1981～2021年南水北調中線工程安陽河以北段冬季冷暖變化特征分析

摘要：

為更好地開展南水北調中線工程冰期輸水調度，基于中線工程沿線8個國家氣象站點的1981～2021年冬季日平均氣溫數據，采用氣候平均值、氣候傾向率等統計方法，并依據國家冷暖冬等級劃分標準，在年度尺度上，對安陽河以北段近41 a來冬季冷暖變化氣候特征進行了統計分析。結果表明：① 1981～2021年，各站冬季平均氣溫基本為-5～3 ℃，在空間上整體呈現南高北低的特征，南北溫差基本為3～4 ℃。② 1981～2021年，各站冬季平均氣溫年際變化規律基本一致，整體上均呈現出波動上升的趨勢，增溫幅度為0.113～0.713 ℃/（10 a），整體表現為南北升溫速率低，中部升溫速率高的特點。③ 從年代際變化來看，1980年代各站冬季平均氣溫最低，多為偏冷年份，整體上1980，1990和2010年代表現為升溫趨勢，2010年代升溫最為顯著，而2000年代則表現為降溫趨勢。其中，在2000年代和2010年代，各站冬季平均氣溫波動頻繁，且幅度較大，平均氣溫標準差均超過了1.0 ℃。④ 近41 a區域暖冬年共出現12次，主要在1990年代中期以后，區域冷冬年共出現18次，其中，1980年代最多，1990年代最少，自1990年代末期開始，區域冷冬年、暖冬年時常交替出現，而在2014年后，區域暖冬年明顯偏多。研究成果可為南水北調中線工程優化冰期輸水調度、提升冬季渠道過流能力提供參考。

關鍵詞：

冷暖變化； 冬季氣候特征； 冰期輸水； 南水北調中線工程； 安陽河

中圖法分類號：P467

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2025.01.004

文章編號：1006-0081（2025）01-0019-07

0 引 言

南水北調工程是緩解中國北方地區水資源短缺、優化水資源配置、改善生態環境的重大戰略性基礎設施［1-2］。中線一期工程自丹江口水庫陶岔渠首閘引水，跨越長江、淮河、黃河、海河四大流域，沿途分別向河南、河北、天津、北京四省（直轄市）供水，全長1 432 km，以明渠自流輸水為主，南北跨越北緯33°～40°，水流由亞熱帶流向暖溫帶［3-4］，冬季水體沿程失熱。按照初步設計，中線安陽河以北段冬季存在冰期輸水運行工況，面臨冰期輸水安全問題［4］。南水北調中線工程2014年12月12日全線正式通水，冰期輸水實施“高水位、低流速、冰蓋下輸水”調度方案，總干渠安陽河以北段冬季輸水安全控制流量僅為設計流量的31.56%～47.64%，大幅降低了工程的輸水能力并制約了輸水效益的發揮［5-6］。

南水北調中線工程正式通水以來的冰情原型觀測數據顯示，中線工程干線冬季冰情發展時間主要在每年12月中下旬至次年2月中上旬，冰期歷時49～69 d，封凍歷時0～41 d。其中，2015年冬季封凍歷時最長41 d，2016年次之，達到32 d，其他冬季封凍時間一般少于10 d。2016年冬季封凍范圍最長，約360 km，最大冰蓋厚度28 cm，2021年冬季次之，封凍范圍長約83 km，最大冰蓋厚度16 cm。2017～2020年4個冬季基本未出現大范圍封凍，主要以岸冰、流冰和局部短期封凍冰蓋為主，主要在崗頭節制閘以下渠段形成冰蓋，厚度均小于5 cm，一般為不連續冰蓋，且冰蓋上有清溝。2022年和2023年兩個冬季均未形成冰蓋［7］。為此，近年來南水北調中線工程嘗試從時間和空間兩個維度開展冰期輸水動態調度，適當延長非冰期輸水時間和范圍，相關斷面的最大輸水流量和平均輸水流量均有所提升，但整體效果有限［3］。

氣候冷暖是驅動南水北調中線工程渠道冰情發展的主要因素，即南水北調中線工程不同冰情現象的發生與沿線地區冬季氣溫密切相關［8-10］。為有效揭示南水北調中線工程沿線冬季氣溫特征，王濤等［11］基于1957～2006年新鄉、安陽、邢臺、石家莊氣象資料，根據暖冬、冷冬標準為冬季氣候進行分類。劉孟凱等［12］基于南水北調中線總干渠沿線南陽、寶豐、鄭州、新鄉、安陽、邢臺、石家莊和保定8個氣象站點1968～2017年的逐日氣溫資料，探討了各站點冬季平均氣溫的趨勢性與突變性，并制定了寒潮同步分析標準。段文剛等［13］則基于南陽、寶豐、鄭州、新鄉、安陽、邢臺、石家莊和保定8個氣象站點1951～2021年冬季的日平均氣溫和日最低氣溫數據，提出了氣溫鏈概念并給出通用數學表達式，構建了71 a冬季氣溫位次。周中元等［14］基于南水北調中線干線工程沿線56個氣象站點的日最低、最高氣溫數據，分析了5個極端氣候指數的時空變化規律，同時計算了9個典型氣象站1960～2020年寒潮發生頻次，采用Sen斜率估計方法進一步分析了其變化趨勢。上述研究的開展，對南水北調中線工程冬季氣溫變化特征均進行了一定程度的揭示，但對于安陽河以北冰期輸水段，由于選取的氣象站點相對偏少，研究的針對性、細化程度還不夠強，有待更加深入的研究。

當前，在全球氣候變暖、同緯度流域河渠冰凌影響持續減弱，以及北京、天津等城市已將南水作為主力水源而非補充水源的背景下，挖潛提升中線工程冬季輸水能力已刻不容緩［6］。本文選取南水北調中線工程總干渠安陽河以北段工程沿線8個國家氣象站點的1981～2021年冬季日平均氣溫數據，采用氣候平均值、氣候傾向率等統計方法，并依據國家冷暖冬等級劃分標準，在年度尺度上，對中線安陽河以北段近41 a來冬季冷暖變化氣候特征進行統計分析，進而為中線優化冰期輸水調度、提升冬季渠道過流能力提供科學依據。

1 資料來源

本研究氣溫資料來自國家氣象科學數據中心（http：∥data.cma.cn），包括南水北調中線干線安陽河以北段沿線附近10個國家氣象站點的1981～2021年冬季逐日日平均氣溫數據。具體氣象站點由南到北依次為：安陽、邯鄲、邢臺、高邑、正定、新樂、唐縣、滿城、易縣和涿州（圖1）。

考慮到可能存在的臺站遷移、觀測儀器的更換及臺站周圍環境變化等人為因素影響，為保證氣象數據的準確性，選取距離相對較近、相關系數相對較高的站點數據為參考，采用標準正態均一化（SNHT）方法，分別對10個站點的冬季年平均氣溫序列進行均一性檢驗［15］。其中，安陽、邯鄲、邢臺、新樂、唐縣、滿城、易縣和涿州8個站點均通過了α=0.05的顯著性檢驗，故此本文選取上述8個站點開展分析。文中冬季的劃分，以12月至次年2月為冬季［16］，約定2021年冬季是指2020年12月至2021年2月，同時取1991～2020年30 a平均氣溫作為氣候平均值［17］。

2 分析方法

2.1 氣候平均值

氣候平均值計算公式為

T=1n∑ni=1Ti（1）

式中：T為冬季平均氣溫的氣候平均值，℃；i為年份序號；Ti為第i年的冬季平均氣溫，℃；n為序列長度，1991～2020年共計30 a。

2.2 氣溫標準差

氣溫標準差計算公式為

σ=1n-1∑ni=1Ti-T2（2）

式中：σ為冬季平均氣溫標準差，℃。文中計算1991～2020年這30 a的標準差作為參考值。

2.3 氣溫距平

氣溫距平計算公式為

ΔT=T-T（3）

式中：ΔT為目標年冬季平均氣溫距平，℃；T為目標年冬季平均氣溫，℃。

2.4 氣候傾向率

氣象要素的年際變化趨勢采用氣候傾向率方法［18］計算，即：

Y=a0+a1t（4）

式中：Y為氣象要素的擬合值，t為時間序列，a0為常數項，a1為線性趨勢項，把a1×10稱為氣候要素每10 a的變化趨勢，即傾向率。本文計算1981～2021年的傾向率作為參考值。

2.5 冷暖冬指標及等級劃分

參照GB/T 33675-2017《冷冬等級》與GB/T 21983-2020《暖冬等級》，對單站、區域冷暖冬進行定義和等級劃分。

2.5.1 單站冷冬和暖冬

將單站冬季平均氣溫概率密度進行劃分，相應得到強冷冬年、弱冷冬年、平冬年、弱暖冬年、強暖冬年的邊界閾值見表1。其中，假設冬季平均氣溫序列服從正態分布，按三分法劃分偏冷、偏暖、正常出現的概率，其概率均為33.3%，得到偏冷、偏暖的邊界閾值分別為-0.43σ和0.43σ。強冷冬和強暖冬發生的概率均為10%，得到強冷冬、強暖冬的邊界閾值分別為-1.29σ和1.29σ［17-18］。

2.5.2 區域冷冬和暖冬

區域范圍內冷冬站數與有效站點總數之比不小于50%，判定為區域冷冬。區域冷冬分為區域強冷冬和區域弱冷冬。在區域冷冬年，若區域內強冷冬站數與有效站點總數之比不小于25%，判定為區域強冷冬，反之判定為區域弱冷冬［18］。

同理，區域范圍內暖冬站數與有效站點總數之比不小于50%，判定為區域暖冬。區域暖冬分為區域強暖冬和區域弱暖冬。在區域暖冬年，若區域內強暖冬站數與有效站點總數之比不小于25%，判定為區域強暖冬，反之判定為區域弱暖冬。

3 結果分析

3.1 冬季氣溫變化特征

3.1.1 冬季氣溫均值變化特征

南水北調中線工程安陽河以北段地處太行山東麓山前平原和淺丘地帶，主要受西伯利亞季風、太行山地形和渤海海洋氣候的影響，冬季天氣寒冷，工程沿線各站冬季平均氣溫年際間呈現出波動性，起伏較大，一些年份甚至出現突變（圖2）。1981～2021年，各站冬季平均氣溫基本為-5～3 ℃，其中最低溫度為-5.05 ℃（易縣站，2013年），最高溫度為3.33 ℃（邢臺站，2002年）。在空間上，工程沿線各站冬季平均氣溫整體呈現南高北低的特征，且年際間均值變化同步性較強，南北溫差基本為3～4 ℃。

3.1.2 冬季氣溫趨勢變化特征

1981～2021年，安陽河以北段各站冬季平均氣溫年際變化規律基本一致，整體呈現上升的趨勢（表2，圖3），增溫幅度為0.113～0.713 ℃/（10 a），其中中部的新樂站增溫幅度最高，10 a平均升溫達到0.713 ℃，而最北部的涿州站則增溫幅度最低，10 a平均升溫僅有0.113 ℃。整體表現為南北升溫速率低，中部升溫速率高的特點，這與者萌等［19］的研究結論基本一致。

從年代際變化來看，總體上1980年代各站冬季平均氣溫較常年值（1991～2020年氣候平均值）明顯偏低（表2，圖3），多為偏冷年份，自1980年代中期開始

冬季平均氣溫開始逐步上升。其中1980年代和1990年代，各站冬季平均氣溫大幅波動并不明顯，除最北部的涿州站外，其他各站平均氣溫標準差均小于1.0 ℃，而在2000年代和2010年代，各站冬季平均氣溫波動則相對頻繁，且幅度較大，平均氣溫標準差均超過了1.0 ℃。整體上，1980年代、1990年代和2010年代冬季平均氣溫表現為升溫趨勢，其中2010年代升溫最為顯著，而2000年代除新樂站點外均表現為降溫趨勢。

3.2 冷暖冬事件變化特征

3.2.1 單站冷暖冬事件變化

從冷暖冬發生頻次空間分布（圖4）來看，在1981～2021年間，安陽河以北段沿程各站暖冬出現頻次為8～17次，其中涿州站最多為17次，但均為弱暖冬，而易縣站最少為8次；強暖冬事件發生頻次為0～6次，其中新樂、唐縣站最多為6次。而各站冷冬事件發生頻次則介于15～22次，其中新樂站最多為22次，而安陽、涿州站最少為15次；強冷冬事件發生頻次為6～10次，其中唐縣站最多為10次，安陽站最少為6次。除涿州站外，其他各站的冷冬年發生頻次均明顯高于暖冬年。

從年代際變化來看（表3），安陽河以北段沿程各站在1980年代暖冬出現較少，僅北部的滿城、易縣和涿州站各出現過1次，其余各站均未出現暖冬年；在1990年代，除新樂站外，其余各站均出現過至少1次暖冬年，其中涿州站最多為9次弱暖冬，其次為安陽站6次弱暖冬和1次強暖冬；進入21世紀后，整體上暖冬年明顯偏多，2001～2021年，各站出現暖冬次數在5～11次，其中新樂站最多為11次；各站強暖冬事件主要出現在1990年代以后，1980年代各站均未出現過。從單站暖冬出現的頻次不難看出，安陽河以北段冬季在1990年代以后整體上呈現出變暖趨勢，這與前文冬季平均氣溫的年代際變化結果相一致。

對于冷冬事件，在1980年代，各站冷冬年出現頻次最高，為6～9次，其中滿城、易縣兩站除1989年為弱暖冬年外，其余9 a均為冷冬年；在1990年代，除新樂、唐縣兩站外，其他各站冷冬年出現頻次整體偏低，基本為1～2次；進入21世紀后，2000年代各站冷冬年出現頻次整體增加，基本為4～6次，而在2011～2021年代多數站點冷冬年頻次又有所降低，如新樂站僅為2次，其他站點則為3～6次。各站強冷冬事件則主要發生在1980年代，而1990年代最少。在2001～2021年的21 a間，伴隨沿線冬季年度平均氣溫的頻繁大幅波動，個別站點冷冬年與暖冬年甚至交替呈現。

3.2.2 區域冷暖冬事件變化

從圖5和表4可以看出，1981～2021年近41 a來安陽河以北段區域暖冬年共發生12次，且主要出現在1990年代中期以后，其中1980年代沒出現過，1990年代出現了3次，而2000年代和2011～2021年則各出現了5次和6次，其中2014，2015年和2020，2021年為連續暖冬年。期間，區域強暖冬年共發生過7次，分別出現在1999，2002，2004，2007，2015，2017，2021年。

對于區域冷冬年，在1981～2021年近41 a期間，安陽河以北段共出現18次區域冷冬年（圖5，表4），各年代均有發生。其中，1980年代最多為9次，1990年代最少為1次，2000年代5次，2011～2021年代3次，其間1981～1988年、2000～2001年、2005～2006年、2010～2013年連續冷冬年。區域強冷冬事件共出現10次，主要集中在1980年代，其中1984～1986年連續3 a強冷冬，1990年代僅出現1次區域強冷冬年。自1990年代末期開始，受冬季年度平均氣溫頻繁大幅波動影響，區域冷冬年、暖冬年常常交替出現，而在2014年中線工程正式通水后，區域暖冬年明顯偏多，這與段文剛等［13］的分析結果基本一致。

4 結論與討論

本文采用氣候平均值、氣候傾向率等統計方法，并依據國家冷暖冬等級劃分標準，在年度尺度上對南水北調中線工程安陽河以北段1981～2021年近41 a來冬季冷暖變化氣候特征進行了統計分析，得到以下結論。

（1） 1981～2021年，各站冬季平均氣溫基本為-5～3 ℃，在空間上整體呈現南高北低的特征，南北溫差基本為3～4 ℃。

（2） 1981～2021年，各站冬季平均氣溫年際變化規律基本一致，整體上均呈現出波動上升的趨勢，增溫幅度為0.113～0.713 ℃/（10 a），整體表現為南北升溫速率低，中部升溫速率高的特點。

（3） 從年代際變化來看，1980年代各站冬季平均氣溫較常年值明顯偏低，多為偏冷年份，自1980年代中期開始氣溫逐步上升。整體上，1980年代、1990年代和2010年代冬季平均氣溫表現為升溫趨勢，2010年代升溫最為顯著，而2000年代則表現為降溫趨勢。其中，在2000年代和2010年代，各站冬季平均氣溫波動較為頻繁，且幅度較大，平均氣溫標準差均超過了1.0 ℃。

（4） 近41 a區域暖冬年共發生12次，主要在1990年代中期以后，區域冷冬年共出現18次，其中，1980年代最多，1990年代最少，自1990年代末期開始，區域冷冬年、暖冬年時常交替出現，而在2014年后，區域暖冬年明顯偏多。

由于本文分析是在年度尺度上開展的，但在現實年份中，即使是平冬甚至暖冬年局地也會有強冷空氣過程、寒潮出現，進而渠道產生冰情影響輸水，如2016年1月下旬和2021年1月初的極端寒潮均使中線干線局部渠道產生一定冰害，但總體上南水北調中線工程安陽河以北段冰期輸水并未真正經歷冷冬年的考驗［20］。為此，需進一步加強在更長時間尺度上對持續低溫冰凍過程和寒潮降溫過程發生頻次的統計分析，針對冬季潛在的低溫、寒潮及冰凍災害風險，結合當前南水北調中線工程智慧化調度和數字孿生建設，不斷提升冰情演化“預報、預警、預演、預案”功效，特別是氣溫、水溫、冰情等相關因子的預測精度和預報能力，進而指導實施更加精準的時空動態調度，同時有針對性地編制完善冰凍災害應急預案和專項處置方案，提前做好應急搶險物資儲備、應急搶險設備維護和應急搶險隊伍管理各項應急保障措施，確保冰期輸水安全。

參考文獻：

［1］ 劉之平，吳一紅，陳文學，等.南水北調中線工程關鍵水力學問題研究［M］.北京：中國水利水電出版社，2010.

［2］ 黃瓅瑤，王漢東，吳永妍，等.長距離引調水工程輸水調度狀態分析及預警系統設計［J］.水利水電快報，2023，44（3）：111-116.

［3］ 李景剛，陳曉楠，盧明龍，等.南水北調中線干線冰期輸水動態調度初探［J］.中國水利，2023（2）：30-33.

［4］ 盧明龍，趙慧，陳寧，等.南水北調中線干線工程輸水調度規程［Z］.北京：中國南水北調集團中線有限公司，2023.

［5］ 中國水利水電科學研究院.南水北調中線總干渠冰期輸水調度方案［R］.北京：中國水利水電科學研究院，2016.

［6］ 潘佳佳，郭新蕾，王濤，等.基于全氣象參數的南水北調中線冬季水氣熱交換模型［J］.水利學報，2024，55（2）：179-189，201.

［7］ 陳曉楠，李景剛，盧明龍，等.南水北調中線總干渠冰期輸水運行實踐分析［J］.人民長江，2023，54（12）：254-259.

［8］ ASHTON G D.River and Lake Ice Engineering［M］.Littleton：Water Resources Publications，1986.

［9］ 范北林，張細兵，藺秋生.南水北調中線工程冰期輸水冰情及措施研究［J］.南水北調與水利科技，2008，6（1）：66-69.

［10］ 李程喜，段文剛，盧明龍，等.南水北調中線冰情演變水溫與氣溫閾值研究［J］.水利科學與寒區工程，2022，5（2）：4-8.

［11］ 王濤，楊開林，喬青松，等.南水北調中線冬期輸水氣溫研究［J］.南水北調與水利科技，2009，7（3）：14-17.

［12］ 劉孟凱，楊佳，黃明海.南水北調中線總干渠沿線地區冬季氣溫特征分析［J］.人民長江，2020，51（7）：93-99.

［13］ 段文剛，郝澤嘉.基于氣溫鏈的南水北調中線工程冬季氣溫等級評價［J］.長江科學院院報，2022，39（9）：1-8.

［14］ 周中元，王濤，陳玉壯，等.南水北調中線工程沿線寒潮及區域極端低溫時空變化規律［J］.南水北調與水利科技（中英文），2023，21（6）：1098-1108.

［15］ 周建琴，王學鋒，黃瑋，等.近50年云南氣溫序列的均一性檢驗與訂正實驗［J］.云南大學學報（自然科學版），2013，35（4）：516-522.

［16］ 安彬，肖薇薇.氣候變暖背景下漢江流域降水和氣溫時空變化特征［J］.人民長江，2024，55（2）：84-92.

［17］ 徐相明，顧品強，姚寅秋，等.上海奉賢1960～2019年冷暖冬氣候特征分析［J］.陜西氣象，2020（4）：30-33.

［18］ 張磊，潘婕.近51年山東臨沂市冷暖冬氣候特征及其成因分析［J］.中國農學通報，2014，30（29）：239-245.

［19］ 者萌，張雪芹，沈鵬珂，等.京津冀地區1957～2017年氣溫變化時空格局［J］.水土保持研究，2020，27（5）：194-201.

［20］ 段文剛，郝澤嘉，楊金波，等.南水北調中線工程2014～2022年冬季水溫與冰蓋觀測分析［J］.水利學報，2023，54（9）：1025-1037.

（編輯：江 文）

Analysis of winter cold-warm changes in northern section of Anyang River of Middle Route of South-to-North Water Diversion Project from 1981 to 2021

LI Jinggang，CHEN Xiaonan，SUN Deyu，REN Yapeng

（China South-to-North Water Diversion Middle Route Corporation Limited，Beijing 100038，China）

Abstract：

To better serve the water diversion scheduling of the Middle Route of South-to-North Water Diversion Project during the ice period by revealing the characteristics of winter air temperature change，based on the winter daily mean air temperature data of 8 national weather stations along the project from 1981 to 2021，statistical methods such as climate normal and climate tendency rate were used，and according to the national cold winter and warm winter grade standards，the climate characteristics of winter cold-warm changes in the northern section of the Anyang River of the main channel were statistically analyzed on an annual scale.The results showed that：① From 1981 to 2021，the mean winter air temperature of each weather station was basically between -5 ℃ to 3 ℃，which was generally high in the south and low in the north in space，and the air temperature difference between the north and the south was basically between 3 ℃ to 4 ℃.② From 1981 to 2021，the inter-annual variation of mean winter air temperature at each weather station was basically the same，showing a fluctuating upward trend as a whole，with a temperature increase range of 0.113 to 0.713 ℃ every 10 years，the overall warming rate was low in the north and south，and high in the middle.③ From the perspective of inter-annual variation，the average winter temperature of each station in the 1980s was the lowest，and most of them were cold-winter years.On the whole，the 1980s，1990s and 2010s showed a warming trend，with the most significant warming in the 2010s and a cooling trend in the 2000s.Among them，in the 2000s and the 2010s，the average winter air temperature of each station fluctuated frequently and had a large amplitude，with the standard deviation of the average winter air temperature exceeding 1.0 ℃.④ In recent 41 years，there were 12 regional warm winter years，mainly after the mid-1990s，and the regional cold winter years appeared a total of 18 times，of which there were the most in the 1980s，and the least in the 1990s.Since the end of the 1990s，the regional cold winter years and warm winter years often occurred alternately，but after 2014，the regional warm winter years were obviously more.The research results could provide a reference for optimizing the water diversion operation during the ice period and improving the channel flow capacity in winter.

Key words：

cold-warm change； winter climatic characteristics； water diversion during ice period； Middle Route of South-to-North Water Diversion Project； Anyang River