1960—2017年黄河流域寒潮时空变化规律

徐 菡 刘太正

(山东科技大学 测绘与空间信息学院, 山东 青岛 266590)

0 引言

极端天气事件是指在某地区的统计分布中很少或极少发生的事件[1]。极端天气事件因其对生态环境和社会的重大影响而成为众多气候变化研究的焦点。其中，寒潮是中国北方地区最具破坏性的自然灾害之一,通常与众多灾害相关,影响人类生命健康和社会经济,因而成为影响中国冬半年的主要灾害性天气[2-3],受到了学者的广泛研究。

近年来,国内外学者对寒潮开展了大量的科学研究。李宪之[4]针对寒潮的形成过程将我国寒潮分为小槽发展型、西来槽型和横槽型三种。陶诗言[5]研究了对中国大陆产生影响的冷空气源地和路径。王遵娅等[5]研究表明西伯利亚高压和东亚冬季风减弱导致中国寒潮频次减少。钱维宏[6]分析了1961—2005年中国寒潮的时空演变规律,指出由于中国中高纬度寒潮事件频次的减少,导致了冬季平均最低气温的升高,形成了暖冬。近几十年来,中国寒潮发生频次存在一定程度的时空差异[7-11]。

黄河流域是中国经济发展重地和粮食生产核心区,流域面积辽阔,气候类型复杂多样[12-14]。该流域不仅是中国气候变化最为敏感的区域之一,同时也是寒潮发生频次较高的区域之一。而黄河流域寒潮的时空变化特征及其可能影响因素一直以来都研究较少。鉴于此,本文以黄河流域76个气象站1960—2017年逐日最低气温资料为基础,按照寒潮强度等级将寒潮分为寒潮、强寒潮、特强寒潮三类分别进行分析,研究了近58年来该流域三类寒潮的时空变化特征。研究成果可为流域应对寒潮天气带来的灾害提供科学依据,同时为未来该流域极端天气变化研究提供参考。

1 研究数据与方法

1.1 数据来源

本文所采用的数据为黄河流域1960—2017年76个气象台站逐日最低气温数据,来源于中国气象数据网(http://data.cma.cn)。为了保证数据的连续性和完整性,对选取的站点进行了质量检查,从而消除了非气候因子所带来的干扰。黄河流域76个气象站点分布情况如图1所示。

【审图号：GS(2020)4631号】图1 黄河流域气象站点分布

1.2 寒潮标准定义

本文依据《中华人民共和国国家标准》中的《寒潮等级》(GB/T21987—2017)中的规定,将寒潮划分为寒潮、强寒潮、特强寒潮三个等级。由于日最低气温不受太阳辐射的干扰,能够有效地表达降温的相对幅度[6],所以本文采用日最低气温来统计寒潮的频次。

1.3 研究方法

依据气象站点逐日最低气温数据对黄河流域内3个等级的寒潮发生分别进行筛选。同时运用曼-肯德尔(Mann-Kendall,M-K)突变分析、线性回归和相关分析等方法对寒潮频次的时空演变特征进行讨论。

2 寒潮空间分布特征

2.1 寒潮频次的空间分布特征

通过对1960—2017年黄河流域三类寒潮发生频次空间特征分析,发现该流域寒潮【图2(a)】每个站点发生频次为2～48次,累计发生1 263次,分布特征为东北高、西南低。高值区分布在内蒙古、陕西和宁夏三省交界处,低值区分布在青海、甘肃、河南等地,有26站寒潮多年总频次低于10次。强寒潮【图2(b)】每个站点发生频次在0～18次之间,累计发生363次,呈东北高、西南低的分布特征。高频区分布在内蒙古、陕西北部、宁夏东北部和山西北部,低频区分布在陕西西南部、河南等地,有10站多年未发生强寒潮。特强寒潮【图2(c)】每个站点发生频次在0～190次之间,累计发生1 734次,呈西南高、中部低的分布特征。高值区分布在青海和四川等地,低值区分布在甘肃、河南、陕西和山西南部等,有11站多年未发生特强寒潮。

(a)寒潮频次分布

(b)强寒潮频次分布

(c)特强寒潮频次分布【审图号：GS(2020)4631号】图2 1960—2017年黄河流域寒潮发生频次空间分布

2.2 寒潮频次季节空间分布特征

对黄河流域近58年来三类寒潮频次的季节分布进行分析,其中,寒潮(图略)在春季发生最频繁,主要分布在内蒙古、宁夏、陕西和山西等地,累计发生623次。秋季发生频次次之,主要分布在内蒙古、宁夏和陕西三省交接处,累计发生489次。冬季发生频次最少,主要分布在山东和河南,累计发生148次;同时强寒潮(图略)发生最频繁的季节也是春季,主要分布在内蒙古、宁夏和陕西三省交接处和山西北部,累计发生48次。秋季和冬季发生频次次之,累计发生分别为45次和39次,总体来说强寒潮的季节差异性不明显。而特强寒潮如图3所示,季节差异性较为明显,主要分布在青海和甘肃西南部、四川和山西北部等地,图3(c)冬季是特强寒潮发生最频繁的季节,累计发生13 53次。图3(b)秋季和图3(a)春季发生频次次之,累计发生分别为203次和177次。

(a)春季

(b)秋季

(c)冬季【审图号：GS(2020)4631号】图3 1960—2017年黄河流域特强寒潮季节发生频次空间分布

2.3 寒潮年代频次空间分布特征

对黄河流域1960—2017年三类寒潮年代频次分析发现三类寒潮在不同年代空间分布特种不同。

寒潮(图略)在1960—1989年频次较高区域分布在黄河流域中游内蒙古、宁夏、陕西地区。频次较低区域分布在黄河流域上游青海、四川及甘肃西南部地区。1990—1999年,黄河流域下游山东地区发生频次较高,四川及青海、甘肃西南部地区发生频次较低。而2000—2009年,出现了三个大值中心,分别是青海、四川、甘肃三省交界处,内蒙古、宁夏、陕西三省交界处以及陕西、山西、内蒙古三省交界处。2010—2017年,寒潮频次较高区域分布在黄河流域中游内蒙古、宁夏、陕西三省交界处。不同年代际寒潮发生频次总体上呈东北高西南低分布。

强寒潮(图略)1960—1969年代频次较高地区主要分布在中部地区,且分布较为零散。1970—1999年强寒潮频次较1960—1969年明显减少,减少的区域分布在中部地区的内蒙古、宁夏、陕西等地,以及东部的山东等地。2000—2017年,强寒潮的高值区主要分布在陕西、山西、内蒙古、宁夏等地。不同年代际强寒潮频次分布总体呈减少趋势,明显减少的区域分布在山东、四川、内蒙古北部地区。

特强寒潮如图4所示,1960—1969年【图4(a)】频次较高区域分布在青海西南部和四川大部分地区。频次较低区域分布在甘肃、河南及陕西和山西北部地区,特强寒潮每个站点发生频次范围在0～25次,共计260次,其中频次范围在0～3次和6～9次的区域所占比例分别为64.5%和15.8%。1970—1999年【图4(b)～图(d)】及2000—2009年【图4(e)】,黄河流域内青海西南地区、四川地区以及山西北部地区发生频次较高,黄河流域中部发生频次较低。而2010年—2017年【图4(f)】,黄河流域特强寒潮每个站点发生频次范围在0～17次,其中频次范围在0～3次的区域占比约为84.2%。就空间格局而言,不同年代际特强寒潮低频区域在增加,高频区域在减少,发生频次呈“双峰”结构空间分布特征。

(a)1960—1969年

(b)1970—1979年

(c)1980—1989年

(d)1990—1999年

(e)2000—2009年

(f)2010年—2017年【审图号：GS(2020)4631号】图4 1960—2017年黄河流域特强寒潮年代发生频次空间分布

3 寒潮时间变化特征

3.1 寒潮频次年变化趋势

通过对黄河流域近58年来寒潮频次年际变化分析发现,图5(a)寒潮每个站点发生年平均频次为22次发生年平均频次为22次/站,且呈弱减少趋势,速率为-0.32次/10a,1995年寒潮频次最高为43次,1966、1979、1987、2004年寒潮频次发生较多均高于30次。图5(b)强寒潮发生年平均频次为6次,且呈弱减少趋势,速率为-0.42次/10a,1987年强寒潮频次达到18次,强寒潮频次发生较多的年份为1960、1965、1969、1995年均高于10次。5(c)特强寒潮图发生年平均频次为30次,且呈显著减少趋势,速率为-2.16次/10a,1971年特强寒潮频次达到77次,特强寒潮1970和2008年频次发生较多均高于50次。

(a)寒潮频次

(b)强寒潮频次

(c)特强寒潮频次图5 1960—2017年黄河流域寒潮频次年际变化特征

3.2 寒潮突变分析

对黄河流域1960—2017年三种类型寒潮进行Mann-Kendall法突变分析,UFk是按时间序列顺序计算出的统计量序列,UBk为UFk的逆序列,UBk和UFk可表明寒潮频次的变化趋势。从图6可以看出寒潮、强寒潮、特强寒潮的发生频次均呈现下降的趋势。寒潮【图6(a)】的变化趋势在1960—1972年、1981—2017年UFk均小于0且未超过显著性水平为0.05的临界线,表明寒潮频次下降趋势不显著。同时1972—1981年UFk在0值附近变化,表明寒潮频次发生不显著的变化趋势。强寒潮【图6(b)】UFk和UBk在1965年附近相交且在临界线之间,表明该年为强寒潮突变时间点,1960—1968年、1971—1981年、1986—2000年UFk都小于0表明强寒潮频次呈现不显著的下降趋势。1981—1986年、2000—2017年UFk都小于0,强寒潮频次的下降趋势显著。特强寒潮【图6(c)】UFk和UBk在1975年附近存在交点且位于临界线之间,表明1975年为特强寒潮突变时间点,1963—1974年UFk都大于0且未超出显著性水平为0.05的临界线,说明特强寒潮频次的增长趋势不显著。1960—1963年、1974—1983年、2001—2004年UFk都小于0,因此特强寒潮频次呈不显著下降趋势。1983—2001年、2004—2017年UFk都小于0,特强寒潮频次显著下降。

(a)寒潮

(b)强寒潮

(c)特强寒潮图6 1960—2017年黄河流域寒潮频次Mann-Kendall曲线

4 结束语

本研究利用黄河流域1960—2017年76个气象站点的逐日最低气温数据,对寒潮发生的时间和空间的变化特征进行分析,得出以下结论：

(1)黄河流域近58年三类寒潮发生频次整体呈下降趋势,寒潮和强寒潮呈不显著下降趋势,速率分别为-0.32次/10a和-0.42次/10a。特强寒潮呈显著下降趋势,速率为-2.16次/10a,1975年为突变时间点。春季是寒潮和强寒潮发生最频繁的季节,冬季是特强寒潮发生最频繁的季节。

(2)不同强度寒潮发生频次存在明显,近58年来黄河流域地区特强寒潮发生的频次最高累计发生1 734次,其次为寒潮累计发生1 263次,强寒潮发生的频次最少累计363次。

(3)黄河流域寒潮频次时空差异特征显著,两个高值区一个位于青海和甘肃的西北部以及四川等地,另一个位于山西、陕西和内蒙古三省交界处,呈现“双峰”结构特征。低值区分布在甘肃、河南、陕西和山西南部等地。

整体看来,随着气候变暖,近58年黄河流域寒潮发生频次呈下降趋势,三类寒潮发生频次在空间分布上比较相似,高发区集中在黄河流域东北部和西南地区。通过分析确定不同强度等级的寒潮高发地区,进行风险评估和区划,可以科学制定防御对策,降低寒潮对人们生产生活带来的不利影响。由于研究区内某些气象资料难以获取以及观测时间的限制等因素影响,本研究对寒潮的发生频次变化趋势无法进行更为精确的分析,今后会进一步获取精度更高时间序列更长的资料进行分析,同时将进一步研究大气环流对寒潮活动频次变化的影响,为未来该流域气候环境变化提供参考。