2000年以来中国冰冻天气评估研究

李坤玉，赵鲁强，王 铸

(1.中国气象局 国家气象中心，北京100081；2.中国气象局 公共气象服务中心，北京100081)

冰冻天气，也叫凝冻天气，是一种气象灾害。研究表明局部性冰冻天气易造成农业冻害、电线覆冰等次生灾害[1]。区域性大范围的冰冻天气，会形成冰冻灾害链，对交通、电力、通讯、农业、林业、畜牧业及城市运行、群众生活等方面产生极大影响。冻雨(即雨凇、凝冻)是中国冰冻灾害的主要成灾因子，本研究中的冰冻天气主要是指冻雨天气。2000年以来中国发生过多次较大范围的区域性冰冻天气，尤其是云南、贵州、湖南和江西等地极易出现冰冻灾害。2008年南方地区出现历史罕见低温雨雪冰冻天气，1亿多人受灾，直接经济损失超过1 100亿元。2011年1月，南方地区又连续遭遇多次较强的低温冰冻天气侵袭，约1 800万人受灾。因此，对冰冻天气的影响程度做出客观、科学的评估，可以提高此类天气的防御能力，达到防灾减灾目的。

近年来，学者们对冰冻天气灾害评估进行了大量的研究，如顾婷婷等[2]从致灾因子、承灾体和历史高速公路交通事故特征3方面，对浙江省高速公路低温雨雪冰冻灾害进行评估；杨静等[3]基于冰冻持续时间、降水持续时间、日平均降水量和日平均气温4个因子，采用灰色关联度方法构建了一种影响公路交通的冰冻强度综合指标；万素琴等[4]使用连续雨雪日数、雨雪总量、日平均气温小于等于0.5 ℃的连续日数、过程平均气温和极端最低气温5个要素，建立了湖北省低温雨雪冰冻综合过程指数计算模型；毛淑君等[5]采用日最高气温、日最低气温、相对湿度和日照时数4种气象要素，给出中国南方地区低温雨雪冰冻的风险区划；万锦栓等[6]从致灾因子危险性、孕灾环境敏感性、承灾体易损性和抗灾能力4个方面，构建了湖南省冰冻灾害风险区划综合评估模型；梁钊扬等[7]根据过程降温幅度、低温持续时间、最低气温等因子评估了粤中西部低温雨雪冰冻天气。

综上，现有成果的研究区域局限在部分地区或个别省(市)，研究对象也主要针对区域性冰冻天气过程。笔者在考虑气象业务实施的前提下，基于气温、持续时间和范围3个要素构建中国区域的冰冻评估模型，对区域性冰冻天气过程和某一日的冰冻天气影响程度均可进行评估研究，以期为更好地开展冰冻天气灾害防御提供依据。

1 资料与方法

1.1 资料来源

气象资料来源于2000—2019年国家级气象观测站(简称国家站)的地面天气实况观测资料，气候背景资料为20世纪70年代至90年代国家气象信息中心整编的国家站日平均气温观测资料的30年气候平均值。国家站包括国家基准气候站、国家基本气象站和国家一般气象站，研究范围为中国区域。

1.2 研究方法

冰冻天气评估分为区域性冰冻天气过程(简称冰冻天气过程)评估和某一日的冰冻天气(简称单日冰冻天气)评估2个方面。借鉴文献[8]的研究成果和相关历史资料，在某一天气过程影响时，若同一时段内有5个或5个以上相邻的国家站出现冰冻天气，则定义为一次冰冻事件；若一次冰冻天气事件的持续时间为2天及以上，则定义为一次冰冻天气过程；若一天内有5个或5个以上相邻的国家站出现冰冻天气，则定义为一个冰冻日。对于某国家站，与其距离小于200 km的国家站，则定义为相邻站。笔者基于上述冰冻天气过程和冰冻日的定义，开展冰冻天气评估分析。

李坤玉等[9]研究了冰冻天气气象条件和灾害损失的相关关系，指出冰冻天气灾害对平均气温最敏感，平均气温越低，低温持续时间越长，影响范围越广，冰冻天气灾害损失越大。叶成志等[10]研究指出日平均气温对于冰冻强度具有重要影响。因此，笔者选取日平均气温、持续时间和影响范围作为冰冻天气的强度指标。由于冰冻天气评估各指标的量纲不同，为消除各指标间的量纲差异，采用式(1)对各指标数据进行标准化处理，将所有数据转化为标准化的无量纲指标数据X′。

(1)

2 冰冻天气过程评估

2.1 冰冻天气过程综合强度指数和等级划分原则

冰冻天气过程综合强度评估主要包括持续时间、影响范围和强度(平均强度和峰值强度)3个评价指标，选用日平均气温作为强度指标。冰冻天气过程综合强度指数(comprehensive strength index of freezing weather process，CSIFWP)的定义如式(2)所示，是对过程持续时间(N)、过程影响范围(A)、过程极端气温强度(TQ)、过程平均气温强度(TL)进行标准化处理后，再加权求和。

CSIFWP=N+A+TQ+TL

(2)

(3)

(4)

其中，TK为过程第K天的日平均气温。

由于气象资料样本长度有限，限制了统计量的代表性，故引入百分位等级划分原则。即将一组数据排序，计算相应的百分位，再按照所处百分位区间来对应其相应的等级。根据冰冻天气过程综合强度指数，将冰冻天气过程由强至弱按比例划分为4个等级：极端冰冻天气过程(占10%)、重度冰冻天气过程(占20%)、中等强度冰冻天气过程(占40%)和轻度冰冻天气过程(占30%)。

2.2 冰冻天气过程综合强度等级划分标准

经过识别，2000—2019年中国共出现66次冰冻天气过程，其发生频次逐年变化情况如图1所示。根据等级划分原则，2000—2019年共包括7次极端冰冻天气过程、13次重度冰冻天气过程、26次中等强度冰冻天气过程和20次轻度冰冻天气过程。冰冻天气过程等级划分如表1所示。

图1 2000—2019年中国冰冻天气过程频次的逐年变化图

表1 2000—2019年中国冰冻天气过程及等级划分

续表1

因此，冰冻天气过程综合强度指数阈值划分标准为：极端冰冻天气过程(CSIFWP≥2.43)；重度冰冻天气过程(0.53≤CSIFWP<2.43)；中等强度冰冻天气过程(0.53≤CSIFWP<2.43)；轻度冰冻天气过程(CSIFWP<-1.13)。

3 单日冰冻天气评估

3.1 单日冰冻天气综合强度指数和等级划分原则

单日冰冻天气综合强度评估主要包括影响范围和强度2个评价指标，选用日平均气温作为强度指标。单日冰冻天气综合强度指数(comprehensive strength index of freezing day,CSIFD)的定义如式(5)所示，是对单日影响范围(AK)和单日气温强度(TK)进行标准化处理后，再加权求和。

CSIFD=AK+TK

(5)

式中：AK为第K天冰冻天气影响面积；TK为第K天的日平均气温。

同样引入百分位等级划分原则，根据单日冰冻天气综合强度指数，将单日冰冻天气由强至弱按比例划分为4个等级：特强冰冻日(占10%)、强冰冻日(占20%)、中等强度冰冻日(占40%)和弱冰冻日(占30%)。

3.2 单日冰冻天气综合强度等级划分标准

经过识别，2000—2019年中国共出现358个冰冻日。根据等级划分原则，共包括36个特强冰冻日、72个强冰冻日、143个中等冰冻日和107个弱冰冻日。单日冰冻天气等级划分如表2所示。因此，单日冰冻天气综合强度指数阈值划分标准为：特强冰冻日(CSIFD≥1.909 4)；强冰冻日(0.508 0≤CSIFD<1.909 4)；中等强度冰冻日(-0.809 7≤CSIFD<0.508 0)；弱冰冻日(CSIFD<-0.809 7)。

4 评估结果分析

4.1 冰冻天气过程对应天气事件

根据冰冻天气过程等级划分原则，识别出的极端冰冻天气过程、影响范围较大的重度和中等强度冰冻天气过程均有相对应的天气事件。

在极端冰冻天气过程中，综合强度排名第1的是2008年1月中旬至2月中旬“历史罕见低温雨雪冰冻灾害肆虐南方”，排名第2的是2011年1月中下旬南方多地遭受低温雨雪冰冻灾害，排名第3的是2011年1月上旬南方多地遭受低温雨雪冰冻灾害，排名第4的是2014年2月4日至中旬南方大部地区出现持续低温雨雪冰冻天气，排名第5的是2013年1月上旬南方持续低温阴雨雪天气，排名第6的是2010年2月中旬受寒潮影响中东部地区出现的多雨雪天气，排名第7的是2012年1月18日至下旬南方地区多阴雨雪天气，贵州、云南、湖南等地出现冻雨。

表2 2000—2019年中国冰冻日及等级划分

在影响范围较大的重度冰冻天气过程中，排名第8的是2009年11月15日至20日南方地区低温雨雪天气，排名第9的是2009年11月9日至12日华北、黄淮等地出现历史罕见暴雪冰冻，排名第10的是2005年2月中上旬受冷空气影响贵州、湖南、湖北、安徽和河南等地出现冻雨天气，排名第11的是2018年1月下旬受较强冷空气影响中东部地区出现的雨雪冰冻天气。

在影响范围较大的中等强度冰冻天气过程中，排名第22的是2013年2月6日至9日全国寒潮天气，排名第38的是2010年1月2日至6日中东部寒潮导致湖南、江西出现大范围冻雨。

然而，研究并没有识别出2010年2月24日至25日东北地区雨雪冰冻天气，这可能是因为24日东北地区有8个相邻站出现冰冻天气，但25日相邻站小于5个，由于持续时间小于2天，因此不被识别为1次冰冻天气过程。

4.2 冰冻日对应天气事件

根据冰冻日等级划分原则，识别出的特强冰冻日和强冰冻日也均有相对应的天气事件。在特强冰冻日中，综合排名前5的18个特强冰冻日对应于2008年1月中旬至2月中旬“历史罕见低温雨雪冰冻灾害肆虐南方”，2个对应于2009年11月9日至12日华北、黄淮等地出现历史罕见暴雪冰冻，2个对应于2009年11月15日至20日南方地区低温雨雪天气，3个对应于2011年1月上旬南方多地遭受低温雨雪冰冻灾害，4个对应于2013年1月上旬南方持续低温阴雨雪天气。

在强冰冻日中，4个强冰冻日对应于2005年2月中上旬受冷空气影响贵州、湖南、湖北、安徽和河南等地出现冻雨天气，6个对应于2008年1月中旬至2月中旬“历史罕见低温雨雪冰冻灾害肆虐南方”，3个对应于2009年11月15日至20日南方地区低温雨雪天气，5个对应于2010年2月中旬受寒潮影响中东部地区出现的多雨雪天气，7个对应于2011年1月上旬南方多地遭受低温雨雪冰冻灾害，8个对应于2011年1月中下旬南方多地遭受低温雨雪冰冻灾害，5个对应于2014年2月4日至中旬南方大部分地区出现持续低温雨雪冰冻天气。

5 结论

(1)利用2000—2019年国家站的地面天气实况观测资料和20世纪70年代至90年代整编的国家级气象观测站日平均气温地面观测资料的30年气候平均值，选用日平均气温、持续时间和影响范围3个评价指标，采用标准化加权求和方法，引入百分位等级划分原则，对冰冻天气评估展开研究，并定量评价了2000—2019年中国出现的66次冰冻天气过程和358个冰冻日。

(2)冰冻天气过程综合强度指数阈值划分标准为：极端冰冻天气过程(CSIFWP≥2.43)；重度冰冻天气过程(0.53≤CSIFWP<2.43)；中等强度冰冻天气过程(0.53≤CSIFWP<2.43)；轻度冰冻天气过程(CSIFWP<-1.13)。单日冰冻天气综合强度指数阈值划分标准为：特强冰冻日(CSIFD≥1.909 4)；强冰冻日(0.508≤CSIFD<1.909 4)；中等强度冰冻日(-0.809 7≤CSIFD<0.508)；弱冰冻日(CSIFD<-0.8097)。

(3)识别出的极端冰冻天气过程、影响范围较大的重度和中等强度冰冻天气过程以及特强冰冻日、强冰冻日均有相对应的天气事件，与实际相符合。冰冻天气过程综合强度指数等级划分标准和单日冰冻天气综合强度指数等级划分标准对冰冻天气过程和冰冻日有较强的评估能力。

(4)根据冰冻天气过程综合强度指数和单日冰冻天气综合强度指数，可以定量评价任何一次冰冻天气过程和单日冰冻天气的强度，有助于更好地开展冰冻天气的评估和服务工作，提高气象服务水平，为政府防灾减灾提供科学依据。

(5)由于国家站点分布相对稀少，样本资料有限，未考虑最低气温、降水量、日照时数和电线覆冰厚度等致灾气象因子。未来可考虑更多的致灾气象因子以及地形、海拔等孕灾环境和人口、经济等承灾体，构建针对敏感行业或重点地区的冰冻天气灾害定量化风险评估模型，并基于气象实时监测和精细化预报产品发展风险动态评估技术。