1961—2016年东北地区冬季寒潮事件变化特征及其对区域气候变暖的响应

胡春丽， 李 辑， 郭婷婷， 王婉昭， 王 婷，丁抗抗， 焦 敏， 李 菲

（1.辽宁省生态气象和卫星遥感中心，辽宁沈阳 110166； 2.辽宁省气象信息中心，辽宁沈阳 110166；3.中国气象局沈阳大气环境研究所，辽宁沈阳 110166； 4.沈阳区域气候中心，辽宁沈阳 110166）

0 引言

气候系统变暖仍在持续，极端天气气候事件风险进一步加剧。20世纪50年代以来，观测到的许多变化在几十年乃至上千年都前所未有，主要表现在大气和海洋变暖、积雪减少、冰川萎缩、海平面上升、温室气体浓度增加［1］，会导致极端气候事件发生得更加频繁。寒潮作为一种极端气候事件，是自极地或寒带的寒冷空气向中、低纬度的侵袭活动，在我国冬、春季频繁发生，造成气温急剧下降，并伴有大风和雨雪天气。不仅造成经济损失，也会给农业生产、交通运输和人体健康等带来严重的影响［2-3］。长期以来，国内外众多学者针对寒潮天气过程，从冷空气源地和路径、寒潮机理、气候特征等方面进行了大量研究［4-17］，形成了比较系统和经典的寒潮理论。在气候变暖背景下，随着气象资料的积累和更新，研究发现中国寒潮频次和强度呈现新的变化特征［18-22］，而区域尺度寒潮变化特征各有不同。毛炜峄等［23］分析了1951—2015 年乌鲁木齐市寒潮过程频数及强度气候特征，秋、冬、春季的寒潮过程频数大多在20 世纪50 年代最多。姚永明等［24］研究发现长江中下游地区寒潮的发生随着全球变暖的气候趋势，总体频次减少，有明显的年代际特征。刘宪锋等［25］揭示1960—2013 年内蒙古单站寒潮频次总体呈下降趋势，而1991 年之后呈增加趋势，寒潮主要受北极涛动（AO）、北大西洋涛动（NAO）、冷空气（CA）、亚洲极涡强度指数（APVII）和东亚大槽强度（CQ）控制。

本文根据寒潮国标定义，利用最新的气象资料，研究气候变暖背景下东北地区冬季寒潮变化特征，研究结果有助于深入了解东北冬季气候变化规律，探讨区域气候变化的原因，为未来准确预测寒潮等级、提高气象防灾减灾能力提供科学依据。

1 数据与方法

1.1 数据

本文研究区域行政上包括黑龙江、吉林、辽宁三省，采用的数据由辽宁省气象信息气象档案馆提供的1961—2016 年东北地区164 个地面气象观测站逐日气温、最低气温资料，站点分布均匀，时间序列较长。12 月至翌年2 月为冬季（如1961 年冬季为1961 年12 月至1962 年2 月），常年值采用1981—2010年30年的平均值。

1.2 寒潮等级定义

本文参照中华人民共和国国家标准《寒潮等级》［26］（GB/T 21987—2017），给出寒潮等级判定。寒潮：某地的日最低气温24 小时内降温幅度≥8 ℃或48 小时内降温幅度≥10 ℃，72 小时内降温幅度≥12 ℃，而且该地日最低气温≤4 ℃的冷空气活动。强寒潮：某地的日最低气温24 小时内降温幅度≥10 ℃或48 小时内降温幅度≥12 ℃，72 小时内降温幅度≥14 ℃，而且该地日最低气温≤2 ℃的冷空气活动。超强寒潮：某地的日最低气温24小时内降温幅度≥12 ℃或48 小时内降温幅度≥14 ℃，72 小时内降温幅度≥16 ℃，而且该地日最低气温≤0 ℃的冷空气活动。寒潮日定义为降温过程初终日之间（含初、终日）的天数，即各类寒潮造成的极端低温日数。

1.3 方法

采用线性倾向估计法分析寒潮的变化趋势，蒙特卡洛方法对空间变化趋势进行显著性检验［27］，Mann-Kendell（M-K）检验寒潮的突变特征，Morlet小波［28］分析方法进行周期分析。

1.3.1 Mann-Kendall检验

Mann-Kendall 检验是一种非参数统计方法［27］，假设时间序列数据（x1，x2，…，xn），n为样本数，M-K统计变量S的计算公式为

定义统计变量

若UFk值大于0，表明序列呈上升趋势，小于0则表明呈下降趋势。当超过临界直线时，则表明上升或者下降趋势显著。若两条直线交点。且交点在临界直线之间，那么交点对应的时刻就是突变开始的时间。

1.3.2 相似系数

采用相似系数定量表示两幅图的相似性，计算公式［29］为

式中：cosθ12为两幅图相似程度的定量指标；n为站点数。相似系数数值在-1～1 之间，越接近±1 表示相似性越大，等于±1表示完全正（反）相似。

2 结果与分析

2.1 寒潮的空间分布特征

东北地区各站冬季平均气温与超强寒潮、强寒潮、寒潮出现日数相关程度较小，东北地区164站冬季平均气温与超级寒潮日数（图略）、强寒潮日数（图略）、寒潮日数关系的散点图（图1）表明冬季平均气温偏低的偏冷地区与气温偏高的偏暖区，寒潮日数差异小。从东北地区1961—2016 年寒潮出现总日数空间分布来看（图2），超强寒潮日数区域性较为明显，为4～530 d，其中黑龙江超强寒潮日数中部多，东西少，吉林东部多，西部少，辽宁东北部多，西南部少；高值中心位于吉林东南部靖宇（530 d），该结论与乔雪梅等［30］研究基本一致，低值中心位于辽宁西部和南部、吉林西北部、黑龙江西部和东部部分地区，上述地区超强寒潮出现日数不足30 d，其中黑龙江齐齐哈尔地区甘南站超强寒潮日数为4 d；东北地区强寒潮、寒潮出现日数空间分布与超强寒潮日数相类似，强寒潮、寒潮日数以吉林东南部靖宇为高值中心，出现日数分别为900 d 和1 392 d，黑龙江中部、辽宁东北部出现日数相对偏多，黑龙江、吉林西部出现日数相对较少，低值中心位于黑龙江西部甘南，出现日数分别为19 d 和67 d。计算得到图2（a）和图2（b）、图2（c）的相似系数为0.99和0.96，可见超级寒潮、强寒潮、寒潮相似性较高，表明超强寒潮偏多（少）的地区，强寒潮、寒潮同样偏多（少）。

图1 东北地区164站冬季平均气温与寒潮日数的关系Fig.1 Relationship between winter average air temperature and cold wave days at 164 stations in Northeast China

由以上分析可见，东北地区超级寒潮、强寒潮、寒潮日数空间分布相似，东部山区超级寒潮、强寒潮、寒潮出现日数最多，位于内陆地区为最少；超级寒潮、强寒潮、寒潮的空间分布与海陆、地形分布有一定的关系，高海拔地区相对偏多，低海拔和平原相对偏少，大兴安岭、小兴安岭和长白山属于三种类型寒潮发生日数较多地区，松辽平原和三江平原寒潮发生日数最少。三种类型寒潮分布特点与寒潮路径决定，我国冷空气从东、中、西三条路线进入时，大兴安岭和长白山西侧受到影响最大，大兴安岭东侧松辽平原由于焚风效应及海拔低的因素影响，冷空气逐渐变性，影响程度逐渐减少减弱；三江平原受区域气候影响及小兴安岭和长白山对冷空气阻滞作用，寒潮影响较弱，发生日数最少。

2.2 寒潮的时间演变规律

1961—2016 年东北地区冬季超强寒潮、强寒潮、寒潮日数均呈减少趋势（图3）。其中超强寒潮、强寒潮减少趋势显著，超级寒潮自20 世纪80 年代初期开始减少，减少速率为1.9 d·（10a）-1，减少趋势系数为-0.35，通过了0.01显著性水平检验，同时也是3 个等级寒潮减少速率最大的，2007 年达到最小值。强寒潮以1.3 d·（10a）-1的速率呈显著减少趋势，并通过了0.05 显著性水平检验。20 世纪80 年代末期到90 年代为比较明显的偏少时段，21 世纪00 年代以后呈明显地波动变化。寒潮以0.5 d·（10a）-1的速率呈显著减少趋势，未通过0.05显著性水平检验。从年代际变化来看，三者均在20世纪60年代到90 年代初期相对偏多，20 世纪90 年代中期开始进入一个相对偏少的时段，21世纪00年代中期以后有所增加。超强寒潮和强寒潮、强寒潮和寒潮、超强寒潮和寒潮三者相关系数分别0.77、0.78、0.69，表明寒潮偏多（少）年份，超级寒潮、强寒潮偏多（少）。

图3 1961—2016年东北地区超强寒潮、强寒潮、寒潮日数年际变化Fig.3 Interannual changes of super-strong cold wave days，strong cold wave days and cold wave days in Northeast China during 1961—2016

1961—2016 年东北地区寒潮站次（超强寒潮、强寒潮、寒潮）均呈减少趋势（图4）。超强寒潮、强寒潮、寒潮站次分别以32.9 站次·（10a）-1、43.3 站次·（10a）-1、51.7 站次·（10a）-1的速率减少，趋势系数分别为-0.386、-0.305、-0.235，超强寒潮和强寒潮减少速率通过了0.01、0.05显著性水平检验。从年代际变化来看，三者均在20 世纪60 年代到70 年代末期相对偏多，1980 年开始进入一个相对偏少的时段，2007 年达到极端最少值，21 世纪00 年代中期以后有所增加，但是长期下降趋势没有改变［31］。其中，超强寒潮站次最少5 年分别为2007 年、2011 年、1983 年、1994 年、2003 年，均发生在20 世纪80 年代后，最多5 年为1970 年、2000 年、1978 年、1971 年、1965年，大部分发生在20世纪80年代前。

图4 东北地区1961—2016年超强寒潮、强寒潮、寒潮站次年际变化Fig.4 Interannual changes of super-cold wave station-times，strong cold wave station-times and cold wave station-times in Northeast China during 1961—2016

超强寒潮和强寒潮、强寒潮和寒潮、超强寒潮和寒潮三者相关系数分别0.97、0.97、0.91，表明寒潮站次偏多（少）年份，超级寒潮、强寒潮站次偏多（少）。

2.3 寒潮的周期特征

使用Morlet 小波分析方法，分析东北地区三种类型寒潮站次和日数的周期特征（图5 给出了超强寒潮站次和寒潮日数）。小波分析表明，超强寒潮日数、超强寒潮站次、强寒潮日数、强寒潮站次、寒潮日数、寒潮站次的周期性特征很明显，在整个分析时段内存在明显的周期性变化。超强寒潮日数、强寒潮日数、寒潮日数分别在1977—1994 年、1970—1992 年和1970—2000 年有3 a 左右周期，在2000—2014 年、2004—2014 年和2002—2014 年有4～5 a左右周期；超强寒潮站次、强寒潮站次、寒潮站次分别在1972—1992 年、1972—1998 年、1972—2000 年有3～4 a左右周期，均在21世纪00年代以后有4～5 a左右周期。

图5 东北地区寒潮周期特征Fig.5 Periodic characteristics of cold wave in Northeast China：super-cold wave station-times（a）and cold wave days（b）

2.4 寒潮与气候变暖的关系

2.4.1 冬季气温变化

气温平均值的增加和气温变率的增加都会对极端气温事件产生影响［32］。气候变暖伴随着最高及最低气温的增温，最高气温和最低气温的平均值会发生改变，寒潮也会发生相应地改变，进而影响到寒潮出现的日数和站次。随着气候变暖，发现东北平均气温呈显著的增温趋势，分析1961—2016年东北冬季气温的空间变化趋势（图6），全区100% 站点呈现增加趋势，66% 的站点通过了0.05 显著性水平检验，37% 的站点通过了0.01 显著性水平检验，15% 的站点（黑龙江省2 个站、吉林省8 个站、辽宁省10 个站）通过了0.001 显著性水平检验，增温最显著区域主要位于吉林东南部、辽宁西部和辽宁东北部地区，其中吉林二道站和辽宁本溪站趋势系数0.55 以上。黑龙江、吉林、辽宁分别有37%、35%、24% 站点增温不显著，低值中心位于黑龙江西部（泰来站趋势系数0.09）和吉林西部地区（农安站趋势系数0.03）。

图6 东北地区气温变化趋势系数的空间分布Fig.6 Spatial distribution of air temperature trend coefficients in Northeast China

图7给出1961—2016 年东北地区冬季平均气温的Mann-Kendall 突变检验。 可见，UF 曲线在1972 年以后均大于0，且在1987 年以后突破临界线，表明1972年以来东北地区冬季平均气温呈上升趋势，且1987年以后上升趋势显著。UF和UB 曲线在1981 年左右出现交点，且交点在临界线之间，说明1981 年为东北地区冬季平均气温发生新突变的时间，该结论与前人基于1961—2007年东北气温资料计算结果不一致［33］。利用本文处理的冬季1961—2007 年气温资料，得到突变点为1986/1987 年，结论与已有研究相同［33］，资料延长至2016 年，突变点为1981年，东北地区冬季气温突变点发生漂移。

图7 东北地区冬季平均气温的Mann-Kendall检验Fig.7 Mann-Kendall test of average winter air temperature in Northeast China

2.4.2 寒潮对气候变暖的响应

分析1961—2016 年东北地区气温与寒潮的相关系数，超强寒潮、强寒潮、寒潮日数与冬季平均气温均是显著的负相关，相关系数系数为-0.318、-0.246、-0.220，其中超强寒潮与气温相关性均通过了0.05显著性水平检验，这说明寒潮事件与东北地区气候变暖密切相关。使用Mann-Kendell 方法对东北地区冬季平均气温分析发现1981 年发生了突变，将1961—2016 年分为1961—1981 年和1982—2016 年两个时段，分别统计两个时段寒潮的发生日数，站次（表1）。可见气候变暖后超强寒潮日数、超强寒潮站次、强寒潮日数、强寒潮站次、寒潮日数、寒潮站次一致减少。

表1 气候变暖前后的寒潮日数和站次Table 1 Number of cold wave days and station-times during 1961—1981 and 1982—2016

根据气候暖期减冷期寒潮日数差值空间分布（图8），黑龙江中部地区超强寒潮、强寒潮、寒潮暖期较冷期偏多0.2～0.6 d、0.1～1.5 d、0.1～3.2 d，主要位于冬季气温增暖不显著区域，其他地区寒潮暖期较冷期偏少为主，超强寒潮偏少中心主要位于黑龙江的东南部、吉林的东部、辽宁的东南部地区，其中辽宁抚顺新宾站偏少4.3 d。强寒潮、寒潮冷暖期差值空间分布形式与超强寒潮大致相同，暖期偏少，日数较大值依然分布在吉林东部和辽宁东北部地区；强寒潮暖期较冷期偏少，最大值出现在辽宁本溪站，为-5.3 d，寒潮的最大差值出现在吉林柳河站，为-4.3 d。

图8 东北地区气候变暖前后寒潮日数差值的空间分布Fig.8 Spatial distribution of number differences of cold wave days before and after climate warming：super-strong cold wave（a），strong cold wave（b）and cold wave（c）

3 结论

本文根据《寒潮等级》国家标准，对东北地区1961—2016 年寒潮事件的气候变化特征进行了分析，结论如下：

（1）东北地区冬季三种类型寒潮日数空间分布相似，吉林东部长白山高海拔地区寒潮日数最多，三江平原受区域气候影响及小兴安岭和长白山对冷空气阻滞作用，寒潮发生日数最少，该结论与寒潮实际发生情况相吻合。

（2）1961—2016 年东北地区冬季三种类型寒潮日数、站次均呈减少趋势；从年代际变化来看，三者均在20 世纪60 年代到70 年代末期相对偏多，1980年开始进入一个相对偏少的时段，21世纪00年代中期以后有小幅度增加，但其幅度明显小于80年代减少幅度，即进入21 世纪以来寒潮频次有所增加，但是长期下降趋势没有改变。

（3）东北地区冬季三种类型寒潮日数和站次存在明显的周期性变化，21 世纪00 年代前以3 a 左右周期为主，00年代前后以5 a左右周期为主。

（4）1961—2016 年东北大部地区冬季升温显著，检测到的突变时间为1981 年，变暖后三种类型寒潮日数和站次明显减少，吉林东部和辽宁东北部减少最为明显。东北冬季气温突变时间为1981年，前人研究资料截止至2007年，东北冬季气温的突变时间为1986/1987 年，资料的延长致使突变时间发生了漂移，新的气候突变时间与冬季气温主要影响环流因子的年代际转折可能存在一定的联系，也有待于未来进一步研究。