徐 菡 劉太正

(山東科技大學(xué) 測(cè)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(jì)分布中很少或極少發(fā)生的事件[1]。極端天氣事件因其對(duì)生態(tài)環(huán)境和社會(huì)的重大影響而成為眾多氣候變化研究的焦點(diǎn)。其中，寒潮是中國(guó)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(huì)經(jīng)濟(jì),因而成為影響中國(guó)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(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)寒潮開展了大量的科學(xué)研究。李憲之[4]針對(duì)寒潮的形成過程將我國(guó)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(duì)中國(guó)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(fēng)減弱導(dǎo)致中國(guó)寒潮頻次減少。錢維宏[6]分析了1961—2005年中國(guó)寒潮的時(shí)空演變規(guī)律,指出由于中國(guó)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(guó)寒潮發(fā)生頻次存在一定程度的時(shí)空差異[7-11]。

黃河流域是中國(guó)經(jīng)濟(jì)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(guó)氣候變化最為敏感的區(qū)域之一,同時(shí)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(shí)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(gè)氣象站1960—2017年逐日最低氣溫資料為基礎(chǔ),按照寒潮強(qiáng)度等級(jí)將寒潮分為寒潮、強(qiáng)寒潮、特強(qiáng)寒潮三類分別進(jìn)行分析,研究了近58年來該流域三類寒潮的時(shí)空變化特征。研究成果可為流域應(yīng)對(duì)寒潮天氣帶來的災(zāi)害提供科學(xué)依據(jù),同時(shí)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(gè)氣象臺(tái)站逐日最低氣溫?cái)?shù)據(jù),來源于中國(guó)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(duì)選取的站點(diǎn)進(jìn)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(gè)氣象站點(diǎn)分布情況如圖1所示。

【審圖號(hào)：GS(2020)4631號(hào)】圖1 黃河流域氣象站點(diǎn)分布

1.2 寒潮標(biāo)準(zhǔn)定義

本文依據(jù)《中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)》中的《寒潮等級(jí)》(GB/T21987—2017)中的規(guī)定,將寒潮劃分為寒潮、強(qiáng)寒潮、特強(qiáng)寒潮三個(gè)等級(jí)。由于日最低氣溫不受太陽輻射的干擾,能夠有效地表達(dá)降溫的相對(duì)幅度[6],所以本文采用日最低氣溫來統(tǒng)計(jì)寒潮的頻次。

1.3 研究方法

依據(jù)氣象站點(diǎn)逐日最低氣溫?cái)?shù)據(jù)對(duì)黃河流域內(nèi)3個(gè)等級(jí)的寒潮發(fā)生分別進(jìn)行篩選。同時(shí)運(yùn)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(duì)寒潮頻次的時(shí)空演變特征進(jìn)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(duì)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(gè)站點(diǎn)發(fā)生頻次為2～48次,累計(jì)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(qiáng)寒潮【圖2(b)】每個(gè)站點(diǎn)發(fā)生頻次在0～18次之間,累計(jì)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(qiáng)寒潮。特強(qiáng)寒潮【圖2(c)】每個(gè)站點(diǎn)發(fā)生頻次在0～190次之間,累計(jì)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(qiáng)寒潮。

(a)寒潮頻次分布

(b)強(qiáng)寒潮頻次分布

(c)特強(qiáng)寒潮頻次分布【審圖號(hào)：GS(2020)4631號(hào)】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(duì)黃河流域近58年來三類寒潮頻次的季節(jié)分布進(jìn)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(jì)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(jì)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(jì)發(fā)生148次;同時(shí)強(qiáng)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(jì)發(fā)生48次。秋季和冬季發(fā)生頻次次之,累計(jì)發(fā)生分別為45次和39次,總體來說強(qiáng)寒潮的季節(jié)差異性不明顯。而特強(qiáng)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(qiáng)寒潮發(fā)生最頻繁的季節(jié),累計(jì)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(jì)發(fā)生分別為203次和177次。

(a)春季

(b)秋季

(c)冬季【審圖號(hào)：GS(2020)4631號(hào)】圖3 1960—2017年黃河流域特強(qiáng)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(duì)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(gè)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)寒潮頻次分布總體呈減少趨勢(shì),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(qiáng)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(qiáng)寒潮每個(gè)站點(diǎn)發(fā)生頻次范圍在0～25次,共計(jì)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(qiáng)寒潮每個(gè)站點(diǎn)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(qiáng)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(hào)：GS(2020)4631號(hào)】圖4 1960—2017年黃河流域特強(qiáng)寒潮年代發(fā)生頻次空間分布

3 寒潮時(shí)間變化特征

3.1 寒潮頻次年變化趨勢(shì)

通過對(duì)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(gè)站點(diǎn)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(shì),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(qiáng)寒潮發(fā)生年平均頻次為6次,且呈弱減少趨勢(shì),速率為-0.42次/10a,1987年強(qiáng)寒潮頻次達(dá)到18次,強(qiáng)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(qiáng)寒潮圖發(fā)生年平均頻次為30次,且呈顯著減少趨勢(shì),速率為-2.16次/10a,1971年特強(qiáng)寒潮頻次達(dá)到77次,特強(qiáng)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(qiáng)寒潮頻次

(c)特強(qiáng)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(duì)黃河流域1960—2017年三種類型寒潮進(jìn)行Mann-Kendall法突變分析,UFk是按時(shí)間序列順序計(jì)算出的統(tǒng)計(jì)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(shì)。從圖6可以看出寒潮、強(qiáng)寒潮、特強(qiáng)寒潮的發(fā)生頻次均呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。寒潮【圖6(a)】的變化趨勢(shì)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(shì)不顯著。同時(shí)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(shì)。強(qiáng)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(qiáng)寒潮突變時(shí)間點(diǎn),1960—1968年、1971—1981年、1986—2000年UFk都小于0表明強(qiáng)寒潮頻次呈現(xiàn)不顯著的下降趨勢(shì)。1981—1986年、2000—2017年UFk都小于0,強(qiáng)寒潮頻次的下降趨勢(shì)顯著。特強(qiáng)寒潮【圖6(c)】UFk和UBk在1975年附近存在交點(diǎn)且位于臨界線之間,表明1975年為特強(qiáng)寒潮突變時(shí)間點(diǎn),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(qiáng)寒潮頻次的增長(zhǎng)趨勢(shì)不顯著。1960—1963年、1974—1983年、2001—2004年UFk都小于0,因此特強(qiáng)寒潮頻次呈不顯著下降趨勢(shì)。1983—2001年、2004—2017年UFk都小于0,特強(qiáng)寒潮頻次顯著下降。

(a)寒潮

(b)強(qiáng)寒潮

(c)特強(qiáng)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(gè)氣象站點(diǎn)的逐日最低氣溫?cái)?shù)據(jù),對(duì)寒潮發(fā)生的時(shí)間和空間的變化特征進(jìn)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(shì),寒潮和強(qiáng)寒潮呈不顯著下降趨勢(shì),速率分別為-0.32次/10a和-0.42次/10a。特強(qiáng)寒潮呈顯著下降趨勢(shì),速率為-2.16次/10a,1975年為突變時(shí)間點(diǎn)。春季是寒潮和強(qiáng)寒潮發(fā)生最頻繁的季節(jié),冬季是特強(qiáng)寒潮發(fā)生最頻繁的季節(jié)。

(2)不同強(qiáng)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(qiáng)寒潮發(fā)生的頻次最高累計(jì)發(fā)生1 734次,其次為寒潮累計(jì)發(fā)生1 263次,強(qiáng)寒潮發(fā)生的頻次最少累計(jì)363次。

(3)黃河流域寒潮頻次時(shí)空差異特征顯著,兩個(gè)高值區(qū)一個(gè)位于青海和甘肅的西北部以及四川等地,另一個(gè)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(shì),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(qiáng)度等級(jí)的寒潮高發(fā)地區(qū),進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和區(qū)劃,可以科學(xué)制定防御對(duì)策,降低寒潮對(duì)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(cè)時(shí)間的限制等因素影響,本研究對(duì)寒潮的發(fā)生頻次變化趨勢(shì)無法進(jìn)行更為精確的分析,今后會(huì)進(jìn)一步獲取精度更高時(shí)間序列更長(zhǎng)的資料進(jìn)行分析,同時(shí)將進(jìn)一步研究大氣環(huán)流對(duì)寒潮活動(dòng)頻次變化的影響,為未來該流域氣候環(huán)境變化提供參考。