大興安嶺地區初霜凍分析與預測

許麗玲，韓鳳岐，潘明溪，余嘉怡，張秀紅,康恒元

（1.漠河市氣象局，黑龍江 漠河 165399；2.黑河市氣象局，黑龍江 黑河 164300；3.呼蘭區氣象局，黑龍江 呼蘭 150025；4.哈爾濱市氣象局，黑龍江 哈爾濱 150028）

1 引言

大興安嶺地區地處高緯度，位于中國最北，也是全國最早出現霜凍的地區［1］。霜凍是指在植物生長季節內，由于冷空氣的入侵，使士壤、植物表面以及近地面空氣層的溫度驟降到0℃以下，引起植物細胞間結冰而使植物遭到傷害或死亡的一種短時間低溫災害［2］。霜凍和霜是不同的概念，伴有霜的霜凍稱為白霜，反之稱為黑霜。由于黑霜無凝華出現，未放出潛熱，因此對植物造成的危害更為嚴重［3］。隨著全球氣候變暖，高緯度升溫明顯，無霜期延長［4-5］。我國學者已采用不同的霜凍指標對不同區域霜的氣候特征及變化規律進行了研究，研究認為，中國北方(30°N以北)地區霜凍日數明顯減少，霜凍日的平均溫度顯著升高，春季霜凍日的提前結束和秋季霜凍日的推遲來臨使得北方冬季縮短、生長季拉長［6］。韓榮青等［7］認為2000年以來(2000-2008年)北方各地初霜凍日期推遲最為明顯。張健等［8］研究黑龍江省初霜凍出現的日期氣候平均分布，地理位置越北出現的日期越早，大興安嶺山區比平原早，北部初霜凍日平均在9月上旬。本文對2021年9月17-20日大興安嶺地區7個國家站，出現初霜凍日進行天氣形勢分析總結閾值范圍，對提高該地區低溫霜凍的預測能力，氣候資源利用，災害防御等提供科學依據。

2 資料與方法

本文選取1997-2021年大興安嶺地區7個國家站（漠河站1997年1月1日正式觀測）日地面最低溫度、日最低溫度、14時氣溫和露點溫度資料，統計出秋季第一次出現地面最低溫度≤0℃的日期，確定為該站這一年秋季初霜凍發生日期，設定9月1日為數字0，依此類推，8月31日為-1，9月2日為數字1，到9月30日為數字29，計算出大興安嶺地區1997-2020年平均初霜凍日，結合中央臺地面、高空天氣圖，EC細網格資料，運用天氣學原理方法分析大興安嶺地區2021年9月17-20日7個國家站初霜凍日天氣形勢，根據實況資料和預報圖分析研究各種要素閾值范圍來預測初霜日，并對1997-2020年初霜日進行Mann-Kendall檢驗，找出突變時間。

霜凍標準：當近地面的溫度下降到0℃以下時，空氣中的水汽在地面物體上凝結成白色的冰晶叫做霜，亦稱白霜。霜凍是指地面(或葉面)的溫度突然下降到農作物生長溫度以下時，農作物受凍害的現象［9］。霜凍按其形成的原因可分為三類:平流霜凍、輻射霜凍、平流-輻射霜凍，大興安嶺地區出現的霜凍大多是平流-輻射霜凍［10］。

3 天氣特點

2021年9月17-20日大興安嶺地區6個國家站分別出現初霜凍，各站初霜日出現日期比較集中，最早出現霜凍是新林站9月17日，最晚出現霜凍是加格達奇站9月20日，平均初霜日在9月18日，比1997-2020年平均初霜日偏晚7 d。各站初霜日也比本站歷年（1997-2020年）平均初霜日偏晚（表1），其中漠河站偏晚最多14 d，北極村站只偏晚1 d。一般情況下，大興安嶺地區北部比南部初霜來的早，據統計1997-2020年南部（加格達奇站）比北部（漠河站）平均初霜日偏晚13 d。9月17-20日大興安嶺地區7個國家站，地表最低溫度在-1.5-0℃之間,日最低氣溫-（0.1-5.8）℃之間,冷空氣強度較強,影響范圍大。

表1 大興安嶺地區1997-2020年國家站平均初霜日及2021年初霜日

4 地形影響

大興安嶺地區地處高緯度，是我國離極地最近的地區，初秋極地冷空氣南下進入大興安嶺山脈，山坡上的冷空氣下沉、山地夜間因輻射冷卻，停滯形成“冷湖效應”［11］。沿江地區（北極村站和呼瑪站）1997-2020年平均初霜日是9月17日（表1），比非沿江地區（漠河站、新林站、呼中站、塔河站、加格達奇站）初霜日期晚1-13 d；南部地區（呼瑪站、加格達奇站）1997-2020年平均初霜日9月17日，比北部地區（漠河站、新林站、呼中站、塔河站）初霜日晚8-13 d（表1）。山區均比同緯度的平原容易出現霜凍，在同樣的天氣條件下山區夜間輻射降溫比平原明顯，比平原更易出現霜凍［8］。

5 天氣形勢分析

5.1 高空天氣形勢

2021年9月17日20時500 hPa高度場（圖1 a）歐亞中高緯度為兩槽一脊型，西西伯利亞平原東部至鄂霍次克海為東北至南向的低渦，貝加爾湖為寬廣的高脊，脊前槽后西北冷空氣影響大興安嶺地區，與低槽配合的冷中心強度為-32℃，位于漠河北部，高空冷空氣強；700 hPa高度場（圖1 b）歐亞圖上為兩槽一脊型，烏拉爾地區和東亞大陸分別為大槽，中亞貝加爾湖脊發展，大興安嶺地區處于高壓脊前受超極地氣流控制，冷空氣從西北向南直接影響大興安嶺地區，-12℃溫度線在漠河，-8℃溫度線達到新林；850 hPa高度場（圖1 c）貝加爾湖以東形成高壓，低槽東移到日本海，大興安嶺地區處于槽后，0℃線在漠河北部，4℃線到達新林，冷空氣南下大興安嶺地區中北部，冷空氣自西北向東南移動；受西北冷平流影響，導致大興安嶺地區各站出現霜凍。

圖1 2021年9月17日20時(a)500 hPa、(b)700 hPa和(c)850 hPa高度場

5.2 地面天氣形勢

9月17日20時地面天氣圖顯示（圖2 a）和高空配合的地面高壓為北來高壓（110°-130°E之間），自北南下控制大興安嶺地區，高壓中心強度1020.0 hPa；18日08時（圖2 b）極地高壓東移南下增強，大興安嶺地區受閉合高壓控制，中心強度1025.0 hPa，降溫明顯，速度快，此形勢出現后24 h和48 h即可出現霜凍［10］，加之大興安嶺地區各站實況地面風速較小，天氣晴好，有利于地面輻射降溫［12］，使大興安嶺地區7個國家站17-20日早晨均出現霜凍。

圖2 2021年9月（a）17日20時和（b）18日08時地面天氣圖

5.3 地表溫度場形勢

從EC細網格9月17日08時地表溫度場預報圖可以看出，預報18日02時（圖3 a）大興安嶺地區漠河、北極村、呼中、塔河、新林地表溫度達到-2℃，呼瑪和加格達奇地表溫度達到2℃，而漠河、北極村、呼中、塔河、新林站實況日最低地面溫度在0-（-1.5）℃之間，出現初霜凍，加格達奇和呼瑪日最低地面溫度是0.4℃和1.4℃，和預測值基本吻合；預報19日05時（圖3 b）呼瑪、加格達奇地表溫度達到-2℃，而實況呼瑪站日最低地面溫度在-0.6℃，也出現初霜凍，加格達奇日最低地面溫度在0.9℃，20日加格達奇日最低地面溫度在0.0℃，出現霜凍。通過地表溫度形勢場的分析與預測，對大興安嶺地區預報初霜凍效果很好。

圖3 2021年9月（a）18日02時和(b)19日05時地表溫度場

5.4 2 m露點溫度場形勢

從EC細網格9月16日08時2 m露點溫度初始場預報，16日14時大興安嶺地區西北部2 m露點溫度預測值達到-2℃，而17日呼中站和新林站實況日最低氣溫分別是-0.8℃和-2.2℃，新林站地面最低氣溫-0.2℃，出現霜凍，和預測值基本吻合；17日14時2 m露點溫度（圖4 a）大興安嶺地區西北部預測值在-2-2℃，18日實況漠河、北極村、塔河、呼中地面最低氣溫在-0.6-0℃，出現霜凍，東南部在2-4℃，呼瑪和加格達奇站沒有出現霜凍；18日14時2 m露點溫度（圖4 b）預測呼瑪和加格達奇站-4-(-2)℃；19日實況呼瑪地面最低氣溫在-0.6℃，加格達奇站日最低氣溫-0.2℃，2 m露點溫度場預測露點溫度Td＜2℃時，對預報大興安嶺地區初霜凍有很好指示意義。

圖4 2021年9月（a）17日14時和（b）18日14時2 m露點溫度場

5.5 24 h變溫場形勢

16日23時氣溫實況分別是漠河1.2℃、新林0.5℃、呼中1.3℃、塔河2.3℃，北極村5.7℃、呼瑪4.6℃、加格達奇7.0℃；從EC細網格9月16日08時24 h變溫場預報圖可以看出，17日23時預測（圖5 a）大興安嶺地區漠河、新林、呼中、塔河、北極村溫度降幅4℃，呼瑪站和加格達奇站溫度降幅2-3℃；而17日23時氣溫實況分別是漠河-1.6℃、新林-0.8℃、呼中-0.1℃、塔河4.3℃，北極村1.9℃、呼瑪5.7℃、加格達奇6.5℃，和預測基本吻合；18日02時24 h變溫場（圖5 b）整個大興安嶺地區溫度降幅4℃，18日02時國家站小時氣溫實況數據顯示漠河、呼中、新林、塔河氣溫在-（0.6-2.7）℃之間，根據前一日氣溫實況結合24 h變溫場預測值，對預測未來24 h、48 h大興安嶺地區出現初霜凍有很好參考意義。

圖5 2021年9月（a）17日23時和（b）18日02時24 h變溫場

5.6 零度層高度場形勢

從EC細網格零度層高度（10 m）預報圖（圖6 a、圖6 b）可以看出，從9月16日08時-20日08時零度層高度在1000-2000 m之間，并且17-20日地面上為高壓控制，預報次日有霜凍，和實況完全吻合。根據黑龍江省預報經驗和方法，當氣溫零度層高度下降到2500 m以下時，并且有地面高壓配合，可預報第二天早晨有霜凍相一致［10］。

圖6 2021年9月（a）16日08時和（b）18日08時零度層高度場

6 大興安嶺地區初霜日預測

霜凍的預報其實就是溫度一種臨界值的預報，所有影響溫度的氣象要素和因子都會影響霜凍的出現。根據1997-2020年大興安嶺地區各站初霜日統計分析發現，初霜出現時基本滿足以下6個條件：

(1)晴（或者前夜有云后夜無云）或云量≤3（云總量10）；

(2)T14d（14時露點溫度）≤3℃（前一日T14d越低越好）；

(3)T14（14時氣溫）≤19℃（滿足T14d≤3℃并且出現霜凍的14時氣溫最高值的各站平均氣溫，前一日T14越低越好）；

(4)夜間V≤2 m/s(白天風速大，夜間微風或靜風最好)；

(5)前一日20時T850≤4℃且T700≤-8℃（700 hPa溫度場-8℃線到達漠河附近），大興安嶺地區北部次日出現霜凍，前一日20時T850≤0℃且T700≤-12℃（700 hPa溫度場-8℃線到達加格達奇附近）大興安嶺地區南部出現霜凍；

(6)大興安嶺地區地面為北來高壓控制，夜間輻射條件好。

從表2可以看出，1997-2020年大興安嶺地區各站在符合前一日14時氣溫及露點溫度范圍時，加格達奇站、新林站、北極村站出現霜凍的概率是84%和88%，呼中是72%，呼瑪站和塔河站是60%和68%，漠河是56%。在滿足(1)、(4)、(5)、(6)條件下，參考各站前一日14時氣溫及露點溫度預報次日霜凍，其中加格達奇站、新林站、北極村站初霜日效果很好，呼中站、呼瑪站較好、塔河站和漠河站次之。霜凍是由很多要素綜合配置而產生的，因此各要素的變化分析和預測及作用成為關鍵。

表2 1997-2020年各站初霜日14時氣溫和露點溫度及出現霜凍的概率

7 Mann-Kendall檢驗

對1997-2020年大興安嶺地區平均初霜日進行Mann-Kendall檢驗（圖7），給定顯著性水平α=0.05，即μ0.05=±1.96。UF曲線值＞0，表明序列呈上升趨勢，＜0則表明呈下降趨勢。2004年之后呈上升趨勢，UF、UB曲線相交于2012年，表明大興安嶺地區平均初霜日自2012年開始發生突變現象，2019年以后上升趨勢超過0.05顯著性水平臨界線，大興安嶺地區初霜日突變后較突變前平均推遲了5 d。

圖7 1997-2020年大興安嶺地區初霜凍的Mann-kendall曲線

8 小結

（1）2021年大興安嶺地區最早出現霜凍是新林站9月17日，最晚出現霜凍是加格達奇站9月20日，平均初霜日在9月18日，比1997-2020年平均初霜日偏晚7 d。2021年各站初霜日比本站平均初霜凍日整體偏晚，其中漠河站偏晚14 d，北極村站只偏晚1 d。大興安嶺北部地區比南部地區初霜日偏早，非沿江地區比沿江地區初霜日偏早。

（2）2021年9月17-20日大興安嶺地區霜凍過程影響范圍大、強度較強。高空有高脊前西北氣流引導極地冷空氣南下，地面為北來高壓系統控制。根據EC細網格地表溫度場、2 m露點溫度、24 h變溫、零度層高度預報圖預報未來24 h、48 h霜凍，有很好的指示意義。

（3）根據1997-2020年實況資料統計分析，結合當日天氣實況、實況天氣圖，預報圖，總結指標，預測次日霜凍，并對1997-2020年初霜日進行Mann-Kendall檢驗，突變時間在2012年，初霜日突變后較突變前平均推遲了5 d。