云南极端霜冻气候事件的气候特征及环流背景分析*

陶云，段旭，任菊章，何群

(1.云南省气象科学研究所，云南昆明650034;2.云南省气候中心，云南昆明650034)

0 引言

1980年代以来，随着气候变暖的加剧，极端气候事件(如洪涝、干旱、暴雨、大风、严寒、高温等)频繁发生和加剧，已经成为当今社会和科学界愈来愈关注的焦点。据不完全统计，由极端气候事件所造成的直接经济损失呈指数上升趋势，由此引发的人类死亡率也在不断增长，其对人类社会经济和生态环境的影响及危害，相比于平均气候的变化，更加严峻［1－2］。2008年1－2月间，我国南方经历了一场历史罕见的持续性低温雨雪冰冻天气，这次灾害性天气持续时间长、影响范围广、危害程度深，多数地区为50年一遇，部分地区为百年一遇，给交通、电力、通讯及人民的生产、生活造成了巨大影响。统计表明，灾害造成的直接经济损失超过了1 500亿元。可见在气候变暖的大背景下，极端低温冷害事件也将造成严重的影响。

霜冻属于低温冷害事件中的一种，在秋、冬、春三季都会出现。霜冻是指空气温度突然下降，地表温度骤降到0℃以下，使农作物受到损害，甚至死亡。云南地处低纬高原地区，冬季较少受冷空气影响，一般只有东部地区受昆明准静止锋天气的影响而多阴冷天气，其它地区则是晴朗天气，山区夜间多辐射霜出现，云南冬季一般不易出现严重的霜冻，但在有利的大气环流形势下，可出现严重的霜冻灾害，对云南农业生产、花卉等经济作物造成严重影响。如1999年12月下旬特大霜冻灾害造成全省蚕豆、油菜、蔬菜、花卉、甘蔗、橡胶、香蕉、咖啡、茶树、早稻等亚热带农作物、经济作物和热带作物严重受灾，农作物受灾面积为85万hm2，全省因霜冻灾害造成的直接经济损失达55亿元等。一些专家对云南严重霜冻个例进行了相关研究，并指出制约云南大范围霜冻天气过程活动的因素除冷平流强度以外，还与天空状况的变化、空气的湿度和风力的大小等因素有关，在同等气温状态下，风小、空气干燥、晴朗的夜空才会发生重大霜冻［3－11］。前人主要从个例出发进行研究，本文选取云南1961年以来发生的三次严重极端霜冻气候事件，采用合成分析方法，对云南极端霜冻事件的气候特征及其环流背景进行分析。

1 资料及方法

应用云南省1961年1月1日－2008年12月31日124个气象站点逐日日平均气温和日最低气温观测资料;1961年1月1日－2008年12月31日逐日全省气象站点天气现象(霜)资料;1961－2008年NCEP/NCAR中心发布的逐日500 hPa、700 hPa及850 hPa高度场、风场、湿度场以及海平面气压场资料。采用1971－2000年的平均值作为气候平均态。主要采用合成分析方法。

2 极端霜冻气候事件的选取

逐日统计1961年1月1日－2008年12月31日出现霜天气现象并且日最低气温低于－5℃的站点数占全省总站数的比例(图1)。从图1可看出站点比例超出15%的年份主要集中在20世纪60和70年代，80年代后随着全球气候变暖，每年霜冻发生的范围越来越小，90年代站点比例不足10%(除1999年)，进入21世纪后霜冻发生站点比例不足6%。可见云南霜冻天气的影响范围呈减少的趋势。本文根据站点比例超出25%来确定云南全省性的极端霜冻事件:1974年1月1－7日，1982年12月27－28日以及1999年12月25－27日发生的严重霜冻事件定义为1961年以来云南出现的三次极端霜冻事件。从图1b－图1d可见，1974年的霜冻事件是云南1961年以来霜冻持续时间最长的一次。站点比例超出25%的持续时间为7 d(1982年2 d，1999年3 d)。而1999年发生的霜冻事件是在气候变暖背景下发生的一次特大霜冻事件，损失最为惨重。云南极端霜冻事件主要发生在12月下旬到1月上旬。

图1 云南省出现霜并且日最低气温低于－5℃站点数占全省总站数的比例演变

3 云南极端霜冻事件气候背景分析

3.1 日平均气温变化

从云南三次极端霜冻气候事件日平均气温变化(图2)中可看出，事件发生前，日平均气温较长时间处于偏低的状况，霜冻发生时日平均气温出现剧烈下降，霜冻结束后气温缓慢回升。1974年霜冻事件:1973年12月11日开始降温，12月11－16日全省平均的日平均气温下降了约4℃;之后12月17－27日气温维持在8～9℃左右。12月28日开始，云南又开始第2次降温过程，1973年12月28日－1974年1月1日气温又下降了约4℃，1月1日仅有4℃。1974年1月1－7日气温都在6℃以下，出现严重的霜冻灾害。1982年霜冻事件:12月15－16日全省平均的日平均气温下降了约3℃;之后12月16－24日气温维持在6～8℃左右。12月25－27日云南又出现了剧烈降温，全省平均的日平均气温又下降了约6℃，12月27日气温仅有2.6℃。1999年霜冻事件:12月16日开始全省平均的日平均气温持续下降，到12月22日下降了约7℃;之后12月22－24日气温维持在4～5℃左右。霜冻期间12月25－27日气温也维持在4～5℃。总之，从全省平均的日平均气温变化看，云南极端霜冻事件发生前气温有明显的下降，霜冻发生时气温达到最低，之后气温回升。

图2 云南三次极端霜冻气候事件日平均气温变化图

3.2 日最低气温演变

从云南三次极端霜冻气候事件平均日最低气温变化(图3)中也可以看出，云南极端霜冻事件发生时全省平均日最低气温都在0℃以下。1974年极端霜冻在1973年12月31日－1974年1月7日日最低气温都在－1.2～3.1℃，其中1月1日最低为－3.1℃。1982年极端霜冻在12月26－29日日最低气温都在－0.2～3.3℃，12月27日最低为－3.3℃，其次日12月28日为－2.6℃。1999年极端霜冻在12月25－29日日最低气温都在－0.8～2.6℃，其中12月25－27日最低气温都低于－2.2℃。总之，云南极端霜冻发生时段日最低气温比发生前后都低。

图3 云南三次极端霜冻气候事件平均日最低气温变化图

从日平均气温和日最低气温变化可以看出，三次极端霜冻事件中1974年持续时间最长，1982年气温变幅最大。

3.3 无云站次的演变

解明恩等人［11］的研究指出，云南大范围霜冻天气过程活动的因素除冷平流强度以外，还与天空状况的变化、空气的湿度等因素有关，在同等气温状态下晴朗的夜空才会发生重大霜冻。为此分析了三次极端霜冻灾害发生前后的天空云量的变化情况。从云南三次极端霜冻气候事件无云站次占总站次的变化(图4)可看出，云南极端霜冻事件发生前无云站次的比例基本在20%以下，说明云南大部地区都以阴雨天气为主，霜冻发生时无云站次的比例都发生了剧烈的上升。1974年极端霜冻从1973年12月21－30日无云站次的比例都在15%以下，其中有5 d无云比例不足5%。霜冻发生时1974年1月1－6日无云站次比例高达80%左右。1982年极端霜冻发生前12月11－26日无云站次的比例不足4%，其中有10 d无云站次的比例为0。霜冻发生时12月27－28日无云站次比例为50%左右。1999年极端霜冻发生前从12月4－23日无云站次的比例都在20%以下，其中有17 d无云站次的比例不足6%。霜冻发生时12月25－26日无云站次比例为70%～80%左右。总之，极端霜冻发生前云量偏多，以阴雨天气为主，发生时无云或云量少，以天气晴朗。

图4 云南三次极端霜冻气候事件逐日无云站次变化图

从上述分析可知，云南极端霜冻事件发生前气温偏低，云量偏多，说明有冷空气影响而降温，天气阴冷;霜冻发生时夜间晴朗，辐射散热强烈，气温再度下降，造成严重霜冻灾害。这种霜冻属于混合霜冻或称为平流辐射霜冻，往往危害更加严重。秦剑等［6］研究也表明，低温连阴雨突然转晴，高空冷平流冲走了阴云，使本来就低的气温再一次在最低气温方面大幅下降，造成重霜冻特别严重。

4 极端霜冻气候事件环流背景分析

极端天气气候事件的发生与大气环流异常密切相关。利用1961－2008年NCEP/NCAR中心发布的逐日500 hPa、700 hPa及850 hPa高度场、风场、湿度场以及海平面气压场资料，合成分析了云南极端霜冻气候事件发生前后的异常环流背景。

4.1 500hPa高度场分析

图5 云南三次极端霜冻气候事件500 hPa高度场合成图(单位:gpm)

在云南三次极端霜冻气候事件的500 hPa高度合成场上(图5)，霜冻发生前1 d，中高纬度南北向的经向环流明显，青藏高原以北为高压脊控制，东亚到中南半岛为低压槽控制。这种环流形势有利于冷空气从中高纬直泻而下到低纬度地区。霜冻发生当日，环流形势与前1 d相似，仅北侧的东亚大槽向东移动，基本入海，南侧的南支槽少动，仍位于华南一带，南端明显南压，云南仍为槽后脊前的西北下沉气流控制，夜间晴空辐射明显，最低温度大幅下降，造成严重霜冻。霜冻结束后，中高纬度经向环流减弱，云南转为较平直的西风气流控制。这与秦剑等［6］给出的低纬高原晴天重霜冻的环流形势一致。500 hPa合成风场与高度场非常一致(图略)，霜冻前1 d和当天500 hPa风场上，从青藏高原到中南半岛为明显的西北气流控制，霜冻结束后转为较平直的西风气流。

4.2 700hPa高度场分析

图6 云南三次极端霜冻气候事件700 hPa高度场合成图(单位:gpm)

在云南三次极端霜冻气候事件的700 hPa合成高度场上(图6)，霜冻发生前1 d，东亚一带为槽区，青藏高原到贝加尔湖一带为脊区，青藏高原有一3 160 gpm的小高压，川滇之间存在一东西向的切变线，在青藏高原至中南半岛一带形成了北高南低的形势，有利于切变和冷高压的南压。霜冻发生当日，北侧东亚槽东移入海，高原小高压略东南移，3 120 gpm的高度线明显南压到10°N，川滇间的切变线南压，转为南北向。切变南压过云南大部地区后，云南主要处于广阔的脊区，夜间晴空辐射，造成严重霜冻灾害。霜冻结束后，中高纬度气流较为平直，高原小高压消失，切变消失，3 120 gpm的高度线北抬到20°N，云南气温回升。

4.3 850hPa高度场分析

图7 云南三次极端霜冻气候事件850 hPa高度场合成图(单位:gpm)

在云南三次极端霜冻气候事件的850 hPa合成高度场上(图7)，霜冻发生前1 d，1 520 gpm冷高压控制整个40°～120°E中低纬度地区，冷高压中心位于青藏高原东侧(30°～40°N，80°～100°E)，中心数值为1 620 gpm，云南也受冷高压的控制。霜冻发生当日，冷高压东南移，但强度和范围有所减小，中心数值为1 560 gpm，云南仍为冷高压的控制。霜冻结束后，冷高压断裂，东部减弱、东移入海，西部减弱位于高原上。云南为两者间的相对低值区。海平面气压场的变化(图略)与850 hPa高度场的变化基本一致，霜冻前及发生时云南为地面冷高压控制，之后冷高压南压减弱消失，霜冻结束。

从上述中低层的环流分析可知，云南极端霜冻气候事件发生的主要原因是高空冷平流与地面冷高压控制下夜间晴空辐射冷却降温所致。另外，潘里娜、解明恩等人［9，11］研究指出云南严重霜冻天气发生时空气干燥。从图8可以看出，对流层底层850 hPa上，云南发生极端霜冻灾害当天与发生头天的差值湿度场上，云南大部地区都为负距平区控制，说明发送当天的绝对湿度大部分地区都比前1 d小;极端霜冻天气结束后1 d与发生当天的湿度场的差值图上，负距平区扩大，整个云南省都为负距平区控制，说明云南省的湿度在逐渐变小，空气越来越干燥。

图8 云南三次极端霜冻气候事件850 hPa湿度场差值(单位:Kg/Kg)

5 小结

本文利用云南124个气象站逐日最低气温和天气现象(霜)资料，计算最低气温低于－5℃的站点数占全省总站数的比例，选取站点比例超出25%的霜冻事件为云南极端霜冻气候事件。分析了云南极端霜冻气候事件的气候特征及其发生的环流背景。

(1)1974年1月1－7日，1982年12月27－28日以及1999年12月25－27日最低气温低于－5℃的站点数占全省总站数的比例超过25%，定义这三次发生的霜冻事件为云南极端霜冻气候事件。

(2)云南极端霜冻事件发生前气温偏低，云量偏多;霜冻发生时夜间晴朗，辐射散热强烈，气温再度下降，造成严重霜冻灾害。这种霜冻属于混合霜冻或称为平流辐射霜冻，危害严重。

(3)高空冷平流与底层冷高压控制下夜间晴空辐射冷却降温是云南极端霜冻气候事件发生的主要原因。极端霜冻事件发生时空气湿度较发生前小，空气相对干燥。

［1］Meehl G A，Karl T R，Easterlling D R，et al．An introduction to trends in extreme weather and climate events:observations，socioeconomic impacts，terrestrial ecological impacts，and model projections［J］．Bull．Amer．Meteor．Soc.，2000，81(3):413－416．

［2］Easterlling D R，Evans J L，Groisman P Y．et al．Observed variability and trends in extreme climate events:a brief review［J］．Bull．Amer．Meteor．Soc.，2000，81(3):417－425．

［3］秦剑，解明恩，刘瑜，等．云南气象灾害总论［M］．北京:气象出版社，2000．

［4］霍义强，石鲁平，解明恩．“2.25”云南重霜冻天气分析［J］．云南气象，1989(2):10－15．

［5］沈如桂．一次罕见的侵袭云南的强寒潮［J］．气象科技，1975(4):9－10．

［6］秦剑，琚建华，解明恩．低纬高原天气气候［M］．北京:气象出版社，1997．

［7］谢应齐．云南省农业自然灾害区划［M］．北京:中国农业出版社，1995．

［8］王宇．云南省农业气候资源及区划［M］．北京:气象出版社，1990．

［9］潘里娜，王恒康．“99·12”云南低温重霜冻分析［J］．云南气象，2002(1):33－35．

［10］谭应中，高锡帅，黄文龙，等．西双版纳州低温寒害基本特征及减灾对策［J］．中国农业气象，2002，23(2):44－48．

［11］解明恩，程建刚，鲁亚斌，等．云南严重低温霜冻灾害天气个例分析［J］．气象科技，2005，33(3):250－255.