大興安嶺地區(qū)初霜凍分析與預(yù)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(qū)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(qū)地處高緯度，位于中國最北，也是全國最早出現(xiàn)霜凍的地區(qū)［1］。霜凍是指在植物生長季節(jié)內(nèi)，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(xì)胞間結(jié)冰而使植物遭到傷害或死亡的一種短時間低溫災(zāi)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(xiàn)，未放出潛熱，因此對植物造成的危害更為嚴(yán)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(xué)者已采用不同的霜凍指標(biāo)對不同區(qū)域霜的氣候特征及變化規(guī)律進(jìn)行了研究，研究認(rèn)為，中國北方(30°N以北)地區(qū)霜凍日數(shù)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(jié)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(rèn)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(xiàn)的日期氣候平均分布，地理位置越北出現(xiàn)的日期越早，大興安嶺山區(qū)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(qū)7個國家站，出現(xiàn)初霜凍日進(jìn)行天氣形勢分析總結(jié)閾值范圍，對提高該地區(qū)低溫霜凍的預(yù)測能力，氣候資源利用，災(zāi)害防御等提供科學(xué)依據(jù)。

2 資料與方法

本文選取1997-2021年大興安嶺地區(qū)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(tǒng)計出秋季第一次出現(xiàn)地面最低溫度≤0℃的日期，確定為該站這一年秋季初霜凍發(fā)生日期，設(shè)定9月1日為數(shù)字0，依此類推，8月31日為-1，9月2日為數(shù)字1，到9月30日為數(shù)字29，計算出大興安嶺地區(qū)1997-2020年平均初霜凍日，結(jié)合中央臺地面、高空天氣圖，EC細(xì)網(wǎng)格資料，運用天氣學(xué)原理方法分析大興安嶺地區(qū)2021年9月17-20日7個國家站初霜凍日天氣形勢，根據(jù)實況資料和預(yù)報圖分析研究各種要素閾值范圍來預(yù)測初霜日，并對1997-2020年初霜日進(jìn)行Mann-Kendall檢驗，找出突變時間。

霜凍標(biāo)準(zhǔn)：當(dāng)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(jié)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(nóng)作物生長溫度以下時，農(nóng)作物受凍害的現(xiàn)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(qū)出現(xiàn)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(qū)6個國家站分別出現(xiàn)初霜凍，各站初霜日出現(xiàn)日期比較集中，最早出現(xiàn)霜凍是新林站9月17日，最晚出現(xiàn)霜凍是加格達(dá)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(qū)北部比南部初霜來的早，據(jù)統(tǒng)計1997-2020年南部（加格達(dá)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(qū)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(qiáng)度較強(qiáng),影響范圍大。

表1 大興安嶺地區(qū)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(qū)地處高緯度，是我國離極地最近的地區(qū)，初秋極地冷空氣南下進(jìn)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(yīng)”［11］。沿江地區(qū)（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(qū)（漠河站、新林站、呼中站、塔河站、加格達(dá)奇站）初霜日期晚1-13 d；南部地區(qū)（呼瑪站、加格達(dá)奇站）1997-2020年平均初霜日9月17日，比北部地區(qū)（漠河站、新林站、呼中站、塔河站）初霜日晚8-13 d（表1）。山區(qū)均比同緯度的平原容易出現(xiàn)霜凍，在同樣的天氣條件下山區(qū)夜間輻射降溫比平原明顯，比平原更易出現(xiàn)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(qū)，與低槽配合的冷中心強(qiáng)度為-32℃，位于漠河北部，高空冷空氣強(qiáng)；700 hPa高度場（圖1 b）歐亞圖上為兩槽一脊型，烏拉爾地區(qū)和東亞大陸分別為大槽，中亞貝加爾湖脊發(fā)展，大興安嶺地區(qū)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(qū)，-12℃溫度線在漠河，-8℃溫度線達(dá)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(qū)處于槽后，0℃線在漠河北部，4℃線到達(dá)新林，冷空氣南下大興安嶺地區(qū)中北部，冷空氣自西北向東南移動；受西北冷平流影響，導(dǎo)致大興安嶺地區(qū)各站出現(xiàn)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(qū)，高壓中心強(qiáng)度1020.0 hPa；18日08時（圖2 b）極地高壓東移南下增強(qiáng)，大興安嶺地區(qū)受閉合高壓控制，中心強(qiáng)度1025.0 hPa，降溫明顯，速度快，此形勢出現(xiàn)后24 h和48 h即可出現(xiàn)霜凍［10］，加之大興安嶺地區(qū)各站實況地面風(fēng)速較小，天氣晴好，有利于地面輻射降溫［12］，使大興安嶺地區(qū)7個國家站17-20日早晨均出現(xiàn)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(xì)網(wǎng)格9月17日08時地表溫度場預(yù)報圖可以看出，預(yù)報18日02時（圖3 a）大興安嶺地區(qū)漠河、北極村、呼中、塔河、新林地表溫度達(dá)到-2℃，呼瑪和加格達(dá)奇地表溫度達(dá)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(xiàn)初霜凍，加格達(dá)奇和呼瑪日最低地面溫度是0.4℃和1.4℃，和預(yù)測值基本吻合；預(yù)報19日05時（圖3 b）呼瑪、加格達(dá)奇地表溫度達(dá)到-2℃，而實況呼瑪站日最低地面溫度在-0.6℃，也出現(xiàn)初霜凍，加格達(dá)奇日最低地面溫度在0.9℃，20日加格達(dá)奇日最低地面溫度在0.0℃，出現(xiàn)霜凍。通過地表溫度形勢場的分析與預(yù)測，對大興安嶺地區(qū)預(yù)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(xì)網(wǎng)格9月16日08時2 m露點溫度初始場預(yù)報，16日14時大興安嶺地區(qū)西北部2 m露點溫度預(yù)測值達(dá)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(xiàn)霜凍，和預(yù)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(qū)西北部預(yù)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(xiàn)霜凍，東南部在2-4℃，呼瑪和加格達(dá)奇站沒有出現(xiàn)霜凍；18日14時2 m露點溫度（圖4 b）預(yù)測呼瑪和加格達(dá)奇站-4-(-2)℃；19日實況呼瑪?shù)孛孀畹蜌鉁卦?0.6℃，加格達(dá)奇站日最低氣溫-0.2℃，2 m露點溫度場預(yù)測露點溫度Td＜2℃時，對預(yù)報大興安嶺地區(qū)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(dá)奇7.0℃；從EC細(xì)網(wǎng)格9月16日08時24 h變溫場預(yù)報圖可以看出，17日23時預(yù)測（圖5 a）大興安嶺地區(qū)漠河、新林、呼中、塔河、北極村溫度降幅4℃，呼瑪站和加格達(dá)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(dá)奇6.5℃，和預(yù)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(qū)溫度降幅4℃，18日02時國家站小時氣溫實況數(shù)據(jù)顯示漠河、呼中、新林、塔河氣溫在-（0.6-2.7）℃之間，根據(jù)前一日氣溫實況結(jié)合24 h變溫場預(yù)測值，對預(yù)測未來24 h、48 h大興安嶺地區(qū)出現(xiàn)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(xì)網(wǎng)格零度層高度（10 m）預(yù)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(yù)報次日有霜凍，和實況完全吻合。根據(jù)黑龍江省預(yù)報經(jīng)驗和方法，當(dāng)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(yù)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(qū)初霜日預(yù)測

霜凍的預(yù)報其實就是溫度一種臨界值的預(yù)報，所有影響溫度的氣象要素和因子都會影響霜凍的出現(xiàn)。根據(jù)1997-2020年大興安嶺地區(qū)各站初霜日統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，初霜出現(xiàn)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(xiàn)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(fēng)速大，夜間微風(fēng)或靜風(fēng)最好)；

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

(6)大興安嶺地區(qū)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(qū)各站在符合前一日14時氣溫及露點溫度范圍時，加格達(dá)奇站、新林站、北極村站出現(xiàn)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(yù)報次日霜凍，其中加格達(dá)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(chǎn)生的，因此各要素的變化分析和預(yù)測及作用成為關(guān)鍵。

表2 1997-2020年各站初霜日14時氣溫和露點溫度及出現(xiàn)霜凍的概率

7 Mann-Kendall檢驗

對1997-2020年大興安嶺地區(qū)平均初霜日進(jìn)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(qū)平均初霜日自2012年開始發(fā)生突變現(xiàn)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(qū)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(qū)初霜凍的Mann-kendall曲線

8 小結(jié)

（1）2021年大興安嶺地區(qū)最早出現(xiàn)霜凍是新林站9月17日，最晚出現(xiàn)霜凍是加格達(dá)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(qū)比南部地區(qū)初霜日偏早，非沿江地區(qū)比沿江地區(qū)初霜日偏早。

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

（3）根據(jù)1997-2020年實況資料統(tǒng)計分析，結(jié)合當(dāng)日天氣實況、實況天氣圖，預(yù)報圖，總結(jié)指標(biāo)，預(yù)測次日霜凍，并對1997-2020年初霜日進(jìn)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。