1960—2017年黃河流域寒潮時空變化規(guī)律

徐 菡 劉太正

(山東科技大學(xué) 測繪與空間信息學(xué)院, 山東 青島 266590)

0 引言

極端天氣事件是指在某地區(qū)的統(tǒng)計分布中很少或極少發(fā)生的事件[1]。極端天氣事件因其對生態(tài)環(huán)境和社會的重大影響而成為眾多氣候變化研究的焦點。其中，寒潮是中國北方地區(qū)最具破壞性的自然災(zāi)害之一,通常與眾多災(zāi)害相關(guān),影響人類生命健康和社會經(jīng)濟,因而成為影響中國冬半年的主要災(zāi)害性天氣[2-3],受到了學(xué)者的廣泛研究。

近年來,國內(nèi)外學(xué)者對寒潮開展了大量的科學(xué)研究。李憲之[4]針對寒潮的形成過程將我國寒潮分為小槽發(fā)展型、西來槽型和橫槽型三種。陶詩言[5]研究了對中國大陸產(chǎn)生影響的冷空氣源地和路徑。王遵婭等[5]研究表明西伯利亞高壓和東亞冬季風減弱導(dǎo)致中國寒潮頻次減少。錢維宏[6]分析了1961—2005年中國寒潮的時空演變規(guī)律,指出由于中國中高緯度寒潮事件頻次的減少,導(dǎo)致了冬季平均最低氣溫的升高,形成了暖冬。近幾十年來,中國寒潮發(fā)生頻次存在一定程度的時空差異[7-11]。

黃河流域是中國經(jīng)濟發(fā)展重地和糧食生產(chǎn)核心區(qū),流域面積遼闊,氣候類型復(fù)雜多樣[12-14]。該流域不僅是中國氣候變化最為敏感的區(qū)域之一,同時也是寒潮發(fā)生頻次較高的區(qū)域之一。而黃河流域寒潮的時空變化特征及其可能影響因素一直以來都研究較少。鑒于此,本文以黃河流域76個氣象站1960—2017年逐日最低氣溫資料為基礎(chǔ),按照寒潮強度等級將寒潮分為寒潮、強寒潮、特強寒潮三類分別進行分析,研究了近58年來該流域三類寒潮的時空變化特征。研究成果可為流域應(yīng)對寒潮天氣帶來的災(zāi)害提供科學(xué)依據(jù),同時為未來該流域極端天氣變化研究提供參考。

1 研究數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文所采用的數(shù)據(jù)為黃河流域1960—2017年76個氣象臺站逐日最低氣溫數(shù)據(jù),來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn)。為了保證數(shù)據(jù)的連續(xù)性和完整性,對選取的站點進行了質(zhì)量檢查,從而消除了非氣候因子所帶來的干擾。黃河流域76個氣象站點分布情況如圖1所示。

【審圖號：GS(2020)4631號】圖1 黃河流域氣象站點分布

1.2 寒潮標準定義

本文依據(jù)《中華人民共和國國家標準》中的《寒潮等級》(GB/T21987—2017)中的規(guī)定,將寒潮劃分為寒潮、強寒潮、特強寒潮三個等級。由于日最低氣溫不受太陽輻射的干擾,能夠有效地表達降溫的相對幅度[6],所以本文采用日最低氣溫來統(tǒng)計寒潮的頻次。

1.3 研究方法

依據(jù)氣象站點逐日最低氣溫數(shù)據(jù)對黃河流域內(nèi)3個等級的寒潮發(fā)生分別進行篩選。同時運用曼-肯德爾(Mann-Kendall,M-K)突變分析、線性回歸和相關(guān)分析等方法對寒潮頻次的時空演變特征進行討論。

2 寒潮空間分布特征

2.1 寒潮頻次的空間分布特征

通過對1960—2017年黃河流域三類寒潮發(fā)生頻次空間特征分析,發(fā)現(xiàn)該流域寒潮【圖2(a)】每個站點發(fā)生頻次為2～48次,累計發(fā)生1 263次,分布特征為東北高、西南低。高值區(qū)分布在內(nèi)蒙古、陜西和寧夏三省交界處,低值區(qū)分布在青海、甘肅、河南等地,有26站寒潮多年總頻次低于10次。強寒潮【圖2(b)】每個站點發(fā)生頻次在0～18次之間,累計發(fā)生363次,呈東北高、西南低的分布特征。高頻區(qū)分布在內(nèi)蒙古、陜西北部、寧夏東北部和山西北部,低頻區(qū)分布在陜西西南部、河南等地,有10站多年未發(fā)生強寒潮。特強寒潮【圖2(c)】每個站點發(fā)生頻次在0～190次之間,累計發(fā)生1 734次,呈西南高、中部低的分布特征。高值區(qū)分布在青海和四川等地,低值區(qū)分布在甘肅、河南、陜西和山西南部等,有11站多年未發(fā)生特強寒潮。

(a)寒潮頻次分布

(b)強寒潮頻次分布

(c)特強寒潮頻次分布【審圖號：GS(2020)4631號】圖2 1960—2017年黃河流域寒潮發(fā)生頻次空間分布

2.2 寒潮頻次季節(jié)空間分布特征

對黃河流域近58年來三類寒潮頻次的季節(jié)分布進行分析,其中,寒潮(圖略)在春季發(fā)生最頻繁,主要分布在內(nèi)蒙古、寧夏、陜西和山西等地,累計發(fā)生623次。秋季發(fā)生頻次次之,主要分布在內(nèi)蒙古、寧夏和陜西三省交接處,累計發(fā)生489次。冬季發(fā)生頻次最少,主要分布在山東和河南,累計發(fā)生148次;同時強寒潮(圖略)發(fā)生最頻繁的季節(jié)也是春季,主要分布在內(nèi)蒙古、寧夏和陜西三省交接處和山西北部,累計發(fā)生48次。秋季和冬季發(fā)生頻次次之,累計發(fā)生分別為45次和39次,總體來說強寒潮的季節(jié)差異性不明顯。而特強寒潮如圖3所示,季節(jié)差異性較為明顯,主要分布在青海和甘肅西南部、四川和山西北部等地,圖3(c)冬季是特強寒潮發(fā)生最頻繁的季節(jié),累計發(fā)生13 53次。圖3(b)秋季和圖3(a)春季發(fā)生頻次次之,累計發(fā)生分別為203次和177次。

(a)春季

(b)秋季

(c)冬季【審圖號：GS(2020)4631號】圖3 1960—2017年黃河流域特強寒潮季節(jié)發(fā)生頻次空間分布

2.3 寒潮年代頻次空間分布特征

對黃河流域1960—2017年三類寒潮年代頻次分析發(fā)現(xiàn)三類寒潮在不同年代空間分布特種不同。

寒潮(圖略)在1960—1989年頻次較高區(qū)域分布在黃河流域中游內(nèi)蒙古、寧夏、陜西地區(qū)。頻次較低區(qū)域分布在黃河流域上游青海、四川及甘肅西南部地區(qū)。1990—1999年,黃河流域下游山東地區(qū)發(fā)生頻次較高,四川及青海、甘肅西南部地區(qū)發(fā)生頻次較低。而2000—2009年,出現(xiàn)了三個大值中心,分別是青海、四川、甘肅三省交界處,內(nèi)蒙古、寧夏、陜西三省交界處以及陜西、山西、內(nèi)蒙古三省交界處。2010—2017年,寒潮頻次較高區(qū)域分布在黃河流域中游內(nèi)蒙古、寧夏、陜西三省交界處。不同年代際寒潮發(fā)生頻次總體上呈東北高西南低分布。

強寒潮(圖略)1960—1969年代頻次較高地區(qū)主要分布在中部地區(qū),且分布較為零散。1970—1999年強寒潮頻次較1960—1969年明顯減少,減少的區(qū)域分布在中部地區(qū)的內(nèi)蒙古、寧夏、陜西等地,以及東部的山東等地。2000—2017年,強寒潮的高值區(qū)主要分布在陜西、山西、內(nèi)蒙古、寧夏等地。不同年代際強寒潮頻次分布總體呈減少趨勢,明顯減少的區(qū)域分布在山東、四川、內(nèi)蒙古北部地區(qū)。

特強寒潮如圖4所示,1960—1969年【圖4(a)】頻次較高區(qū)域分布在青海西南部和四川大部分地區(qū)。頻次較低區(qū)域分布在甘肅、河南及陜西和山西北部地區(qū),特強寒潮每個站點發(fā)生頻次范圍在0～25次,共計260次,其中頻次范圍在0～3次和6～9次的區(qū)域所占比例分別為64.5%和15.8%。1970—1999年【圖4(b)～圖(d)】及2000—2009年【圖4(e)】,黃河流域內(nèi)青海西南地區(qū)、四川地區(qū)以及山西北部地區(qū)發(fā)生頻次較高,黃河流域中部發(fā)生頻次較低。而2010年—2017年【圖4(f)】,黃河流域特強寒潮每個站點發(fā)生頻次范圍在0～17次,其中頻次范圍在0～3次的區(qū)域占比約為84.2%。就空間格局而言,不同年代際特強寒潮低頻區(qū)域在增加,高頻區(qū)域在減少,發(fā)生頻次呈“雙峰”結(jié)構(gòu)空間分布特征。

(a)1960—1969年

(b)1970—1979年

(c)1980—1989年

(d)1990—1999年

(e)2000—2009年

(f)2010年—2017年【審圖號：GS(2020)4631號】圖4 1960—2017年黃河流域特強寒潮年代發(fā)生頻次空間分布

3 寒潮時間變化特征

3.1 寒潮頻次年變化趨勢

通過對黃河流域近58年來寒潮頻次年際變化分析發(fā)現(xiàn),圖5(a)寒潮每個站點發(fā)生年平均頻次為22次發(fā)生年平均頻次為22次/站,且呈弱減少趨勢,速率為-0.32次/10a,1995年寒潮頻次最高為43次,1966、1979、1987、2004年寒潮頻次發(fā)生較多均高于30次。圖5(b)強寒潮發(fā)生年平均頻次為6次,且呈弱減少趨勢,速率為-0.42次/10a,1987年強寒潮頻次達到18次,強寒潮頻次發(fā)生較多的年份為1960、1965、1969、1995年均高于10次。5(c)特強寒潮圖發(fā)生年平均頻次為30次,且呈顯著減少趨勢,速率為-2.16次/10a,1971年特強寒潮頻次達到77次,特強寒潮1970和2008年頻次發(fā)生較多均高于50次。

(a)寒潮頻次

(b)強寒潮頻次

(c)特強寒潮頻次圖5 1960—2017年黃河流域寒潮頻次年際變化特征

3.2 寒潮突變分析

對黃河流域1960—2017年三種類型寒潮進行Mann-Kendall法突變分析,UFk是按時間序列順序計算出的統(tǒng)計量序列,UBk為UFk的逆序列,UBk和UFk可表明寒潮頻次的變化趨勢。從圖6可以看出寒潮、強寒潮、特強寒潮的發(fā)生頻次均呈現(xiàn)下降的趨勢。寒潮【圖6(a)】的變化趨勢在1960—1972年、1981—2017年UFk均小于0且未超過顯著性水平為0.05的臨界線,表明寒潮頻次下降趨勢不顯著。同時1972—1981年UFk在0值附近變化,表明寒潮頻次發(fā)生不顯著的變化趨勢。強寒潮【圖6(b)】UFk和UBk在1965年附近相交且在臨界線之間,表明該年為強寒潮突變時間點,1960—1968年、1971—1981年、1986—2000年UFk都小于0表明強寒潮頻次呈現(xiàn)不顯著的下降趨勢。1981—1986年、2000—2017年UFk都小于0,強寒潮頻次的下降趨勢顯著。特強寒潮【圖6(c)】UFk和UBk在1975年附近存在交點且位于臨界線之間,表明1975年為特強寒潮突變時間點,1963—1974年UFk都大于0且未超出顯著性水平為0.05的臨界線,說明特強寒潮頻次的增長趨勢不顯著。1960—1963年、1974—1983年、2001—2004年UFk都小于0,因此特強寒潮頻次呈不顯著下降趨勢。1983—2001年、2004—2017年UFk都小于0,特強寒潮頻次顯著下降。

(a)寒潮

(b)強寒潮

(c)特強寒潮圖6 1960—2017年黃河流域寒潮頻次Mann-Kendall曲線

4 結(jié)束語

本研究利用黃河流域1960—2017年76個氣象站點的逐日最低氣溫數(shù)據(jù),對寒潮發(fā)生的時間和空間的變化特征進行分析,得出以下結(jié)論：

(1)黃河流域近58年三類寒潮發(fā)生頻次整體呈下降趨勢,寒潮和強寒潮呈不顯著下降趨勢,速率分別為-0.32次/10a和-0.42次/10a。特強寒潮呈顯著下降趨勢,速率為-2.16次/10a,1975年為突變時間點。春季是寒潮和強寒潮發(fā)生最頻繁的季節(jié),冬季是特強寒潮發(fā)生最頻繁的季節(jié)。

(2)不同強度寒潮發(fā)生頻次存在明顯,近58年來黃河流域地區(qū)特強寒潮發(fā)生的頻次最高累計發(fā)生1 734次,其次為寒潮累計發(fā)生1 263次,強寒潮發(fā)生的頻次最少累計363次。

(3)黃河流域寒潮頻次時空差異特征顯著,兩個高值區(qū)一個位于青海和甘肅的西北部以及四川等地,另一個位于山西、陜西和內(nèi)蒙古三省交界處,呈現(xiàn)“雙峰”結(jié)構(gòu)特征。低值區(qū)分布在甘肅、河南、陜西和山西南部等地。

整體看來,隨著氣候變暖,近58年黃河流域寒潮發(fā)生頻次呈下降趨勢,三類寒潮發(fā)生頻次在空間分布上比較相似,高發(fā)區(qū)集中在黃河流域東北部和西南地區(qū)。通過分析確定不同強度等級的寒潮高發(fā)地區(qū),進行風險評估和區(qū)劃,可以科學(xué)制定防御對策,降低寒潮對人們生產(chǎn)生活帶來的不利影響。由于研究區(qū)內(nèi)某些氣象資料難以獲取以及觀測時間的限制等因素影響,本研究對寒潮的發(fā)生頻次變化趨勢無法進行更為精確的分析,今后會進一步獲取精度更高時間序列更長的資料進行分析,同時將進一步研究大氣環(huán)流對寒潮活動頻次變化的影響,為未來該流域氣候環(huán)境變化提供參考。