贵阳和威宁霜消时气象要素对比分析*

原 野，李 力，周永水，陈怡璇，郭 茜

(1.贵州省气象服务中心，贵州 贵阳 550002；2.贵州省气象台，贵州 贵阳 550002；3.贵州省气象信息中心，贵州 贵阳 550002)

0 引言

霜是水汽自地面和近地面物体上凝华而成的白色松脆冰晶，或者是由露冻结而成的冰珠[1]，在寒冷晴朗微风的夜晚最容易形成。霜冻是白天气温高于0 ℃，夜间气温短时间内降至0 ℃以下导致的低温危害现象，是一种农业气象灾害。因此两者有本质的区别，大部分文献对霜冻发生的判别指标为日最低气温或草温低于0 ℃[2-4]或者地面0 cm处温度低于0 ℃[5-8]，不考虑天空状况或者水汽条件的变化，目前气象上对于霜的确定主要是以观测员观测到结晶为判别手段[1]，不考虑地温、气温和草温的变化。

在霜的预报工作中，霜在何时生成和消融均是需要关注的重点，而霜一般伴随着晴朗天气出现，因此在南方地区，当白天太阳辐射加强造成地面附近升温后，霜会逐渐消融。在测站附近，观测员可以通过冰晶或冰珠的消失来判断霜的消融，而对于测站以外区域霜的消融时间则需要预报员进行主观的判断，这些判断应该是在对基本气象观测要素的综合考量的基础上作出的。在东部省份及北方地区，已有业务人员开展了基于基本观测要素的霜的自动识别算法研究[8-9]，并分析了结霜的主要影响因子[10-13]，这些影响影子主要是基于平原地区的结霜日分析提取的，而在贵州等山地区域气象要素和霜的生成及消融之间的分析较少。本文使用贵州地区1961—1980年威宁和贵阳台站霜的观测数据和地面及探空要素观测数据，分析霜消前各类气象要素的变化，以此来为预报员判别和预报霜消时间提供必要的参考。

1 数据来源

霜的观测数据来源于贵州省气象信息中心整编资料，1980年以前霜的观测中霜的生成和消融时间均记录到分钟， 20世纪80年代以前地面气象要素的观测频率为每天4次(北京时02时、08时、14时、20时)，探空数据每天2次(北京时08时、20时)，20时霜生消的次数较少，因此在霜消前地面气象要素变化分析中采用1961—1980年08—09时之间消融的霜来查看08时的气象要素变化，霜的气候分布分析采用数据为1961—2020年，霜在白天的持续时长(08时—消融时)和08时地面气象因子的相关性分析选择的年份也为1961—1980年，探空因子和持续时长分析时数据的年份选择1975—1980年，探空数据来自于怀俄明州大学网站(http://www.weather.uwyo.edu/upperair/sounding.html)，其余数据均来自于贵州省气象信息中心。

2 贵阳和威宁霜的气候分布

从贵阳和威宁霜的月分布特征来看，贵阳(图1a)霜发生频次最高的月份是12月，其次是1月、11月、2月，60 a来共观测到的次数分别是222次、175次、69次、65次，其余月份60 a发生总数均小于60次，即在这些月份中平均每年发生次数小于1次，5—9月没有观测到霜的发生。威宁(图1b)发生频次最高的是1月份，其次是12月、2月、11月，60 a来共观测到的次数分别是743次、676次、423次、207次。按季节来划分，贵阳(图1c)霜发生频次最多是在冬季，共462次，占比81.5%，秋季和春季分别发生74次和31次，占比13.0%、5.5%，夏季则没有观测到结霜现象。威宁(图1d)频次最多也是冬季，共1 842次，占比78.5%，秋季和春季分别发生268次和236次，占比11.4 %、10.1%，夏季观测到1次结霜现象，出现在1965年8月21日06时47分—07时29分。从贵阳和威宁逐月分布来看，贵阳(图2a)结霜频次在12月大于10次(含10次，下同)的年份有6 a，分别是1964、1975、1982、1987、1989、1999年，最高发月份是1975年12月共13次，1月则没有超过10次的年份。威宁(图2b)结霜频次在12月大于10次的年份有39 a，大于15次有17 a，大于20次的有4 a，分别是1968、1977、1978、1992年，最高发月份为1992年12月共27次，1月大于10次的年份有46 a，大于15次有21 a，大于20次的只有1 a，是1965年1月；从年分布特征来看(图2c)，威宁霜的年频次明显高于贵阳，1961—2020年间威宁共发生霜2347次，平均每年39.1次，贵阳共569次，平均每年9.5次，2010年后威宁霜的频次逐渐下降，2018—2020年发生频次均低于10次，分别发生8、4、5次。

图1 1961—2020年贵阳(a、c)和威宁(b、d)霜日数月分布及季分布Fig.1 The monthly and seasonal distribution of frost in Guiyang (a.c) and Weining (b.d) from 1961 to 2020

图2 1961—2020年贵阳(a)和威宁(b)霜的逐月及逐年(c)分布Fig.2 Monthly and yearly (c) distribution of frost in Guiyang (a) and Weining (b) from 1961 to 2020

3 霜在白天的持续时长与08时主要气象因子相关性分析

天气观测的气象要素较多，根据霜的定义，影响结霜的因子包括天空状况、温度、水汽、风等气象要素，其中天空状况一般为晴朗天气即无云或少云，结霜一般是在冷高压控制下的晴天，贵州以均压场为主，风力大部分时间是微风，因此本文只讨论霜的持续时长和温度、水汽变化之间的关系，温度主要查看气温、地温的变化，水汽主要查看温度露点差和相对湿度变化。本节选取气温、露点、地温、5 cm地温、温度露点差、相对湿度作为相关因子进行分析，结霜时由于辐射冷却，往往存在比较明显的逆温层，因此探空中逆温是否对霜的持续时长有影响也是分析的因子之一。

图3列出了贵阳和威宁站1961—1980年结霜日白天(08时后，下同)的持续时长，贵阳站(图3a)共有186个结霜日，白天持续时长平均72 min，持续时长超过180 min的只有2次，最长266 min，最长霜日发生在1977年1月23日。威宁站(图3b)共有653个结霜日，白天霜的持续时长平均94 min，持续时长超过180 min的有46次，最长320 min，该霜日发生在1964年12月28日。

图3 贵阳(a)和威宁(b)白天霜的持续时长Fig.3 The duration in daytime of frost in Guiyang (a) and Weining (b)

把结霜日霜在白天的持续时长作为数据1，08时水汽和温度的变化参数作为数据2，得出两者之间的相关系数(表1)，贵阳站气温、露点、地温、5 cm地温与霜持续时长有较好的负相关，相关系数的绝对值均大于0.7，且通过α=0.02的置信度检验(样本数大于120时α=0.02的临界相关系数约为0.17)；温度露点差、相对湿度、逆温层厚度与霜持续时长的相关系数较小，其绝对值均小于0.15；逆温差与霜持续时长的相关系数为0.31，有一定的相关性。威宁站气温、露点温度、5 cm地温与霜持续时长有较好的负相关，相关系数的绝对值均大于0.4，可通过α=0.02的置信度检验，温度露点差、相对湿度、逆温层厚度、地温、逆温差与持续时长的相关系数较小，其绝对值均小于0.15。

表1 贵阳和威宁站白天霜持续时长和08时要素的相关系数(贵阳样本数186，威宁样本数653)Tab.1 Correlation coefficients between duration in daytime of frost in Guiyang and Weining stations and the elements at 08：00(instances in guiyang are 186, Weining 653)

综合来看，分析霜在白天的持续时长时，贵阳站可从气温、露点温度、地温、5 cm地温、逆温差入手，威宁站可从气温、露点温度、5 cm地温入手查看这些要素在霜消前的变化以此来判断霜消时间。

4 贵阳和威宁霜消前气象要素变化对比

由贵阳霜消前地温和气温的变化可知(图4a)，所有结霜日霜消前气温平均为3.15 ℃，标准差1.98 ℃，最高气温7 ℃，最低气温-3.4 ℃，低于0 ℃次数为4次，占比5%，高于0 ℃次数为76次，占比95%，高于2 ℃次数占比76.25%，高于3 ℃次数占比58.75%；地温霜消前变化范围为-4～5.3 ℃，平均0.98 ℃，标准差1.95 ℃，地温总体上低于气温，两者平均气温相差2.17 ℃，标准差为1.53 ℃。气温高于地温的次数为 73次，占比91.25%，这可能是霜消前均为晴朗少云天气，气温升温比地温上升更快导致。露点的变化范围为-6.4～6.2 ℃(图4b)，平均为1.70 ℃，标准差为2 ℃，高于0 ℃次数为65次，占比81.25%。5 cm地温的变化范围为0～8.4 ℃，平均为4.73 ℃，标准差为1.65 ℃。

威宁结霜日霜消前气温平均为3.96 ℃(图4c)，标准差3.24 ℃，最高气温12.8 ℃，最低气温-6.6 ℃，低于0 ℃次数为19次，占比11.3%，高于0 ℃次数为149次，占比88.7%，高于2 ℃次数占比78%；地温霜消前平均0.65 ℃，最高11.2 ℃，最低-9 ℃，地温总体上低于气温，两者平均气温相差3.31 ℃，气温高于地温的次数为 143次，占比85.12%。威宁站霜消前露点的变化范围为-18.7～7.3 ℃(图4d)，平均为-0.244 6 ℃，标准差为3.62 ℃。5 cm地温的变化范围为-0.4～11 ℃，平均为5.09 ℃，标准差为2.09 ℃。

图4 霜消前地温、气温、露点温度、5 cm地温在贵阳(a，b)和威宁(c，d)站的变化Fig.4 Changes of ground temperature, air temperature, dew point, and 5 cm ground temperature before frost melting in Guiyang (a, b) and Weining (c, d)

5 小结

本文使用1961—2020霜的观测数据讨论了贵阳和威宁站的气候分布特征，用霜在08时后的持续时长与08时的气象要素进行相关性分析，选取与霜的持续时长有关的参数进行讨论，结果如下：

①贵阳和威宁在夏季几乎没有结霜现象，其余季节均有霜出现，其中冬季霜频次最高，贵阳占比81.5%，威宁占比78.5%；贵阳结霜频次最高的月份出现在12月，威宁出现在1月。

②贵阳站气温、露点温度、地温、5 cm地温与霜持续时长有较好的负相关，相关系数的绝对值均大于0.7，逆温差与持续时长的相关系数为0.31，温度露点差、相对湿度、逆温层厚度与霜持续时长相关系数均小于0.13；威宁站气温、露点温度、5 cm地温与霜持续时长有较好的负相关，相关系数的绝对值均大于0.4，温度露点差、相对湿度、逆温层厚度、地温、逆温差与霜持续时长相关系数绝对值均小于0.14。

③霜消前的气象因子中，贵阳、威宁站的气温均高于地温，二者温差贵阳站为2.17 ℃，威宁站为3.31 ℃；贵阳站气温和地温的差值有最小的标准差1.53 ℃，威宁站则是5 cm地温有最小的标准差2.09 ℃。从这两个因子的平均态来看，当贵阳站气温和地温之差大于2.17 ℃时预示着该站霜的消融，威宁站5 cm地温大于5.09 ℃时预示着该站霜的消融。

不足与讨论：在霜的持续时长与气象因子相关性分析中，因20世纪60、70年代的探空观测垂直分辨率较低，逆温厚度和逆温差计算可能存在较大的误差，这也可能是这两者与霜的持续时长没有良好相关性的原因。