近40 a銅仁市凝凍氣候特征及其異常年成因分析

張丹丹，嚴小冬，張李娟，黎 榮，許文亞

(1.貴州省銅仁市碧江區氣象局，貴州 銅仁 554300；2.貴州省氣候中心，貴州 貴陽 550002；3.貴州省銅仁市氣象局，貴州 銅仁 554300；4.貴州省德江縣氣象局，貴州 德江 565200)

0 引 言

凝凍是貴州山區常見的氣象災害。凝凍也稱凍雨，是貴州主要災害性天氣之一，冬季北方冷空氣的不斷入侵，長時間的陰雨連綿低溫天氣導致貴州凝凍災害事件發生。特別是2008年銅仁市出現的歷史罕見的凝凍災害事件，對交通運輸、供電、通訊等造成了巨大的損失，因此對銅仁市凝凍氣候變化特征開展研究，能為凝凍災害事件的評估提供基礎服務，同時也能為銅仁市凝凍災害天氣的預測預報提供參考，能夠更好的開展凝凍災害氣象服務。

國外學者對凍雨的研究起步較早，Brooks等[1]很早就對凍雨形成的條件進行了研究，凍雨常發生在近地面氣溫0 ℃左右條件下，Cortinas等[2]發現地形和水汽是美國凍雨形成的關鍵，對凍雨的時空特征方面也有比較全面研究。國內學者從天氣氣候、預測預報方法、凍雨個例等方面對凍雨的發生機制等進行了大量研究，宗志平等[3]、趙美艷等[4]、楊貴名等[5]通過對2008年大范圍低溫凝凍天氣凝凍分析,揭示了逆溫層高度是凍雨發生的重要參考指標，靜止鋒的位置決定著貴州凝凍的范圍，張智等[6]又從凍雨的微物理特征研究表明貴州凍雨的出現均有靜止鋒系統，白慧等[7]從高空環流及海溫異常方面出發，指出ENSO事件是貴州冬季凍雨的重要外強迫因子，海溫異常對貴州冬季凝凍具有很好的預測指示意義，嚴小冬等[8]對貴州凍雨氣候特征進行研究，指出貴州雨凇空間分布不均，集中在貴州西北部及海拔較高地區，冬季凍雨存在準4 a的年際變化，總體呈現減弱的趨勢。本文主要對銅仁市1978—2020年近40 a雨凇日數據進行研究，統計銅仁凝凍基本特征，建立銅仁市冬季凝凍事件數據庫，著重分析銅仁市冬季凝凍時空分布特征，劃分銅仁市強弱凝凍年,并從500 hPa高度場和海表面溫度兩方面分析銅仁市異常凝凍年的成因。本文建立了冬季凝凍事件個例庫，方便以后學者查閱了解近40 a銅仁市冬季凝凍的詳細信息，同時研究結果為今后銅仁市冬季凝凍預測指標的研究奠定了基礎。

1 數據與方法

1.1 數據

由貴州省氣象信息中心提供的1978年1月—2020年2月銅仁市10個國家站的逐月雨凇日數據。

1978—2020年NCEP/NCAR逐月再分析資料，500 hPa高度場，分辨率為2.5°×2.5°；1978—2020年美國國家海洋和大氣管理局重構的第4版海表面溫度數據，分辨率為2.0°×2.0°。

1.2 方法

本文的冬季指每年12月—次年2月，運用統計學方法對1978—2020年銅仁市10個國家站逐月雨凇日數進行統計，分析近40 a銅仁市冬季凝凍基本氣候特征。按照《貴州省氣象災害的劃分標準》對一次凝凍過程進行定義，即同時出現日平均氣溫≤1 ℃、日最低氣溫≤0 ℃以及日雨量≥0 mm，并持續≥3 d(其中第4 d起允許間斷1 d日最低氣溫為0.1～0.5 ℃或無雨)且至少有1 d出現凝凍天氣現象，根據單站凝凍分級標準，分輕級、中級、重級、特重級建立銅仁市冬季凝凍事件個例庫。

將1978—2019年共42 a銅仁市逐月雨凇日數處理為逐年雨凇日序列，計算出年雨凇日的平均值和標準差，定義序列值>平均值與標準差之和為強凝凍發生年，序列值<平均值與標準差之差為弱凝凍發生年，定義強凝凍發生年為異常凝凍年。

對1978—2019年銅仁市逐年冬季雨凇日數運用EOF分析方法進行展開分析，計算方差貢獻率，對特征值運用North檢驗方法進行顯著性檢驗，分析銅仁市冬季凝凍時空分布特征。

2 凝凍特征分析

2.1 銅仁市凝凍基本特征

1978年1月—2020年2月銅仁市雨凇日共出現1 483 d(表1)，萬山站出現1 088 d(占銅仁市73.4%)，銅仁市雨凇集中出現在12月、1月和2月，僅萬山站在11月、3月出現過雨凇，所以銅仁市雨凇集中出現在冬季，由此本文主要對銅仁市冬季凝凍進行研究。近40 a銅仁市10個國家站年平均雨凇天數在0.17～25.9 d之間，銅仁市東南部萬山、南部江口、玉屏出現雨凇天數較多，其中萬山年均雨凇天數長達25.3 d。冬季雨凇日數與地理位置關系密切，除萬山外銅仁市其余9個觀測站海拔高度在400～600 m之間，萬山觀測站海拔884.3 m，導致其觀測到的雨凇日數是銅仁其他觀測站的10倍以上。

表1 1978—2020年雨凇日統計表(單位：d)Tab.1 Statistics of glaze days from 1978 to 2020(Unit∶d)

2.2 銅仁市冬季凝凍的時空特征

將1978—2019年銅仁市10個國家站冬季逐年雨凇日數據處理為距平序列，對序列進行EOF展開分析，探索近40 a銅仁市冬季雨淞的時空分布特征。研究結果表明，前4個特征值的累積方差貢獻率為98.61%(表2)，前2個特征值累積方差貢獻率達95.87%，第一、第二特征值通過了North顯著性檢驗。

表2 近40 a銅仁市冬季雨凇日前4模態特征向量方差貢獻Tab.2 variance contribution of the first four modal eigenvectors of winter glaze in Tongren in recent 40 years

第一特征值代表的模態1的方差貢獻率為78.03%遠高于其他模態，所以模態1是銅仁市冬季雨凇日的主要分布類型(圖1)。模態1的特征值均為正值，表明近40 a銅仁市各區縣冬季出現雨凇日的高度一致性。空間分布圖上顏色較深為高值區表示出現雨凇日較多，顏色淺的為低值區表示出現雨凇日較少，高值區在東南部(萬山)，弱高值中心在中南部(江口)和南部(玉屏)，低值區在西北部(沿河、德江)，所以銅仁市冬季雨凇日由西北向東南方向逐漸增加。對模態1時間系數做線性擬合，近40 a銅仁市冬季雨凇日有下降的趨勢，但不明顯，沒有通過顯著性水平α=0.05的顯著性檢驗。

圖1 近40 a銅仁市冬季雨凇日第1模態時間和空間分布圖Fig.1 Time and space distribution of the first mode of winter glaze day in Tongren in recent 40 years

2.3 銅仁凝凍事件個例庫

按照《貴州省氣象災害的劃分標準》對凝凍過程進行定義，本文收集了1978—2019年共42 a銅仁市冬季凝凍過程，并按站名、過程出現次數、過程出現起止日期、過程平均氣溫、過程最低氣溫、過程累積降水量6個要素，分輕級(2～3 d)、中級(4～5 d)、重級(6～9 d)、特重級(10 d以上)建立銅仁市冬季凝凍事件個例庫。根據統計，近40 a年銅仁市冬季共出現164次凝凍天氣過程，其中萬山出現128次是銅仁市冬季凝凍事件總數的78%，近40 a銅仁市西北地區沿河沒有出現凝凍天氣過程、德江僅出現2次，中部思南僅出現1次、印江僅出現5次、松桃出現2次，西南部石阡僅出現3次，東南部是銅仁市冬季出現凝凍較嚴重地區，總的來說銅仁市冬季凝凍事件由西北向東南方向逐漸增強(圖2)。

圖2 近40 a銅仁市冬季凝凍事件空間分布圖Fig.2 spatial distribution of winter freezing events in Tongren in recent 40years

按照凝凍級別進行統計，近40 a銅仁市冬季輕級凝凍出現32次，中級凝凍出現77次，重級凝凍出現38次，特重級凝凍出現17次(表3)，銅仁市冬季多出現4～5 d的中級凝凍過程，是所有級別凝凍過程的47%，銅仁多在12月下旬開始出現凝凍事件，銅仁冬季凝凍事件最早出現時間是1997年12月2日的萬山站，2008年冬季石阡、江口、玉屏、碧江、萬山等5個區縣出現特重級凝凍天氣過程，其中萬山持續天數長達22 d，最低氣溫低至-8 ℃，累積降雨量達79 mm。

表3 近40 a銅仁市冬季出現凝凍事件次數統計表Tab.3 Statistics of freezing events in winter in Tongren in recent 40 years

2.4 銅仁強弱凝凍年及異常凝凍年成因分析

2.4.1強弱凝凍年 按照前文強弱凝凍年定義方法，研究1978—2019年銅仁市強弱凝凍年和異常凝凍年。結果表明，近40 a銅仁市平均年雨凇日為35 d，平均值與標準差之和為59 d，平均值與標準差之差為12 d，由圖3可知其中有7 a為強凝凍年，僅有1999年、2017年為弱凝凍年，強凝凍年即異常凝凍年為1981年、1984年、1985年、2008年、2011年、2012年、2018年。

圖3 近40 a銅仁市凝凍強弱年變化曲線圖Fig.3 annual variation curve of freezing strength in Tongren in recent 40 years

根據本文凝凍事件個例庫統計分析表明，7個異常凝凍年共發生42次凝凍天氣過程，是近40 a銅仁市凝凍過程的1/4，除萬山1985年、2018年12月最早出現凝凍過程外其余地區均在1月最早出現凝凍過程，凝凍過程平均溫度在0～-4.9 ℃之間，凝凍過程最低溫度在-0.6～-8 ℃之間，過程降雨量在1.7～79 mm之間。

2.4.2異常凝凍年的成因分析 利用1978—2020年500 hPa高度場逐月再分析資料和秋季海表面溫度數據對異常凝凍年的成因進行了初探。

對1978—2020年冬季500 hPa高度場和銅仁市雨凇日數距平序列進行相關性分析，通過了α=0.05的顯著性檢驗，由圖4a可知在烏拉爾山以東、巴爾什湖以北呈正相關，在30°N以北內蒙古附近呈負相關。對前文分析出的7個異常凝凍年冬季500 hPa高度場距平序列進行合成分析，由圖4b可知在烏拉爾山以東、巴爾什湖以北有很明顯的正距平中心，距平中心強度達60 hPa以上，在40°N附近我國內蒙古地區有明顯的負距平。由以上分析表明，歐亞大陸500 hPa高度場中高緯出現北高南低的異常環流，即烏拉爾山以東、巴爾什湖以北有阻塞高壓，在東亞內蒙古地區有低槽，是銅仁市異常凝凍年的主要環流形勢。

圖4 (a)近40 a冬季500 hPa高度與雨凇日相關性分布圖、(b)銅仁市異常凝凍年500 hPa高度距平場Fig.4 (a) Correlation distribution of winter 500 hPa height and glaze day in recent 40 years(b) 500 hPa height anomaly field in Tongren abnormal freezing year

根據白慧等[7]研究結果秋季海溫異常對貴州冬季凝凍具有很好的預測指示意義，選用1978—2020年秋季海表面溫度和銅仁市冬季雨凇日數距平序列進行相關性分析，通過了α=0.05的顯著性檢驗，圖5a發現秋季赤道太平洋Nino3.4區海溫與銅仁市凝凍呈負相關。對7個異常凝凍年秋季海表面溫度進行分析，由圖5b可知在赤道太平洋Nino3.4區有明顯的負距平中心，負距平中心強度在-0.8°以下，且統計近40 a銅仁市7個異常凝凍年中6個異常凝凍年均是在LaNina年后出現，只有1981年例外，表明秋季赤道太平洋Nino3.4區的海溫異常偏低是銅仁市異常凝凍年發生的重要影響因子。

圖5 (a)近40 a秋季海溫與雨凇日相關性分布圖、(b)銅仁市異常凝凍年海溫距平場Fig.5 (a) Correlation distribution of autumn SST and glaze days in recent 40 years(b) Anomaly field of SST in abnormal freezing year in Tongren

3 結果與討論

通過1978—2020年銅仁市凝凍數據、高度場再分析和海表面溫度資料，綜合分析得出如下結果：

①近40 a銅仁市雨凇日共出現1 483 d，萬山站出現1 088 d(占銅仁市73.4%)，銅仁市雨凇集中出現在12月、1月和2月。近40 a銅仁市10個國家站年平均雨凇天數在0.16～25.3 d之間，銅仁市冬季雨凇日東南部(萬山)出現最多，中南部(江口)和南部(玉屏)出現較多，在西北部(沿河、德江)出現最少，銅仁市冬季雨凇日由西北向東南方向逐漸增加，近40 a銅仁市冬季雨凇日有不明顯的下降趨勢。

②近40 a年銅仁市冬季共出現164次凝凍天氣過程，輕級凝凍出現32次，中級凝凍出現77次，重級凝凍出現38次，特重級凝凍出現17次，其中萬山出現128次是銅仁市冬季凝凍事件總數的78%，銅仁市冬季多出現4～5 d的中級凝凍過程，多在12月下旬開始出現凝凍事件，最早出現時間是1997年12月2日的萬山站， 其中2008年出現持續時間最長影響范圍最大的特重級凝凍天氣過程。

③近40 a銅仁市強凝凍年共出現7 a，1999年、2017年為弱凝凍年，強凝凍年即異常凝凍年為1981年、1984年、1985年、2008年、2011年、2012年、2018年。異常凝凍年共發生42次凝凍天氣過程是近40 a銅仁市凝凍過程的1/4，過程平均溫度在0～-4.9 ℃之間，凝凍過程最低溫度在-0.6～-8 ℃之間，過程降雨量在1.7～79 mm之間。

④秋季赤道太平洋Nino3.4區的海溫異常偏低，500 hPa高度場在歐亞大陸中高緯出現北高南低的異常環流，即烏拉爾山以東、巴爾什湖以北有阻塞高壓，在東亞內蒙古地區有低槽，中低層存在逆溫層，配合低緯暖濕氣流的輸送是銅仁市異常凝凍年的主要成因。下一步將對異常凝凍年的成因進行更深入的研究，尋找銅仁市異常凝凍年的預測指標。