中国南方大范围持续性低温、雨雪和冰冻组合性灾害事件：客观识别方法及关键特征

宗海锋 布和朝鲁 彭京备 林大伟

1 中国科学大气物理研究所国际气候与环境科学中心, 北京 100029

2 中国气象局云雾物理环境重点开放实验室, 北京, 100081

1 引言

低温、雨雪和冰冻都是冬季常见的气象灾害，当它们同时出现或以不同组合形式一起发生，会明显加重致灾程度。2008 年1 月，我国南方发生了历史罕见的低温雨雪冰冻灾害事件（以下简称“0801”事件），造成全国20 省（区、市）遭受低温雨雪冰冻灾害，部分地区冰冻日数长达10～20 天，全国1 亿多人口受灾，直接经济损失高达1500 多亿元（王凌等, 2008）。“0801”事件的突出特征是低温、雨雪、冻雨天气并存并且强度大、持续时间长（丁一汇等, 2008）。如此大范围、长时间的组合性灾害事件在历史上少见，因此引起了气象工作者的广泛关注和研究 （布和朝鲁等,2008; 曾 明 剑 等, 2008; 陈 伟 等, 2008; 丁 一 汇 等,2008; 高辉等, 2008; 顾雷等, 2008; 纪立人等, 2008;李崇银等, 2008; 施宁等, 2008; 陶诗言和卫捷, 2008;孙建华和赵思雄, 2008; 马晓刚, 2009; 彭京备和孙淑清, 2019）。

“0801”事件的成因是比较复杂的，它的发生是多种影响因子在同一时段、同一地区相互配合和迭加的结果。前期研究表明，欧亚大气环流持续异常，包括乌拉尔山—贝加尔湖地区阻塞高压的加强和维持，为持续冷空气侵入我国南方地区提供了重要环流条件（李崇银等, 2008）；南支槽和西太平洋副高的加强为我国南方地区雨雪天气提供了十分必要的暖湿气流条件（布和朝鲁等, 2008; 丁一汇等, 2008; 高辉等, 2008; 李崇银等, 2008; 陶诗言和卫捷, 2008）。La Niña 事件为灾害发生提供了有利气候背景（丁一汇等, 2008; 高辉等, 2008）。由此可见，“0801”事件的发生是La Niña 气候背景下中高纬环流与副热带环流相互影响和综合作用的结果。

“0801”事件中低温、雨雪、冰冻这三类灾害天气均很突出，但它们的配置是有区别的。该事件实际上包含了4 次主要天气过程，每次过程的雨雪、冻雨天气发生区域和强度都存在差异（陶诗言和卫捷, 2008; 赵 思 雄 和 孙 建 华, 2008）。图1 给 出 了“0801”事件期间，低温、雨雪和冰冻影响面积，可以发现，4 次天气过程中，低温、雨雪、冰冻的影响面积以及它们相互匹配特征都有明显的差异。由此可见，当研究不同组合性灾害事件时应该加以区别对待。多种组合性天气灾害事件在历史上曾多次出现（王凌等, 2008; 钱维宏和张宗婕, 2012; 宗志平等, 2013; Peng et al., 2021），它们的影响范围以及造成的灾害各不相同且程度不一，因此我们有必要对这些组合性天气灾害事件进行对比研究，揭示它们的关键影响系统和成因。

图1 2008 年1 月1 日至2 月28 日中国南方低温（蓝色柱）、雨雪（绿色柱）和冰冻（红色柱）影响面积（网格数）。图中蓝（绿、红）虚线分别为低温（雨雪、冰冻）影响面积阈值（网格数）Fig. 1 Іmpact area (grid numbers) of low temperature (blue bars), rain/snow (green bars), and freezing (red bars) from January 1 to February 28, 2008 in southern China. The blue, green, and red dashed lines correspond to the respective thresholds (grid numbers)

本文是针对这种复杂系统的组合性天气灾害所做的一次尝试性研究。在开展某一种灾害天气事件研究之前，对它们进行客观而定量识别是十分必要的。本文首先根据低温、雨雪和冰冻天气组合出现的特点，提出对应的客观识别方法；然后，在此基础上分析组合性灾害事件的时空分布特征；最后揭示它们对应的中高纬和副热带环流系统的配置特征。

2 资料和方法

本文所用资料主要有：（1）中国气象局国家气象信息中心提供的逐日台站观测资料，包括日平均温度、日降水量以及雨凇等观测变量；（2）美国国家环境预报中心和美国国家大气研究中心（NCEP/NCAR）全球逐日再分析数据集（Kalnay et al., 1996），包括位势高度场、风场、比湿场和海平面气压场，空间分辨率为2.5°×2.5°。受缺少实际冰冻观测资料限制，我们参照王遵娅（2011）的做法，同时考虑到南方冰冻天气主要以雨凇为主（赵珊珊等, 2010），文中采用雨凇资料判断有无冰冻天气的发生。本文研究时段取为1961/62～2012/2013 年冬季，其中冬季定义为前一年12 月1日至当年2 月28 日。

文中研究区域为中国南方地区（20°N～35°N，102°E～123°E）。在这一区域，我们剔除了研究时段内观测资料有缺测的台站，最终选定了206 个具有完整数据的台站，其空间分布见图2。

文中百分位分析方法用于确定灾害天气事件强度阈值和影响面积阈值，合成分析方法用于分析组合性灾害事件中的温度、水汽通量异常、大气环流异常等的分布特征。为了检验合成结果的显著性，文中还使用了t检验方法。

3 大范围持续性低温、雨雪和冰冻灾害事件的客观识别

3.1 定义

本文重点关注的是强度强、影响范围大且有一定持续性的低温、雨雪和冰冻灾害事件。因此，首先需要确定它们的强度阈值。我们先将研究时段内每个台站全部的日平均温度和降水量由小到大进行排序。然后利用百分位分析方法分别选取低温和雨雪的强度阈值。取台站温度升序序列第25 百分位（下四分位）值作为台站的低温阈值δT。当台站温度≤δT时即把该台站记为低温台站。考虑到我们关注的灾害事件与雨雪有关，要求必须有一定的降水量，因此我们只对降水量升序序列中降水量＞0 mm 的序列片段进行百分位分析，取其第50 百分位（中分位）值为台站的多雨雪阈值δP，当台站降水量≥δP时即把该台站记为多雨雪台站（以下简称为雨雪台站）。低温和雨雪的阈值的空间分布见图2b 和c。鉴于雨凇数据只有“有和无”记录而无强度记录，故本文直接将有雨凇发生的台站记为冰冻台站。

图2 中国南方（a）206 站（红点）及其所占网格（绿网格），（b）低温阈值（单位：°C）和（c）雨雪阈值（单位：mm d-1）空间分布Fig. 2 Spatial distributions of (a) 206 stations (red dots) and grids containing 206 stations (green grids); threshold for (b) low temperature (units: °C)and (c) rain/snow (units: mm d-1)

其次，确定每日低温、雨雪、冰冻的影响面积。按照Peng and Bueh（2011）关于界定大范围持续性低温事件中的做法，将研究区域分割成1°×1°的网格。中国南方区域206 个站共分布在168 个网格内（图2a）。以每天低温（雨雪、冰冻）台站所占的网格数作为该日低温（雨雪、冰冻）影响面积。

本文所关注的是大范围的气象灾害事件。为此，本文取低温和雨雪网格数升序序列的第66.7 百分位（上三分位）的值作为低温灾害影响面积阈值ST（网格数69）和雨雪灾害影响面积阈值SP（41网格）。实际中，冰冻灾害影响面积远小于低温灾害和雨雪灾害影响面积，且冬季日冰冻面积为0 的日数非常多。我们关注的是有且范围大的冰冻事件，我们也只对冰冻网格数升序序列中冰冻网格数＞0的序列片段进行百分位分析，取其第90 百分位的值作为冰冻灾害影响面积阈值SF（网格数13）。若某日低温网格数≥ST，则将该日记作大范围低温日。同理，当某日雨雪网格数≥SP（冰冻网格数≥SF）时，将该日记作大范围雨雪（冰冻）日。

最后，根据大范围低温、雨雪和冰冻的持续时间确定灾害性事件。考虑到冬季大范围持续性雨雪灾害事件的持续时间往往比低温灾害事件要短（Peng and Bueh, 2011; Zong et al., 2014），参 照Zong et al.（2014）关于冬季极端降水和Peng et al.（2021）关于低温雨雪冰冻事件持续天数的设定，本文中将大范围持续性低温、雨雪、冰冻灾害事件的持续天数阈值统一取为3 天。当大范围低温（雨雪、冰冻）日持续3 天或以上时就将其定义为一次大范围持续性低温（雨雪、冰冻）灾害事件。1961～2013 年，分别界定出了大范围持续性低温事件160 次、雨雪事件205 次和冰冻事件48 次（图3）。下面我们将重点讨论这三类事件相互组合的灾害事件的客观识别及关键特征。

3.2 不同组合型式

图3 给出1961～2013 年中国南方冬季大范围持续性低温、雨雪、冰冻灾害事件的发生时段。可以发现，它们的发生时段有的交织在一起（部分或全部重叠），有的互不重叠。如果将这3 种灾害事件间不同的交织情况看作不同的组合型式，它们就可以组合成多种不同类型的灾害事件。由图3 清晰可见，大范围持续性低温、雨雪、冰冻灾害事件存在3 种组合方式：（1）非组合性（与另2 种灾害事件无交织），（2）两两组合性（2 种灾害事件相互交织），（3）三者组合性（3 种灾害事件同时交织在一起）。以“0801”事件为例，它实际上包含了大范围持续性低温、雨雪、冰冻灾害事件的多种组合（图3）。首先出现的是非组合性雨雪灾害事件，接着出现低温冰冻组合性灾害事件，之后出现2 次低温、雨雪、冰冻组合性灾害事件，最后是非组合性低温灾害事件。上述事件顺序与陶诗言和卫捷（2008）和赵思雄和孙建华（2008）所提到的4 次天气过程也是高度吻合的，只是起止日期和组合类型略有差别。这是由于本文中降水强度阈值和影响面积阈值取得比较高，其它定义也与他们略有差别所致。

图3 1961～2013 年冬季我国南方大范围持续性低温灾害事件（蓝色柱），大范围持续性雨雪灾害事件（绿色柱）和大范围持续性冰冻灾害事件（红色柱）发生时段。柱的下（上）缘对应事件开始（结束）日期，柱的长度对应事件持续天数（单位：d）Fig. 3 Time of occurrence of extensive and persistent low temperature events (blue bars), rain/snow disaster events (green bars), and freezing disaster events (red bars) in winter from 1961 to 2013 in southern China. The bottom (top) edge of the bar corresponds to the start (end) date, and the length of the bar corresponds to the event duration (units: d)

由此可见，“0801”事件期间，实际上存在多种不同的组合性灾害事件，虽然它们都有低温背景，但其环流特征和成因理应是有区别的。下面我们将根据大范围持续性低温、雨雪、冰冻灾害事件间的组合关系给出它们的识别方法，并对几种常见的组合性灾害事件进行对比分析，以进一步了解它们的关键特征和差异。

3.3 组合性灾害事件

根据大范围低温日、雨雪日和冰冻日的同步性及持续维持天数，组合性灾害的定义如下：

低温—雨雪灾害事件：如果大范围低温日和雨雪日同步出现并维持3 天或以上，期间无大范围冰冻日出现，则称其为大范围持续性低温—雨雪组合性灾害事件，简称为低温—雨雪灾害事件（CRS）；

低温—冰冻灾害事件：如果大范围低温日和冰冻日同步出现并维持3 天或以上，期间无大范围雨雪日出现，则称其为大范围持续性低温—冰冻组合性灾害事件，简称为低温—冰冻灾害事件（C-F）；

雨雪—冰冻灾害事件：如果大范围雨雪日和冰冻日同步出现并维持3 天或以上，期间无大范围低温日出现，则称其为大范围持续性雨雪—冰冻组合性灾害事件，简称为雨雪—冰冻灾害事件（RS-F）；

低温—雨雪—冰冻灾害事件：如果大范围低温日、雨雪日和冰冻日同步出现并维持3 天或以上，则称其为大范围持续性低温—雨雪—冰冻组合性灾害事件，简称为低温—雨雪—冰冻灾害事件（C-RS-F）。

1961～2013 年期间，上述组合性灾害事件均有发生，只不过它们发生次数有很大差异。其中，低温—雨雪灾害事件、低温—冰冻灾害事件和低温—雨雪—冰冻灾害事件最为常见，累计发生次数分别为20 次、16 次和17 次，而雨雪—冰冻灾害事件最为少见仅发生1 次。本文将主要对3 类较为常见的组合性灾害展开探讨，对雨雪—冰冻灾害事件不予讨论。表1 给出了3 类常见的组合性灾害事件的起止日期和持续天数。

表1 三类组合性灾害事件起止日期及持续天数Table 1 Starting and ending dates, durations of three kinds of combined-disastrous events

为了区别于组合性灾害事件，我们将维持3 天以上的纯粹的大范围低温灾害事件（雨雪灾害事件、冰冻灾害事件）称为非组合性低温（雨雪、冰冻）灾害事件，简记作N-C（N-RS、N-F）。1961～2013 年期间，非组合性低温灾害事件、非组合性雨雪灾害事件分别发生了91 次和123 次，约占3.1 节中低温事件和雨雪事件总数的57%和60%。非组合性冰冻灾害事件没有发生。由非组合性低温灾害事件和非组合性雨雪灾害事件所占比例可知，它们的特征与一般性大范围持续性低温事件和雨雪事件特征大体是一致的，后者很多学者（Bueh etal., 2011a, 2011b; Peng and Bueh, 2011; Peng and Bueh, 2012; Zong et al., 2014）已经做过深入研究，故本文对非组合性低温灾害事件和非组合性雨雪灾害事件不再讨论。下面我们将进一步探讨3 类常见的组合性灾害的时空特征及其差异。

4 组合性灾害事件的时空特征

三类组合性灾害事件的出现存在明显的年际变化。图4 给出这些组合性灾害事件的逐年累计频数和天数。作为对比，我们也给出了非组合性低温灾害事件的情况（图4a）。非组合性低温灾害事件（图4a）几乎每年都有发生，年发生次数多在2次及以上。对于组合性灾害事件（图4b–d），它们发生年份少得多，年发生次数也多为1 次。低温—雨雪灾害事件（图4b）1985～1998 年活动频繁，1975～1984 年期间以及2006 以后没有出现。低温—冰冻灾害事件（图4c），1970 年代和21 世纪初罕有发生，其他年代比较常见。低温—雨雪—冰冻灾害事件（图4d），多见于1996 年之前，2008 年是1996 年以后唯一发生低温—雨雪—冰冻灾害事件的年份，这年的累计频数虽不超过2 次，累计天数却长达13 天，造成了极为严重的灾害。不同组合性灾害事件和非组合性低温灾害事件之间年际活动差异表明，它们的发生除必须满足持续性低温条件外，还需要满足其它特定的条件。

图4 1961～2013 年不同灾害事件逐年累计频数（蓝色柱）和天数（红色柱，单位：d）：（a）非组合性低温灾害事件（N-C）；（b）低温—雨雪灾害事件（C-RS）；（c）低温—冰冻灾害事件（C-F）；（d）低温—雨雪—冰冻灾害事件（C-RS-F）。图中左、右纵坐标刻度分别对应累计频数值和累计天数值Fig. 4 Cumulative occurrences frequency (blue bars) and days (red bars, units: d) of different disaster events in winter from 1961 to 2013: (a) Noncombined cold disaster event (N-C); (b) cold-rain/snow disaster event (C-RS); (c) cold-freezing disaster event (C-F); (d) cold-rain/snow-freezing disaster event (C-RS-F). The scales of the left and right Y-axis correspond to the cumulative occurrences and days, respectively

组合性灾害事件的发生还存在明显的季内变化。图5 为冬季各旬出现的组合性灾害事件的多年累计频数。同样，作为对比，我们也给出了非组合性低温灾害事件的情况（图5a）。可以看出，非组合性低温灾害事件（图5a），几乎冬季所有旬（2 月下旬除外）均有发生，累计频数也明显多于组合性灾害事件。特别是12 月下旬至1 月下旬累计频数最多，为非组合性低温灾害事件发生集中期。低温—雨雪灾害事件（图5b）集中期为1 月中旬至2 月上旬。低温—冰冻灾害事件（图5c）集中期为1月上旬和1 月下旬，这与李杰等（2015）结果也是一致的。低温—雨雪—冰冻灾害事件（图5d）集中期为1 月中旬至2 月中旬。

图5 1961～2013 年冬季各旬出现灾害性事件累计频数：（a）非组合性低温灾害事件（N-C）；（b）低温—雨雪灾害事件（C-RS）；（c）低温—冰冻灾害事件（C-F）；（d）低温—雨雪—冰冻灾害事件（C-RS-F）Fig. 5 Cumulative occurrences frequency for different disaster events in every dekad in winter from 1961 to 2013: (a) Non-combined cold disaster event (N-C); (b) cold-rain/snow disaster event (C-RS); (c) cold-freezing disaster event (C-F); (d) cold-rain/snow-freezing disaster event (C-RS-F)

另外，不同组合性灾害事件的集中影响区域也不同。针对不同灾害事件，分别统计了我国南方地区每个台站达到灾害性事件标准的次数与该事件总数的比率（图6）。比率大表示受灾害事件影响次数多，反之，受灾害事件影响次数少。因此比率大的区域也是灾害事件的集中影响区域。非组合性低温灾害事件（图6a）整个南方地区比率均超过了0.9。表明整个南方都是饱受非组合性低温灾害事件影响的区域。低温—雨雪灾害事件（图6b）集中影响区域位于长江以南。低温—冰冻灾害事件（图6c）集中影响区域位于贵州—湖南一带。低温—雨雪—冰冻灾害事件（图6d）集中影响区位于贵州、湖南和江西一带（其中湖南更为突出）。值得注意的是，低温—雨雪—冰冻灾害事件虽与低温—冰冻灾害事件发生次数相近，但影响集中区域更广，更应加以重视。

图6 我国南方地区台站达到灾害性天气标准的次数与灾害性事件总数的比率：（a）非组合性低温灾害事件（N-C）；（b）低温—雨雪灾害事件（C-RS）；（c）低温—冰冻灾害事件（C-F）；（d）低温—雨雪—冰冻灾害事件（C-RS-F）。图中等值线间隔0.1，斜线阴影区为比率≥0.5 的区域。Fig. 6 Ratio of the number of times each station meets the disastrous weather standard in southern China to the total number of disastrous events: (a)Non-combined cold disaster event (N-C); (b) cold-rain/snow disaster event (C-RS); (c) cold-freezing disaster event (C-F); (d) cold-rain/snow-freezing disaster event (C-RS-F). Diagonal shadings in Fig. 6 indicate regions with a ratio of ≥0.5。

综上所述，虽然持续性低温是组合性灾害事件发生的首要前提条件，若仅有持续性低温但没有有利的雨雪或冰冻发生条件，上述组合性灾害事件也是难以发生的。下面我们将从中高纬大气环流与冷空气活动、副热带环流系统与水汽条件以及温度层结等角度探讨不同组合性灾害事件的关键特征及差异。

5 组合性灾害事件的关键特征及差异

5.1 中高纬大气环流与冷空气活动

首先考察不同组合性灾害事件中高纬大气环流和冷空气活动特征。鉴于不同组合性灾害事件以持续3 天的个例为多（表1），为此，本文统一取不同组合性灾害事件发生期间的前3 天平均场来表征灾害事件情况。

图7 为3 类组合性灾害事件的500 hPa 位势高度及其距平（左列）、海平面气压距平（中列）和地面气温距平（右列）合成分布。可以看出，在低温—雨雪灾害事件期间，如图7a 所示，50°N 以北亚洲中高纬地区盛行大型高压脊并对应显著的正异常中心，高压脊向极区伸展。该高压脊东侧偏北气流不断引导冷空气南下并在东亚北部堆积，造成东亚中高纬度地区海平面气压显著加强，对应的正距平中心主要位于西伯利亚地区，强度约4 hPa。相应的西伯利亚高压主体面积比其冬季平均情况明显偏大，北扩明显，南缘南扩约3 个纬度左右（图7b）。我国南方降温明显，最大降温区位于广西、贵州和湖南一带，最大降温幅度约-3°C，0°C 等温线比冬季平均位置略偏南，位于33°N 附近（图7c）。上述事实表明，低温—雨雪灾害事件发生时北方冷空气活动适中，并不强烈。

与低温—雨雪灾害事件相比，低温—冰冻灾害事件期间中高纬环流特征发生了很大变化，乌拉尔山以东地区西南/东北走向的大型斜脊取代了亚洲北部高压脊，同时东亚中纬度地区西南/东北走向的大型斜槽异常明显，呈现出明显的大型斜脊—斜槽结构特征（图7d）。与此同时，西伯利亚高压显著加强，范围扩大，同时南伸也异常明显（图7e）。对应的我国南方最大降温区虽与低温—雨雪灾害事件大体接近，但降温幅度比后者要大得多，温度距平已达-5°C，0°C 等温线越过长江，到达贵州、湖南中部、江西以及浙江北部一带，比冬季平均位置偏南约8 个纬度（图7f）。这表明北方的冷空气活动比低温—雨雪灾害事件期间要强烈得多。上述结果与欧亚大型斜脊斜槽有利于西伯利亚高压高压加强、冷空气南侵和我国南方大范围持续低温事件发 生 的 结 论（Bueh et al., 2011a, 2011b; Peng and Bueh, 2012; 符仙月和布和朝鲁, 2013; 布和朝鲁等,2018; Peng et al., 2021）是相一致的。

图7 三类组合性灾害性事件500 hPa 位势高度及其距平（左列，等值线间隔：20 gpm）、海平面气压（SLP）距平（中间列，等值线间隔：200 hPa）和地面气温距平（右列，等值线间隔：1°C）合成分布：C-RS 灾害事件（第一行）；C-F 灾害事件（第二行）；C-RS-F 灾害事件（第三行）。图中细红（蓝）等值线分别对应正（负）距平，距平零线略。（a，d，g）中粗黑等值线为位势高度，等值线间隔为80 gpm。（b，e，h）中粗实（虚）线为SLP1030 hPa 等值线（冬季平均）。（c，f，i）中粗实（虚）等值线为0°C 等温线（冬季平均）。图中浅灰色阴影区为距平超过95%置信水平的区域，深灰色区域为海拔高度≥1500 m 的区域Fig. 7 Composite distributions of 500 hPa geopotential height and its anomalies (left column, contour intervals: 20 gpm), SLP (Sea Level Pressure)and its anomalies (middle column, contour intervals: 200 hPa), and temperature anomalies (right column, contour intervals: 1°C) of C-RS (top line), CF (second line), and C-RS-F (bottom line) disastrous weather events. Thin red (blue) contours represent positive (negative) anomalies; the zero isoline is eliminated. Thick contours in (a, d, g), corresponding to geopotential height, are drawn for every 80 gpm; the thick solid (dash) lines in (b, e, h) and(c, f, i) represent 1030 hPa isobar and 0°C isotherm (for climatological winter mean), respectively. Light gray shadings indicate height (SLP,temperature) anomalies beyond the 95% significance level; dark gray shadings indicate regions with an altitude of ≥1500 m

低温—雨雪—冰冻灾害事件期间，亚洲北部环流也呈明显大型斜脊特征，强度较弱。与低温—冰冻灾害事件相比，大型斜脊位置更为偏东，斜脊南侧没有形成明显的斜槽或横槽特征（图7g）。西伯利亚高压显著加强，范围扩大，与低温—雨雪灾害事件和低温-冰冻灾害事件的情况相比，西伯利亚高压主体东扩特征非常明显，其东翼的1030 hPa等压线在45°N 以南接近海陆交界处（图7h），所对应的气压梯度力和冷平流都较强（图略）。我国南方最大降温区与低温—冰冻灾害事件大体相近，降温幅度比低温—冰冻灾害事件还要大，达-6°C，0°C 等温线位置更偏南，向南包围范围更广（图7i）。这说明低温—雨雪—冰冻灾害事件期间北方冷空气活动更强烈，如前所述，这是由于西伯利亚高压主体偏东，北方冷空气主要沿东亚沿岸南下，气压梯度力和冷平流强所致。这一点可通过下面的925 hPa风场距平（图9c）得以证实。

由此可见，大型斜脊系统不仅是影响我国南方低温的关键环流特征（Bueh et al., 2011a, 2011b; 布和朝鲁等, 2013, 2018），也是导致低温—冰冻灾害事件和低温—雨雪—冰冻灾害事件发生的关键环流特征。不同的是，低温—冰冻灾害事件期间大型斜脊位置偏西位于乌拉尔山以东地区，低温—雨雪—冰冻灾害事件期间大型斜脊位置更为偏东位于贝加尔湖附近。低温—雨雪灾害事件期间无明显大型斜脊斜槽特征。

此外，由图6 和图7 可以发现，在低温—冰冻灾害事件和低温—雨雪—冰冻灾害事件影响集中的区域（图6c 和d），不仅降温幅度大，而且地面温度都低于或者近乎0°C（图7f 和i）。这与赵思雄和孙建华（2008）的结论是相一致的，他们认为冻雨发生的适宜地面温度为0°C～-3°C。陶诗言和卫捷（2008）将近地面低于0°C 的空气层称之为“冷垫”，认为“冷垫”和其上空的“暖盖”（逆温层）是冻雨发生的必要条件。显然，冷垫既是低温—冰冻灾害事件和低温—雨雪—冰冻灾害事件的关键特征也是它们发生的必要条件，而低温—雨雪灾害事件发生则无需冷垫。

5.2 水汽条件

三类组合性灾害事件期间不仅有低温还伴有降水，因此它们的发生还需具备一定的水汽条件。图8 为三类组合性灾害事件的850 hPa 和700 hPa水汽通量及其散度距平的合成分布。可以看出，低温—雨雪灾害事件期间，850 hPa 层（图8a）孟加拉湾至我国南方为强的西南向水汽通量距平，表明由孟加拉湾向我国南方的水汽输送加强。同时，华南至江南南部为大范围强的水汽通量散度负异常且超过了95%置信水平，表明该区域对应有显著的强烈水汽辐合。700 hPa 层（图8d），孟加拉湾经中南半岛向我国南方水汽输送也是加强的，只不过大范围强水汽辐合带移到了江南一带。显而易见，充沛的水汽供应和大范围强烈的水汽辐合是低温—雨雪灾害事件的典型特征，同时也是低温—雨雪灾害事件发生的重要条件，孟加拉湾是低温—雨雪灾害事件的重要水汽源地。

图8 三类组合性灾害性事件850 hPa（第一行）、700 hPa（第二行）水汽通量距平（矢量，单位：g s-1 cm-1 hPa-1）及水汽通量散度距平（等值线，单位：g s-1 cm-2 hPa-1）合成分布：（a、d）低温-雨雪灾害事件（C-RS）；（b、e）低温—冰冻灾害事件（C-F）；（c、f）低温—雨雪—冰冻灾害事件（C-RS-F）。浅灰色阴影区为水汽通量散度距平超过95%置信水平的区域，深灰色阴影区为海拔高度≥1500 m 的区域Fig. 8 Composite distributions of mean water vapor flux anomalies (vectors, units: g s-1 cm-1 hPa-1) and water flux divergence anomalies (contours,units: g s-1 cm-2 hPa-1) at the 850 hPa (top line) and 700 hPa (bottom line) level during (a, d) cold-rain/snow (C-RS), (b, e) cold-freezing (C-F) and (c,f) cold-rain/snow-freezing (C-RS-F) disastrous weather events. Light gray shadings indicate water vapor flux divergence anomalies beyond the 95%significance level; dark gray shadings indicate regions with an altitude of ≥1500 m

低温—冰冻灾害事件期间，850 hPa 层（图8b）我国南方的水汽输送主要来自于南海北部并在我国西南以及广西、广东地区辐合。到了700 hPa 层（图8e），来自南海的水汽输送大大减弱，辐合区也变得不显著。与低温—雨雪灾害事件相比，无论是水汽通量距平强度和还是水汽通量散度负异常的强度都弱得多。由此可见，低温—冰冻灾害事件对水汽条件要求比低温—雨雪灾害事件弱得多，只需要不太强的水汽供应和水汽辐合即可发生。低温—冰冻灾害事件期间850 hPa 层的水汽主要来自于我国南海北部。

低温—雨雪—冰冻灾害事件期间，850 hPa 层（图8c）来自孟加拉湾、南海以及西北太平洋地区的气流为我国南方地区提供了充沛的水汽。此外，华南至江南南部地区对应有大范围显著的强水汽通量散度负异常，其强度甚至比低温—雨雪灾害事件期间还要强，表明该地区有强烈的水汽辐合。到了700 hPa 层（图8f），由孟加拉湾、南海以及西北太平洋地区至我国南方的水汽输送加强，同时强水汽辐合带北抬至江南一带。由此可见，低温—雨雪—冰冻灾害事件同低温—雨雪灾害事件一样，其发生条件也是需要充沛的水汽供应和大范围强烈的水汽辐合，与低温—雨雪灾害事件不同的是，低温—雨雪—冰冻灾害事件的水汽不只来自于孟加拉湾，还来自于南海以及西北太平洋。

综上所述，三类组合性灾害事件中，低温—冰冻灾害事件除外，其它两类组合性灾害事件（低温—雨雪灾害事件和低温—雨雪—冰冻灾害事件）发生不仅需要充沛的水汽供应还需要有大范围强烈的水汽辐合。三类组合性灾害事件期间我国南方对流层低层暖湿水汽来自不同源地，低温—雨雪灾害事件期间水汽主要来自孟加拉湾，低温—冰冻灾害事件主要来自南海北部，而低温—雨雪—冰冻灾害事件主要来自孟加拉湾、南海和西北太平洋。在5.4 节中我们将进一步讨论与这些水汽输送有关的副热带环流异常。

5.3 对流层下层层结和风场特征

雨雪和冰冻的发生还需要特定的大气层结（何玉龙等, 2007; 陶玥等, 2012），后者的形成又与高低空风场的配置紧密相关（何玉龙等, 2007; Peng et al., 2021）。为此，我们考察了三类组合性灾害事件期间的对流层下层（925 hPa、850 hPa 和700 hPa）0°C 等温线和风场距平配置特征（图9）。图9 中红色虚线为27°N 位置，大致对应三类组合性灾害集中影响区域中心的纬度位置（图6），绿（紫）色阴影则分别对应850 hPa、700 hPa 层温度与925 hPa 层温度的差值≥0°C（1°C）的区域。可以发现，在三类组合性灾害事件影响集中区域（图9 左列），其925 hPa 层0°C 等温线南凸尤为明显，并对应着强烈的异常偏北风距平，这说明该区域925 hPa 层对应有来自北方的强冷空气锲入，冷性特征突出。

到了850 hPa 层（图9 中列），在3 类组合性灾害事件影响集中区域，其0°C 等温线均位于27°N 附近，但与925 hPa 层0°C 等温线位置相比，低温—雨雪灾害事件略偏南（图9a），而低温—冰冻灾害事件和低温—雨雪—冰冻灾害事件则略偏北表明有逆温（图9b 和c）。由850 hPa 与925 hPa温度差值分布可以更清楚地看出，在低温—冰冻灾害事件和低温—雨雪—冰冻灾害事件影响集中区域，其850 hPa 层温度比925 hPa 层温度明显偏高，逆温特征十分明显（图9b 和c），其中低温—雨雪—冰冻灾害事件逆温更强，两个等压面的最大温度差甚至超过了1°C（图9c）。低温—雨雪灾害事件则无逆温特征（图9a）。三类组合性灾害事件期间（图9 中列），我国南方27°N 以南地区异常风场均转为异常偏南风，意味着来自南方的暖湿空气爬升和北上明显，暖层特征突出，这为我国南方逆温层的形成提供了有利条件。

图9 低温—雨雪灾害事件（C-RS，第一行）、低温—冰冻灾害事件（C-F，第二行）和低温—雨雪—冰冻灾害事件（C-RS-F）三类组合性灾害性事件925 hPa（左列）、850 hPa（中间列）和700 hPa（右列）风场距平（矢量）合成分布。深灰色阴影区为海拔高度≥1500 m 的区域，蓝实线为0°C 等温线，红虚线为27°N 位置，绿（紫）色阴影区对应850 hPa、700 hPa 层温度与925 hPa 层温度差值≥0°C（1°C）的区域，黑矢量箭头对应风场距平矢量分量超过95%置信水平Fig. 9 Composite distributions of wind anomalies (vectors, units: m s-1) at 925 hPa (left panel), 850 hPa (middle panel), and 700 hPa (right panel)levels for cold-rain/snow (C-RS, top line), cold-freezing (C-F, second line), and cold-rain/snow-freezing (C-RS-F, bottom line) combined disastrous weather events. Dark gray shadings indicate regions with an altitude of ≥1500 m, blue solid lines represent 0°C isotherm, red dashed lines represent the location of 27°N, green (purple) shadow areas represent the areas where the temperature difference between the 850 hPa, 700 hPa, and 925 hPa layers are greater than or equal to 0°C (1°C); black vector arrow indicates that the vector component of the corresponding wind anomalies exceeds the 95% significance level

到了700 hPa 层（图9 右列），在低温—雨雪灾害事件影响集中的区域其0°C 等温线比其低层（925 hPa 和850 hPa）的0°C 等 温 线 明 显 偏 南（图9a），而在低温—冰冻灾害事件和低温—雨雪—冰冻灾害事件影响集中的区域，其对应的0°C等温线与低层（925 hPa 和850 hPa）的0°C 等温线位置仍然较为接近（图9b 和9c）。通过700 hPa层与925 hPa 层温度差可以发现，在低温—冰冻灾害事件和低温—雨雪—冰冻灾害事件影响集中区域，逆温仍然十分明显，只不过逆温区范围比850 hPa层要小得多（图9b 和9c）。而低温—雨雪—冰冻灾害事件比低温—冰冻灾害事件的逆温区范围更大，逆温更强（图9c），这进一步表明低温—雨雪—冰冻灾害事件期间逆温更强烈，逆温层更深厚。长江及其以南地区上空异常风场全部转为异常偏南风，表明该层南方的暖湿空气爬升和北上更强烈，暖层特征明显，为我国南方逆温层的形成提供了有利条件。

由此可见，有冰冻伴随的组合性灾害事件（低温—冰冻灾害事件和低温—雨雪—冰冻灾害事件）对流层下层均对应有明显的逆温层结构特征，其中低温—雨雪—冰冻灾害事件期间逆温更强，逆温层更深厚，而低温—雨雪灾害事件则不具备明显的逆温层结构特征。

5.4 副热带大气环流

由图9 可进一步发现，三类组合性灾害事件期间偏南气流的出现是与不同的副热带异常环流系统有关。低温—雨雪灾害事件期间（图9a）我国南方上空异常偏南气流实际是孟加拉湾上空异常气旋性环流的一部分，这在700 hPa 层上尤为清楚。孟加拉湾异常气旋性环流的出现意味着孟加拉湾上空南支槽系统的加深。在500 hPa 位势高度及其距平场上（图7a），孟加拉湾东侧低压槽及其对应的显著负高度距平中心也表明，孟加拉湾南支槽偏强。孟加拉湾南支槽是低温—雨雪灾害事件期间向我国南方地区输送暖湿水汽的关键环流系统。

低温—冰冻灾害事件期间（图9b），我国南方异常偏南气流实际就是南海上空异常反气旋西北侧的转向气流。另外，在500 hPa 高度距平场上（图7d），南海上空显著的正高度异常也表明，南海上空异常反气旋性环流加强。南海上空异常反气旋环流是低温—冰冻灾害事件期间向我国南方地区输送暖湿水汽的关键环流系统，同时为该地区逆温层形成提供了有利环流条件。南海上空异常反气旋性环流引起的偏南风分量在我国南方地区较弱，其水汽输送能力明显不如南支槽强。

低温—雨雪—冰冻灾害事件期间（图9c），我国南方异常偏南气流实际是孟加拉湾上空异常气旋性环流东侧气流与西北太平洋异常反气旋环流西北侧气流的重叠部分，该特征在700 hPa 层上表现得更为清楚。在500 hPa 位势高度及其距平场上（图7g），孟加拉湾上空为低压槽并对应显著的负高度异常表明，南支槽加深，同时日本南部显著的正高度异常中心则表明，西北太平洋异常反气旋性环流的加强。可见，孟加拉湾南支槽和西北太平洋异常反气旋是低温—雨雪—冰冻灾害事件期间向我国南方地区输送暖湿水汽的关键环流系统，同时为该地区逆温层形成提供了有利环流条件。

上述结果清楚地表明，三类组合性灾害事件期间，我国南方地区的暖湿水汽供应实际是由不同的副热带关键异常环流系统调控，后者还为我国南方地区逆温层的形成提供了有利环流条件。

6 总结和讨论

本文利用1961～2013 年台站观测资料和NCEP/NCAR 再分析资料，首先探讨了冬季我国南方大范围持续性低温、雨雪、冰冻事件的客观识别方法，在此基础上进一步探讨了大范围持续性低温、雨雪、冰冻的组合性灾害事件类型及其识别方法，并对三类常见的组合性灾害事件关键特征进行了对比分析。主要结果如下：

（1）利用百分位方法，分别确定出低温、雨雪、冰冻天气的强度及影响面积阈值并得到大范围低温、雨雪、冰冻的发生日期，根据其持续天数给出了大范围持续性低温、雨雪、冰冻事件各自的客观判识方法。

在此基础上，根据低温、雨雪和冰冻日的同步性及持续天数，给出了它们的组合性灾害事件的客观识别方法以及研究时段内发生的组合性灾害事件。低温—雨雪灾害事件，低温—冰冻灾害事件和低温—雨雪—冰冻灾害事件是我国南方冬季最重要的组合性灾害事件，它们主要出现于1 月上旬和2 月中旬。

（2）三类组合性灾害事件虽然均伴有低温和降水，但其发生条件（或特征）却有显著区别：低温—雨雪灾害事件发生需要充沛水汽供应、大范围强烈的水汽辐合，但无需很强的低温、冷垫和逆温层；低温—冰冻灾害事件发生需要更强的低温、冷垫以及逆温层，但只需弱的水汽供应和水汽辐合；低温—雨雪—冰冻灾害事件发生不仅需要充沛的水汽供应、大范围强烈的水汽辐合，还需要更强的低温、冷垫和逆温层。

（3）亚洲中高纬大型斜脊是低温—冰冻灾害事件和低温—雨雪—冰冻灾害事件的关键环流系统，它们的持续维持为北方冷空气南侵和我国南方冷垫的形成提供了有利环流条件，不同的是，低温—冰冻灾害事件大型斜脊位于乌拉尔山东部，而低温—雨雪—冰冻灾害事件大型斜脊位置更偏东位于贝加尔湖附近。低温—雨雪灾害事件期间亚洲中高纬主要盛行与适度冷空气相对应的波状环流。

（4）三类组合性灾害事件期间，我国南方水汽供应分别由不同的副热带关键环流系统调控。孟加拉湾南支槽和南海异常反气旋分别是低温—雨雪灾害事件和低温—冰冻灾害事件期间向我国南方输送暖湿水汽的关键环流系统，孟加拉湾南支槽和西北太平洋异常反气旋则是低温—雨雪—冰冻灾害事件期间向我国南方地区输送暖湿水汽的关键环流系统。另外，上述副热带关键环流系统也为我国南方地区逆温层的形成提供了有利环流条件。

本文结果清楚地显示了，冬季我国南方大范围持续性低温、雨雪、冰冻事件存在多种组合形式，并形成不同类型的组合性灾害事件。不同组合性灾害事件影响集中区域、低温强度、水汽条件以及关键环流系统等是有显著差异的。这些结果表明，在对冬季灾害性天气事件的预测研究中，对不同的组合性灾害事件加以区分并建立相应的预报方法是非常必要的。

本工作与Peng et al.（2021）的工作有相似之处。但我们的研究更关注历史上发生的近乎极端的事件，因而事件的强度阈值（图2）取得比Peng et al.（2021）图2 中的强度阈值强。这可能是导致了我们识别出的组合性灾害事件数比Peng et al.（2021）界定出的事件数少得多的原因。我们的主要结果与Peng et al. （2021）也有所不同。主要差别有：（1）本文与冰冻有关的组合性灾害事件影响集中区域主要位于江南中西部（图6c 和d），而Peng et al.（2021）图6c 的则更多出现在江淮区域，这可能是冷空气活动强度不同所致；（2）低温—雨雪—冰冻灾害事件期间亚洲北部的斜脊位于贝加尔湖附近（图7g），而Peng et al.（2021）图7a的大范围低温雨雪冰冻事件（ECPFEs）期间亚洲北部的斜脊位于乌拉尔山和贝加尔湖之间，这可能与冷空气主体位置有所不同有关；（3）本文研究表明，低温—冰冻灾害事件发生次数实际并不少，而且它的关键特征与其它组合性灾害事件的区别也是非常显著的。而Peng et al.（2021）并没有此类组合性灾害事件展开研究。造成上述差别（1）和（2）的主要原因，很可能是由于强度阈值不同导致事件个例数目以及起止日期不同所致。

本文只是探讨了组合性灾害事件的关键特征，意在揭示不同组合性灾害事件发生的有利条件（如冷空气强度、水汽供应及辐合、层结结构及关键环流配置），但对于关键环流配置发展演变的季节内尺度特征、不同组合性灾害事件季节内活动差异以及不同组合性灾害事件年际活动变化等问题，限于篇幅本文并未探究。我们下一步工作将揭示不同组合性灾害事件的环流演变特征及其动力学机理，给出它们关键前兆信号及其异同点，并对其季内及年际活动特征作进一步探讨。