1981～2021年南水北调中线工程安阳河以北段冬季冷暖变化特征分析

摘要：

为更好地开展南水北调中线工程冰期输水调度，基于中线工程沿线8个国家气象站点的1981～2021年冬季日平均气温数据，采用气候平均值、气候倾向率等统计方法，并依据国家冷暖冬等级划分标准，在年度尺度上，对安阳河以北段近41 a来冬季冷暖变化气候特征进行了统计分析。结果表明：① 1981～2021年，各站冬季平均气温基本为-5～3 ℃，在空间上整体呈现南高北低的特征，南北温差基本为3～4 ℃。② 1981～2021年，各站冬季平均气温年际变化规律基本一致，整体上均呈现出波动上升的趋势，增温幅度为0.113～0.713 ℃/（10 a），整体表现为南北升温速率低，中部升温速率高的特点。③ 从年代际变化来看，1980年代各站冬季平均气温最低，多为偏冷年份，整体上1980，1990和2010年代表现为升温趋势，2010年代升温最为显著，而2000年代则表现为降温趋势。其中，在2000年代和2010年代，各站冬季平均气温波动频繁，且幅度较大，平均气温标准差均超过了1.0 ℃。④ 近41 a区域暖冬年共出现12次，主要在1990年代中期以后，区域冷冬年共出现18次，其中，1980年代最多，1990年代最少，自1990年代末期开始，区域冷冬年、暖冬年时常交替出现，而在2014年后，区域暖冬年明显偏多。研究成果可为南水北调中线工程优化冰期输水调度、提升冬季渠道过流能力提供参考。

关键词：

冷暖变化； 冬季气候特征； 冰期输水； 南水北调中线工程； 安阳河

中图法分类号：P467

文献标志码：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2025.01.004

文章编号：1006-0081（2025）01-0019-07

0 引 言

南水北调工程是缓解中国北方地区水资源短缺、优化水资源配置、改善生态环境的重大战略性基础设施［1-2］。中线一期工程自丹江口水库陶岔渠首闸引水，跨越长江、淮河、黄河、海河四大流域，沿途分别向河南、河北、天津、北京四省（直辖市）供水，全长1 432 km，以明渠自流输水为主，南北跨越北纬33°～40°，水流由亚热带流向暖温带［3-4］，冬季水体沿程失热。按照初步设计，中线安阳河以北段冬季存在冰期输水运行工况，面临冰期输水安全问题［4］。南水北调中线工程2014年12月12日全线正式通水，冰期输水实施“高水位、低流速、冰盖下输水”调度方案，总干渠安阳河以北段冬季输水安全控制流量仅为设计流量的31.56%～47.64%，大幅降低了工程的输水能力并制约了输水效益的发挥［5-6］。

南水北调中线工程正式通水以来的冰情原型观测数据显示，中线工程干线冬季冰情发展时间主要在每年12月中下旬至次年2月中上旬，冰期历时49～69 d，封冻历时0～41 d。其中，2015年冬季封冻历时最长41 d，2016年次之，达到32 d，其他冬季封冻时间一般少于10 d。2016年冬季封冻范围最长，约360 km，最大冰盖厚度28 cm，2021年冬季次之，封冻范围长约83 km，最大冰盖厚度16 cm。2017～2020年4个冬季基本未出现大范围封冻，主要以岸冰、流冰和局部短期封冻冰盖为主，主要在岗头节制闸以下渠段形成冰盖，厚度均小于5 cm，一般为不连续冰盖，且冰盖上有清沟。2022年和2023年两个冬季均未形成冰盖［7］。为此，近年来南水北调中线工程尝试从时间和空间两个维度开展冰期输水动态调度，适当延长非冰期输水时间和范围，相关断面的最大输水流量和平均输水流量均有所提升，但整体效果有限［3］。

气候冷暖是驱动南水北调中线工程渠道冰情发展的主要因素，即南水北调中线工程不同冰情现象的发生与沿线地区冬季气温密切相关［8-10］。为有效揭示南水北调中线工程沿线冬季气温特征，王涛等［11］基于1957～2006年新乡、安阳、邢台、石家庄气象资料，根据暖冬、冷冬标准为冬季气候进行分类。刘孟凯等［12］基于南水北调中线总干渠沿线南阳、宝丰、郑州、新乡、安阳、邢台、石家庄和保定8个气象站点1968～2017年的逐日气温资料，探讨了各站点冬季平均气温的趋势性与突变性，并制定了寒潮同步分析标准。段文刚等［13］则基于南阳、宝丰、郑州、新乡、安阳、邢台、石家庄和保定8个气象站点1951～2021年冬季的日平均气温和日最低气温数据，提出了气温链概念并给出通用数学表达式，构建了71 a冬季气温位次。周中元等［14］基于南水北调中线干线工程沿线56个气象站点的日最低、最高气温数据，分析了5个极端气候指数的时空变化规律，同时计算了9个典型气象站1960～2020年寒潮发生频次，采用Sen斜率估计方法进一步分析了其变化趋势。上述研究的开展，对南水北调中线工程冬季气温变化特征均进行了一定程度的揭示，但对于安阳河以北冰期输水段，由于选取的气象站点相对偏少，研究的针对性、细化程度还不够强，有待更加深入的研究。

当前，在全球气候变暖、同纬度流域河渠冰凌影响持续减弱，以及北京、天津等城市已将南水作为主力水源而非补充水源的背景下，挖潜提升中线工程冬季输水能力已刻不容缓［6］。本文选取南水北调中线工程总干渠安阳河以北段工程沿线8个国家气象站点的1981～2021年冬季日平均气温数据，采用气候平均值、气候倾向率等统计方法，并依据国家冷暖冬等级划分标准，在年度尺度上，对中线安阳河以北段近41 a来冬季冷暖变化气候特征进行统计分析，进而为中线优化冰期输水调度、提升冬季渠道过流能力提供科学依据。

1 资料来源

本研究气温资料来自国家气象科学数据中心（http：∥data.cma.cn），包括南水北调中线干线安阳河以北段沿线附近10个国家气象站点的1981～2021年冬季逐日日平均气温数据。具体气象站点由南到北依次为：安阳、邯郸、邢台、高邑、正定、新乐、唐县、满城、易县和涿州（图1）。

考虑到可能存在的台站迁移、观测仪器的更换及台站周围环境变化等人为因素影响，为保证气象数据的准确性，选取距离相对较近、相关系数相对较高的站点数据为参考，采用标准正态均一化（SNHT）方法，分别对10个站点的冬季年平均气温序列进行均一性检验［15］。其中，安阳、邯郸、邢台、新乐、唐县、满城、易县和涿州8个站点均通过了α=0.05的显著性检验，故此本文选取上述8个站点开展分析。文中冬季的划分，以12月至次年2月为冬季［16］，约定2021年冬季是指2020年12月至2021年2月，同时取1991～2020年30 a平均气温作为气候平均值［17］。

2 分析方法

2.1 气候平均值

气候平均值计算公式为

T=1n∑ni=1Ti（1）

式中：T为冬季平均气温的气候平均值，℃；i为年份序号；Ti为第i年的冬季平均气温，℃；n为序列长度，1991～2020年共计30 a。

2.2 气温标准差

气温标准差计算公式为

σ=1n-1∑ni=1Ti-T2（2）

式中：σ为冬季平均气温标准差，℃。文中计算1991～2020年这30 a的标准差作为参考值。

2.3 气温距平

气温距平计算公式为

ΔT=T-T（3）

式中：ΔT为目标年冬季平均气温距平，℃；T为目标年冬季平均气温，℃。

2.4 气候倾向率

气象要素的年际变化趋势采用气候倾向率方法［18］计算，即：

Y=a0+a1t（4）

式中：Y为气象要素的拟合值，t为时间序列，a0为常数项，a1为线性趋势项，把a1×10称为气候要素每10 a的变化趋势，即倾向率。本文计算1981～2021年的倾向率作为参考值。

2.5 冷暖冬指标及等级划分

参照GB/T 33675-2017《冷冬等级》与GB/T 21983-2020《暖冬等级》，对单站、区域冷暖冬进行定义和等级划分。

2.5.1 单站冷冬和暖冬

将单站冬季平均气温概率密度进行划分，相应得到强冷冬年、弱冷冬年、平冬年、弱暖冬年、强暖冬年的边界阈值见表1。其中，假设冬季平均气温序列服从正态分布，按三分法划分偏冷、偏暖、正常出现的概率，其概率均为33.3%，得到偏冷、偏暖的边界阈值分别为-0.43σ和0.43σ。强冷冬和强暖冬发生的概率均为10%，得到强冷冬、强暖冬的边界阈值分别为-1.29σ和1.29σ［17-18］。

2.5.2 区域冷冬和暖冬

区域范围内冷冬站数与有效站点总数之比不小于50%，判定为区域冷冬。区域冷冬分为区域强冷冬和区域弱冷冬。在区域冷冬年，若区域内强冷冬站数与有效站点总数之比不小于25%，判定为区域强冷冬，反之判定为区域弱冷冬［18］。

同理，区域范围内暖冬站数与有效站点总数之比不小于50%，判定为区域暖冬。区域暖冬分为区域强暖冬和区域弱暖冬。在区域暖冬年，若区域内强暖冬站数与有效站点总数之比不小于25%，判定为区域强暖冬，反之判定为区域弱暖冬。

3 结果分析

3.1 冬季气温变化特征

3.1.1 冬季气温均值变化特征

南水北调中线工程安阳河以北段地处太行山东麓山前平原和浅丘地带，主要受西伯利亚季风、太行山地形和渤海海洋气候的影响，冬季天气寒冷，工程沿线各站冬季平均气温年际间呈现出波动性，起伏较大，一些年份甚至出现突变（图2）。1981～2021年，各站冬季平均气温基本为-5～3 ℃，其中最低温度为-5.05 ℃（易县站，2013年），最高温度为3.33 ℃（邢台站，2002年）。在空间上，工程沿线各站冬季平均气温整体呈现南高北低的特征，且年际间均值变化同步性较强，南北温差基本为3～4 ℃。

3.1.2 冬季气温趋势变化特征

1981～2021年，安阳河以北段各站冬季平均气温年际变化规律基本一致，整体呈现上升的趋势（表2，图3），增温幅度为0.113～0.713 ℃/（10 a），其中中部的新乐站增温幅度最高，10 a平均升温达到0.713 ℃，而最北部的涿州站则增温幅度最低，10 a平均升温仅有0.113 ℃。整体表现为南北升温速率低，中部升温速率高的特点，这与者萌等［19］的研究结论基本一致。

从年代际变化来看，总体上1980年代各站冬季平均气温较常年值（1991～2020年气候平均值）明显偏低（表2，图3），多为偏冷年份，自1980年代中期开始

冬季平均气温开始逐步上升。其中1980年代和1990年代，各站冬季平均气温大幅波动并不明显，除最北部的涿州站外，其他各站平均气温标准差均小于1.0 ℃，而在2000年代和2010年代，各站冬季平均气温波动则相对频繁，且幅度较大，平均气温标准差均超过了1.0 ℃。整体上，1980年代、1990年代和2010年代冬季平均气温表现为升温趋势，其中2010年代升温最为显著，而2000年代除新乐站点外均表现为降温趋势。

3.2 冷暖冬事件变化特征

3.2.1 单站冷暖冬事件变化

从冷暖冬发生频次空间分布（图4）来看，在1981～2021年间，安阳河以北段沿程各站暖冬出现频次为8～17次，其中涿州站最多为17次，但均为弱暖冬，而易县站最少为8次；强暖冬事件发生频次为0～6次，其中新乐、唐县站最多为6次。而各站冷冬事件发生频次则介于15～22次，其中新乐站最多为22次，而安阳、涿州站最少为15次；强冷冬事件发生频次为6～10次，其中唐县站最多为10次，安阳站最少为6次。除涿州站外，其他各站的冷冬年发生频次均明显高于暖冬年。

从年代际变化来看（表3），安阳河以北段沿程各站在1980年代暖冬出现较少，仅北部的满城、易县和涿州站各出现过1次，其余各站均未出现暖冬年；在1990年代，除新乐站外，其余各站均出现过至少1次暖冬年，其中涿州站最多为9次弱暖冬，其次为安阳站6次弱暖冬和1次强暖冬；进入21世纪后，整体上暖冬年明显偏多，2001～2021年，各站出现暖冬次数在5～11次，其中新乐站最多为11次；各站强暖冬事件主要出现在1990年代以后，1980年代各站均未出现过。从单站暖冬出现的频次不难看出，安阳河以北段冬季在1990年代以后整体上呈现出变暖趋势，这与前文冬季平均气温的年代际变化结果相一致。

对于冷冬事件，在1980年代，各站冷冬年出现频次最高，为6～9次，其中满城、易县两站除1989年为弱暖冬年外，其余9 a均为冷冬年；在1990年代，除新乐、唐县两站外，其他各站冷冬年出现频次整体偏低，基本为1～2次；进入21世纪后，2000年代各站冷冬年出现频次整体增加，基本为4～6次，而在2011～2021年代多数站点冷冬年频次又有所降低，如新乐站仅为2次，其他站点则为3～6次。各站强冷冬事件则主要发生在1980年代，而1990年代最少。在2001～2021年的21 a间，伴随沿线冬季年度平均气温的频繁大幅波动，个别站点冷冬年与暖冬年甚至交替呈现。

3.2.2 区域冷暖冬事件变化

从图5和表4可以看出，1981～2021年近41 a来安阳河以北段区域暖冬年共发生12次，且主要出现在1990年代中期以后，其中1980年代没出现过，1990年代出现了3次，而2000年代和2011～2021年则各出现了5次和6次，其中2014，2015年和2020，2021年为连续暖冬年。期间，区域强暖冬年共发生过7次，分别出现在1999，2002，2004，2007，2015，2017，2021年。

对于区域冷冬年，在1981～2021年近41 a期间，安阳河以北段共出现18次区域冷冬年（图5，表4），各年代均有发生。其中，1980年代最多为9次，1990年代最少为1次，2000年代5次，2011～2021年代3次，其间1981～1988年、2000～2001年、2005～2006年、2010～2013年连续冷冬年。区域强冷冬事件共出现10次，主要集中在1980年代，其中1984～1986年连续3 a强冷冬，1990年代仅出现1次区域强冷冬年。自1990年代末期开始，受冬季年度平均气温频繁大幅波动影响，区域冷冬年、暖冬年常常交替出现，而在2014年中线工程正式通水后，区域暖冬年明显偏多，这与段文刚等［13］的分析结果基本一致。

4 结论与讨论

本文采用气候平均值、气候倾向率等统计方法，并依据国家冷暖冬等级划分标准，在年度尺度上对南水北调中线工程安阳河以北段1981～2021年近41 a来冬季冷暖变化气候特征进行了统计分析，得到以下结论。

（1） 1981～2021年，各站冬季平均气温基本为-5～3 ℃，在空间上整体呈现南高北低的特征，南北温差基本为3～4 ℃。

（2） 1981～2021年，各站冬季平均气温年际变化规律基本一致，整体上均呈现出波动上升的趋势，增温幅度为0.113～0.713 ℃/（10 a），整体表现为南北升温速率低，中部升温速率高的特点。

（3） 从年代际变化来看，1980年代各站冬季平均气温较常年值明显偏低，多为偏冷年份，自1980年代中期开始气温逐步上升。整体上，1980年代、1990年代和2010年代冬季平均气温表现为升温趋势，2010年代升温最为显著，而2000年代则表现为降温趋势。其中，在2000年代和2010年代，各站冬季平均气温波动较为频繁，且幅度较大，平均气温标准差均超过了1.0 ℃。

（4） 近41 a区域暖冬年共发生12次，主要在1990年代中期以后，区域冷冬年共出现18次，其中，1980年代最多，1990年代最少，自1990年代末期开始，区域冷冬年、暖冬年时常交替出现，而在2014年后，区域暖冬年明显偏多。

由于本文分析是在年度尺度上开展的，但在现实年份中，即使是平冬甚至暖冬年局地也会有强冷空气过程、寒潮出现，进而渠道产生冰情影响输水，如2016年1月下旬和2021年1月初的极端寒潮均使中线干线局部渠道产生一定冰害，但总体上南水北调中线工程安阳河以北段冰期输水并未真正经历冷冬年的考验［20］。为此，需进一步加强在更长时间尺度上对持续低温冰冻过程和寒潮降温过程发生频次的统计分析，针对冬季潜在的低温、寒潮及冰冻灾害风险，结合当前南水北调中线工程智慧化调度和数字孪生建设，不断提升冰情演化“预报、预警、预演、预案”功效，特别是气温、水温、冰情等相关因子的预测精度和预报能力，进而指导实施更加精准的时空动态调度，同时有针对性地编制完善冰冻灾害应急预案和专项处置方案，提前做好应急抢险物资储备、应急抢险设备维护和应急抢险队伍管理各项应急保障措施，确保冰期输水安全。

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（编辑：江 文）

Analysis of winter cold-warm changes in northern section of Anyang River of Middle Route of South-to-North Water Diversion Project from 1981 to 2021

LI Jinggang，CHEN Xiaonan，SUN Deyu，REN Yapeng

（China South-to-North Water Diversion Middle Route Corporation Limited，Beijing 100038，China）

Abstract：

To better serve the water diversion scheduling of the Middle Route of South-to-North Water Diversion Project during the ice period by revealing the characteristics of winter air temperature change，based on the winter daily mean air temperature data of 8 national weather stations along the project from 1981 to 2021，statistical methods such as climate normal and climate tendency rate were used，and according to the national cold winter and warm winter grade standards，the climate characteristics of winter cold-warm changes in the northern section of the Anyang River of the main channel were statistically analyzed on an annual scale.The results showed that：① From 1981 to 2021，the mean winter air temperature of each weather station was basically between -5 ℃ to 3 ℃，which was generally high in the south and low in the north in space，and the air temperature difference between the north and the south was basically between 3 ℃ to 4 ℃.② From 1981 to 2021，the inter-annual variation of mean winter air temperature at each weather station was basically the same，showing a fluctuating upward trend as a whole，with a temperature increase range of 0.113 to 0.713 ℃ every 10 years，the overall warming rate was low in the north and south，and high in the middle.③ From the perspective of inter-annual variation，the average winter temperature of each station in the 1980s was the lowest，and most of them were cold-winter years.On the whole，the 1980s，1990s and 2010s showed a warming trend，with the most significant warming in the 2010s and a cooling trend in the 2000s.Among them，in the 2000s and the 2010s，the average winter air temperature of each station fluctuated frequently and had a large amplitude，with the standard deviation of the average winter air temperature exceeding 1.0 ℃.④ In recent 41 years，there were 12 regional warm winter years，mainly after the mid-1990s，and the regional cold winter years appeared a total of 18 times，of which there were the most in the 1980s，and the least in the 1990s.Since the end of the 1990s，the regional cold winter years and warm winter years often occurred alternately，but after 2014，the regional warm winter years were obviously more.The research results could provide a reference for optimizing the water diversion operation during the ice period and improving the channel flow capacity in winter.

Key words：

cold-warm change； winter climatic characteristics； water diversion during ice period； Middle Route of South-to-North Water Diversion Project； Anyang River