南水北調中線涿州站冬季異常低溫事件頻次分析

摘要：

為有效揭示南水北調中線工程冬季異常低溫事件的發生規律，選取中線總干渠明渠段最北端冬季氣溫相對最低、冰情嚴重的涿州氣象站為例，基于該站1981～2021年冬季日平均氣溫數據，在采用標準差閾值法對冬季異常低溫事件進行定義和等級劃分的基礎上，對中線工程近年來的冬季異常低溫事件頻次變化規律進行了統計分析。結果表明：① 進入12月份，涿州站日平均氣溫基本接近0 ℃，之后逐步降低；在12月下旬至次年的1月中旬，日平均氣溫達到年度最低，多年平均值基本維持在-4 ℃上下；而后逐步上升，在2月中旬前后基本恢復至0 ℃以上。② 1981～2021年間，涿州站共發生冬季異常低溫事件31次，累計天數251 d，其中1980年代發生次數最多，其次是2000和2010年代，而1990年代發生次數最少，事件發生頻次總體呈現下降趨勢。③ 在冬季3個月中，1月份發生次數最多，次均發生天數也最長，12月份次之，而2月份發生次數最少，次均發生天數也最短，冬季異常低溫事件發生日主要集中在12月下旬至1月上旬及1月中下旬。④ 1981～2021年，涿州站冬季分別發生一級、二級、三級異常低溫事件11，5，15次，其中，一級、三級事件在1月發生次數最多，而二級事件在1月發生次數最少。正式通水至2021年，中線工程共發生冬季異常低溫事件3次，且均為三級，對冰期輸水影響相對有限。研究成果可為南水北調中線工程冰期輸水調度和冰凌災害防御提供參考。

關" 鍵" 詞：

異常低溫事件； 頻次變化； 冰期輸水； 涿州站； 南水北調中線工程

中圖法分類號： TV68；P423

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2025.01.013

收稿日期：2024-05-21；接受日期：2024-07-15

基金項目：

國家重點研發計劃項目（2022YFC3202505）；水利青年科技英才資助項目（JHYC202207）

作者簡介：

李景剛，男，正高級工程師，博士，主要從事長距離輸水調度生產管理和技術研究。E-mail：sharp818@163.com

通信作者：

陳曉楠，男，正高級工程師，博士，主要從事長距離輸水調度、水資源管理研究。E-mail：chenxiaonan@nsbd.cn

Editorial Office of Yangtze River. This is an open access article under the CC BY-NC-ND 4.0 license.

文章編號：1001-4179（2025） 01-0097-07

引用本文：

李景剛，陳曉楠，趙慧，等.

南水北調中線涿州站冬季異常低溫事件頻次分析

［J］.人民長江，2025，56（1）：97-103.

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］。其中，中線工程作為中國“四橫三縱”國家骨干水網的重要組成部分，為沿線受水區保障人民群眾飲水安全、助力地方高質量發展、促進生態環境改善提供了重要的水資源保障［2］。南水北調中線工程南北跨越北緯33°～40°，水流由亞熱帶流向暖溫帶［3］，沿程水體失熱，在冬季安陽河以北段存在冰期輸水運行工況，面臨冰凌防控等安全問題［4-5］。

氣溫作為影響河渠冰凌變化的主要因素，掌握其變化規律及特征，對于揭示冰凌生消演化機理、采取有效防范措施均至關重要［6-7］。近年來，學者們［8-11］先后基于工程沿線氣象觀測數據，采用數理統計等方法，在年尺度上對南水北調中線沿線冬季平均氣溫變化趨勢和冬季冷暖變化特征等進行了有效揭示。但在實際情況中，冬季局部時段往往存在強冷空氣過程、極端低溫寒潮事件的發生，進而引起氣溫大幅波動，驅動渠道冰情發展、影響冰期輸水運行［11-12］。因此，系統分析掌握南水北調中線冰期輸水段沿線冬季異常低溫天氣的發生規律，對于渠道冰凌災害防御、冰期輸水調度等具有重要意義［13］。

為有效揭示冬季異常低溫天氣對渠道冰凌形成的影響，王春青等［14］通過分析寒潮天氣與凌情之間的關系，發現寒潮天氣對于河道封河具有重要影響；段文剛等［15］通過分析南水北調中線工程總干渠8個冬季的冰情觀測資料發現，寒潮和輸水流量是渠道冰蓋形成的關鍵驅動因子。另外，周中元等［13］基于南水北調中線工程沿線56個氣象站點的日最低、最高氣溫數據，分析了5種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，并采用Sen斜率估計方法進一步分析了其變化趨勢。但該研究由于主要是基于國家寒潮等級劃分標準和國際極端氣候指數而開展的，對于極端低溫事件的過程刻畫存在不足。

為此，本文選取南水北調中線總干渠明渠段最北端冬季氣溫相對最低、冰情通常最重的涿州氣象站為例，通過對冬季異常低溫事件的定義和等級劃分，進而對中線1981～2021年近41 a來冬季異常低溫事件發生的頻次變化特征進行統計分析，旨在為南水北調中線工程冬季實施更加精準的時空動態調度，有針對性地編制完善冰凍災害應急預案及專項處置方案，提前做好各項應急保障措施、確保冰期輸水安全提供理論支撐。

1" 研究區與資料

1.1" 研究區概況

南水北調中線一期工程于2003年12月開工建設、2014年12月正式通水，總干渠全長1 432 km，自丹江口水庫陶岔渠首引水閘取水，跨越長江、淮河、黃河、海河四大流域，沿途可自流向河南、河北、天津、北京4?。ㄖ陛犑校┕┧?，總水頭小于100 m［15］（圖1）。

該工程以為北京市、天津市、河北省、河南省等城市生活、工業供水為主，兼顧生態和農業用水，其中陶岔渠首多年平均調水量95億m3，引水設計流量350 m3/s，加大流量420 m3/s。渠道沿線共設置節制閘64座，控制閘61座，退水閘54座，分水口97座。其中，安陽河節制閘至北拒馬河節制閘間近480 km的明渠，受顯著的經緯度差和南北凍融特殊氣象條件影響，冬季運行經歷流冰輸水、冰蓋輸水等復雜工況［16］。

1.2" 資料來源

本次研究所用氣溫資料為國家氣象站涿州站1981～2021年冬季日平均氣溫資料，數據來自于國家氣象科學數據中心（http：∥data.cma.cn）。文中約定每年12月至次年2月為冬季［11］。

2" 研究方法

2.1" 冬季異常低溫事件定義

單一序列極端低溫事件的定義方法，通常有絕對閾值法［17-19］、百分位閾值法［20-22］和標準差閾值法［23-25］等。本文借鑒文獻［23］方法，對冬季異常低溫事件定義：對冬季日平均氣溫t序列求得距平序列Δt（平均時段為1981～2021年），連續5 d日平均氣溫負距平超過1倍標準差（σ），定義為一個異常低溫事件，若兩次持續低溫事件間隔1 d，視為同一個事件［25］。

（1） 平均值公式：

T—=1nni=1Ti

（1）

式中：T—為冬季某日日平均氣溫序列的平均值，℃；i為年份序號；Ti為第i年冬季該日的日平均氣溫，℃；n為序列長度，即1981～2021年共計41 a。

（2） 距平計算公式：

ΔT=T-T—

（2）

式中：ΔT為目標年冬季日平均氣溫距平，℃；T為目標年冬季日平均氣溫，℃。

（3） 標準差公式：

σ=1n-1ni=1（Ti-T—）2

（3）

式中：σ為冬季日平均氣溫標準差，℃。

2.2" 冬季異常低溫事件等級劃分

異常低溫事件主要包括3個要素：低溫持續天數τ（d）、極寒冷日平均氣溫距平tm（℃）和日平均氣溫累積距平ta（℃）。采用Z-SCORE標準化法［26］對1981～2021年間診斷得到的冬季異常低溫事件序列的τ、tm和ta分別進行標準化處理，得到sτ、stm和sta，定義異常低溫事件的寒冷程度為s，令：

s=sτ-stm-sta

（4）

由公式（4）可知，s越大，寒冷程度越強。參照文獻［23］，對異常低溫事件劃分為3個等級：一級，s≥0.3σs；二級，-0.3σslt;slt;0.3σs；三級，s≤-0.3σs。

3" 結果分析

3.1" 冬季平均氣溫變化特征

圖2為涿州站近41 a（1981～2021年）冬季平均氣溫變化分布圖。從圖2中可以看出，進入12月份涿州站日平均氣溫基本接近0 ℃，之后日平均氣溫逐步降低；在12月下旬至次年的1月中旬，日平均氣溫達到年度最低，多年平均值基本維持在-4 ℃上下，其中1981～1990年和2001～2010年相對偏低。而后，自1月下旬開始，日平均氣溫整體呈現逐步上升的趨勢，在2月中旬前后基本恢復至0 ℃以上。在1981～2021年間，涿州站冬季平均氣溫總體呈現上升的趨勢，氣候傾向率為0.113 ℃/10 a。

3.2" 冬季異常低溫事件確定

從表1中可以看出，1981～2021年南水北調中線涿州站冬季共發生異常低溫事件31次。其中，2000年冬季的異常低溫事件最為嚴重，發生時段為1月13日至2月4日，持續時間23 d，極寒冷日平均氣溫距平-10.10 ℃，日平均氣溫累積距平達到-139.84 ℃。

3.3" 冬季異常低溫事件頻次年際變化特征

1981～2021年涿州站共發生冬季異常低溫事件31次，累計天數251 d，平均每年發生0.76次，每次8.10 d。由表1、圖3可見，1986年前異常低溫事件發生次數較多，共發生10次，占總次數的32.26%，累計天數69 d，占總天數的27.49%，平均每年發生1.67次，每次6.90 d；1987～1999年的13 a間，僅發生2次，占總次數的6.45%，累計天數為12 d，平均每年發生0.15次，每次6 d；2000年后，異常低溫事件發生頻率升高，22 a內發生19次，累計天數170 d，平均每年發生0.86次，每次8.95 d。

從各年代變化情況看（表2），冬季異常低溫事件1980年代發生次數最多，平均為1.1次/a，6.73 d/次；其次是2000和2010年代，平均分別為0.9次/a、10.11 d/次和0.9次/a、6.22 d/次；而1990年代發生次數最少，平均為0.2次/a，15.00 d/次，即1981～1990年，冬季異常低溫事件呈現先多后少的變化趨勢，而進入21世紀后，冬季異常低溫事件又有所增加，在2001～2010年，也呈現出先多后少的變化趨勢。

總體上，在1981～2021年間，涿州站冬季異常低溫事件發生頻次呈現一定程度的下降趨勢，線性趨勢為-0.06次/10 a，但未通過顯著性檢驗，這與冬季平均氣溫呈現一定程度的上升趨勢正好相反（圖2～3），該變化趨勢與周中元等［13］的研究結論也基本一致。

3.4" 冬季各月異常低溫事件變化特征

1981～2021年間，涿州站冬季12月、1月、2月異常低溫事件發生次數分別為13，15，10次，其中對于跨月事件分別按月份統計，故在月尺度上異常低溫事件總計38次。累計發生天數分別為88，108 d和55 d，次均發生天數分別為6.77，7.20 d/次和5.50 d/次?？梢?，1月份發生次數最多，次均發生天數也最長，12月份次之，而2月份發生次數最少，次均發生天數也最短（表3）。其中，12月和1月份在2010年代異常低溫事件發生次數最多，分別為5次和6次，而在1990年代次數最少，分別為0次和2次；而對于2月份，在1980年代異常低溫事件出現次數最多，為6次，而在2010年代則次數最少，整體上未有異常低溫事件的發生。

從圖4可以看出，涿州站冬季異常低溫事件發生日主要集中在12月下旬至1月上旬及1月中下旬，此階段也正是南水北調中線安陽河以北段渠道冰情形成和冰下輸水最為關鍵的階段［15］，因此這兩個階段應當作為南水北調中線工程冰期輸水異常低溫事件發生的重點預報時段，給予密切的關注。

3.5" 各等級異常低溫事件時間分布特征

從表1和表4可以看出，1981～2021年涿州站冬季發生一級異常低溫事件11次，其中2010年代發生最多，共發生6次，占比54.55%；累計發生二級異常低溫事件5次，其中1980年代最多為3次，占比60%；累計發生三級異常低溫事件15次，其中2010年代發生最多為7次，占比46.67%。從各月分布情況看，一級和三級異常低溫事件在1月發生次數最多，而二級異常低溫事件在1月發生次數最少（圖5）。

在南水北調中線工程正式通水至2021年以來，涿州站共發生異常低溫事件3次，且均為三級，這反映了當前冬季異常低溫事件對中線冰期輸水的影響還相對有限。

4" 討 論

本文以連續5 d日平均氣溫負距平超過1倍標準差為標準來定義冬季異常低溫事件，并依據低溫持續天數、極寒冷日平均氣溫距平和日平均氣溫累積距平3個要素反映的綜合寒冷程度，將異常低溫事件劃分為3個等級。從計算結果來看，歷史上典型低溫事件均得到了有效刻畫。如1999～2000年冬季，受“拉尼娜事件”影響，中國華北地區冬季氣溫明顯偏低，部分地區甚至出現了少見的嚴寒；2002年12月22日華北普降中到大雪，自12月25日至2003年1月10日華北地區持續出現低于-10 ℃的低溫天氣，尤其在1月5日部分地區出現了低于-20 ℃的低溫天氣；2010年1月1～6日和17～23日，大部分地區先后遭受兩次強寒潮天氣襲擊，北方大部分地區遭受低溫凍害和雪災；另外2012～2013年冬季，全國先后經歷了10次冷空氣過程，其中2012年12月上旬至2013年1月上旬，中國北方和中東大部氣溫偏低2～4 ℃，部分地區偏低達4 ℃以上。上述典型低溫事件均被成功檢測出，且多數被判定為一級（表1），這與現實情況也極其吻合（圖1），進而說明本文的判定方法和分級標準整體上是合理可行的。

不過在2016年1月下旬和2021年1月初，南水北調中線工程雖然分別遭遇強寒潮侵襲（圖6），且有一定的冰害產生，但由于日平均氣溫負距平超過1倍標準差的連續天數均為4 d，未達到判別標準，故未被檢測為異常低溫事件。這在一定程度上也反映出，南水北調中線自2014年正式通水以來，冬季氣溫整體偏高，總體上冰期輸水并未真正經歷超強冷冬年的考驗［15］。

另外，水溫作為影響渠道冰情發展最重要也最直接的因子，其變化通常取決于水體與大氣和渠床的熱交換，其中伴隨大氣溫度的降低，尤其是極端低溫事件的發生，渠道水溫沿程衰減速度將明顯加快［27-28］。圖7為近年來南水北調中線工程總干渠明渠末端北拒馬河節制閘斷面各年度冬季每日08：00現場的水溫監測數據。從圖7中可以看出，在每年的1月初，該斷面水溫已逐步接近或達到冰點0 ℃。此間，如若12月下旬或1月份有異常低溫事件發生，尤其是發生一、二級異常低溫事件，在很大程度上將會加重渠道水體熱量損失，加速渠道岸冰、流冰甚至冰蓋等冰情的形成，進而影響輸水運行安全。對于文中檢測出的中線工程正式通水以來冬季3次異常低溫事件，雖然等級上都為三級（表1、圖6），但在一定程度上均帶來了渠道水溫的快速降低（圖7），進而引發或加重岸冰、流冰、冰蓋等冰情的發生［15］。因此，在每年冬季，工程運行管理單位需格外關注12月下旬和1月份的異常低溫事件發生，對于中線安陽河以北段要有效實施“攔、擾、融、排、撈”一體化冰凌防控措施和各項運行管理措施，確保冰期輸水調度安全［6］。

為此，對南水北調中線工程近年來冬季氣溫變化特點和異常低溫事件發生頻次進行統計分析，有效找出其冬季歷史極端低溫工況，進而結合中長期天氣預報和數字孿生中線工程建設，不斷提升冰情演化“預報、預警、預演、預案”功效，尤其是12月下旬至1月中下旬期間的氣溫、水溫、冰情等相關因子的預測預報和異常低溫事件疊加效應分析，對于指導中線冰期輸水調度和冰凌災害防御具有重要意義。

5" 結 論

本文以南水北調中線工程總干渠明渠段最北端冬季氣溫相對最低、冰情嚴重的涿州氣象站為例，基于該站1981～2021年冬季日平均氣溫數據，采用標準差閾值法對冬季異常低溫事件進行定義和等級劃分的基礎上，對中線工程近41 a來冬季異常低溫事件頻次變化規律進行了統計分析，得到以下結論：

（1） 在冬季，進入12月份涿州站日平均氣溫基本接近0 ℃，之后日平均氣溫逐步降低；在12月下旬至次年的1月中旬，日平均氣溫達到年度最低，多年平均值基本維持在-4 ℃上下；而后，日平均氣溫逐步上升，在2月中旬前后基本恢復至0 ℃以上。在近41 a間，涿州站冬季平均氣溫總體呈現上升的趨勢，氣候傾向率為0.113 ℃/10 a。

（2） 1981～2021年間，涿州站共發生冬季異常低溫事件31次，累計天數251 d，其中1980年代發生次數最多，其次是2000和2010年代，而1990年代發生次數最少，事件發生頻次總體上呈現一定程度的下降趨勢。

（3） 在冬季3個月中，1月份異常低溫事件發生次數最多，次均發生天數也最長，12月份次之，而2月份發生次數最少，次均發生天數也最短，冬季異常低溫事件發生日主要集中在12月下旬至1月上旬及1月中下旬。

（4） 近41 a來，涿州站冬季分別發生一級、二級、三級異常低溫事件11，5，15次，其中，一級、三級事件在1月份發生次數最多，而二級事件在1月發生次數最少。正式通水至2021年以來，中線工程冬季異常低溫事件共發生3次，且均為三級，對冰期輸水影響相對有限。

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（編輯：謝玲嫻）

Frequency analysis on abnormal low-temperature events in winter at Zhuozhou Station

on Middle Route Project of South-to-North Water Diversion

LI Jinggang，CHEN Xiaonan，ZHAO Hui，CHEN Linju

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

Abstract：

To analyze the occurrence pattern of abnormal low-temperature events during winters in the Middle Route Project of South-to-North Water Diversion，the Zhuozhou meteorological station was selected as a case study.The station is located at the northernmost end of the open channel section of the main canal and experiences relatively low winter temperatures and severe ice conditions.Utilizing the daily average temperature data of Zhuozhou Station from 1981 to 2021，winter abnormal low-temperature events were identified and classified using the standard deviation threshold method.A statistical analysis was performed to assess the frequency variation of these events over the past 41 years.The results indicated that：① The daily average temperature at Zhuozhou Station was near 0 ℃ in December，gradually dropping thereafter.It reached the yearly low from late December to mid-January，averaging around -4 ℃.Subsequently，temperatures rose，returning to above 0 ℃ by mid-February.② During 1981 to 2021，Zhuozhou Station experienced 31 abnormal low-temperature events，totaling 251 days.The 1980s had the highest frequency，followed by the 2000s and 2010s，with the 1990s having the lowest frequency.There was a decline in event frequency over time.③ Among the winter months，January had the highest frequency and longest average occurrence days，followed by December，with the lowest frequency and shortest average occurrence days in February.Abnormal low-temperature events in winter mainly occurred from late December to early January and mid to late January.④ From 1981 to 2021，Zhuozhou Station has encountered 11 Grade 1，5 Grade 2，and 15 Grade 3 abnormal low-temperature events during winter.Grade 1 and Grade 3 events were the most in January，while Grade 2 events were the least in that month.From the formal water supply of Middle Route Project of the South-to-North Water Diversion to 2021，there were three Grade 3 abnormal low-temperature events in winter，which had a limited impact on water diversion during the glacial period.These research findings can serve as a reference for guiding water transportation scheduling and preventing ice-related disasters in the Middle Route Project of South-to-North Water Diversion.

Key words：

abnormal low-temperature event； frequency variation； water diversion during glacial period； Zhuozhou Station; Middle Route Project of South-to-North Water Diversion