行分析，結(jié)霜時(shí)由于輻射冷卻，往往存在比較明顯的逆溫層，因此探空中逆溫是否對(duì)霜的持續(xù)時(shí)長(zhǎng)有影響也是分析的因子之一。

圖3列出了貴陽(yáng)和威寧站1961—1980年結(jié)霜日白天(08時(shí)后，下同)的持續(xù)時(shí)長(zhǎng)，貴陽(yáng)站(圖3a)共有186個(gè)結(jié)霜日，白天持續(xù)時(shí)長(zhǎng)平均72 min，持續(xù)時(shí)長(zhǎng)超過180 min的只有2次，最長(zhǎng)266 min，最長(zhǎng)霜日發(fā)生在1977年1月23日。威寧站(圖3b)共有653個(gè)結(jié)霜日，白天霜的持續(xù)時(shí)長(zhǎng)平均94 min，持續(xù)時(shí)長(zhǎng)超過180 min的有46次，最長(zhǎng)320 min，該霜日發(fā)生在1964年12月28日。

圖3 貴陽(yáng)(a)和威寧(b)白天霜的持續(xù)時(shí)長(zhǎng)Fig.3 The duration in daytime of frost in Guiyang (a) and Weining (b)

把結(jié)霜日霜在白天的持續(xù)時(shí)長(zhǎng)作為數(shù)據(jù)1，08時(shí)水汽和溫度的變化參數(shù)作為數(shù)據(jù)2，得出兩者之間的相關(guān)系數(shù)(表1)，貴陽(yáng)站氣溫、露點(diǎn)、地溫、5 cm地溫與霜持續(xù)時(shí)長(zhǎng)有較好的負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值均大于0.7，且通過α=0.02的置信度檢驗(yàn)(樣本數(shù)大于120時(shí)α=0.02的臨界相關(guān)系數(shù)約為0.17)；溫度露點(diǎn)差、相對(duì)濕度、逆溫層厚度與霜持續(xù)時(shí)長(zhǎng)的相關(guān)系數(shù)較小，其絕對(duì)值均小于0.15；逆溫差與霜持續(xù)時(shí)長(zhǎng)的相關(guān)系數(shù)為0.31，有一定的相關(guān)性。威寧站氣溫、露點(diǎn)溫度、5 cm地溫與霜持續(xù)時(shí)長(zhǎng)有較好的負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值均大于0.4，可通過α=0.02的置信度檢驗(yàn)，溫度露點(diǎn)差、相對(duì)濕度、逆溫層厚度、地溫、逆溫差與持續(xù)時(shí)長(zhǎng)的相關(guān)系數(shù)較小，其絕對(duì)值均小于0.15。

表1 貴陽(yáng)和威寧站白天霜持續(xù)時(shí)長(zhǎng)和08時(shí)要素的相關(guān)系數(shù)(貴陽(yáng)樣本數(shù)186，威寧樣本數(shù)653)Tab.1 Correlation coefficients between duration in daytime of frost in Guiyang and Weining stations and the elements at 08：00(instances in guiyang are 186, Weining 653)

綜合來看，分析霜在白天的持續(xù)時(shí)長(zhǎng)時(shí)，貴陽(yáng)站可從氣溫、露點(diǎn)溫度、地溫、5 cm地溫、逆溫差入手，威寧站可從氣溫、露點(diǎn)溫度、5 cm地溫入手查看這些要素在霜消前的變化以此來判斷霜消時(shí)間。

4 貴陽(yáng)和威寧霜消前氣象要素變化對(duì)比

由貴陽(yáng)霜消前地溫和氣溫的變化可知(圖4a)，所有結(jié)霜日霜消前氣溫平均為3.15 ℃，標(biāo)準(zhǔn)差1.98 ℃，最高氣溫7 ℃，最低氣溫-3.4 ℃，低于0 ℃次數(shù)為4次，占比5%，高于0 ℃次數(shù)為76次，占比95%，高于2 ℃次數(shù)占比76.25%，高于3 ℃次數(shù)占比58.75%；地溫霜消前變化范圍為-4～5.3 ℃，平均0.98 ℃，標(biāo)準(zhǔn)差1.95 ℃，地溫總體上低于氣溫，兩者平均氣溫相差2.17 ℃，標(biāo)準(zhǔn)差為1.53 ℃。氣溫高于地溫的次數(shù)為 73次，占比91.25%，這可能是霜消前均為晴朗少云天氣，氣溫升溫比地溫上升更快導(dǎo)致。露點(diǎn)的變化范圍為-6.4～6.2 ℃(圖4b)，平均為1.70 ℃，標(biāo)準(zhǔn)差為2 ℃，高于0 ℃次數(shù)為65次，占比81.25%。5 cm地溫的變化范圍為0～8.4 ℃，平均為4.73 ℃，標(biāo)準(zhǔn)差為1.65 ℃。

威寧結(jié)霜日霜消前氣溫平均為3.96 ℃(圖4c)，標(biāo)準(zhǔn)差3.24 ℃，最高氣溫12.8 ℃，最低氣溫-6.6 ℃，低于0 ℃次數(shù)為19次，占比11.3%，高于0 ℃次數(shù)為149次，占比88.7%，高于2 ℃次數(shù)占比78%；地溫霜消前平均0.65 ℃，最高11.2 ℃，最低-9 ℃，地溫總體上低于氣溫，兩者平均氣溫相差3.31 ℃，氣溫高于地溫的次數(shù)為 143次，占比85.12%。威寧站霜消前露點(diǎn)的變化范圍為-18.7～7.3 ℃(圖4d)，平均為-0.244 6 ℃，標(biāo)準(zhǔn)差為3.62 ℃。5 cm地溫的變化范圍為-0.4～11 ℃，平均為5.09 ℃，標(biāo)準(zhǔn)差為2.09 ℃。

圖4 霜消前地溫、氣溫、露點(diǎn)溫度、5 cm地溫在貴陽(yáng)(a，b)和威寧(c，d)站的變化Fig.4 Changes of ground temperature, air temperature, dew point, and 5 cm ground temperature before frost melting in Guiyang (a, b) and Weining (c, d)

5 小結(jié)

本文使用1961—2020霜的觀測(cè)數(shù)據(jù)討論了貴陽(yáng)和威寧站的氣候分布特征，用霜在08時(shí)后的持續(xù)時(shí)長(zhǎng)與08時(shí)的氣象要素進(jìn)行相關(guān)性分析，選取與霜的持續(xù)時(shí)長(zhǎng)有關(guān)的參數(shù)進(jìn)行討論，結(jié)果如下：

①貴陽(yáng)和威寧在夏季幾乎沒有結(jié)霜現(xiàn)象，其余季節(jié)均有霜出現(xiàn)，其中冬季霜頻次最高，貴陽(yáng)占比81.5%，威寧占比78.5%；貴陽(yáng)結(jié)霜頻次最高的月份出現(xiàn)在12月，威寧出現(xiàn)在1月。

②貴陽(yáng)站氣溫、露點(diǎn)溫度、地溫、5 cm地溫與霜持續(xù)時(shí)長(zhǎng)有較好的負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值均大于0.7，逆溫差與持續(xù)時(shí)長(zhǎng)的相關(guān)系數(shù)為0.31，溫度露點(diǎn)差、相對(duì)濕度、逆溫層厚度與霜持續(xù)時(shí)長(zhǎng)相關(guān)系數(shù)均小于0.13；威寧站氣溫、露點(diǎn)溫度、5 cm地溫與霜持續(xù)時(shí)長(zhǎng)有較好的負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值均大于0.4，溫度露點(diǎn)差、相對(duì)濕度、逆溫層厚度、地溫、逆溫差與霜持續(xù)時(shí)長(zhǎng)相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值均小于0.14。

③霜消前的氣象因子中，貴陽(yáng)、威寧站的氣溫均高于地溫，二者溫差貴陽(yáng)站為2.17 ℃，威寧站為3.31 ℃；貴陽(yáng)站氣溫和地溫的差值有最小的標(biāo)準(zhǔn)差1.53 ℃，威寧站則是5 cm地溫有最小的標(biāo)準(zhǔn)差2.09 ℃。從這兩個(gè)因子的平均態(tài)來看，當(dāng)貴陽(yáng)站氣溫和地溫之差大于2.17 ℃時(shí)預(yù)示著該站霜的消融，威寧站5 cm地溫大于5.09 ℃時(shí)預(yù)示著該站霜的消融。

不足與討論：在霜的持續(xù)時(shí)長(zhǎng)與氣象因子相關(guān)性分析中，因20世紀(jì)60、70年代的探空觀測(cè)垂直分辨率較低，逆溫厚度和逆溫差計(jì)算可能存在較大的誤差，這也可能是這兩者與霜的持續(xù)時(shí)長(zhǎng)沒有良好相關(guān)性的原因。