近40 a铜仁市凝冻气候特征及其异常年成因分析

张丹丹，严小冬，张李娟，黎 荣，许文亚

(1.贵州省铜仁市碧江区气象局，贵州 铜仁 554300；2.贵州省气候中心，贵州 贵阳 550002；3.贵州省铜仁市气象局，贵州 铜仁 554300；4.贵州省德江县气象局，贵州 德江 565200)

0 引 言

凝冻是贵州山区常见的气象灾害。凝冻也称冻雨，是贵州主要灾害性天气之一，冬季北方冷空气的不断入侵，长时间的阴雨连绵低温天气导致贵州凝冻灾害事件发生。特别是2008年铜仁市出现的历史罕见的凝冻灾害事件，对交通运输、供电、通讯等造成了巨大的损失，因此对铜仁市凝冻气候变化特征开展研究，能为凝冻灾害事件的评估提供基础服务，同时也能为铜仁市凝冻灾害天气的预测预报提供参考，能够更好的开展凝冻灾害气象服务。

国外学者对冻雨的研究起步较早，Brooks等[1]很早就对冻雨形成的条件进行了研究，冻雨常发生在近地面气温0 ℃左右条件下，Cortinas等[2]发现地形和水汽是美国冻雨形成的关键，对冻雨的时空特征方面也有比较全面研究。国内学者从天气气候、预测预报方法、冻雨个例等方面对冻雨的发生机制等进行了大量研究，宗志平等[3]、赵美艳等[4]、杨贵名等[5]通过对2008年大范围低温凝冻天气凝冻分析,揭示了逆温层高度是冻雨发生的重要参考指标，静止锋的位置决定着贵州凝冻的范围，张智等[6]又从冻雨的微物理特征研究表明贵州冻雨的出现均有静止锋系统，白慧等[7]从高空环流及海温异常方面出发，指出ENSO事件是贵州冬季冻雨的重要外强迫因子，海温异常对贵州冬季凝冻具有很好的预测指示意义，严小冬等[8]对贵州冻雨气候特征进行研究，指出贵州雨凇空间分布不均，集中在贵州西北部及海拔较高地区，冬季冻雨存在准4 a的年际变化，总体呈现减弱的趋势。本文主要对铜仁市1978—2020年近40 a雨凇日数据进行研究，统计铜仁凝冻基本特征，建立铜仁市冬季凝冻事件数据库，着重分析铜仁市冬季凝冻时空分布特征，划分铜仁市强弱凝冻年,并从500 hPa高度场和海表面温度两方面分析铜仁市异常凝冻年的成因。本文建立了冬季凝冻事件个例库，方便以后学者查阅了解近40 a铜仁市冬季凝冻的详细信息，同时研究结果为今后铜仁市冬季凝冻预测指标的研究奠定了基础。

1 数据与方法

1.1 数据

由贵州省气象信息中心提供的1978年1月—2020年2月铜仁市10个国家站的逐月雨凇日数据。

1978—2020年NCEP/NCAR逐月再分析资料，500 hPa高度场，分辨率为2.5°×2.5°；1978—2020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，分辨率为2.0°×2.0°。

1.2 方法

本文的冬季指每年12月—次年2月，运用统计学方法对1978—2020年铜仁市10个国家站逐月雨凇日数进行统计，分析近40 a铜仁市冬季凝冻基本气候特征。按照《贵州省气象灾害的划分标准》对一次凝冻过程进行定义，即同时出现日平均气温≤1 ℃、日最低气温≤0 ℃以及日雨量≥0 mm，并持续≥3 d(其中第4 d起允许间断1 d日最低气温为0.1～0.5 ℃或无雨)且至少有1 d出现凝冻天气现象，根据单站凝冻分级标准，分轻级、中级、重级、特重级建立铜仁市冬季凝冻事件个例库。

将1978—2019年共42 a铜仁市逐月雨凇日数处理为逐年雨凇日序列，计算出年雨凇日的平均值和标准差，定义序列值>平均值与标准差之和为强凝冻发生年，序列值<平均值与标准差之差为弱凝冻发生年，定义强凝冻发生年为异常凝冻年。

对1978—2019年铜仁市逐年冬季雨凇日数运用EOF分析方法进行展开分析，计算方差贡献率，对特征值运用North检验方法进行显著性检验，分析铜仁市冬季凝冻时空分布特征。

2 凝冻特征分析

2.1 铜仁市凝冻基本特征

1978年1月—2020年2月铜仁市雨凇日共出现1 483 d(表1)，万山站出现1 088 d(占铜仁市73.4%)，铜仁市雨凇集中出现在12月、1月和2月，仅万山站在11月、3月出现过雨凇，所以铜仁市雨凇集中出现在冬季，由此本文主要对铜仁市冬季凝冻进行研究。近40 a铜仁市10个国家站年平均雨凇天数在0.17～25.9 d之间，铜仁市东南部万山、南部江口、玉屏出现雨凇天数较多，其中万山年均雨凇天数长达25.3 d。冬季雨凇日数与地理位置关系密切，除万山外铜仁市其余9个观测站海拔高度在400～600 m之间，万山观测站海拔884.3 m，导致其观测到的雨凇日数是铜仁其他观测站的10倍以上。

表1 1978—2020年雨凇日统计表(单位：d)Tab.1 Statistics of glaze days from 1978 to 2020(Unit∶d)

2.2 铜仁市冬季凝冻的时空特征

将1978—2019年铜仁市10个国家站冬季逐年雨凇日数据处理为距平序列，对序列进行EOF展开分析，探索近40 a铜仁市冬季雨淞的时空分布特征。研究结果表明，前4个特征值的累积方差贡献率为98.61%(表2)，前2个特征值累积方差贡献率达95.87%，第一、第二特征值通过了North显著性检验。

表2 近40 a铜仁市冬季雨凇日前4模态特征向量方差贡献Tab.2 variance contribution of the first four modal eigenvectors of winter glaze in Tongren in recent 40 years

第一特征值代表的模态1的方差贡献率为78.03%远高于其他模态，所以模态1是铜仁市冬季雨凇日的主要分布类型(图1)。模态1的特征值均为正值，表明近40 a铜仁市各区县冬季出现雨凇日的高度一致性。空间分布图上颜色较深为高值区表示出现雨凇日较多，颜色浅的为低值区表示出现雨凇日较少，高值区在东南部(万山)，弱高值中心在中南部(江口)和南部(玉屏)，低值区在西北部(沿河、德江)，所以铜仁市冬季雨凇日由西北向东南方向逐渐增加。对模态1时间系数做线性拟合，近40 a铜仁市冬季雨凇日有下降的趋势，但不明显，没有通过显著性水平α=0.05的显著性检验。

图1 近40 a铜仁市冬季雨凇日第1模态时间和空间分布图Fig.1 Time and space distribution of the first mode of winter glaze day in Tongren in recent 40 years

2.3 铜仁凝冻事件个例库

按照《贵州省气象灾害的划分标准》对凝冻过程进行定义，本文收集了1978—2019年共42 a铜仁市冬季凝冻过程，并按站名、过程出现次数、过程出现起止日期、过程平均气温、过程最低气温、过程累积降水量6个要素，分轻级(2～3 d)、中级(4～5 d)、重级(6～9 d)、特重级(10 d以上)建立铜仁市冬季凝冻事件个例库。根据统计，近40 a年铜仁市冬季共出现164次凝冻天气过程，其中万山出现128次是铜仁市冬季凝冻事件总数的78%，近40 a铜仁市西北地区沿河没有出现凝冻天气过程、德江仅出现2次，中部思南仅出现1次、印江仅出现5次、松桃出现2次，西南部石阡仅出现3次，东南部是铜仁市冬季出现凝冻较严重地区，总的来说铜仁市冬季凝冻事件由西北向东南方向逐渐增强(图2)。

图2 近40 a铜仁市冬季凝冻事件空间分布图Fig.2 spatial distribution of winter freezing events in Tongren in recent 40years

按照凝冻级别进行统计，近40 a铜仁市冬季轻级凝冻出现32次，中级凝冻出现77次，重级凝冻出现38次，特重级凝冻出现17次(表3)，铜仁市冬季多出现4～5 d的中级凝冻过程，是所有级别凝冻过程的47%，铜仁多在12月下旬开始出现凝冻事件，铜仁冬季凝冻事件最早出现时间是1997年12月2日的万山站，2008年冬季石阡、江口、玉屏、碧江、万山等5个区县出现特重级凝冻天气过程，其中万山持续天数长达22 d，最低气温低至-8 ℃，累积降雨量达79 mm。

表3 近40 a铜仁市冬季出现凝冻事件次数统计表Tab.3 Statistics of freezing events in winter in Tongren in recent 40 years

2.4 铜仁强弱凝冻年及异常凝冻年成因分析

2.4.1强弱凝冻年 按照前文强弱凝冻年定义方法，研究1978—2019年铜仁市强弱凝冻年和异常凝冻年。结果表明，近40 a铜仁市平均年雨凇日为35 d，平均值与标准差之和为59 d，平均值与标准差之差为12 d，由图3可知其中有7 a为强凝冻年，仅有1999年、2017年为弱凝冻年，强凝冻年即异常凝冻年为1981年、1984年、1985年、2008年、2011年、2012年、2018年。

图3 近40 a铜仁市凝冻强弱年变化曲线图Fig.3 annual variation curve of freezing strength in Tongren in recent 40 years

根据本文凝冻事件个例库统计分析表明，7个异常凝冻年共发生42次凝冻天气过程，是近40 a铜仁市凝冻过程的1/4，除万山1985年、2018年12月最早出现凝冻过程外其余地区均在1月最早出现凝冻过程，凝冻过程平均温度在0～-4.9 ℃之间，凝冻过程最低温度在-0.6～-8 ℃之间，过程降雨量在1.7～79 mm之间。

2.4.2异常凝冻年的成因分析 利用1978—2020年500 hPa高度场逐月再分析资料和秋季海表面温度数据对异常凝冻年的成因进行了初探。

对1978—2020年冬季500 hPa高度场和铜仁市雨凇日数距平序列进行相关性分析，通过了α=0.05的显著性检验，由图4a可知在乌拉尔山以东、巴尔什湖以北呈正相关，在30°N以北内蒙古附近呈负相关。对前文分析出的7个异常凝冻年冬季500 hPa高度场距平序列进行合成分析，由图4b可知在乌拉尔山以东、巴尔什湖以北有很明显的正距平中心，距平中心强度达60 hPa以上，在40°N附近我国内蒙古地区有明显的负距平。由以上分析表明，欧亚大陆500 hPa高度场中高纬出现北高南低的异常环流，即乌拉尔山以东、巴尔什湖以北有阻塞高压，在东亚内蒙古地区有低槽，是铜仁市异常凝冻年的主要环流形势。

图4 (a)近40 a冬季500 hPa高度与雨凇日相关性分布图、(b)铜仁市异常凝冻年500 hPa高度距平场Fig.4 (a) Correlation distribution of winter 500 hPa height and glaze day in recent 40 years(b) 500 hPa height anomaly field in Tongren abnormal freezing year

根据白慧等[7]研究结果秋季海温异常对贵州冬季凝冻具有很好的预测指示意义，选用1978—2020年秋季海表面温度和铜仁市冬季雨凇日数距平序列进行相关性分析，通过了α=0.05的显著性检验，图5a发现秋季赤道太平洋Nino3.4区海温与铜仁市凝冻呈负相关。对7个异常凝冻年秋季海表面温度进行分析，由图5b可知在赤道太平洋Nino3.4区有明显的负距平中心，负距平中心强度在-0.8°以下，且统计近40 a铜仁市7个异常凝冻年中6个异常凝冻年均是在LaNina年后出现，只有1981年例外，表明秋季赤道太平洋Nino3.4区的海温异常偏低是铜仁市异常凝冻年发生的重要影响因子。

图5 (a)近40 a秋季海温与雨凇日相关性分布图、(b)铜仁市异常凝冻年海温距平场Fig.5 (a) Correlation distribution of autumn SST and glaze days in recent 40 years(b) Anomaly field of SST in abnormal freezing year in Tongren

3 结果与讨论

通过1978—2020年铜仁市凝冻数据、高度场再分析和海表面温度资料，综合分析得出如下结果：

①近40 a铜仁市雨凇日共出现1 483 d，万山站出现1 088 d(占铜仁市73.4%)，铜仁市雨凇集中出现在12月、1月和2月。近40 a铜仁市10个国家站年平均雨凇天数在0.16～25.3 d之间，铜仁市冬季雨凇日东南部(万山)出现最多，中南部(江口)和南部(玉屏)出现较多，在西北部(沿河、德江)出现最少，铜仁市冬季雨凇日由西北向东南方向逐渐增加，近40 a铜仁市冬季雨凇日有不明显的下降趋势。

②近40 a年铜仁市冬季共出现164次凝冻天气过程，轻级凝冻出现32次，中级凝冻出现77次，重级凝冻出现38次，特重级凝冻出现17次，其中万山出现128次是铜仁市冬季凝冻事件总数的78%，铜仁市冬季多出现4～5 d的中级凝冻过程，多在12月下旬开始出现凝冻事件，最早出现时间是1997年12月2日的万山站， 其中2008年出现持续时间最长影响范围最大的特重级凝冻天气过程。

③近40 a铜仁市强凝冻年共出现7 a，1999年、2017年为弱凝冻年，强凝冻年即异常凝冻年为1981年、1984年、1985年、2008年、2011年、2012年、2018年。异常凝冻年共发生42次凝冻天气过程是近40 a铜仁市凝冻过程的1/4，过程平均温度在0～-4.9 ℃之间，凝冻过程最低温度在-0.6～-8 ℃之间，过程降雨量在1.7～79 mm之间。

④秋季赤道太平洋Nino3.4区的海温异常偏低，500 hPa高度场在欧亚大陆中高纬出现北高南低的异常环流，即乌拉尔山以东、巴尔什湖以北有阻塞高压，在东亚内蒙古地区有低槽，中低层存在逆温层，配合低纬暖湿气流的输送是铜仁市异常凝冻年的主要成因。下一步将对异常凝冻年的成因进行更深入的研究，寻找铜仁市异常凝冻年的预测指标。