影響江蘇的寒潮時空分布及氣候變化特征

張 玥,陳永平*,劉穎婧,董家根,羅俐雅

(1.河海大學 水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇 南京 210098；2.河海大學 港口海岸與近海工程學院，江蘇 南京 210098；3.江蘇省水文水資源勘測局，江蘇 南京 210029)

影響江蘇的寒潮時空分布及氣候變化特征

張 玥1，2,陳永平1，2*,劉穎婧1，2,董家根3,羅俐雅3

(1.河海大學 水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇 南京 210098；2.河海大學 港口海岸與近海工程學院，江蘇 南京 210098；3.江蘇省水文水資源勘測局，江蘇 南京 210029)

利用1979～2015年江蘇省12個氣象臺站日最低氣溫資料，按照最新寒潮標準對不同強度寒潮分類統計，運用線性趨勢法、M-K突變檢驗以及小波分析方法，分析了影響江蘇地區寒潮過程的氣候特征及其變化。結果表明：江蘇省單站寒潮及單站強寒潮發生頻次的空間分布特征相似，大體上呈現出由西北向東南遞減、由沿海向內陸遞增趨勢，以中路路徑為主；特強寒潮發生頻次由東北向西南遞減，以東路路徑為主。歷史上影響江蘇的寒潮月際及季節分布明顯，秋冬季較多，春季較少；強寒潮總體呈不顯著增加趨勢，但在2009年以后顯著增加；特強寒潮在1986年以后呈現出顯著增加趨勢。小波分析表明，不同強度的寒潮具有不同的周期特征。寒潮及強寒潮在氣候變暖的背景下不穩定性增加。

江蘇；寒潮；氣候特征；突變檢驗；小波分析

0 引言

寒潮是一種北方的強冷空氣大規模向南侵襲我國的過程，會造成沿途大范圍的急劇降溫、大風和雨雪天氣，對農牧業、交通、電力以及航海安全造成威脅，是我國重大災害性天氣之一。我國學者從20世紀30年代中期[1]開始對寒潮天氣進行系統研究，涵蓋對寒潮的路徑成因、高空觀測天氣系統、預報指標等方面，以及對典型寒潮個例的物理量場及能量分析等[2-5]。

江蘇省位于我國東部海岸線中段，同時受到寒潮和臺風的影響[6-7]，長江穿省而過，特殊的地理位置滿足了不同農作物的種植要求，種類豐富。寒潮引發的劇烈降溫會引起江蘇地區小麥、油菜等糧食、經濟作物的霜凍害，其伴隨的大風、雨雪天氣也會損壞果木及棚架棚膜，造成作物大量減產，農牧業損失嚴重。在全球變暖的背景下[8]，相關學者[9-11]對我國寒潮的頻次特征和強度變化進行了研究，分析發現20世紀60年代至20世紀末，江蘇地區寒潮發生頻次呈現出減少趨勢，強度減弱不明顯。陳佑淑等[12]采用溫度負距平值與過程降溫值標準對我國寒潮進行了統計，得出江蘇省是降溫幅度較為嚴重的省份。張鵬等[6]統計分析了江蘇省區域性寒潮和大范圍寒潮，歸納出江蘇寒潮主要有3類天氣型、3種路徑，且常伴有大風和較大降水。此外，史詩楊等[13]、孫磊等[14]通過對500 hPa及850 hPa天氣圖的分析歸納出了常州、徐州地區典型寒潮過程的天氣形勢及物理量特征。阮蔚琳等[15]、趙燕華等[16]采用2005年寒潮標準分別對無錫、宿遷地區的寒潮進行了統計分析，結果表明兩地區寒潮均存在線性減小趨勢，且宿遷地區寒潮存在3次躍變。

目前對江蘇寒潮典型天氣形勢的分析已取得了較有意義的成果，但對于寒潮氣候特征的研究往往局限于某一特定的地區，具有明顯的區域性，無法反映全省寒潮的氣候特征；同時研究所運用的寒潮劃分標準較為陳舊，具有一定的時間局限性，而本世紀前10年是近100年來最暖的年份[8]，冬季氣溫的顯著升高會對全省寒潮氣候特征產生影響。另外，也沒有一個對于江蘇不同強度寒潮特征的分類研究，不同強度的寒潮造成的影響不同。因此我們利用最新的寒潮劃分標準及氣象資料，從強度角度對長時間序列的江蘇寒潮進行了分類統計，總結出全省不同強度寒潮發生頻次的時空分布以及變化趨勢，并分析了各級寒潮的突變、周期特征及其原因，以期為氣候變暖背景下江蘇地區的防災減災和地方農業規劃工作提供依據。

1 資料與方法

1.1 資料來源

根據國家氣象信息中心[17]提供的中國地面氣候資料日值數據集臺站信息，選取1979年以前建站的、1979～2015年無缺測的均勻分布于江蘇地區的12個站點，分別是位于江蘇省徐州市的徐州站、連云港市的贛榆站、淮安市的盱眙站、鹽城市的射陽站和東臺站、揚州市的高郵站、南京市的南京站、常州市的常州站和溧陽站、南通市的南通站和呂泗站、蘇州市的吳縣東山站。采用上述氣象站實測逐日氣溫資料進行寒潮統計和分析。

1.2 寒潮劃分標準

根據中國氣象局提出的《寒潮等級》[18]中對單站寒潮的規定，將寒潮劃分為3個等級：

寒潮：使當地的日最低(或日平均)氣溫在24 h內降溫幅度≥8 ℃，或48 h內降溫幅度≥10 ℃，或72 h內降溫幅度≥12 ℃，而且使該地日最低氣溫≤4 ℃的冷空氣活動。

強寒潮：使當地的日最低(或日平均)氣溫在24 h內降溫幅度≥10 ℃，或48 h內降溫幅度≥12 ℃，或72 h內降溫幅度≥14 ℃，而且使該地日最低氣溫≤2 ℃的冷空氣活動。

特強寒潮：使當地的日最低(或日平均)氣溫在24 h內降溫幅度≥12 ℃，或48 h內降溫幅度≥14 ℃，或72 h內降溫幅度≥16 ℃，而且使該地日最低氣溫≤0 ℃的冷空氣活動。

本文采用日最低氣溫的下降幅度作為判定標準。

1.3 研究方法

利用線性趨勢方法分析江蘇省各級寒潮的年際變化趨勢，并使用Mann-Kendall法對各級寒潮進行突變檢測。Mann-Kendall法是一種非參數統計檢驗方法，其優點主要在于被檢序列無需遵從特定分布規律，序列中存在的少數異常值也不會影響檢驗結果。繪制UF(順時間序列統計量)和UB(逆時間序列統計量)兩條統計量曲線和給定顯著性水平對應的臨界線，如果UF與UB兩條曲線在臨界線間相交，則交點對應時刻便是突變開始的時間。Mann-Kendall法是目前常用的突變檢測方法[19]。

利用小波分析對各級寒潮的周期性和階段性進行分析，由于Morlet小波常用于氣象研究當中，故本文采用Morlet小波進行分析。小波分析是一種兼顧時域和頻域的信號分析方法，在進行小波分析之前，為了消除邊界效應的影響，對原始資料序列進行了周期延拓，進行小波變換后再截取對應原始資料的小波系數來分析[20]。

小波變換系數實部圖能反映寒潮頻次序列在不同時間尺度的周期分布特征，根據周期對應能量強弱可以預測寒潮的近期發生趨勢。根據小波方差圖可以得到寒潮序列波動能量隨時間尺度的分布，從而確定時間序列的主要周期。

2 各級寒潮的氣候特征

2.1 各級單站寒潮空間分布特征分析

由于地理位置和地形的差異，江蘇省各地所出現的寒潮次數是不同的。根據1979～2015年各站逐日最低氣溫，按上述寒潮標準進行計算，計算得出各站近37年各級寒潮出現次數并繪制在圖1～圖3上。

圖1 1979～2015年江蘇省單站寒潮頻次分布(a)和線性變化趨勢系數(b)

從圖1a可見，單站寒潮的發生頻次大體上呈現出由西北向東南遞減、由沿海向內陸遞增趨勢。寒潮最多的地區位于西北部的徐州地區，另外在南京、贛榆、盱眙、射陽附近出現頻次也較多，頻次大約在0.81～2.05/a之間。西北-東南的等值線走向與寒潮過境的路線密切相關，說明江蘇省寒潮以中路路徑[6]為主。根據圖1b，近37年來，江蘇省大部分地區的寒潮頻次呈現出減少趨勢(圖中虛線部分)，且1/3地區寒潮減少趨勢通過了0.1的顯著性檢驗，盱眙和高郵附近的寒潮減少趨勢最為顯著。僅江蘇省東部沿海南通以北區域以及南部蘇州地區呈增加趨勢(圖中實線部分)，增加最多的為東部沿海的東臺地區，為0.027次/a。寒潮在全省大部分地區呈現出的減少趨勢與文獻[10]關于華東地區寒潮減少的結論一致。沿海區域的寒潮大風有時會造成較大降水[21-23]，所以應該加強沿海寒潮增多區域風暴潮的研究與防范。

由圖2a強寒潮空間分布可知，單站強寒潮發生頻次的分布與單站寒潮相似，都大致呈現由西北向東南遞減趨勢，強寒潮頻次大約在0.22～0.51/a，江蘇省強寒潮以中路路徑[6]為主。存在兩個極小值中心，分別位于東臺和吳縣東山附近，這可能與山地丘陵地形有關。從圖2b可以看出，江蘇強寒潮也呈現出大范圍的減少趨勢，僅連云港北部地區以及東臺以南地區呈增加趨勢，增加最多的地區是常州地區，為0.013次/a。

圖2 1979～2015年江蘇省單站強寒潮頻次分布(a)和線性變化趨勢系數(b)

由圖3可知，特強寒潮頻次大約在0.03～0.11次/a之間，在射陽、南通附近存在大值中心，而在東臺附近出現極小值中心，這可能與強冷空氣的登陸點和分股有關。特強寒潮的頻次分布，大致呈東北向西南遞減趨勢，說明導致江蘇特強寒潮的冷空氣路徑以東路[6]為主。

2.2 各級寒潮時間變化特征分析

根據上述寒潮標準統計，結合實際情況考慮，如果出現一站或一站以上地區達到寒潮標準，就定為出現一次寒潮天氣過程。因同一個天氣過程造成的江蘇省各地不同影響日的寒潮，按照一個過程進行處理。

2.2.1 年際變化特征 利用線性趨勢法分析近37年來江蘇各級寒潮的變化趨勢。由圖4可知，在全球氣候變暖的情況下，寒潮總體呈現出減小趨勢，強寒潮呈現出增加的趨勢，兩者均未通過0.05的顯著性檢驗。由圖4a可以看出，寒潮頻次年均值為4.8次，平均每10年減少0.4次，1979年以及1980年寒潮發生最多，1982～1989、1999～2005年為寒潮活動沉寂期，1990～1998、2006～2012年為寒潮活動頻發期。由圖4b可見，強寒潮頻次年均值為1.6次，平均每10年增加0.07次，1990年強寒潮發生最多，20世紀80～90年代為強寒潮活動沉寂期，在進入近100年來最暖的21世紀后，強寒潮活動進入了頻發期。特強寒潮頻次年均值為0.3次，變動不明顯，1987～1992年為特強寒潮活動頻發期，在近期的2007～2009以及2015年也有發生。雖然寒潮次數隨著氣候變暖的環境而有所減少，但是強寒潮和特強寒潮卻無明顯減少趨勢，尤其是強寒潮反而進入了頻發期。由于特強寒潮發生頻次很少，樣本量較小，所以線性趨勢分析結果不具備可信度，下文將結合非參數檢驗方法進行趨勢分析。

圖3 1979～2015年江蘇省單站特強寒潮頻次分布

使用Mann-Kendall非參數統計檢驗方法，檢測1979～2015年江蘇寒潮序列的突變，取顯著性水平α=0.05，對應臨界值u0.05=1.96為檢驗標準。由圖5a

可以看出，寒潮頻次整體呈現下降趨勢，并在1985年存在突變，在20世紀90年代以及2010年以后呈現增多趨勢，期間UF與UB存在多次短暫相交，寒潮總體變化趨勢不顯著。由圖5b可以看出，1979～1987年強寒潮呈現出減少趨勢，1987年以后強寒潮呈現增加趨勢，且在2009年以后顯著增加。強寒潮在1985年存在突變，1985年以后江蘇省強寒潮發生了由少到多的變化。由圖5c可以看出，兩統計量曲線之間并無交點，即特強寒潮頻次不存在突變年。特強寒潮一直呈現出增加趨勢，且在1986年以后顯著增加。由此可見相關部門仍應加強對強寒潮以及特強寒潮事件的關注。

近40年來，江蘇冬季氣溫的異常變化存在明顯的年代際變化特征，江蘇冬季氣溫在80年代中期前后表現出顯著的差異，1985年前江蘇冬季氣溫對應偏冷期，而1986年開始冬季氣溫明顯偏高，對應偏暖期[24]。而分析得到的寒潮和強寒潮均在1985年存在突變，特強寒潮并未產生突變，說明冬季氣溫是影響寒潮的重要因素，且氣溫變化對不同強度寒潮造成的影響是不同的。

圖4 寒潮(a)及強寒潮(b)頻次年際變化圖

2.2.2 月際及季節變化特征 對江蘇省寒潮發生的時間進行統計分析(圖6)，江蘇省寒潮天氣一般出現在10月到次年4月，其中各級寒潮出現最多的月份是11月，寒潮占32%，強寒潮占38%，特強寒潮占53%。寒潮和強寒潮出現的次多月份是12月，而特強寒潮出現的次多月份為1月。冬半年各級寒潮在2月發生最少，可能是由于日均氣溫偏低，難以滿足降溫幅度要求。

由圖6b可見，影響江蘇的寒潮總體上呈現出冬季寒潮(12月～次年2月)最多、春季寒潮(3月～4月)最少的現象，但是贛榆站、徐州站以及呂泗站秋季寒潮(10月～11月)發生多于冬季寒潮。全省各站冬季寒潮次數表現較為平穩，但位于最東側的呂泗站以及高山站吳縣東山站冬季寒潮次數相對較少，這與呂泗站受海洋調節作用影響較大，吳縣東山站受海拔高度影響有關。

2.2.3 周期性特征 為更清楚了解江蘇省寒潮次數時間序列中隱含的主要周期信號，用Morlet小波方法分析1979～2015年的江蘇各級年寒潮次數(圖7～圖9)，圖中正值(實線部分)表示寒潮次數偏多，負值(虛線部分)表示偏少。

寒潮的年發生頻次(圖7a)存在20～22、8～10、3～6 a的振蕩周期。其中，20～22 a周期一直存在，信號較強；8～10 a周期主要存在于90年代以后；而3～6 a的周期主要存在于80年代中期到90年代中期。小波系數方差圖(圖7b)存在3個較為明顯的峰值，最大峰值對應21 a的時間尺度，為第一主周期，平均周期為14 a；次峰值對應10 a的時間尺度，為第二主周期，平均周期為7 a；最小峰值對應4 a的時間尺度，基本與圖7a的結論相符。從信號強弱程度來看，10 a尺度在90年代以后逐漸增強。

強寒潮的年發生頻次(圖8a)存在21～23、9～12、3～5 a的振蕩周期。其中，9～12 a周期一直存在，21～23 a周期主要存在于90年代以后，而3～5 a的周期則主要存在于80年代后期到21世紀初。圖8b中最大峰值對應9 a的時間尺度，為第一主周期，平均周期為6 a；次峰值對應22 a的時間尺度，為第二主周期，平均周期為15 a；最小峰值對應4 a的時間尺度。9 a尺度振蕩能量在90年代以后增強明顯。

圖5 寒潮(a)、強寒潮(b)以及特強寒潮(c)次數的M-K統計量曲線

圖6 1979～2015年江蘇省寒潮月變化圖(a)和季節變化圖(b)

圖7 寒潮小波變換系數實部圖(a)和小波方差圖(b)

特強寒潮的年發生頻次(圖9a)存在25～30、12～16、4～6 a的振蕩周期。其中，12～16、25～30 a周期一直存在，4～6 a周期主要存在于90年代中期以前。小波系數方差圖(圖9b)存在3個較為明顯的峰值，最大峰值對應28 a的時間尺度，為第一主周期，平均周期為19 a；次峰值對應15 a的時間尺度，為第二主周期，平均周期為10 a；最小峰值對應4 a的時間尺度。從信號強弱程度來看，28 a尺度振蕩能量平穩，15 a尺度振蕩能量明顯減弱。

3 結論與展望

通過對1979～2015年江蘇地區寒潮氣象資料的分類統計分析，可以得到以下結論：

近37年來，江蘇單站寒潮和單站強寒潮的發生頻次分布特征相似，大體上呈現出由西北向東南遞減、由沿海向內陸遞增趨勢，寒潮最多的地區位于西北部的徐州地區，江蘇省寒潮及強寒潮多以中路路徑為主。單站特強寒潮頻次由東北向西南遞減，并在射陽、南通附近出現大值中心，導致特強寒潮的冷空氣路徑多以東路為主。江蘇大部分地區寒潮及強寒潮均呈現出減少趨勢，寒潮僅東部沿海南通以北區域以及南部蘇州地區附近呈增加趨勢，強寒潮僅連云港北部地區以及東臺以南地區呈增加趨勢。

圖8 強寒潮小波變換系數實部圖(a)和小波方差圖(b)

影響江蘇的寒潮過程平均每年4.8次，各級寒潮發生時間為10月至次年4月，各級寒潮出現最多的月份是11月，寒潮和強寒潮出現的次多月份是12月，而特強寒潮出現的次多月份為1月；冬季寒潮最多，春季寒潮最少。寒潮頻次總體呈現出不顯著減少趨勢，強寒潮頻次總體增多趨勢不顯著，但在2009年以后顯著增加。特強寒潮在1986年以后顯著增加。寒潮和強寒潮均在1985年存在突變，說明氣候變暖并未引起極端天氣事件的明顯減少。

圖9 特強寒潮小波變換系數實部圖(a)和小波方差圖(b)

Morlet小波分析表明，江蘇省寒潮頻次存在20～22、8～10、3～6 a的振蕩周期，強寒潮頻次存在21～23、9～12、3～5 a的振蕩周期，特強寒潮頻次存在25～30、12～16、4～6 a的振蕩周期。寒潮、強寒潮短周期信號在90年代以后明顯增強，說明氣候變暖造成寒潮、強寒潮周期縮短，不穩定性增加。

在全球氣候變暖的大背景下，江蘇冬季氣溫的年代際變化主要體現為對全球增暖的響應[25-26]。寒潮發生頻次總體呈現出不顯著的減少趨勢，特強寒潮這種極端事件并未明顯減少且沒有發生突變，而寒潮及強寒潮頻次突變點和氣溫突變點吻合，說明冬季氣溫是影響寒潮的重要因素，氣溫變化對不同強度寒潮造成的影響是不同的。寒潮的周期性特征與中長期氣候背景也有一定關系，江蘇冬季冷暖期太平洋的SSTA分布分別具有拉尼娜年和厄爾尼諾年的分布特征[24]，與大氣環流和氣溫的年代際特性有密切的聯系，兩者也是影響寒潮周期的主要因素，今后將對此開展進一步的研究和討論。

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TemporalandSpatialDistributionandVariationCharacteristicsofColdWaveinJiangsu

ZHANG Yue1,2, CHEN Yong-ping1,2, LIU Ying-jing1,2, DONG Jia-gen3, LUO Li-ya3

(1. State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China; 2. College of Harbor, Coastal and Offshore Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China; 3. Hydrology and Water Resources Investigation Bureau of Jiangsu Province, Nanjing 210029, China)

According to the daily minimum air temperature data of 12 stations in Jiangsu province during 1979～2015, the author carried out the classified statistics of different intensities of cold wave based on the newest cold wave criterion. By using linear trend method, Mann-Kendall mutation test, and wavelet analysis, we analyzed the climatic characteristics and variations of the cold wave process affecting Jiangsu area. The results indicated that: (1) In Jiangsu province, the spatial distribution characteristics of single-station cold wave frequency were similar to those of single-station strong cold wave frequency, and their frequency generally showed a gradual increase trend from southeast to northwest, and from coast to inland, especially in the middle route. (2) The frequency of extra severe cold wave gradually decreased from northeast to southwest, mainly in the eastern route. (3) From 1979 to 2015, the monthly and seasonal distribution of cold wave frequency in Jiangsu was obvious, more in autumn and winter, and less in spring; the frequency of cold wave and strong cold wave which influenced Jiangsu area decreased and increased mildly, respectively. But the frequency of strong cold wave increased significantly since the year 2009. The frequency of extra severe cold wave revealed a significant increasing trend since 1986. (4) Wavelet analysis found that different intensities of cold wave had different periodic characteristics. The instability of both cold wave and strong cold wave increased under the background of climate warming.

Jiangsu; Cold wave; Climatic characteristics; Mutation test; Wavelet analysis

2017-07-17

國家重點研發計劃課題(2017YFC0405401)；江蘇重點水利科技項目(2015006)。

張玥(1993─)，女，江蘇鹽城人，碩士研究生，主要從事海岸帶風暴潮防災減災方面研究。*通訊作者：陳永平。

S426

A

1001-8581(2017)11-0111-07

(責任編輯:許晶晶)