引言
寒潮伴随的大规模强冷空气在特定的天气形势下向南侵袭,可造成沿途地区大范围的剧烈降温、大风、雨雪等极端灾害性天气,往往给农业、交通、电力、通讯等行业以及人体健康造成严重影响和危害。寒潮作为一种重大的极端灾害性天气,引起了国内外学者的广泛关注。
我国寒潮年均强度呈北强南弱,频次北多南少,频次高值区位于新疆北部、内蒙古北部、东北地区,低值区位于四川盆地、青藏高原、云贵地区[1,2,3,4,5]。中国区域性寒潮频次如长江中下游地区[6]、西南地区[7,8]、东北地区[9,10,11]、西北地区[12,13,14,15,16,17]等均有不同程度的减少,尤其是西北的新疆、华北和东北地区减少最为显著[1,2],东北地区春季寒潮频次和强度在20世纪80年代末出现转折,频次减少,强度增强,而21世纪初开始,频次有所增加,但强度减弱[10]。单次寒潮的降温强度,中国北方和南方大于中部地区;持续时间南方、中部大于北部[1,3],且北方冷空气持续时间呈年代际减少趋势,1980年之前持续时间长,1990年后持续时间短[18]。寒潮最易发生在秋、冬和春季[3,4],但云南春季和秋季寒潮仅占15%,秋季云南西部及西南部地区没有寒潮发生,而东北地区寒潮出现较早。
针对中国寒潮变化的可能原因,有研究指出ENSO信号能通过调制北大西洋地区的大气环流改变欧亚中高纬度地区的纬向温度平流输送和西伯利亚高压强度,进而影响中国北方冬季气温[19,20]。北大西洋涛动(North Atlantic Oscillation, NAO)呈负位相,不利于北大西洋的暖湿空气向欧亚大陆输送,西伯利亚高压偏强,因而中国北方地区较气候态偏冷[21];在气候变暖背景下,西伯利亚高压和冬季风强度的减弱是中国寒潮频次减少的可能原因[3]。北大西洋风暴轴位置异常与我国寒潮频次变化存在显著相关关系,即当在40°W以西风暴轴较气候平均位置偏北(偏南)和在40°W以东风暴轴较气候平均位置偏东北(偏西南)时,同期我国大部分地区的寒潮频次异常偏少(偏多),而其强度异常与我国寒潮频次变化的年际关系并不显著[22]。极区和近极区环流系统的改变是造成我国强冷空气发生年代际变化的主要原因[23]。低北极涛动(Arctic Oscillation, AO)指数时,容易形成阻塞系统,影响极地冷空气向低纬度爆发,从而形成寒潮,高AO指数时则不易发生寒潮[1,24];乌拉尔山阻塞形势崩溃与寒潮爆发有密切关系,北半球极涡面积迅速增大,与“倒Ω流型”的建立关联紧密,是寒潮天气过程中极地冷空气南下堆积酝酿的重要标志[4]。西伯利亚上空形成的东(西)阻塞高压,一旦异常冷空气到达青藏高原东北坡,就会引起冷空气爆发[25]。
1 研究区概况
京津冀地区位于东北亚中国地区环渤海心脏地带(36°03'N—42°40'N、113°27'E—119°50'E),总面积2.154×105 km2,是我国“首都经济圈”,行政范围包括北京市、天津市和河北省。京津冀地区是我国国家发展战略的重要指向区,其北靠燕山山脉,南面平原展布,西倚太行山,东临渤海湾。地貌类型复杂多样,主要有坝上高原、燕山和太行山山地、河北平原,沿渤海岸多滩涂、湿地,海河流域以扇状水系铺展在京津冀地区,水域约1.23×104 km2。地形西北高东南低,且由西北向东南倾斜。京津冀位于温带半湿润半干旱大陆性气候区,多年平均气温10 ℃,多年平均降水量522 mm,降水量自东南向西北递减。
2 资料和寒潮、区域性寒潮定义
图1
图1
京津冀地理位置和气象站点分布
Fig.1
Geographical location and distribution of meteorological stations in BTH (Beijing-Tianjin-Hebei)
3 结果分析
3.1 单站寒潮频次
3.1.1 空间变化
图2为1961—2017年京津冀地区寒潮平均年发生频次空间分布。可以看出,京津冀地区寒潮平均年发生频次西北多、东南少,高发区主要集中在河北省西北部的张家口市,寒潮平均年发生频次在12次以上的站点有12个,其中张家口市7个、承德市4个和保定市1个,张家口市的张北和沽源分别为26.4次和25.6次,为京津冀地区之首,其次是张家口市的康保(23.8次)、尚义(21.4次)、崇礼(19.2次)和蔚县(18.2次),而河北平原大部在10次以下,北京的霞云岭和天津市的东丽频次最少(1.3次)。
图2
图2
1961—2017年京津冀地区寒潮平均年发生频次空间分布(单位:次)
Fig.2
Spatial distribution of average annual occurrence frequency of cold wave in BTH region from 1961 to 2017 (Unit: times)
寒潮平均年发生频次最多的站点是最少站点的20倍,说明京津冀地区寒潮活动频次空间相差悬殊。究其原因,地形对区域水热条件具有再分配的作用,对入侵冷空气起到阻挡和分流。来自西伯利亚—蒙古国的冷空气遇到燕山山系阻挡,爬坡速度缓慢,造成冷空气滞留,从而在山前形成寒潮高频区,地处燕山、太行山和内蒙古高原连接地带的张家口成为寒潮发生的高频区,而位于太行山背风坡的平原区则是寒潮发生的低值区。对京津冀地区单站寒潮年发生频次变化趋势(图略)进行分析,发现只有张家口西北部的尚义、康保、怀安等站和东北部承德市的围场、平泉等18站(占总站数的14%)呈略增多趋势,大部分站点(108站,占总站数的86%)表现为减少趋势,但仅张家口市的蔚县减少趋势显著,通过α=0.01的显著性检验。
3.1.2 时间变化
经统计,1961—2017年京津冀地区寒潮平均年累计发生638站次,图3为1961—2017年京津冀地区寒潮累计发生站次年际变化及其线性趋势。可以看出,1961—2017年寒潮累计发生站次呈显著减少趋势,气候倾向率为-57站次·(10 a)-1,通过α=0.001的显著性检验。寒潮发生最多站(1038站,出现在1968年)是最少站(372站,出现在1992年) 的2.8倍。寒潮累计发生站次的阶段性特征比较明显,在1980年代末之前,大多在638站次以上,尤其是1961—1971年出现峰值,平均每年累计发生825站次,从1972年开始锐减,1980年代末以后多位于平均值以下,尤其是2007年以来平均每年累计发生527站次,比最多时期少近300站次。
图3
图3
1961—2017年京津冀地区寒潮累计发生站次年际变化及其线性趋势
Fig.3
Inter-annual variation of accumulative occurrence stations of cold wave in BTH region from 1961 to 2017 and its linear trend
图4为1961—2017 年京津冀地区寒潮累计发生站次的 Mann-Kendall 突变检验。可以看出,近 57 a京津冀地区寒潮累计发生站次存在显著突变,UF与UB曲线在1983年相交,且UF曲线超过α=0.05的显著性水平临界线,表明在1983年该地区寒潮发生站次出现由多到少的突变。1961—1983年寒潮累计发生站次以正距平为主,平均每年累计发生744站次,1984—2017年平均每年累计发生566站次,34 a中仅有7 a多于多年平均值,两个阶段均值相差178站次。
图4
图4
1961—2017年京津冀地区寒潮累计发生站次的 Mann-Kendall突变检验
Fig.4
Mann-Kendall mutation test of accumulative occurrence stations of cold wave in BTH region from 1961 to 2017
3.2 区域性寒潮过程
3.2.1 频次多时间尺度变化
经统计,1961—2017年京津冀地区区域性寒潮共发生139次,平均每年发生2.4次。1962年和1971年最多,均为6次,1966年出现5次,有24 a出现3次,有6 a未出现过。从1961—2017 年京津冀地区区域性寒潮发生频次年际变化及其线性趋势(图5)可以看出,近57 a区域性寒潮发生频次总体呈递减趋势,气候倾向率为-0.282次·(10 a)-1,未通过显著性检验,亦未发生突变。区域性寒潮频次在1961—1976年平均每年发生3.4次,为历史最多,1977—1996年明显减少,平均每年发生2.0次, 1997—2010年略有增加,平均每年2.6次,2011年以后又迅速减少,平均每年出现1.3次,仅为1997—2010年的一半。
图5
图5
1961—2017 年京津冀地区区域性寒潮发生频次年际变化及其线性趋势
Fig.5
Inter-annual variation of regional cold wave frequency in BTH region from 1961 to 2017 and its linear trend
表1 1961—2017年不同年代京津冀地区区域性寒潮发生频次单位:次
Tab.1
| 年代 | 全年 | 春季 | 秋季 | 冬季 |
|---|---|---|---|---|
| 1960年代 | 33 | 6 | 12 | 15 |
| 1970年代 | 30 | 10 | 15 | 5 |
| 1980年代 | 21 | 4 | 11 | 6 |
| 1990年代 | 20 | 3 | 10 | 7 |
| 2000年代 | 26 | 9 | 8 | 9 |
| 2011—2017年 | 9 | 0 | 5 | 4 |
| 合计 | 139 | 32 | 61 | 46 |
季节区域性寒潮发生频次表现为秋季最多(61次),占全年区域性寒潮频次的44%;其次为冬季,共46次,占比33%;春季最少,共32次,约为秋季的一半。春季区域性寒潮以1970年代最多(10次), 2000年代紧随其后(9次),1960年代位居第3(6次), 1980年代和1990年代降至3~4次,2011年以来未发生过区域性寒潮。秋季寒潮自1970年代以来逐渐减少,1970年代最多(15次),2011—2017年最少(5次);2000年代以前在10次以上,2000年代后减少至个位数。冬季区域性寒潮发生频次1960年代最多,达15次,1970—1990年代快速减至5~7次,2000年代增至9次, 2011—2017年锐减到历史最少(4次)。
综上所述,不同季节区域性寒潮发生频次的年代际分布有所差异,1960年代冬季区域性寒潮发生频次最多,1970年代春季和秋季较多,2000年代冬季和春季为区域性寒潮发生的次高峰期,2011—2017年三个季节寒潮发生频次最少。春季、秋季和冬季区域性寒潮发生频次呈显著减少趋势,气候倾向率分别为-0.97、-1.63和-1.2次·(10 a)-1,均通过α=0.01的显著性检验。
图6为1961—2017年京津冀地区区域性寒潮发生频次逐月变化。可以看出,京津冀地区区域性寒潮发生在9月至次年5月,其中10月和11月区域性寒潮活动最为活跃,发生频次分别为28次和32次,占全年总频次的43.2%,1月发生19次,占比13.6%,12月和2—4月区域性寒潮发生频次差异较小,为13~16次,5月和9月各出现1次。京津冀地区区域性寒潮最早出现在9月27日(1968年),最晚出现于5月14日(1977年)。
图6
图6
1961—2017年京津冀地区区域性寒潮发生频次逐月变化
Fig.6
Monthly variation of occurrence frequency of regional cold wave in BTH region from 1961 to 2017
3.2.2 持续日数和降温幅度
1961—2017年,京津冀地区139次区域性寒潮过程持续日数为2~5 d,平均2.6 d,其中持续3 d的过程最多(66次),持续2 d 的过程次之(63次),持续2~3 d的过程占总次数的92.8%;持续5 d的过程仅1次,占比不足1%。
经统计,1961—2017年京津冀地区区域性寒潮平均降温幅度为12.1 ℃,平均最低气温为-17.8 ℃,其中1966年2月21—23日的过程降温幅度最大(16.4 ℃);1962年2月11—13日的过程河北省蔚县最低气温达-28.3 ℃,为57 a来京津冀地区区域性寒潮过程最低气温极值;1968年11月8—10日的过程影响范围最大,境内所有站点均达到寒潮标准,过程降温幅度为 12.7 ℃,最低气温为-20.2 ℃(河北阳原)。
3.2.3 干湿特征
式中:r为某次寒潮过程中所有达到寒潮标准站点降水量的平均值;r0和s分别为1961—2017年136次寒潮过程降水量的平均值和标准差。区域性寒潮干湿特征指标DW级别划分如表2所示。
表2 区域性寒潮过程干湿划分标准
Tab.2
| 干湿过程 | DW |
|---|---|
| 干过程 | ≤-50% |
| 较干过程 | (-50%,-20%] |
| 正常过程 | (-20%,20%) |
| 较湿过程 | [20%,50%) |
| 湿过程 | ≥50% |
1961—2017年京津冀地区区域性寒潮干过程发生频次最多(51次),占区域性寒潮总频次的36.7%(表3),其次是较干过程(44次),占比31.7%,湿过程和正常过程分别位居第三和第四,占比为18.7%和10.1%,仅有约3%的过程为较湿过程,说明京津冀地区区域性寒潮过程以干过程和较干过程为主。三个季节中,干过程频次表现为冬季最多,秋季次之,春季最少;较干和正常过程频次均是秋季最多,冬季次之,春季最少;湿过程则为秋季最多,春季次之,冬季最少;较湿过程仅在秋季出现2次,春季和冬季各出现1次。
表3 京津冀地区区域性寒潮干湿过程频次分布
Tab.3
| 干湿过程 | 春季/次 | 秋季/次 | 冬季/次 | 年/次 | 占比/% |
|---|---|---|---|---|---|
| 干过程 | 10 | 19 | 22 | 51 | 36.7 |
| 较干过程 | 9 | 21 | 14 | 44 | 31.7 |
| 正常过程 | 3 | 6 | 5 | 14 | 10.1 |
| 较湿过程 | 1 | 2 | 1 | 4 | 2.9 |
| 湿过程 | 9 | 13 | 4 | 26 | 18.7 |
| 总频次 | 32 | 61 | 46 | 139 |
图7为1961—2017年京津冀地区区域性寒潮干湿过程频次年代际分布。可以看出,区域性寒潮干过程发生频次以1960年代最多,1960—1980年代逐渐减少,1990—2000年代较1980年代有所增多,2011—2017年迅速减少到历史最低值(4次),约为1960年代的1/5;较干过程发生频次峰值出现在2000年代(11次),其次是1960年代和1970年代均为10次,1980年代迅速减少至4次,2011—2017年为历史最少仅为1次;正常过程在1980年代最多(6次),2011—2017年未出现过正常过程,其余年代为1~3次;较湿过程仅在1980年代出现2次,1970年代和2000年代各出现1次,其余年代未出现;湿过程频次呈现“双峰双谷”分布,具体表现为1970年代和2000年代出现两个相对的峰值(7次和6次),1960年代和1990年代出现相对的谷值(3次和2次);干过程、较干过程和较湿过程发生频次的年代际变化呈减少趋势,湿过程则呈增加趋势,2011—2017年区域性寒潮趋向于干过程和湿过程两极化分布。
图7
图7
1961—2017年京津冀地区区域性寒潮干湿过程发生频次年代际分布
Fig.7
Inter-decadal distribution of occurrence frequency of dry and wet process of regional cold wave in BTH region from 1961 to 2017
综上所述,1961—2017年京津冀地区139次区域性寒潮过程中,干湿过程频次表现为干过程最多,其次为较干过程、湿过程和正常过程,较湿过程最少;干过程各季节频次表现为冬季>秋季>春季;较干和正常过程表现为秋季>冬季>春季;湿过程则为秋季>春季>冬季;不同干湿过程的峰值时段差异较大,干过程以1960年代最多,较干过程2000年代最多,正常和较湿过程1980年代最多, 湿过程1970年代最多,2011—2017年区域性寒潮趋向于干过程和湿过程的两极化分布。
4 讨论
(2)目前执行的寒潮标准对气温骤降引起的冷空气活动有较好反映,而对缓慢下降的冷空气过程则难以体现,如2008年1—2月出现的影响范围广、持续时间长、灾害重的罕见低温雨雪冰冻天气[38],此次低温过程在京津冀地区同样也维持了很长时间,但在现行寒潮标准中难以体现出来,该标准需在以后的工作中逐步修订完善。
(3)由于寒潮移动路径不同,寒潮发生时带来的高影响天气也有所不同,除剧烈降温外,有时还伴随其他天气现象如大风、雨(雪)、沙尘、霜冻等,本研究仅对寒潮伴随的降水现象进行了统计分析,在实际预报服务中,寒潮伴随的其他高影响天气也要加以重视。另外,根据京津冀地区的气候特点,寒潮主要出现在10月至次年4月,其间寒潮伴有降水。之前尚未见到关于寒潮过程中干湿特征的研究,本文尝试定义干湿指标,但鉴于我国幅员辽阔,不同地区气候差异大,还需结合本地气候特点及预报服务需求对干湿判别指标进行修订。
5 结论
(1)京津冀地区单站寒潮空间分布表现为西北多、东南少特征。河北省西北部的张家口市为寒潮高发区,而北京市的霞云岭和天津市的东丽寒潮发生频次最少。京津冀地区寒潮活动频次空间相差悬殊,寒潮频次发生最多的站点是最少站点的20倍,境内有86%的站点寒潮年发生频次呈减少趋势。
(2)1961—2017年京津冀地区寒潮累计发生站次总体呈显著减少趋势,气候倾向率为-5.7站次·a-1。寒潮发生站次阶段性特征明显,1961—1971年出现峰值,平均每年发生825站次,1972年开始寒潮发生站次锐减,尤其是2007年以来寒潮多年平均发生站次为527站次,达历史最低,在1983年出现由多到少的突变。
(3)1961—2017年京津冀地区区域性寒潮共发生139次,区域性寒潮频次年际变化呈递减趋势,气候倾向率为-0.282次·(10 a)-1。1960—1970年代频次最多,进入2000年代,冬季和春季区域性寒潮发生频次进入高峰期,2011—2017年3个季节区域性寒潮发生频次最少。区域性寒潮频次季节分布表现为秋季>冬季>春季,各季节区域性寒潮发生频次总体均呈递减趋势,且秋季比冬、春季减少速率更快。10、11月区域性寒潮最为活跃,占全年区域性寒潮的43.2%。
(4)京津冀地区区域性寒潮过程持续日数为2~5 d,持续2~3 d的过程占过程总数的 92.8%;平均降温幅度为12.1 ℃,平均最低气温为-17.8 ℃。京津冀地区区域性寒潮的干湿过程频次表现为干过程>较干过程>湿过程>正常过程>较湿过程;不同过程在各季节的频次差异较大,表现为干过程以冬季频次最多,其余过程均为秋季频次最多;干过程、较干过程和较湿过程发生频次的年代际变化呈减少趋势,湿过程则呈增加趋势;2011—2017年,京津冀地区区域性寒潮过程趋向于干过程和湿过程的两极化分布。
参考文献
1951—2006 年期间我国寒潮活动特征分析
[J].
利用中央气象台1951\_2006年共56年冬半年(9月至次年5月)的冷空气天气过程资料\, NCEP/NCAR逐日再分析海平面气压、 500 hPa高度场和850 hPa气温等资料, 统计分析了我国寒潮若干气候特征和寒潮中期过程的物理量场特征, 并引入聚类方法划分寒潮典型物理过程。结果表明： （1）1951-2006年期间我国寒潮强冷空气逐年的活动频次呈明显下降趋势。功率谱周期分析表明, 我国强冷空气活动有多年代际的变化周期。秋\, 冬\, 春季节是寒潮易发时节。（2）对我国寒潮天气过程特征物理量统计得到了一些表征寒潮天气特征量的阈值。寒潮冷高压强度有较明显的季节性变化特征, 其源地大多可追溯到亚欧大陆北端极地, 寒潮冷高压受山脉阻挡, 在西伯利亚增强后最常以西北路径爆发南下, 是我国寒潮最常见的路径。（3）乌拉尔山阻塞形势的崩溃与寒潮爆发密切相关； 西风环流指数在寒潮爆发前6日前后至爆发后2日前后出现明显下降； 在寒潮初始阶段, 北半球高纬度以2波为主要特征, 在寒潮爆发前, 高纬度2波或3波为优势波的概率较大； 北半球中纬度在寒潮中期过程主要为3波能量变化； 北半球极涡面积迅速增大, 与东亚“倒Ω流型”的建立紧密相关, 是极地冷空气南下酝酿堆积的重要标志。
近52年宁夏冬季极端寒冷事件的演变特征
[J].利用1961-2012年宁夏19个测站完整的逐日最低温度资料, 分析了近52年宁夏极端寒冷事件时空变化特征。结果表明, 宁夏极端寒冷事件空间上表现为较好地一致性, 存在"东西多、中部少"的分布特点, 贺兰山脉对此起到了重要作用; 宁夏寒冷事件年频次总体在减少, 强度也呈减弱趋势, 年发生日数、日最多站次与年频次有着显著的正相关关系; 寒冷事件频数的显著性周期为2~6年, 具有间歇性和跳跃性特征; 寒冷事件在1980年前后, 发生气候突变后与许多要素场的气候突变时间相吻合; 21世纪以来, 寒冷事件有增多趋势。环流特征分析发现, 极端寒冷的多寡与冬季大气环流异常状况密切相关, 冷事件多(少)发年乌拉尔山及其以东高压脊偏强(弱), 东亚高度场明显负(正)异常, 低压加深(减弱)。
近53年内蒙古寒潮时空变化特征及其影响因素
[J].利用内蒙古及其周边121个气象台站1960-2013年逐日最低气温数据,辅以分段线性回归模型、趋势分析及相关分析等方法,本文探讨了近53年内蒙古寒潮频次的时空变化特征及其影响因素。研究发现 (1) 近53年内蒙古单站寒潮频次总体呈下降趋势,降速为-0.5次/10a (-2.4~1.2次/10a),其中1991年之前降速为-1.1次/10a (-3.3~2.5次/10a),而1991年之后呈增加趋势,增速为0.45次/10a (-4.4~4.2次/10a);春季寒潮变化趋势与年变化趋势一致,且在各季节中变化最为显著;寒潮频次年内变化呈“双峰”结构特征,且以11月最多;(2) 空间上,内蒙古单站寒潮频次具有显著的空间差异特征,高发区集中在内蒙古的北部和中部地区,且北部高于中部。年代尺度对比来看,20世纪60-90年代寒潮高频区域范围在减少、低频区域范围在增加;而21世纪初期高频区域范围有所增加,增加区主要为内蒙古东部的图里河、小二沟,以及中部的西乌珠穆沁旗等地;(3) 就年尺度而言,寒潮主要受AO、NAO、CA、APVII和CQ控制,而各季节驱动因素有所差别,冬季寒潮与AO、NAO、SHI、CA、TPI、APVII、CW和IZ均达到显著相关关系,说明冬季寒潮受多种因素共同控制;秋季寒潮主要受CA和IM影响;而春季寒潮与CA和APVII关系显著。
Asian jet waveguide and a downstream extension of the North Atlantic Oscillation
[J].
北极区近30年环流的变化及对中国强冷事件的影响
[J].利用1971-2000年NCEP再分析资料和中央气象台提供的我国强冷空气过程统计资料,分析了近30年冬半年北极区及中高纬度地区大气环流形势的气候变化以及对中国强冷事件的影响。结果表明,20世纪70~90年代北极区大气温度发生了明显变化,极涡系统也随之改变。80年代中期前,极涡范围偏大;之后面积减小。从长期趋势来看,70年代中期至90年代中期,极涡强度与面积呈反位相变化;同期,亚洲中高纬地区大气环流也相应调整,总体趋势由低指数向高指数模态转变,环流经向度减小;东亚大槽东迁,槽线90年代比70年代东移了近1个经距,冬季则更为突出,平均东移2.2个经距;西伯利亚冷高压也发生了年代变迁,70年代高压强度弱、控制范围偏小,80年代增强,范围明显扩大,90年代高压中心强度变化不大,但高压主体向南扩展的纬度较80年代偏北1~2个纬距,主体面积减小了5%。研究表明,正是由于极区、近极区环流系统的改变,造成近30年我国强冷空气爆发的事件特性发生了年代际变化。70年代强冷事件最为频繁,以西路冷空气为主,80年代频次明显减少,以偏西北路冷空气为主,但多源自新地岛东部,极端强冷事件降温距平达到最大,单次冷空气势力最强;90年代强冷事件频次又有所增加,但冷空气强度明显减弱。究其原因,主要与气候增暖、积温偏高,易产生降温有关。而上述近30年冷事件频次和强度的变化特征符合极端天气事件与气候变化的关系,因此我国强冷空气爆发事件特性的改变可能也是气候增暖的结果和反映。
Changes in occurrence of cold surges over east Asia in association with Arctic Oscillation
[J].
Geographical dependence of upper-level blocking formation associated with intraseasonal amplification of the Siberian high
[J].
