黃河內蒙古河段凌汛期寒潮特征及天氣分型

2022-12-20 10:33:54張利娜靳莉君

人民黃河 2022年12期

劉靜，張利娜，靳莉君

（黃河水利委員會水文局，河南鄭州 450004）

黃河內蒙古河段處于黃河流域最北端，干流全長823 km［1-2］。該河段冬季嚴寒而漫長，冰期 4～5 個月，河流流向自低緯向高緯，同期氣溫上游高、下游低，流凌封凍溯源而上，容易形成嚴重冰塞，解凍開河自上而下，冰凌洪水自上而下沿程增大，極易出現冰壩阻水漫堤甚至決口災害［3-4］。

氣溫是影響內蒙古河段凌情變化的主要因素［4-5］，氣溫起伏變化大，容易導致封開河不穩定，形成冰塞冰壩［6］。寒潮天氣過程是一種大規模的強冷空氣活動過程，常引起氣溫驟降，造成河流流凌、封凍并導致封河長度加長，是一種重要的災害天氣［7］，有關寒潮天氣對黃河凌情影響的研究一直受到水利氣象專家的重視。楊升全等［8］認為寒潮的強與弱、多與少對凌情的重與輕有決定意義；王春青等［7］指出，黃河流域50%的封河是由寒潮天氣造成的，寧蒙河段寒潮發生頻率高于黃河下游，且寒潮強度也強于黃河下游；張榮剛等［9］研究表明寒潮天氣過程是造成2016—2017年內蒙古河段快速封河的直接原因。以往研究大多集中在內蒙古河段寒潮天氣過程個例分析或者寒潮基本氣候特征分析上，對寒潮天氣形勢缺乏系統全面的研究。本文首先對近10 a 內蒙古河段寒潮過程的基本特征進行詳細分析，然后根據冷空氣移動路徑，對寒潮過程進行環流分型，最后對寒潮變化的可能成因進行簡要分析，以期為黃河防凌減災提供技術支撐。

1 資料和方法

1.1 資料介紹

采用的資料有：①2010年11月至2020年3月內蒙古河段磴口、包頭、托克托3 個氣象站的逐日平均氣溫和日最低氣溫資料，氣象站分布見圖1；②美國國家環境預報中心／大氣研究中心（NCEP／NCAR）提供的500 hPa 高度場和溫度場、海平面氣壓場等逐日再分析資料，分辨率為 2.5°×2.5°［10］；③中國氣象局提供的逐月北極海冰密度指數資料。本文凌汛期定義為11月至翌年 3月，為方便起見，將2010年11月—2011年3月定義為2010年凌汛期，并以此類推。在寒潮過程統計過程中，如遇到跨月的情形，則取過程天數多的月份作為寒潮出現月份。

圖1 黃河內蒙古河段水文站及氣象站分布示意

1.2 寒潮過程標準及分析方法

識別寒潮過程首先需要識別降溫過程，參照毛煒嶧等［11-12］的定義確定降溫過程，即將某日與其前1 日的最低氣溫差記為 ΔT24，ΔT24由≥0 轉為＜0 的第 1 日為降溫過程初日，ΔT24由＜0 轉為≥0 的前1 日為降溫過程終日，初日至終日之間稱為一次降溫過程。

中華人民共和國國家標準《寒潮等級》（GB／T 21987—2017）定義，使某地日最低氣溫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 ℃，且日最低氣溫≤4 ℃的冷空氣活動稱為寒潮。根據該標準僅能識別出寒潮日，識別寒潮過程需在識別降溫過程的基礎上，進一步依據《寒潮等級》標準對過程中最大 24、48、72 h 降溫幅度進行判斷［12］。

依據以上判識方法分別統計磴口、包頭和托克托3 站的寒潮過程，若某時段內3 站中至少有1 站出現寒潮過程，則認為該時段內蒙古河段出現寒潮過程，因同一次過程對3 站的影響時間可能略有差異，作為一個過程處理，將3 站中第1 個影響日作為過程初日，最后1 個影響日作為過程終日，初日至終日之間的天數稱為寒潮過程持續時間。例如，若磴口和包頭均于11月22—23 日出現寒潮，而托克托于21—24 日出現寒潮，則將21 日和24 日作為內蒙古河段寒潮過程的初日和終日；若磴口、包頭、托克托分別于1月14—16日、15—17 日和 15—16 日出現寒潮，則將 14 日作為內蒙古河段寒潮過程的初日，17 日作為終日。

在識別出近10 a 內蒙古河段所有寒潮過程的基礎上，進一步采用線性趨勢分析、t 檢驗、天氣學分析等方法對寒潮過程基本特征、環流分型以及次數變化成因進行分析和研究。

2 寒潮過程基本特征

2.1 影響范圍

依據內蒙古河段寒潮過程判別標準，統計得到該河段近10 a 共出現98 次寒潮過程，進一步根據出現寒潮的站點數將寒潮過程劃分為單站型、兩站型和三站型。其中單站型次數最多，達47 次，占總次數的48%；兩站型38 次，占 39%；三站型最少，僅 13 次，占13%。單站型中托克托出現寒潮的次數最多，達23次，其次為包頭站，達15 次，磴口站最少，僅9 次，包頭位置最偏北（見圖1），但寒潮次數卻比托克托少，一方面是因為其北部為山脈，受山脈阻擋作用，冷空氣會被削弱，另一方面，托克托易受東部回流冷空氣影響，故寒潮過程較多。兩站型中包頭和托克托同時出現的次數最多，達27 次，占該型的71%，其次為磴口和托克托同時出現的過程，達9 次，磴口和包頭同時出現的次數僅有2 次（見表 1）。

表1 內蒙古河段不同類型寒潮過程出現次數

2.2 持續時間

2010—2019年，內蒙古河段寒潮過程持續時間為1～5 d，平均持續時間為2.1 d，其中1 d 和2 d 的過程較多，分別為37 次和35 次，兩者累計占過程總數的73%，持續5 d 的僅有2 次。分別統計不同類型寒潮過程的持續時間，結果表明，單站型持續時間為1～3 d，且隨持續時間增加，次數迅速減少，持續1 d 的過程有27 次，占該類型總數的57%。兩站型和三站型持續時間以2 d為主，分別為13 次和6 次，占同類過程總數的34%和46%（見表2）。

表2 內蒙古河段不同持續時間的寒潮過程次數

2.3 最大降溫幅度

統計內蒙古河段3 站寒潮過程不同時段內最大降溫幅度及其出現時間（見表3），結果表明，過程、24 h、48 h以及72 h 最大降溫幅度均呈現出自西向東逐漸增大的特征，即托克托降溫幅度最大，包頭次之，磴口最小。其次，各站在同一時段內出現降溫幅度最大值的時間互不相同，這與冷空氣的路徑和強度、各站的地理位置和海拔等因素有密切關系［13］。此外，統計發現3 站各時段內最大降溫幅度均出現在兩站型或三站型寒潮過程中，這也反映了強寒潮過程往往影響范圍較大。

表3 內蒙古河段各站寒潮過程不同時段內最大降溫幅度及其出現時間

2.4月際和年際變化

內蒙古河段凌汛期寒潮過程次數月際變化（見表4）顯示，11月和 1月寒潮過程最多，均達 22 次，3月最少，為16 次。這是因為11月處于秋冬交替季節，基礎氣溫相對較高，受冷空氣影響時氣溫下降幅度較大，易達到寒潮級別；1月處于全年最冷時期，冷空氣勢力最強，故寒潮次數也較多；3月冷空氣勢力最弱，寒潮次數最少。

表4 內蒙古河段凌汛期寒潮過程次數月際變化

2010—2019年內蒙古河段凌汛期寒潮過程次數逐年變化（見圖2）顯示，2018年寒潮過程最多，達17次，其次為 2017年，達 14 次，2010年和 2011年最少，僅3 次。近10 a 寒潮過程次數有明顯的增加趨勢，增加速率為1.4 次／a，通過了α＝0.001 的顯著性檢驗。2015—2019年凌汛期平均每年出現13.6 次寒潮過程，較2010—2014年（年平均 6 次）增加了 127%。內蒙古河段各類寒潮過程次數的逐年變化（見圖2）顯示，單站型、兩站型和三站型次數均呈增加趨勢，其中單站型增加速率達 0.9 次／a，通過了α＝0.001 的顯著性檢驗，而兩站型和三站型均未通過顯著性檢驗。單站型近5 a 凌汛期平均每年出現7 次寒潮過程，較2010—2014年（年平均2.4 次）增加了192%。單站型又以包頭和托克托出現寒潮過程為主，分別統計兩站寒潮過程次數的年際變化（圖略），結果表明，包頭和托克托增加速率分別為 0.7 次／a 和 1.1 次／a，分別通過了α＝0.05 和α＝0.001 的顯著性檢驗。包頭和托克托站近5 a凌汛期平均每年分別出現7.2 次和10.4次寒潮過程，較 2010—2014年（年平均 4.2 次和 4 次）分別增加了71%和160%。由此可見，近10 a 內蒙古河段單站型寒潮過程顯著增多，其中主要表現為包頭和托克托（尤其是托克托）的寒潮過程顯著增加。

圖2 內蒙古河段各類寒潮過程次數逐年變化

3 冷空氣源地和路徑

影響內蒙古河段的冷空氣主要有3 個源地，即新地島以西洋面、新地島以東洋面和冰島以南洋面［14-15］，3 個源地的冷空氣大多在西伯利亞中部地區（以下稱為關鍵區）積累加強后入侵內蒙古河段。

根據冷空氣的移動路徑，將影響內蒙古河段的寒潮天氣過程分為以下類型：①偏北路，冷空氣經貝加爾湖南下影響內蒙古河段；②偏西路，冷空氣自關鍵區向東途經巴爾喀什湖、新疆、青海、甘肅后到達內蒙古河段；③偏東路，冷空氣自關鍵區經蒙古國到達華北北部至東北一帶，地面冷高壓底部回流冷空氣造成內蒙古河段氣溫驟降，此外還存在冷空氣未經過關鍵區，從新地島以東經泰梅爾半島、中西伯利亞南下影響內蒙古河段地區的情形，但極為少見；④偏北路與偏東路共同影響型，兩類路徑的冷空氣在貝加爾湖以東匯合后影響內蒙古河段。偏北路路徑是內蒙古河段寒潮過程最為常見的路徑，占寒潮過程總數的70%以上，其他3 類路徑出現的次數相當，占比均不到10%。

4 寒潮過程環流特征分析

4.1 偏北路冷空氣型寒潮

偏北路冷空氣型寒潮暴發前的天氣形勢多為橫槽型（見圖3），即烏拉爾山和鄂霍次克海附近分別存在一高壓脊，東半球極渦南壓至中西伯利亞，亞洲地區形成倒Ω 流型，自極渦中心向西伸出一東西走向的橫槽，槽后脊前的偏北氣流不斷引導冷空氣在西西伯利亞堆積。而后冷空氣主要以橫槽旋轉東移南下和橫槽轉豎兩種方式向南移動，并以前者最為常見。兩者的不同點是，橫槽旋轉東移南下型極渦向東北方向收縮，而橫槽轉豎型極渦位置穩定。相同點是，槽前平直西風帶中存在小波動，構成槽前等高線結構疏散，且槽前為冷平流，促使橫槽旋轉南下或轉豎，引導強冷空氣大舉南下，易造成劇烈降溫天氣，表3 中列舉的最大降溫大部分由橫槽旋轉東移南下或橫槽轉豎造成。偏北路冷空氣影響范圍較廣，當其強度較大時，可造成磴口、包頭、托克托3 站同時出現寒潮天氣。

圖3 偏北路冷空氣型寒潮500 hPa 高度場（實線）和溫度場（虛線）

4.2 偏西路冷空氣型寒潮

偏西路冷空氣型寒潮暴發前，歐亞中高緯環流較平直，烏拉爾山一帶為低壓槽區，槽線上有冷平流，槽后脊區有暖平流，促使槽脊發展。低壓槽在隨基本氣流東移過程中常加強形成蒙古氣旋，并有-40 ～-44 ℃的冷中心與之配合，鋒區東移南壓，造成內蒙古河段出現寒潮天氣過程（見圖4）。內蒙古河段3 站中磴口受偏西路冷空氣影響次數最多，因磴口位置最偏西，故當冷空氣為西路時，磴口往往最先出現降溫天氣。

圖4 偏西路冷空氣型寒潮500 hPa 高度場（實線）和溫度場（虛線）

4.3 偏東路冷空氣型寒潮

偏東路冷空氣型寒潮暴發前，歐亞中高緯環流形勢呈兩槽一脊型，烏拉爾山及鄂霍次克海為低壓槽區，貝加爾湖以西為高壓脊區。脊線上有明顯的暖平流，有利于脊向北發展，脊前偏北氣流加強，引導新地島以東冷空氣匯入低壓槽中，促使低壓槽加強形成閉合冷渦，冷中心強度達-40 ～-48 ℃。冷空氣主體偏北，其在東移過程中，低空冷空氣折向西南，造成內蒙古河段中東部出現回流天氣，氣溫驟降（見圖5）。偏東路冷空氣主要影響包頭和托克托，在其影響下，兩站經常同時出現寒潮。

圖5 偏東路冷空氣型寒潮500 hPa 高度場（實線）和溫度場（虛線）

4.4 偏北路與偏東路共同影響型寒潮

偏北路與偏東路共同影響型寒潮環流場的特征是，東北亞地區穩定維持一低壓槽或者閉合低渦，與上游東移的低壓槽合并加強后，槽后偏北氣流引導冷空氣大舉南下侵襲內蒙古河段。在偏北路與偏東路冷空氣共同影響下，內蒙古河段3 站均有可能出現寒潮天氣。

5 近5 a 寒潮過程次數顯著增加的原因

5.1 氣溫變化

根據定義，寒潮過程由日最低氣溫決定，因此日最低氣溫變化必然是寒潮次數發生變化的重要影響因素［16］。表 5 給出了內蒙古河段 2010—2014年和2015—2019年凌汛期日均氣溫和平均日最低氣溫，由表5 可知，磴口站近5 a 凌汛期日均氣溫和平均日最低氣溫較2010—2014年均有升高的趨勢，而包頭站和托克托站呈現出相反的變化特征，且托克托站氣溫降低的趨勢更加明顯。這可能與氣候變暖停滯有關［17-18］，黃星等［19］研究指出，內蒙古河段春季、秋季、冬季的平均氣溫和平均最低氣溫均于21 世紀初出現了變暖停滯現象，變暖停滯后各類氣溫呈現出不同程度的降低趨勢。由此可見，包頭、托克托站日最低氣溫降低可能是造成寒潮次數顯著增加的直接原因。

表5 內蒙古河段2010—2014年和2015—2019年凌汛期日均氣溫和平均日最低氣溫

5.2 西伯利亞高壓和北極海冰

西伯利亞高壓是影響我國寒潮變化最直接的大氣活動中心，其強度與我國寒潮次數呈顯著的正相關關系［16，20-23］。選取北緯 40°—60°、東經 80°—120°區域作為西伯利亞高壓的主體［21，24］，將該區域內海平面氣壓平均值作為西伯利亞高壓強度指數。圖6 給出了2010—2019年凌汛期西伯利亞高壓強度指數距平，由圖6 可知，近5 a 西伯利亞高壓明顯強于2010—2014年，這將有利于冷空氣向我國輸送，造成寒潮等異常低溫天氣發生次數的增加。而西伯利亞高壓強度變化與北極海冰密度密切相關，已有的研究指出，秋季北極海冰密度與冬季西伯利亞高壓為顯著的負相關關系［23，25-26］，即當秋季北極海冰密度偏大時西伯利亞高壓強度偏弱，當北極海冰密度偏小時西伯利亞高壓強度偏強。參考謝永坤等［22］的定義，將 9月、10月平均北極海冰密度作為秋季北極海冰密度指數，統計2010—2019年該指數的距平（見圖7），結果表明，近5 a北極海冰密度明顯小于2010—2014年的，北極海冰密度減小造成西伯利亞高壓強度增強，進而引起內蒙古河段寒潮次數增加。