1961～2019年贵阳冬季凝冻时空特征与异常成因

严小冬,张 皓,杨 涛,陈 宇,蔡志颖,李忠燕

（1.贵州省气候中心，贵阳 550002；2.贵州省清镇市气象局，清镇 551400；3.贵州省贵阳市气象局，贵阳 550022；4.南京信息工程大学，南京 210044）

引言

凝冻并不是我国冬季特有的天气现象，而一旦发生持续性凝冻极易造成多灾种叠加事件，危害极大，对交通、居民生活健康、通讯电力设施等都有不利影响[1-5]。贵州是我国南方地区凝冻最为严重的省份[6]，同时作为中国南方喀斯特地貌中心，生态环境脆弱，环境承载力低，气候变化敏感[7]。因此分析凝冻气候特征，探讨凝冻发生原因，开展凝冻天气预报在防灾减灾中具有重要意义。在贵州凝冻时空分布特征及成因分析方面，严小冬等[8]把冻雨发生前的高度场和海温场按步长、时间划分同时作为预报因子与冬季冻雨求复相关，发现影响贵州冬季冻雨的最佳预报因子主要集中于高度场和海温场具有重要天气气候意义的关键区域。杜小玲等[9]采用统计分析和插值处理，揭示了贵州冻雨以27°N为中轴线的频发地带分布特征。针对特定年凝冻亦有大量研究成果。王兴菊等[10]认为2008年贵州凝冻的主要原因是西太平洋副热带高压脊线明显偏北、面积偏大、强度偏强等，拉尼娜事件的影响和欧亚阻塞异常偏强以及印缅槽出现持续的大量暖湿空气的向北输送则造成了2011年1月贵州雨凇灾害。白慧等[11]利用区域气候模式RegCM4较为准确的对贵州2008年初凝冻过程大气逆温层垂直结构进行了模拟。李小龙等[12]发现2008年贵州威宁冻雨主要通过碰并形成，特殊的地形使贵州西部冻雨天气的发生机制与我国东部其他低海拔地区的冻雨天气不同。然而针对贵阳市凝冻日数特征的报道较少，已有成果选取数据多到2010年为止。为延续贵阳市凝冻时空特征及异常年成因相关研究，拟对1961～2019年贵阳市8个代表站点冻雨日数距平，进行EOF展开并进行显著性检验，得到贵阳凝冻异常变化的主模态空间分布特征，再采用Mann-Kendall检验、Morlet小波方法对贵阳平均凝冻日数的时间序列进行突变与周期分析，结合位势高度场、海温距平分析，探讨贵阳凝冻异常年的成因，以期通过分析历史资料来揭示贵阳的凝冻气候特征，为地方凝冻灾害防御决策提供科学依据。

1 资料与方法

1.1 资料来源

贵阳市8个地面观测站自1961年12月～2019年2月共59a的雨凇观测资料，数据来源于贵州省气象局信息中心。1961～2019年NCEP/NCAR逐月再分析资料（https://psl.noaa.gov/data/gridded/data.ncep.reanalysis.surface.html），要素包括水平w、v风速、高度场，分辨率为2.5°×2.5°；1961～2019年美国国家海洋和大气管理局重构的第4版海表面温度数据（https://psl.noaa.gov/data/gridded/data.noaa.ersst.v4.html），分辨率为2.0°×2.0°。冬季定义为当年12月～次年2月（如1981年冬季指1981年12月～1982年2月）。气候态为1981～2010年平均。

1.2 研究方法

主要采用了线性趋势分析、EOF（经验正交分解）[13]、Mann-Kendall（曼-肯德尔）分析[14-15]、Morlet小波分析[16]、合成分析和统计t检验等。

2 贵阳市凝冻日数时空变化特征

2.1 贵阳市凝冻日数空间分布

图1a为贵阳市1961～2019年冬季平均凝冻日数分布。如图所示，贵阳市冬季凝冻由西南部向东北部逐渐增多，凝冻日数为5.9～23.4d，凝冻在10d以上的区域分布在清镇东部、修文中东部、贵阳西北部、乌当白云大部、开阳及息烽局部，其中15d以上区域主要分布在开阳，尤其是东北部凝冻达到20d以上。在进行变异强度评价时引入了上海气象科学研究所薛正平等[17]研发的三级评价法：变异系数CV＜10%，弱变异；10%≤CV≤30%，中等变异；CV＞30%，强变异。贵阳市近59年各区县凝冻日数达到强变异，系数为48%，平均凝冻日数10.7d，大部分区域凝冻日数在10d以上。从各月分布来看（图1b～d）凝冻日数均呈现西南低东北高特征，高值区间位于开阳，12月凝冻日数为0.9～3.7d，平均凝冻日数1.6d，变异系数为56%；1月凝冻日数为2.8～11.0d，平均凝冻日数5.2d，变异系数为47%；2月凝冻日数为2.2～8.4d，平均凝冻日数3.8d，变异系数为49%。

图1 1961～2019年贵阳市凝冻日数分布（a.年平均，b.12月平均，c.1月平均，d.2月平均，单位：d）

对贵阳市8个站1961～2019年冬季及其各月凝冻日数的距平场进行EOF展开，结果表明：冬季第一特征向量场在全市呈现一致性正值，由西南向东北逐渐递增，特征向量值分别为0.24～0.49，该模态冬季凝冻日数特征根方差贡献率为86.27%，收敛速度较快，表明1961～2019年贵阳市的凝冻日数变化趋势具有高度的一致性，即全市冬季呈现同增或同减的分布特征，高值中心位于开阳，反映该区域凝冻时间变化大，低值中心位于息烽中部及修文西北部、清镇西部、花溪西南边缘（图略）。

通过贵阳市冬季与各月凝冻日数第一时间系数相关性分析得出，2月与冬季及12月、1月为负相关，其中与1月相关性通过了0.01水平的显著性检验；冬季与12月、1月为正相关，相关系数分别为0.422、0.015，由表1可知冬季与12月凝冻日数第一时间系数相关性通过了0.01水平的显著性检验，说明12月凝冻日数变化趋势同其他各月相比与冬季更为一致。

表1 冬季与各月第一时间系数相关性

2.2 贵阳市凝冻年等级划分

以1961～2019年冬季凝冻日数第一时间系数的±1倍标准差为凝冻强弱年划分依据[18]。基于此选取了10个强凝冻年，分别为1964、1967、1968、1969、1974、1977、1984、2008、2011、2012。同理，图2还给出弱凝冻年 为1963、1987、2017，由于1973、1986、1992、1999、2001、2009、2015年接近1个标准差，也选取它们作为弱凝冻年。

图2 贵阳市1961～2019年凝冻年等级划分

2.3 贵阳市凝冻日数时间演变特征

通过线性趋势分析可知近59a贵阳冬季及12月、2月凝冻日数总体呈下降趋势，1月为上升趋势，趋势系数依次为-0.0964d/10a、-0.0648d/10a、-0.26038d/10a、0.03872d/10a。由图3a可知，1961～1968年贵阳市冬季凝冻日数呈上升趋势，在1963年这种趋势超过了0.05显著水平线，表明冬季凝冻持续时间增长明显。1968年以后持续下降，2014年以后凝冻日数减少趋势明显增强。20世纪70～80年代末贵阳市冬季凝冻日数出现多次突变，经历了2次“降低-升高-降低”的变化，1989年以后未见显著起伏，究其原因发现1988年前后贵州冬季气温存在由低到高的突变转折[19-20]。

图3 1961～2019年贵阳市凝冻日数M-K检验（a.冬季，b.12月，c.1月，d.2月）

由图3b可知，1961～1965年贵阳市12月凝冻日数呈上升趋势，在1963年这种趋势超过了0.05显著水平线，表明12月凝冻持续时间增长明显，1965～1984年波动大，2015年以后凝冻日数减少趋势明显增强。1962、1968、1982、1986、1987、1992、1994、2002、2010、2012年12月凝冻日数出现突变，经历了4次“升高-降低”的起伏。

由图3c可知，1961～1968年贵阳市1月凝冻日数呈上升趋势，在1963年这种趋势超过了0.001显著水平线，表明1月凝冻持续时间增长极显著，1964～1994年凝冻日数波动大，1994年以后呈下降趋势。1965、1968、1979、1993、1996、1998、1999、2006、2009、2012年1月凝冻日数出现突变。

由图3d可知，以1966年为分界点，1961～1966年贵阳市2月凝冻日数呈上升趋势，在1963年这种趋势超过了0.05显著水平线，表明2月凝冻持续时间增长明显；1966年以后凝冻日数持续下降，2013年以后凝冻日数减少趋势明显增强。凝冻日数突变集中在20世纪60～70年代，1991年以后变化平稳，在此期间经历了4次“升高-降低”的起伏。

通过对1961～2019年冬季、12月、1月、2月凝冻日数进行小波功率谱分析可知，贵阳冬季凝冻日数在20世纪70年代存在准8a周期，其中在70年代中期出现准2.5a显著周期，在1980～1990年及2005～2015年出现4a的显著周期（图4a）；贵阳12月凝冻日数9～10a的周期变化最为显著，发生于1961～2015年，另外在1965～1985年存在准5a周期（图4b）；通过图4c可知，20世纪70年代的中后期，贵阳1月凝冻日数周期为准2.5a，21世纪初至2015年以准3～4a变化周期为主；而1961～1972年，贵阳2月凝冻日数出现显著的4a变化周期（图4d）。

图4 1961～2019年贵阳市凝冻日数小波功率谱分析（a.冬季，b.12月，c.1月，d.2月；黑色实线表示通过红噪声检验显著水平α=0.05的区域；黑色虚线以下为边缘效应影响区）；对应的凝冻小波方差谱（e.冬季，f.12月，g.1月，h.2月；实线是计算谱；虚线是红噪音谱）

3 贵阳市凝冻偏强年与偏弱年的成因分析

3.1 凝冻日数与北半球500hPa高度场关系

通过对近59a贵阳冬季凝冻日数与同期北半球500hPa位势高度进行相关分析可知（图5a），贵阳冬季凝冻与同期北半球西伯利亚地区、加拿大-阿拉斯加地区、格陵兰岛的位势高度存在显著正相关，其他地区为负相关，其中赤道中东太平洋海域负相关最为显著。

由北半球强凝冻年、弱凝冻年500hPa高度距平合成场及差值的统计检验可知：强凝冻年北半球高纬度地区格陵兰、北美及乌拉尔山-西伯利亚一带为正距平，对应格陵兰、北美及西伯利亚冷高压（图5b），其余地区为负距平，在蒙古高原、贝加尔湖-鄂霍茨克、阿尔卑斯山地区负距平通过了0.05水平的显著性检验，亚欧大陆的位势高度呈现“北高南低”分布有利于高压脊发展，极涡南压，东亚大槽加深，维持较稳定的经向环流，西北气流携带冷空气南下，构成了西南地区凝冻形成的必要条件；弱凝冻年北半球中高纬地区位势高度场呈现与强凝冻年相反的配置，在高纬度不利于冷空气南下补充（图5c）；强弱年差值合成距平场中（图5d），欧亚大陆中高纬地区表现为“北正南负”的分布形势，强凝冻年东半球欧亚大陆中高纬地区有阻塞高压，经向环流加强西北方向冷空气沿乌拉尔高压脊前向我国输入，贵阳500hPa高度上距平在-20～0hPa，在低槽引领下冷空气影响贵阳。

图5 (a) 凝冻日数与北半球500hPa高度场相关分布 ；(b) 强凝冻年、(c) 弱凝冻年、(d) 强-弱年的北半球500hPa高度场距平合成（网格区域通过了0.05水平的显著性检验）

3.2 凝冻日数与全球海温场关系

白慧等[21]在开展冬季冻雨日数预报模型研究中发现：前期秋季海温异常关键区（赤道中东太平洋）对贵州冬季冻雨日数多寡具有较好的预测指示意义；通过相关性分析得出贵阳凝冻日数与西北太平洋鄂霍茨克海、夏威夷群岛为显著正相关，而东北太平洋、赤道太平洋中东部、东南太平洋、南半球副热带地区的中大西洋、阿拉伯海以及我国的南海、渤海、黄海、东海与贵阳凝冻日数呈显著负相关。

针对凝冻年秋季海温进行距平合成结果如图6所示：强凝冻年夏威夷群岛以东海域、阿留申-阿拉斯加湾为负距平，且通过0.05水平的显著性检验，负距平中心位于阿拉斯加湾；弱凝冻年太平洋海温距平分布与强凝冻年相反；强弱年海温差值距平在西北太平洋为正，中心位于千岛群岛以东，热带印度洋、东南大西洋、赤道中东太平洋、澳大利亚以南海盆至塔斯曼海为负距平，除热带印度洋外其他海域达到了显著水平，负距平中心处于赤道中东太平洋上。已有研究表明海温异常对大气环流影响存在滞后性[19，22-23]，秋季海温偏低引起纬向环流加强[24]，海洋水汽向我国输入，冬季欧亚中高纬地区在高压控制下冷空气随西北风南下，配合中低纬南支系统的异常活跃，可能造成贵阳地区冻雨日数偏多。

图6 (a) 凝冻日数与秋季海温相关分布；(b) 强凝冻年、(c) 弱凝冻年、(d) 强-弱年的凝冻年秋季海温距平合成（网格区域通过了0.05的显著性水平检验）

3.3 凝冻日数与欧亚风场关系

如图7所示，200hPa青藏高原、孟加拉湾及其东北部上空存在明显的辐散中心，30°N附近呈西风异常。850hPa孟加拉湾及周边受异常气旋环流系统控制，云贵高原东北部（贵州中东部）受低空急流影响水汽上升条件较好，偏北强风带的建立南下易于低空冷锋生成，低层大气的热量、水汽和能量累积。高层辐散低层辐合，同时500hPa上南支西风带孟加拉湾低槽较深，槽前强劲的西南气流携带南海和印度洋的水汽沿反气旋式环流输送到云贵高原东北部与来自北方的冷空气交汇，为贵阳凝冻的形成发展提供必要的水汽条件。

图7 欧亚地区 (a) 200hPa、(b) 500hPa、(c) 850hPa风场、散度距平合成差值（网格区域通过了0.05的显著性水平检验，箭头长度表示风速）

4 结论与讨论

本文对贵阳冬季凝冻日数的时空特征及其与北半球500hPa高度场、全球气温场、全球秋季海温场及欧亚水平风场的关系进行了分析，结论如下：

（1）1961～2019年贵阳市冬季及各月凝冻由西南部向东北部逐渐增多，全年凝冻日数为5.9～23.4d，平均凝冻日数10.7d，15d以上区域主要分布在开阳，其东北部凝冻日数达到20d以上。

（2）EOF分析表明1961～2019年贵阳市凝冻日数变化趋势具有高度一致性，通过相关性分析得出冬季凝冻日数第一时间系数与12月为显著性正相关。1961～1968年贵阳市冬季凝冻日数呈上升趋势，1968年以后持续下降，2014年以后凝冻日数减少趋势明显增强，20世纪70～80年代末贵阳市冬季凝冻日数出现多次突变，在1980～1990年及2005～2015年出现4a的显著周期变化。

（3）贵阳冬季凝冻与同期北半球西伯利亚地区、加拿大-阿拉斯加地区、格陵兰岛的位势高度存在显著正相关，在赤道中东太平洋海域为显著负相关。强凝冻年500hPa高度距平合成场欧亚大陆的位势高度呈现“北高南低”分布，强弱年差值距平场欧亚大陆中高纬地区表现为“北正南负”，北半球高纬度地区格陵兰、北美及乌拉尔山-西伯利亚一带为正距平，其余地区为负距平，有利于高压脊发展，极涡南压，东亚大槽加深，维持较稳定的经向环流，西北气流携带冷空气南下，构成了西南地区凝冻形成的必要条件。

（4）贵阳凝冻日数与西北太平洋鄂霍茨克海、夏威夷群岛秋季海温为显著正相关，与东北太平洋、赤道太平洋中东部、东南太平洋、南半球副热带地区的中大西洋、阿拉伯海以及我国的南海、渤海、黄海、东海海温呈显著负相关。强凝冻年赤道中东太平洋秋季海温距平为负，海温偏低引起纬向环流加强，海洋水汽向我国输入，水汽交换增加。

（5）冬季200hPa青藏高原、孟加拉湾及其东北部上空存在明显的辐散中心，850hPa孟加拉湾及周边受异常气旋环流系统控制，以及偏北强风带南下低空冷锋生成，为南海和印度洋的水汽输送到云贵高原东北部与来自北方的冷空气交汇继而造成凝冻创造有利条件。

虽然对贵阳市凝冻日数空间分布、突变与周期变化进行了分析，并根据凝冻强弱年的500hPa位势高度场、温度场、风场合成分析得出了一定结论，但是突变年与强弱年之间关系未进行探讨，针对采用的凝冻强弱年划分标准是否可以借助UF曲线特征进行校对有待于深入研究。对于强弱凝冻年成因，在综合考察厄尔尼诺、拉尼娜事件以及其他气候系统要素的影响外，还应该注意微地貌、植被覆盖等在凝冻日数维持中的作用。因此将气候、生态、植被等多因子融入定量凝冻预报模型，开展凝冻专项气象服务及机理研究任重而道远。