2021/2022年冬季贵州凝冻天气阶段性特征及成因

任曼琳，李忠燕，2，王博卿，谭娅姮，王烁

（1.贵州省气候中心，贵州 贵阳 550002；2.贵州省山地气候与资源重点实验室，贵州 贵阳 550002；3.贵州省气象信息中心，贵州 贵阳 550002）

引言

凝冻是我国冬季常见的气象灾害，其发生对农林业、交通运输、电力输送和通讯设施有很大影响。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，此次过程持续时长达33 d，对贵州省造成直接经济损失348亿元人民币（丁一汇等，2008；陶诗言和卫捷，2008；李崇银等，2008）。2011年1月我国南方再次遭受低温雨雪冰冻天气袭击，凝冻灾害造成160余万人受灾（杜小玲等，2014）。这两次历史少见凝冻事件的突出特征是强度大、持续时间长、影响范围广（Hu et al.， 2014；宗海锋等，2022），对民生及经济发展均造成较大影响。目前，已有大量研究从海温场、逆温层及云物理机制等分析造成凝冻过程发生的背景，并对各项因子的影响程度进行了讨论。研究发现海温异常是凝冻灾害发生的气候背景，其导致欧亚地区持续性大气环流异常是灾害发生的主要原因（陶诗言和卫捷，2008；李崇银等，2008；曾明剑等，2008；高辉等，2008；顾雷等，2008；施宁等，2008；孙建华和赵思雄，2008；李丽丽等，2013；白慧等，2016；彭京备和孙淑清，2017；徐玮平等，2022；许金萍等，2022；宗海锋等，2022）；而暖湿气流旺盛、逆温层及强冷空气影响使地面温度降至0 ℃附近是凝冻形成的大气环境背景与主要条件（朱乾根，2007；赖鑫等，2011），且与逆温层有密切关系（何玉龙等，2007；赵思雄和孙建华，2008；杨贵名等，2008；杜小玲等，2010；宗志平等，2013；张峻和王海军，2013；刘畅和杨成芳，2017；徐娟娟等，2020）。同时，稳定、少动的准静止锋（或切变线）也是凝冻天气的重要影响系统，位于锋面西段的逆温层和暖层有利于凝冻的形成（孙建华和赵思雄，2008；杨贵名等，2008；唐延婧和宋丹，2008）。

由于特殊气候特点及地理位置，贵州为凝冻灾害频发区，凝冻发生数量占全国总数的84%（朱乾根，2007；杜小玲等，2010；欧建军等，2011）。此外因山地、河谷及喀斯特等特殊地貌较多，随着人类社会的经济发展及国家战略建设需求，公路、桥梁铁塔等重要基础设施在贵州山区所占比例逐年上升，其带来的经济发展及人员流动也随之升高，因此贵州在低温凝冻过程中更容易发生因雪凝而导致的次生灾害，可见做好对贵州省冬季凝冻过程的分析预报工作尤为重要。2021/2022年冬季，在中等强度的La Niña事件背景下，贵州省气温偏低、降水偏多，但凝冻日数总体偏少，呈前期偏弱后期偏强的阶段性分布特征。本文利用多种资料分别从高度场、风场、水汽条件、温度场等方面，针对贵州地区的气候特点深入分析2021/2022年冬季贵州凝冻阶段性特征成因，掌握冬季凝冻过程的发生特征，对提高凝冻天气预报质量具有重大意义。

1 资料与方法

凝冻主要包括雨淞和雾淞。雾淞非冰非雪，其形成条件比较特殊，是由于雾中无数0 ℃以下尚未凝华的水蒸气随风在树枝等物体上不断积聚冻粘的结果；雨凇是超冷却降水碰到温度等于或低于0 ℃的物体表面时所形成玻璃状的透明或无光泽的表面粗糙的冰覆盖层，也叫冰凌、树凝。雾凇和雨凇的区别是雨凇有降水，为透明状，而雾淞无降水，为白色冰晶结构。1961—2021年贵州省雾淞、雨凇分别出现1 224、32 402站次，可见雾淞占比较少。在历史观测资料中，当记录为雨凇日时，代表凝冻天气真实发生，温度和降水均达到要求，此时参考影响范围的大小，持续时间的长短，即可很好的定义一次凝冻事件的强弱（张超等，2022）。因此，本文以贵州省雨凇观测资料作为凝冻数据来源。

规定某日监测区域内有8站及以上出现凝冻则为一个区域性凝冻日，若监测区域内连续出现3 d及以上区域性凝冻日，则一次区域性凝冻过程开始，连续出现2 d非区域性凝冻日，则该次区域性凝冻过程结束（任曼琳等，2022）。

所用资料有：（1）贵州省气候中心整编的贵州省84个国家气象站逐日平均气温、降水、雨凇观测资料；（2）美国环境预报中心和国家大气研究中心（National Centers for Environmental Prediction/National Center for Atmospheric Research， NCEP/NCAR）的FNL（Final Operational Global Analysis）再分析资料，对应时段内每日4时次的温度场、风场、比湿场及位势高度场，水平分辨率为1°×1°；（3）美国国家海洋大气管理局（National Oceanic and Atmospheric Administration， NOAA）的逐月海温数据，水平分辨率为0.25°×0.25°；（4）Niño3.4指数采用国家气候中心发布的监测数据（即5°N—5°S，120°W—170°W区域平均的海表温度距平序列）；（5）南方涛动指数（Southern Oscillation Index， SOI）采用美国国家海洋大气管理局气候预测中心发布的数据（即塔希提站与达尔文站月平均海平面气压差序列的标准化值）。本文研究时段为2021年12月至2022年2月，气候态均指1991—2020年多年平均，2021/2022年冬季是指2021年12月至2022年2月。

文中附图涉及地图的行政边界基于国家测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号为GS（2017）3320号的标准地图制作，底图无修改。

2 结果分析

2.1 2021/2022年冬季贵州省凝冻特征

2021/2022年冬季，贵州省平均气温5.7 ℃，较常年同期（6.6 ℃）偏低0.9 ℃。从平均气温距平空间分布［图1（a）］可以看出，全省大部地区气温较常年同期偏低0.5 ℃以上，其中贵州省东北部、西部以及南部等地气温偏低1.0～2.0 ℃，盘州市偏低2.7 ℃。2021/2022年冬季，贵州省平均降水量142.5 mm，较常年同期（84 mm）偏多69.6%，为1961年以来历史同期最多。从降水量距平百分率空间分布［图1（b）］可以看出，降水量空间分布不均，呈北少南多分布趋势，除桐梓、道真、开阳3站降水量偏少外，其余大部地区降水量偏多2成以上，其中贵州省中部以南、西部部分地区降水量偏多1倍以上。

图1 2021/2022年冬季贵州省平均气温距平（a，单位：℃）和降水距平百分率（b，单位：%）Fig.1 Mean air temperature anomaly （a， Unit： ℃） and percentage of precipitation anomaly （b， Unit： %） in Guizhou Province in winter of 2021/2022

2021/2022年冬季，贵州省平均气温起伏大，阶段性变化特征明显，呈现前冬异常偏暖，后冬异常偏冷。从贵州省平均气温的逐日演变（图2）可以看出，2021年12月1日至12月25日，贵州省总体偏暖，偏暖时段累计25.0 d，最高日平均气温距平达6.2 ℃；2021年12月26日以后全省迅速转冷，累积偏冷日数达53.0 d，最低日平均气温距平达-8.5 ℃。

图2 2021/2022冬季贵州省日平均气温及其距平逐日变化（单位：℃）Fig.2 Daily mean temperature and its anomaly in Guizhou Province in winter of 2021/2022 （Unit： ℃）

在2021/2022年冬季气候湿冷的背景下，贵州省平均发生凝冻4.9 d，较常年同期（5.3 d）偏少0.4 d。全省共计55站出现凝冻，凝冻日数大值区主要集中出现在贵州省中部一线地区［图3（a）］，具有中部多、南北少的分布特点，其中最大凝冻日数为威宁的29.0 d。从凝冻日数距平空间分布［图3（b）］来看，除贵州省中部一线32站凝冻日数略偏多外，其余大部地区偏少，其中毕节市大部、遵义市西部偏少4.0 d以上，毕节站偏少11.0 d。

图3 2021/2022年冬季贵州省凝冻日数（a）及其距平（b）空间分布（单位：d）Fig.3 Spatial distribution of freezing days （a） and its anomaly （b） in Guizhou Province in winter of 2021/2022 （Unit： d）

从贵州省凝冻站次的逐日演变（图4）可以看出，2021/2022年冬季凝冻的阶段性特征明显，呈前期偏少后期偏多，2021/2022年冬季共有3次区域性凝冻过程。2021年12月1—25日，贵州省总体偏暖、凝冻偏轻，12月17—19日仅4站次出现凝冻。12月26日开始，受冷空气过程影响，贵州省出现第一次区域性凝冻过程（表1），该次过程持续4 d，于12月29日结束，共影响45站，其中12月27日影响站数最多，共计32站发生凝冻。12月30日之后，无明显冷过程影响，温度起伏变化不大，截至2022年1月24日，贵州无区域性凝冻过程发生。1月21日开始，受冷空气过程影响，平均气温出现负距平（图2），1月25日开始有1站次凝冻出现，至1月31日连续3 d有8站以上凝冻过程发生，达到区域性凝冻过程标准，该次过程持续5 d，于2月4日结束，共影响35站。2月14—17日，受短暂升温过程影响，贵州无凝冻过程发生。2月17开始，受冷空气过程影响，平均气温出现负距平，至2月19日连续3 d有8站以上凝冻过程出现，达到区域性凝冻过程标准，该次过程持续5 d，于2月23日结束，共影响38站。

表1 2021/2022年冬季贵州省区域性凝冻过程统计Tab.1 Statistical of regional freezing process in Guizhou Province in winter of 2021/2022

图4 2021/2022年冬季贵州省凝冻站次逐日变化Fig.4 Daily Changes of freezing stations in Guizhou Province in winter of 2021/2022

2021/2022年冬季贵州省气温偏低、降水偏多，而全省平均发生凝冻4.9 d，较常年同期偏少0.4 d，凝冻总体较常年偏轻，共有3次区域性凝冻过程发生。气温和凝冻均呈现前轻后重的阶段性演变。

2.2 2021/2022年冬季贵州省凝冻阶段性特征成因分析

ENSO（El Niño-Southern Oscillation）是热带海气系统的重要信号，其海温异常将通过海气相互作用影响大气环流，研究表明强La Niña事件会导致西伯利亚高压和冬季风偏强，中高纬度地区维持经向环流为主，使冷空气活动频繁（赵振国，1989；陶诗言和张庆云，1998；Chen et al.， 2000；Wang et al.，2000；舒建川等，2021； Zheng et al.， 2022）。据统计1981年以来共出现17次La Niña事件，在这17次La Niña年的冬季，贵州省平均气温距平低于0 ℃的年份达12 a，表明赤道中东太平洋海温偏低为贵州省冬季气温偏低提供了有利的海温背景条件。

从Niño3.4指数逐月演变（图5）可以看出，2021年10月起，Niño3.4指数3个月滑动平均值小于-0.50 ℃，且持续超过5个月，根据厄尔尼诺/拉尼娜事件判别标准（国家气候中心和中国气象科学研究院，2017），判定此次为一起中等强度的La Niña事件。此次事件于2022年3月达到峰值，峰值强度为-1.17 ℃，截至2022年6月已持续9个月，强度虽有所减弱但仍在持续，且2020年8月至2021年3月中东太平洋也发生了一次中等强度的La Niña事件。从Niño3.4指数与SOI逐月演变来看，2020年7月起Niño3.4负指数对应SOI正指数，表明热带大气与赤道地区海温异常高度耦合，热带大气对海温异常的响应明显。从2021/2022年冬季赤道太平洋海表温度距平场空间分布（图6）可以看出，日界线以东赤道以南的中东太平洋地区为负海温距平，负距平中心位于120°W—90°W的赤道地区，中心强度低于-1.50 ℃。

图5 2019年1月至2022年6月Niño3.4指数和南方涛动指数（SOI）逐月演变Fig.5 Monthly evolution of the Niño3.4 index and the Southern Oscillation Index （SOI） from January 2019 to June 2022

图6 2021/2022年冬季赤道太平洋海表温度距平场空间分布（单位：℃）Fig.6 The spatial distribution of sea surface temperature anomaly field of Equatorial Pacific in winter of 2021/2022 （Unit： ℃）

研究表明，在中低纬度地区，南支锋区的活跃程度可用500 hPa位势高度的降低和副热带西风急流增强来判断，同时位势高度降低则表明受冷空气影响，以564 dagpm为特征线的位势高度一旦进入30°N以南，表明南方受强冷空气的影响越显著（杜小玲等，2014）。本文副热带西南急流的建立以500 hPa高度场风速大于等于28 m·s-1表示。从2021/2022年冬季500 hPa平均位势高度和大于等于28 m·s-1的风速逐日演变［图7（a）］可以看出，500 hPa平均位势高度阶段性特征明显，前期平均位势高度偏高，后期偏低，2021年12月1—19日以564 dagpm为特征线的位势高度虽有南北摆动，但稳定维持在30°N以北，2022年1月20日之后，南压明显，截至2月22日维持在28°N附近，2月23日开始明显向北摆动。副热带西风急流也呈前期偏弱后期偏强的阶段性变化特征，其中2月9—12日、16—20日风速大于36 m·s-1。因此南支锋区4个活跃期，分别出现在2021年12月15—18日、12月26—28日、1月9—14日、1月21日—2月22日。

图7 2021/2022年冬季500 hPa平均位势高度（黑色线条，单位：dagpm）、风速大于等于28 m·s-1区域（填色区，单位：m·s-1）（a）及850 hPa平均风矢量（箭头，单位：m·s-1）、偏南（北）风风速（填色区，单位：m·s-1）及0 ℃等温线（黑线）（b）沿103°E—110°E平均的纬度-时间剖面Fig.7 Latitude-time profile of 500 hPa mean geopotential height （black lines， Unit： dagpm） and wind speed greater than or equal to 28 m·s-1 （shaded area， Unit： m·s-1） （a） and 850 hPa mean wind vector （arrow， Unit： m·s-1）， south （north） wind speed（shaded area， Unit： m·s-1） and 0 ℃ line （black line） （b） averaged along 103°E-110°E in the winter of 2021/2022

在高层南支锋区建立的有利背景下，低层风场对凝冻天气影响显著。由2021/2022年冬季850 hPa平均风矢量、偏南（北）风风速及0 ℃等温线的纬度-时间剖面［图7（b）］可以看出，2021年12月26日前后、2022年1月26日至2月19日存在明显的低层切变线，切变线南侧为暖湿偏南气流，北侧为干冷偏北气流。从偏南气流的强度来看，前期偏弱后期偏强的阶段性特征明显，尤其在2022年1月20日之后。而偏北气流在2021年12月16—18日、12月26日前后、2022年1月26日至2月11日、2月18—24日4个阶段明显偏强。伴随偏北气流增加，冷空气势力增强，导致0 ℃等温线明显南压，其中2月18—24日偏北气流最为强盛，导致0 ℃等温线南压至25°N。1月26日之后，切变线稳定维持、偏北气流强盛使0 ℃等温线南压明显、偏南气流与偏北气流势力相当，使得对流层低层长时间维持水汽辐合，导致该阶段温度持续偏低，出现持续凝冻天气过程。

由于南支锋区上偏南气流加强，对应贵州地区区域平均水汽通量和南风水汽通量［图8（a）］也呈前期偏弱后期偏强的阶段性特征，且南支锋区活跃期与贵州省凝冻出现时间（图4）吻合，尤其在偏南气流增强期间，偏南风的水汽通量中心与凝冻过程有很好地吻合。其中1月21日至2月22日南支锋区异常活跃，持续时间长，对应贵州省持续凝冻天气，导致该阶段温度持续偏低。因此高层南支锋区的建立、维持与贵州省凝冻天气密切相关，2021/2022年冬季南支锋区前期偏弱后期偏强为贵州省凝冻阶段性特征提供了有利的背景。

图8 2021/2022年冬季贵州地区（103°E—110°E，24°N—29°N）区域平均水汽通量（填色区）和南风水汽通量（黑色虚线）（单位：g·cm-1·hPa-1·s-1）（a）及水汽通量散度的高度-时间剖面（单位：10-8g·cm-2·hPa-1·s-1）（b）Fig.8 The height-time profile of regional mean water vapor flux （color filled areas） and south-wind water vapor fluxes（black dashed line） （Unit： g·cm-1·hPa-1·s-1） （a） and the divergence of water vapor flux （Unit： 10-8g·cm-2·hPa-1·s-1）（b） over Guizhou （103°E-110°E， 24°N-29°N） in the winter of 2021/2022

另外，由于2021/2022年冬季850 hPa贵州范围内偏南气流呈前期偏弱后期偏强的分布，导致低层水汽辐合也呈现前期偏弱后期偏强分布［图8（b）］。2022年1月19—28日、2月5—12日、2月14—19日对流层低层出现较强的水汽辐合中心，中心强度达-20.09×10-8g·cm-2·hPa-1·s-1，主要出现在850 hPa附近，而在其上空700 hPa附近对应有较强的辐散中心，在垂直方向上自下而上形成低层辐合中层辐散的结构，且对流层低层出现较强的水汽辐合中心时段与贵州出现持续凝冻过程时段吻合。因此，2022年1月19日之后，偏南气流持续增强，对流层低层水汽辐合也迅速增强，并维持低层辐合中层辐散的不稳定层结和上升运动，触发长时间的低温雨雪天气，导致2021/2022年冬季贵州凝冻呈现前期偏弱后期偏强分布。

从2021/2022年冬季贵州地区（103°E—110°E，24°N—29°N）区域平均温度的高度-时间剖面（图9）可以看出，2022年12月25—28日、2022年1月29日至2月5日、2月19—23日高层冷势力明显，导致0 ℃等温线出现在850 hPa等压线以下，降温明显，且该时段与贵州凝冻最强时段吻合。2021/2022年冬季前期暖层较为深厚，0 ℃等温线可延伸至600 hPa，而冷空气势力前期偏弱后期偏强，导致贵州省冬季温度距平和凝冻的阶段性分布特征明显。研究表明，低层为冷层，而暖湿空气沿冷垫爬升，形成深厚而稳定的逆温层是雨雪冰冻过程的直接原因（丁一汇等，2008；杨贵名等，2008；孙建华和赵思雄，2008；Kwon et al.， 2016；阎琦等，2019；张桂莲等，2022）。而从图9可以看出整个冬季未见逆温层存在，由于没有深厚而稳定的逆温层，虽然2021/2022年冬季贵州省出现3次区域性凝冻过程，但强度均偏轻。

图9 2021/2022年冬季贵州地区（103°E—110°E， 24°N—29°N）区域平均温度的高度-时间剖面（单位：℃，黑线为0 ℃等温线）Fig.9 Height-time profile of regional average temperature over Guizhou （103°E-110°E， 24°N-29°N） in the winter of 2021/2022 （Unit： ℃， the black line is 0 ℃ isotherm）

综合来看，2021/2022年冬季赤道中东太平洋海温偏低为贵州省冬季气温偏低提供了有利的海温背景条件，而高层南支锋区总体呈前期偏弱后期偏强的阶段性分布特征，为贵州省凝冻阶段性特征提供了有利的大尺度环流背景。2022年1月26日之后，对流层低层切变线稳定维持、偏北气流异常强盛使0 ℃等温线南压明显，同时随着偏南气流持续增强，对流层低层水汽辐合也迅速增强，并维持低层辐合中层辐散的不稳定层结和上升运动，为贵州省冬季后期凝冻阶段性偏强提供了有利的水汽条件。温度场上，前期暖层较为深厚，后期冷空气势力强劲，为贵州省凝冻前期偏弱后期偏强的阶段性特征提供了有利的温度条件。

3 结论

2021/2022年冬季赤道中东太平洋海温偏低，导致贵州省气温偏低、降水偏多，而凝冻日数偏少，呈前期偏弱后期偏强的阶段性分布特征。本文分别从高度场、风场、水汽条件、温度场等方面对凝冻阶段性特征的成因进行分析，得到以下结论：

（1）2021/2022年冬季，高层南支锋区有4个活跃期，分别出现在2021年12月15—18日、12月26—28日、1月9—14日、1月21日至2月22日，总体前期偏弱后期偏强，由于南支锋区上偏南气流加强对应贵州地区区域平均水汽通量也呈前期偏弱后期偏强形势，为贵州省凝冻阶段性特征提供了有利的大尺度环流背景。

（2）2022年1月26日之后，对流层低层切变线稳定维持、偏北气流异常强盛使0 ℃等温线南压明显，同时偏南气流与偏北气流势力相当，偏南气流持续增强，对流层低层水汽辐合也迅速增强，并维持低层辐合中层辐散的不稳定层结和上升运动，触发长时间低温雨雪天，为贵州省凝冻阶段性特征提供了有利的水汽条件。

（3）温度垂直剖面场上，2022年12月25—28日、2022年1月29日至2月5日、2月19—23日高层冷势力明显，0 ℃等温线位置异常偏低，该时段与贵州凝冻最强时段吻合。前期暖层较为深厚，冷空气势力呈前期偏弱后期偏强的阶段性分布特征，为贵州省凝冻阶段性特征提供了有利的温度条件。但由于2021/2022年冬季没有深厚而稳定的逆温层，导致3次区域性凝冻过程强度均偏弱。