黑龙江省霜冻的气候变化特征和预报指标*

景学义，安晓存，宫沿平，欧娜音

(哈尔滨市气象局，黑龙江哈尔滨150080)

霜冻是一个与农业有重要关系的一种自然现象，它的发生地区几乎遍及全国，并危害多种农作物［1－3］。黑龙江省是全国的粮食基地，松嫩平原和三江平原盛产大豆、小麦、水稻和玉米等大田作物，早霜冻可造成粮食减产，是黑龙江省主要灾害性天气之一。霜冻对农作物的危害，主要是因为它能使作物的某些器官受到损伤，严重的能使作物死亡。作物受害的原因是由于低温可使植物的细胞空隙之间的水分变成冰晶，冰晶又吸取细胞中渗透出来的水逐渐长大，这样不仅消耗了细胞的水分，还因冰晶的逐渐增大，使细胞受到机械压缩而损伤，同时引起蛋白质的沉淀，导致植物死亡。霜冻后如果天气晴朗，气温急剧回升，会造成尚未冻死的植物枯萎，甚至引起死亡，对农作物危害最大。因此，分析研究霜冻分布规律及其发生的气象学条件，将有助于提高霜冻灾害的预测能力，为有效防御霜冻提供科学依据［4］。

本文利用实测资料和历史天气图资料，对1970－2008年黑龙江省霜冻的分布规律、环流特征以及影响天气系统进行了分析，给出了霜冻发生的天气学条件和一些对预报有用的判据。

1 黑龙江省霜冻的标准和种类

霜冻资料以地面最低气温≤1℃或地温≤－1℃作为研究指标，年代从1970－2008年共38年。

霜冻分为三种，平流霜冻、辐射霜冻和平流辐射霜冻。其中由于强冷空气的侵入形成强冷平流而产生的霜冻为平流霜冻;当冷空气控制时夜间晴朗风弱，由于辐射冷却而产生的霜冻为辐射霜冻;由于冷平流降温和辐射冷却共同作用而产生的霜冻为平流辐射霜冻。

在黑龙江省三种霜冻都可出现，大多数情况下为平流辐射霜冻。

2 黑龙江省霜冻的分布特征

2.1 初霜冻的时空分布规律

9月份，黑龙江省自北向南开始出现霜冻，我们统计了1970－2008年38年初霜冻资料。总体来看，北部初霜冻早，南部初霜冻晚，有明显的时间梯度，同纬度山区地带早于平原地带。

初霜冻的平均日期，按时间出现的早晚可分为4个时间段(图1)。

9月20日前，大兴安岭、黑河北部和伊春北部出现初霜冻;9月21－25日，黑河南部、伊春南部、齐齐哈尔北部、绥化北部、哈尔滨北部、齐齐哈尔西部的局部和牡丹江西南部的局部出现初霜冻;9月26－30日，齐齐哈尔中部、绥化南部、哈尔滨市中部和南部、鹤岗中部、佳木斯西部、牡丹江大部、双鸭山西北角、鸡西的西南角、大庆的北部出现初霜冻;10月1日后，鹤岗的中部和东部、大庆的中部和南部、齐齐哈尔的南端、哈尔滨市的中部局部、牡丹江的东南角、鸡西中部和东部、七台河的大部，佳木斯的大部出现初霜冻。

初霜冻出现的最早日期，按时间出现的早晚可分为5个时间段(图2)。

9月1日前:大兴安岭大部、黑河西北部。

9月1－10 日:黑河大部、伊春大部、齐齐哈尔西北和西南部、绥化中部、哈尔滨西南部、齐齐哈尔西部的局部及西北部和牡丹江东部的局部。

图1 1970－2008年黑龙江省平均初霜冻日期

图2 1970－2008年黑龙江省初霜冻出现的最早日期

9月11－15 日:齐齐哈尔中部、绥化东北和西部、哈尔滨市中部和东部、鹤岗大部、佳木斯西部、牡丹江大部、双鸭山东部、鸡西的南部局部、大庆的大部。

9月16－20 日:鹤岗的东南部、大庆的中部局部、齐齐哈尔西北部的局部、哈尔滨市的中部局部、鸡西中部和东部、七台河的东部，佳木斯的东部。

9月20日以后:牡丹江南部的局部。

初霜冻出现的最晚日期，按时间出现的早晚可分为4个时间段(图3)。

10月1日前:大兴安岭北部。

10月1－10 日:大兴安岭南部、黑河大部、伊春东北部、齐齐哈尔北部、绥化中部局部、哈尔滨北部、齐齐哈尔西部的局部和牡丹江西南部的局部。

图3 1970－2008年黑龙江省初霜冻出现的最晚日期

10月11－15 日:齐齐哈尔中部和西部、绥化大部、伊春中南部、哈尔滨市大部、鹤岗中西部、佳木斯西部、牡丹江大部、双鸭山东部、七台河的西部、鸡西的西部、大庆的大部。

10月15日后:鹤岗的东部、大庆的中部和南部、哈尔滨市的局部、牡丹江的东南角、鸡西东部、七台河的东部，佳木斯的东部、牡丹江南部的局部。

2.2 终霜冻的时空分布规律

总体来看，北部终霜冻结束晚，南部终霜冻结束早，有明显的时间和空间差别，同纬度山区地带晚于平原地带。

按终霜冻结束时间的早晚可分为5个时间段(图4)。

图4 1970－2008年黑龙江省平均终霜冻日期

5月10日前，齐齐哈尔的南部、大庆的南部，哈尔滨的局部、鹤岗的南部、佳木斯的东部、鸡西的大部、双鸭山和七台河终霜冻结束;5月10－14日，黑河的逊克、齐齐哈尔中部、绥化的西部、大庆的北部、哈尔滨市的大部、佳木斯的西部、牡丹江大部、鹤岗的北部和西部以及鸡西的鸡东市终霜冻结束;5月15－19日:黑河南部、伊春南部、齐齐哈尔北部、绥化东部、哈尔滨的通河终霜冻结束;5月20－29日:大兴安岭南部、黑河本站及北部和伊春北部终霜冻结束;5月30日以后，大兴安岭北部终霜冻结束。

3 黑龙江省霜冻天气学模型

霜冻的产生都是在一定的大尺度环流背景下，根据霜冻发生前后的天气学条件，黑龙江省霜冻出现的环流形势可分为三种类型。

3.1 超极地路径型

3.1.1 天气形势

亚洲东部环流形势为两槽一脊型，而且比较稳定。高压脊位于100°～120°E，脊前有横槽，槽线或冷涡后部的横槽槽线位于50°N、130°E附近。在120°E附近为高压脊前偏北气流，由60°E伸向40°E或更南，同时高压脊线位于55°N(大兴安岭以北)有一冷中心，等温线形成东－西向锋区，冷空气沿着脊前西北气流由北向南侵袭，锋区由北向东南移动。

地面形势表现为，在120°～125°E、55°N(大兴安岭以北)有闭合的高压，其由北向南移动，高压的闭合线陆续移过并控制黑龙江省大部，在黑龙江省内形成一个高压带，或者有完整的高压环流。

3.1.2 预报着眼点

(1)两槽一脊型稳定，高压脊前偏北气流必须位于120°E附近，不能太偏西或偏东。

(2)脊前的北部必须有一冷中心。

(3)大兴安岭以北有闭合的高压，数值预报地面场预报其由北向南移动。

(4)超极地来的地面高压南移速度快，高压控制时即可出现霜冻。

(5)由于冷气团鲜冷，不变性，同时高压控制天气晴，风小，所以预报700hPa低于－4℃线所控制的地区即可出现霜冻。

(6)此种天气形势一般出现全省大范围霜冻。

3.2 西方路径型

3.2.1 天气过程描述

亚洲东部环流形势有一定的径向度，贝加尔湖到河套以西有一深冷槽(或低涡)，槽线从50°N一直伸向近35°N，其不分股，整体向东移动槽前配合东北－西南向的斜锋区，700 hPa冷中心至少低于－12℃。黑龙江省为弱暖脊控制时低值系统分为两种形式东移:①冷槽(没形成冷涡或无闭合线)东移，降水之后，处在高压控制，风小，当冷空气强度和辐射因子达到一定配合时即可出现霜冻;②冷槽东移进黑龙江省内时切断形成东北冷涡，有时控制2 d，有时形成“涡三天”，冷涡控制时有云或降水，风大出现不了霜冻，当冷涡即将移出，天气转晴，风小受高压控制或等压线稀疏，才能出现霜冻。第一种形式下地面形式表现为庞大的蒙古高压向东南方向移动，产生降水的强低压在黑龙江省1 d左右后移出，转为高压前部控制，然后等压线变成稀疏或转为高压控制时将出现霜冻。第二种形式之下地面形式表现为庞大的蒙古高压向东南方向移动，产生降水的强低压在黑龙江省3d左右后移出，转为高压前部控制，然后等压线变成稀疏或转为高压控制时将出现霜冻。

冷涡比冷槽出现的霜冻晚。西方路径型是最为常见型，易产生全省大范围霜冻。

3.2.2 预报着眼点

(1)西来的深冷槽不能分股，冷槽随主体冷空气一起东移。

(2)西来冷槽必须是深冷槽，700 hPa冷中心强度必须低于－12℃。

(3)冷空气移入时有降水或多云，风力大不易产生霜冻，即将移出时才能产生霜冻。

(4)冷空气即将移出，虽然高空开始升温，但由于辐射条件好，且基础温度值低，有利出现霜冻。

3.3 西北路径型

3.3.1 天气形势

亚洲东部环流形势较平直，贝加尔湖到河套以西有一浅冷槽(或低涡)，槽线从80°～100°E、60°～50°N，东西向锋区在60°～115°N、45°～55°N之间。第一种情况，冷槽东移到黑龙江省时加强，加深转为西方路径型;第二种情况，冷槽沿平直锋区东移不加强，快速东移，冷槽将移出时，降水之后，处在高压控制，风小，当冷空气强度和辐射因子达到一定配合时即可出现霜冻。由于冷空气偏北，霜冻主要出现在黑龙江省北部。

3.3.2 预报着眼点

(1)西来冷槽必须是深冷槽，700 hPa冷中心强度必须低于－12℃。

(2)冷空气移入时有降水或多云，风力大不易产生霜冻，即将移出时才能产生霜冻。

(3)冷空气即将移出，虽然高空开始升温，但由于辐射条件好，且基础温度值低，仍有利出现霜冻。

4 黑龙江省霜冻天气预报

霜冻的预报其实就是温度一种临界值的预报，所有影响温度的气象要素和因子都会影响霜冻的出现，如冷空气的强度、天空状况的云和降水、风、地形和湿度等。表征冷空气的强度可用高空的温度值和冷空气路径;表征辐射的因子为云、降水、风和地形等。地面高压路径和位置是一个综合的表征辐射和冷空气强度的因子。

4.1 冷空气强度对霜冻的影响

冷空气达到一定强度不管什么样的路径和辐射条件都可出现霜冻。据统计和经验，当上空700 hPa的温度低于－16℃时一定出现霜冻。在－16℃到－4℃之间，随着温度变高要求高压路径和地面辐射越来越苛刻。－4℃到－8℃出现霜冻的可能性非常小，必须是北来高压且高压中心控制。

4.2 辐射因子对霜冻的影响

云和降水:有云和降水一般情况下产生霜冻的可能性较小，只有冷空气达到一定强度时才能出现。

风:风力大不易出霜，如果风力大于5级，且冷空气不强时出霜冻的可能性较小。

冷高压:高压中心控制时，大多数风小或静风，天空状况以晴为主，综合辐射条件有利于降温，极易出现霜冻。对于北来高压中心控制时有一定强度的冷空气即可出现霜冻。高压前部控制时由于有一定风力，所以必须冷空气达到一定强度时才能出现霜冻。

4.3 相对湿度因子对霜冻的影响

通过资料分析，近地面层的相对湿度的大小对初霜冻的出现有一定影响，当早晨相对湿度大时，850 hPa 08时的相对湿度大于80%时不易出现霜冻。

4.4 地形对霜冻的影响

黑龙江省山区和平原分界明显，在同样的天气条件下山区夜间辐射降温比平原明显，比平原更易出现霜冻。黑龙江省北部有大兴安岭山脉，东北部有小兴安岭山脉，东南部有长白山系的张广才岭、老爷岭和太平岭。山地夜间因辐射冷却，山坡上的冷空气下沉、停滞形成“冷湖”，哈尔滨市北部和东南部山区、伊春地区的山区均比同纬度的平原容易出现霜冻。冷空气越过大兴安岭山脉进入松嫩平原时由于背风坡使冷气团产生下沉增温，所以当冷空气不强时不利于出现霜冻。

4.5 霜冻预报指标

统计近38年霜冻发生前地面和700 hPa温度变化规律，总结黑龙江省霜冻出现的预报指标如下(表1、表2)。

表1 霜冻预报指标

表2 霜冻预报指标

5 霜冻预报难点

霜冻是由很多要素综合配置而产生的，因此各要素的变化分析和预测及作用成为关键。

(1)当冷空气特别强时霜冻容易预报，而当冷空气强度一般时，就要考虑冷空气的路径，要综合考虑各因子的影响，包括天空状况、风、相对湿度、地形。

(2)根据以往的预报经验，局部的霜冻预报较难。

(3)第1 d出现霜冻后第2 d还是同样的天气形势的霜冻预报容易，因此第1 d的霜冻预报难度大。

(4)冷空气不强时，当其刚进来，由于风大和天空状况多云时，第1 d不易出现霜冻，当冷空气要移出时，虽然高空略升温，但地面风小，天气晴，反而易出现霜冻。

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