1961—2016年東北地區冬季寒潮事件變化特征及其對區域氣候變暖的響應

胡春麗， 李 輯， 郭婷婷， 王婉昭， 王 婷，丁抗抗， 焦 敏， 李 菲

（1.遼寧省生態氣象和衛星遙感中心，遼寧沈陽 110166； 2.遼寧省氣象信息中心，遼寧沈陽 110166；3.中國氣象局沈陽大氣環境研究所，遼寧沈陽 110166； 4.沈陽區域氣候中心，遼寧沈陽 110166）

0 引言

氣候系統變暖仍在持續，極端天氣氣候事件風險進一步加劇。20世紀50年代以來，觀測到的許多變化在幾十年乃至上千年都前所未有，主要表現在大氣和海洋變暖、積雪減少、冰川萎縮、海平面上升、溫室氣體濃度增加［1］，會導致極端氣候事件發生得更加頻繁。寒潮作為一種極端氣候事件，是自極地或寒帶的寒冷空氣向中、低緯度的侵襲活動，在我國冬、春季頻繁發生，造成氣溫急劇下降，并伴有大風和雨雪天氣。不僅造成經濟損失，也會給農業生產、交通運輸和人體健康等帶來嚴重的影響［2-3］。長期以來，國內外眾多學者針對寒潮天氣過程，從冷空氣源地和路徑、寒潮機理、氣候特征等方面進行了大量研究［4-17］，形成了比較系統和經典的寒潮理論。在氣候變暖背景下，隨著氣象資料的積累和更新，研究發現中國寒潮頻次和強度呈現新的變化特征［18-22］，而區域尺度寒潮變化特征各有不同。毛煒嶧等［23］分析了1951—2015 年烏魯木齊市寒潮過程頻數及強度氣候特征，秋、冬、春季的寒潮過程頻數大多在20 世紀50 年代最多。姚永明等［24］研究發現長江中下游地區寒潮的發生隨著全球變暖的氣候趨勢，總體頻次減少，有明顯的年代際特征。劉憲鋒等［25］揭示1960—2013 年內蒙古單站寒潮頻次總體呈下降趨勢，而1991 年之后呈增加趨勢，寒潮主要受北極濤動（AO）、北大西洋濤動（NAO）、冷空氣（CA）、亞洲極渦強度指數（APVII）和東亞大槽強度（CQ）控制。

本文根據寒潮國標定義，利用最新的氣象資料，研究氣候變暖背景下東北地區冬季寒潮變化特征，研究結果有助于深入了解東北冬季氣候變化規律，探討區域氣候變化的原因，為未來準確預測寒潮等級、提高氣象防災減災能力提供科學依據。

1 數據與方法

1.1 數據

本文研究區域行政上包括黑龍江、吉林、遼寧三省，采用的數據由遼寧省氣象信息氣象檔案館提供的1961—2016 年東北地區164 個地面氣象觀測站逐日氣溫、最低氣溫資料，站點分布均勻，時間序列較長。12 月至翌年2 月為冬季（如1961 年冬季為1961 年12 月至1962 年2 月），常年值采用1981—2010年30年的平均值。

1.2 寒潮等級定義

本文參照中華人民共和國國家標準《寒潮等級》［26］（GB/T 21987—2017），給出寒潮等級判定。寒潮：某地的日最低氣溫24 小時內降溫幅度≥8 ℃或48 小時內降溫幅度≥10 ℃，72 小時內降溫幅度≥12 ℃，而且該地日最低氣溫≤4 ℃的冷空氣活動。強寒潮：某地的日最低氣溫24 小時內降溫幅度≥10 ℃或48 小時內降溫幅度≥12 ℃，72 小時內降溫幅度≥14 ℃，而且該地日最低氣溫≤2 ℃的冷空氣活動。超強寒潮：某地的日最低氣溫24小時內降溫幅度≥12 ℃或48 小時內降溫幅度≥14 ℃，72 小時內降溫幅度≥16 ℃，而且該地日最低氣溫≤0 ℃的冷空氣活動。寒潮日定義為降溫過程初終日之間（含初、終日）的天數，即各類寒潮造成的極端低溫日數。

1.3 方法

采用線性傾向估計法分析寒潮的變化趨勢，蒙特卡洛方法對空間變化趨勢進行顯著性檢驗［27］，Mann-Kendell（M-K）檢驗寒潮的突變特征，Morlet小波［28］分析方法進行周期分析。

1.3.1 Mann-Kendall檢驗

Mann-Kendall 檢驗是一種非參數統計方法［27］，假設時間序列數據（x1，x2，…，xn），n為樣本數，M-K統計變量S的計算公式為

定義統計變量

若UFk值大于0，表明序列呈上升趨勢，小于0則表明呈下降趨勢。當超過臨界直線時，則表明上升或者下降趨勢顯著。若兩條直線交點。且交點在臨界直線之間，那么交點對應的時刻就是突變開始的時間。

1.3.2 相似系數

采用相似系數定量表示兩幅圖的相似性，計算公式［29］為

式中：cosθ12為兩幅圖相似程度的定量指標；n為站點數。相似系數數值在-1～1 之間，越接近±1 表示相似性越大，等于±1表示完全正（反）相似。

2 結果與分析

2.1 寒潮的空間分布特征

東北地區各站冬季平均氣溫與超強寒潮、強寒潮、寒潮出現日數相關程度較小，東北地區164站冬季平均氣溫與超級寒潮日數（圖略）、強寒潮日數（圖略）、寒潮日數關系的散點圖（圖1）表明冬季平均氣溫偏低的偏冷地區與氣溫偏高的偏暖區，寒潮日數差異小。從東北地區1961—2016 年寒潮出現總日數空間分布來看（圖2），超強寒潮日數區域性較為明顯，為4～530 d，其中黑龍江超強寒潮日數中部多，東西少，吉林東部多，西部少，遼寧東北部多，西南部少；高值中心位于吉林東南部靖宇（530 d），該結論與喬雪梅等［30］研究基本一致，低值中心位于遼寧西部和南部、吉林西北部、黑龍江西部和東部部分地區，上述地區超強寒潮出現日數不足30 d，其中黑龍江齊齊哈爾地區甘南站超強寒潮日數為4 d；東北地區強寒潮、寒潮出現日數空間分布與超強寒潮日數相類似，強寒潮、寒潮日數以吉林東南部靖宇為高值中心，出現日數分別為900 d 和1 392 d，黑龍江中部、遼寧東北部出現日數相對偏多，黑龍江、吉林西部出現日數相對較少，低值中心位于黑龍江西部甘南，出現日數分別為19 d 和67 d。計算得到圖2（a）和圖2（b）、圖2（c）的相似系數為0.99和0.96，可見超級寒潮、強寒潮、寒潮相似性較高，表明超強寒潮偏多（少）的地區，強寒潮、寒潮同樣偏多（少）。

圖1 東北地區164站冬季平均氣溫與寒潮日數的關系Fig.1 Relationship between winter average air temperature and cold wave days at 164 stations in Northeast China

由以上分析可見，東北地區超級寒潮、強寒潮、寒潮日數空間分布相似，東部山區超級寒潮、強寒潮、寒潮出現日數最多，位于內陸地區為最少；超級寒潮、強寒潮、寒潮的空間分布與海陸、地形分布有一定的關系，高海拔地區相對偏多，低海拔和平原相對偏少，大興安嶺、小興安嶺和長白山屬于三種類型寒潮發生日數較多地區，松遼平原和三江平原寒潮發生日數最少。三種類型寒潮分布特點與寒潮路徑決定，我國冷空氣從東、中、西三條路線進入時，大興安嶺和長白山西側受到影響最大，大興安嶺東側松遼平原由于焚風效應及海拔低的因素影響，冷空氣逐漸變性，影響程度逐漸減少減弱；三江平原受區域氣候影響及小興安嶺和長白山對冷空氣阻滯作用，寒潮影響較弱，發生日數最少。

2.2 寒潮的時間演變規律

1961—2016 年東北地區冬季超強寒潮、強寒潮、寒潮日數均呈減少趨勢（圖3）。其中超強寒潮、強寒潮減少趨勢顯著，超級寒潮自20 世紀80 年代初期開始減少，減少速率為1.9 d·（10a）-1，減少趨勢系數為-0.35，通過了0.01顯著性水平檢驗，同時也是3 個等級寒潮減少速率最大的，2007 年達到最小值。強寒潮以1.3 d·（10a）-1的速率呈顯著減少趨勢，并通過了0.05 顯著性水平檢驗。20 世紀80 年代末期到90 年代為比較明顯的偏少時段，21 世紀00 年代以后呈明顯地波動變化。寒潮以0.5 d·（10a）-1的速率呈顯著減少趨勢，未通過0.05顯著性水平檢驗。從年代際變化來看，三者均在20世紀60年代到90 年代初期相對偏多，20 世紀90 年代中期開始進入一個相對偏少的時段，21世紀00年代中期以后有所增加。超強寒潮和強寒潮、強寒潮和寒潮、超強寒潮和寒潮三者相關系數分別0.77、0.78、0.69，表明寒潮偏多（少）年份，超級寒潮、強寒潮偏多（少）。

圖3 1961—2016年東北地區超強寒潮、強寒潮、寒潮日數年際變化Fig.3 Interannual changes of super-strong cold wave days，strong cold wave days and cold wave days in Northeast China during 1961—2016

1961—2016 年東北地區寒潮站次（超強寒潮、強寒潮、寒潮）均呈減少趨勢（圖4）。超強寒潮、強寒潮、寒潮站次分別以32.9 站次·（10a）-1、43.3 站次·（10a）-1、51.7 站次·（10a）-1的速率減少，趨勢系數分別為-0.386、-0.305、-0.235，超強寒潮和強寒潮減少速率通過了0.01、0.05顯著性水平檢驗。從年代際變化來看，三者均在20 世紀60 年代到70 年代末期相對偏多，1980 年開始進入一個相對偏少的時段，2007 年達到極端最少值，21 世紀00 年代中期以后有所增加，但是長期下降趨勢沒有改變［31］。其中，超強寒潮站次最少5 年分別為2007 年、2011 年、1983 年、1994 年、2003 年，均發生在20 世紀80 年代后，最多5 年為1970 年、2000 年、1978 年、1971 年、1965年，大部分發生在20世紀80年代前。

圖4 東北地區1961—2016年超強寒潮、強寒潮、寒潮站次年際變化Fig.4 Interannual changes of super-cold wave station-times，strong cold wave station-times and cold wave station-times in Northeast China during 1961—2016

超強寒潮和強寒潮、強寒潮和寒潮、超強寒潮和寒潮三者相關系數分別0.97、0.97、0.91，表明寒潮站次偏多（少）年份，超級寒潮、強寒潮站次偏多（少）。

2.3 寒潮的周期特征

使用Morlet 小波分析方法，分析東北地區三種類型寒潮站次和日數的周期特征（圖5 給出了超強寒潮站次和寒潮日數）。小波分析表明，超強寒潮日數、超強寒潮站次、強寒潮日數、強寒潮站次、寒潮日數、寒潮站次的周期性特征很明顯，在整個分析時段內存在明顯的周期性變化。超強寒潮日數、強寒潮日數、寒潮日數分別在1977—1994 年、1970—1992 年和1970—2000 年有3 a 左右周期，在2000—2014 年、2004—2014 年和2002—2014 年有4～5 a左右周期；超強寒潮站次、強寒潮站次、寒潮站次分別在1972—1992 年、1972—1998 年、1972—2000 年有3～4 a左右周期，均在21世紀00年代以后有4～5 a左右周期。

圖5 東北地區寒潮周期特征Fig.5 Periodic characteristics of cold wave in Northeast China：super-cold wave station-times（a）and cold wave days（b）

2.4 寒潮與氣候變暖的關系

2.4.1 冬季氣溫變化

氣溫平均值的增加和氣溫變率的增加都會對極端氣溫事件產生影響［32］。氣候變暖伴隨著最高及最低氣溫的增溫，最高氣溫和最低氣溫的平均值會發生改變，寒潮也會發生相應地改變，進而影響到寒潮出現的日數和站次。隨著氣候變暖，發現東北平均氣溫呈顯著的增溫趨勢，分析1961—2016年東北冬季氣溫的空間變化趨勢（圖6），全區100% 站點呈現增加趨勢，66% 的站點通過了0.05 顯著性水平檢驗，37% 的站點通過了0.01 顯著性水平檢驗，15% 的站點（黑龍江省2 個站、吉林省8 個站、遼寧省10 個站）通過了0.001 顯著性水平檢驗，增溫最顯著區域主要位于吉林東南部、遼寧西部和遼寧東北部地區，其中吉林二道站和遼寧本溪站趨勢系數0.55 以上。黑龍江、吉林、遼寧分別有37%、35%、24% 站點增溫不顯著，低值中心位于黑龍江西部（泰來站趨勢系數0.09）和吉林西部地區（農安站趨勢系數0.03）。

圖6 東北地區氣溫變化趨勢系數的空間分布Fig.6 Spatial distribution of air temperature trend coefficients in Northeast China

圖7給出1961—2016 年東北地區冬季平均氣溫的Mann-Kendall 突變檢驗。 可見，UF 曲線在1972 年以后均大于0，且在1987 年以后突破臨界線，表明1972年以來東北地區冬季平均氣溫呈上升趨勢，且1987年以后上升趨勢顯著。UF和UB 曲線在1981 年左右出現交點，且交點在臨界線之間，說明1981 年為東北地區冬季平均氣溫發生新突變的時間，該結論與前人基于1961—2007年東北氣溫資料計算結果不一致［33］。利用本文處理的冬季1961—2007 年氣溫資料，得到突變點為1986/1987 年，結論與已有研究相同［33］，資料延長至2016 年，突變點為1981年，東北地區冬季氣溫突變點發生漂移。

圖7 東北地區冬季平均氣溫的Mann-Kendall檢驗Fig.7 Mann-Kendall test of average winter air temperature in Northeast China

2.4.2 寒潮對氣候變暖的響應

分析1961—2016 年東北地區氣溫與寒潮的相關系數，超強寒潮、強寒潮、寒潮日數與冬季平均氣溫均是顯著的負相關，相關系數系數為-0.318、-0.246、-0.220，其中超強寒潮與氣溫相關性均通過了0.05顯著性水平檢驗，這說明寒潮事件與東北地區氣候變暖密切相關。使用Mann-Kendell 方法對東北地區冬季平均氣溫分析發現1981 年發生了突變，將1961—2016 年分為1961—1981 年和1982—2016 年兩個時段，分別統計兩個時段寒潮的發生日數，站次（表1）。可見氣候變暖后超強寒潮日數、超強寒潮站次、強寒潮日數、強寒潮站次、寒潮日數、寒潮站次一致減少。

表1 氣候變暖前后的寒潮日數和站次Table 1 Number of cold wave days and station-times during 1961—1981 and 1982—2016

根據氣候暖期減冷期寒潮日數差值空間分布（圖8），黑龍江中部地區超強寒潮、強寒潮、寒潮暖期較冷期偏多0.2～0.6 d、0.1～1.5 d、0.1～3.2 d，主要位于冬季氣溫增暖不顯著區域，其他地區寒潮暖期較冷期偏少為主，超強寒潮偏少中心主要位于黑龍江的東南部、吉林的東部、遼寧的東南部地區，其中遼寧撫順新賓站偏少4.3 d。強寒潮、寒潮冷暖期差值空間分布形式與超強寒潮大致相同，暖期偏少，日數較大值依然分布在吉林東部和遼寧東北部地區；強寒潮暖期較冷期偏少，最大值出現在遼寧本溪站，為-5.3 d，寒潮的最大差值出現在吉林柳河站，為-4.3 d。

圖8 東北地區氣候變暖前后寒潮日數差值的空間分布Fig.8 Spatial distribution of number differences of cold wave days before and after climate warming：super-strong cold wave（a），strong cold wave（b）and cold wave（c）

3 結論

本文根據《寒潮等級》國家標準，對東北地區1961—2016 年寒潮事件的氣候變化特征進行了分析，結論如下：

（1）東北地區冬季三種類型寒潮日數空間分布相似，吉林東部長白山高海拔地區寒潮日數最多，三江平原受區域氣候影響及小興安嶺和長白山對冷空氣阻滯作用，寒潮發生日數最少，該結論與寒潮實際發生情況相吻合。

（2）1961—2016 年東北地區冬季三種類型寒潮日數、站次均呈減少趨勢；從年代際變化來看，三者均在20 世紀60 年代到70 年代末期相對偏多，1980年開始進入一個相對偏少的時段，21世紀00年代中期以后有小幅度增加，但其幅度明顯小于80年代減少幅度，即進入21 世紀以來寒潮頻次有所增加，但是長期下降趨勢沒有改變。

（3）東北地區冬季三種類型寒潮日數和站次存在明顯的周期性變化，21 世紀00 年代前以3 a 左右周期為主，00年代前后以5 a左右周期為主。

（4）1961—2016 年東北大部地區冬季升溫顯著，檢測到的突變時間為1981 年，變暖后三種類型寒潮日數和站次明顯減少，吉林東部和遼寧東北部減少最為明顯。東北冬季氣溫突變時間為1981年，前人研究資料截止至2007年，東北冬季氣溫的突變時間為1986/1987 年，資料的延長致使突變時間發生了漂移，新的氣候突變時間與冬季氣溫主要影響環流因子的年代際轉折可能存在一定的聯系，也有待于未來進一步研究。