南水北调中线涿州站冬季异常低温事件频次分析

摘要：

为有效揭示南水北调中线工程冬季异常低温事件的发生规律，选取中线总干渠明渠段最北端冬季气温相对最低、冰情严重的涿州气象站为例，基于该站1981～2021年冬季日平均气温数据，在采用标准差阈值法对冬季异常低温事件进行定义和等级划分的基础上，对中线工程近年来的冬季异常低温事件频次变化规律进行了统计分析。结果表明：① 进入12月份，涿州站日平均气温基本接近0 ℃，之后逐步降低；在12月下旬至次年的1月中旬，日平均气温达到年度最低，多年平均值基本维持在-4 ℃上下；而后逐步上升，在2月中旬前后基本恢复至0 ℃以上。② 1981～2021年间，涿州站共发生冬季异常低温事件31次，累计天数251 d，其中1980年代发生次数最多，其次是2000和2010年代，而1990年代发生次数最少，事件发生频次总体呈现下降趋势。③ 在冬季3个月中，1月份发生次数最多，次均发生天数也最长，12月份次之，而2月份发生次数最少，次均发生天数也最短，冬季异常低温事件发生日主要集中在12月下旬至1月上旬及1月中下旬。④ 1981～2021年，涿州站冬季分别发生一级、二级、三级异常低温事件11，5，15次，其中，一级、三级事件在1月发生次数最多，而二级事件在1月发生次数最少。正式通水至2021年，中线工程共发生冬季异常低温事件3次，且均为三级，对冰期输水影响相对有限。研究成果可为南水北调中线工程冰期输水调度和冰凌灾害防御提供参考。

关" 键" 词：

异常低温事件； 频次变化； 冰期输水； 涿州站； 南水北调中线工程

中图法分类号： TV68；P423

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2025.01.013

收稿日期：2024-05-21；接受日期：2024-07-15

基金项目：

国家重点研发计划项目（2022YFC3202505）；水利青年科技英才资助项目（JHYC202207）

作者简介：

李景刚，男，正高级工程师，博士，主要从事长距离输水调度生产管理和技术研究。E-mail：sharp818@163.com

通信作者：

陈晓楠，男，正高级工程师，博士，主要从事长距离输水调度、水资源管理研究。E-mail：chenxiaonan@nsbd.cn

Editorial Office of Yangtze River. This is an open access article under the CC BY-NC-ND 4.0 license.

文章编号：1001-4179（2025） 01-0097-07

引用本文：

李景刚，陈晓楠，赵慧，等.

南水北调中线涿州站冬季异常低温事件频次分析

［J］.人民长江，2025，56（1）：97-103.

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］。其中，中线工程作为中国“四横三纵”国家骨干水网的重要组成部分，为沿线受水区保障人民群众饮水安全、助力地方高质量发展、促进生态环境改善提供了重要的水资源保障［2］。南水北调中线工程南北跨越北纬33°～40°，水流由亚热带流向暖温带［3］，沿程水体失热，在冬季安阳河以北段存在冰期输水运行工况，面临冰凌防控等安全问题［4-5］。

气温作为影响河渠冰凌变化的主要因素，掌握其变化规律及特征，对于揭示冰凌生消演化机理、采取有效防范措施均至关重要［6-7］。近年来，学者们［8-11］先后基于工程沿线气象观测数据，采用数理统计等方法，在年尺度上对南水北调中线沿线冬季平均气温变化趋势和冬季冷暖变化特征等进行了有效揭示。但在实际情况中，冬季局部时段往往存在强冷空气过程、极端低温寒潮事件的发生，进而引起气温大幅波动，驱动渠道冰情发展、影响冰期输水运行［11-12］。因此，系统分析掌握南水北调中线冰期输水段沿线冬季异常低温天气的发生规律，对于渠道冰凌灾害防御、冰期输水调度等具有重要意义［13］。

为有效揭示冬季异常低温天气对渠道冰凌形成的影响，王春青等［14］通过分析寒潮天气与凌情之间的关系，发现寒潮天气对于河道封河具有重要影响；段文刚等［15］通过分析南水北调中线工程总干渠8个冬季的冰情观测资料发现，寒潮和输水流量是渠道冰盖形成的关键驱动因子。另外，周中元等［13］基于南水北调中线工程沿线56个气象站点的日最低、最高气温数据，分析了5种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，并采用Sen斜率估计方法进一步分析了其变化趋势。但该研究由于主要是基于国家寒潮等级划分标准和国际极端气候指数而开展的，对于极端低温事件的过程刻画存在不足。

为此，本文选取南水北调中线总干渠明渠段最北端冬季气温相对最低、冰情通常最重的涿州气象站为例，通过对冬季异常低温事件的定义和等级划分，进而对中线1981～2021年近41 a来冬季异常低温事件发生的频次变化特征进行统计分析，旨在为南水北调中线工程冬季实施更加精准的时空动态调度，有针对性地编制完善冰冻灾害应急预案及专项处置方案，提前做好各项应急保障措施、确保冰期输水安全提供理论支撑。

1" 研究区与资料

1.1" 研究区概况

南水北调中线一期工程于2003年12月开工建设、2014年12月正式通水，总干渠全长1 432 km，自丹江口水库陶岔渠首引水闸取水，跨越长江、淮河、黄河、海河四大流域，沿途可自流向河南、河北、天津、北京4省（直辖市）供水，总水头小于100 m［15］（图1）。

该工程以为北京市、天津市、河北省、河南省等城市生活、工业供水为主，兼顾生态和农业用水，其中陶岔渠首多年平均调水量95亿m3，引水设计流量350 m3/s，加大流量420 m3/s。渠道沿线共设置节制闸64座，控制闸61座，退水闸54座，分水口97座。其中，安阳河节制闸至北拒马河节制闸间近480 km的明渠，受显著的经纬度差和南北冻融特殊气象条件影响，冬季运行经历流冰输水、冰盖输水等复杂工况［16］。

1.2" 资料来源

本次研究所用气温资料为国家气象站涿州站1981～2021年冬季日平均气温资料，数据来自于国家气象科学数据中心（http：∥data.cma.cn）。文中约定每年12月至次年2月为冬季［11］。

2" 研究方法

2.1" 冬季异常低温事件定义

单一序列极端低温事件的定义方法，通常有绝对阈值法［17-19］、百分位阈值法［20-22］和标准差阈值法［23-25］等。本文借鉴文献［23］方法，对冬季异常低温事件定义：对冬季日平均气温t序列求得距平序列Δt（平均时段为1981～2021年），连续5 d日平均气温负距平超过1倍标准差（σ），定义为一个异常低温事件，若两次持续低温事件间隔1 d，视为同一个事件［25］。

（1） 平均值公式：

T—=1nni=1Ti

（1）

式中：T—为冬季某日日平均气温序列的平均值，℃；i为年份序号；Ti为第i年冬季该日的日平均气温，℃；n为序列长度，即1981～2021年共计41 a。

（2） 距平计算公式：

ΔT=T-T—

（2）

式中：ΔT为目标年冬季日平均气温距平，℃；T为目标年冬季日平均气温，℃。

（3） 标准差公式：

σ=1n-1ni=1（Ti-T—）2

（3）

式中：σ为冬季日平均气温标准差，℃。

2.2" 冬季异常低温事件等级划分

异常低温事件主要包括3个要素：低温持续天数τ（d）、极寒冷日平均气温距平tm（℃）和日平均气温累积距平ta（℃）。采用Z-SCORE标准化法［26］对1981～2021年间诊断得到的冬季异常低温事件序列的τ、tm和ta分别进行标准化处理，得到sτ、stm和sta，定义异常低温事件的寒冷程度为s，令：

s=sτ-stm-sta

（4）

由公式（4）可知，s越大，寒冷程度越强。参照文献［23］，对异常低温事件划分为3个等级：一级，s≥0.3σs；二级，-0.3σslt;slt;0.3σs；三级，s≤-0.3σs。

3" 结果分析

3.1" 冬季平均气温变化特征

图2为涿州站近41 a（1981～2021年）冬季平均气温变化分布图。从图2中可以看出，进入12月份涿州站日平均气温基本接近0 ℃，之后日平均气温逐步降低；在12月下旬至次年的1月中旬，日平均气温达到年度最低，多年平均值基本维持在-4 ℃上下，其中1981～1990年和2001～2010年相对偏低。而后，自1月下旬开始，日平均气温整体呈现逐步上升的趋势，在2月中旬前后基本恢复至0 ℃以上。在1981～2021年间，涿州站冬季平均气温总体呈现上升的趋势，气候倾向率为0.113 ℃/10 a。

3.2" 冬季异常低温事件确定

从表1中可以看出，1981～2021年南水北调中线涿州站冬季共发生异常低温事件31次。其中，2000年冬季的异常低温事件最为严重，发生时段为1月13日至2月4日，持续时间23 d，极寒冷日平均气温距平-10.10 ℃，日平均气温累积距平达到-139.84 ℃。

3.3" 冬季异常低温事件频次年际变化特征

1981～2021年涿州站共发生冬季异常低温事件31次，累计天数251 d，平均每年发生0.76次，每次8.10 d。由表1、图3可见，1986年前异常低温事件发生次数较多，共发生10次，占总次数的32.26%，累计天数69 d，占总天数的27.49%，平均每年发生1.67次，每次6.90 d；1987～1999年的13 a间，仅发生2次，占总次数的6.45%，累计天数为12 d，平均每年发生0.15次，每次6 d；2000年后，异常低温事件发生频率升高，22 a内发生19次，累计天数170 d，平均每年发生0.86次，每次8.95 d。

从各年代变化情况看（表2），冬季异常低温事件1980年代发生次数最多，平均为1.1次/a，6.73 d/次；其次是2000和2010年代，平均分别为0.9次/a、10.11 d/次和0.9次/a、6.22 d/次；而1990年代发生次数最少，平均为0.2次/a，15.00 d/次，即1981～1990年，冬季异常低温事件呈现先多后少的变化趋势，而进入21世纪后，冬季异常低温事件又有所增加，在2001～2010年，也呈现出先多后少的变化趋势。

总体上，在1981～2021年间，涿州站冬季异常低温事件发生频次呈现一定程度的下降趋势，线性趋势为-0.06次/10 a，但未通过显著性检验，这与冬季平均气温呈现一定程度的上升趋势正好相反（图2～3），该变化趋势与周中元等［13］的研究结论也基本一致。

3.4" 冬季各月异常低温事件变化特征

1981～2021年间，涿州站冬季12月、1月、2月异常低温事件发生次数分别为13，15，10次，其中对于跨月事件分别按月份统计，故在月尺度上异常低温事件总计38次。累计发生天数分别为88，108 d和55 d，次均发生天数分别为6.77，7.20 d/次和5.50 d/次。可见，1月份发生次数最多，次均发生天数也最长，12月份次之，而2月份发生次数最少，次均发生天数也最短（表3）。其中，12月和1月份在2010年代异常低温事件发生次数最多，分别为5次和6次，而在1990年代次数最少，分别为0次和2次；而对于2月份，在1980年代异常低温事件出现次数最多，为6次，而在2010年代则次数最少，整体上未有异常低温事件的发生。

从图4可以看出，涿州站冬季异常低温事件发生日主要集中在12月下旬至1月上旬及1月中下旬，此阶段也正是南水北调中线安阳河以北段渠道冰情形成和冰下输水最为关键的阶段［15］，因此这两个阶段应当作为南水北调中线工程冰期输水异常低温事件发生的重点预报时段，给予密切的关注。

3.5" 各等级异常低温事件时间分布特征

从表1和表4可以看出，1981～2021年涿州站冬季发生一级异常低温事件11次，其中2010年代发生最多，共发生6次，占比54.55%；累计发生二级异常低温事件5次，其中1980年代最多为3次，占比60%；累计发生三级异常低温事件15次，其中2010年代发生最多为7次，占比46.67%。从各月分布情况看，一级和三级异常低温事件在1月发生次数最多，而二级异常低温事件在1月发生次数最少（图5）。

在南水北调中线工程正式通水至2021年以来，涿州站共发生异常低温事件3次，且均为三级，这反映了当前冬季异常低温事件对中线冰期输水的影响还相对有限。

4" 讨 论

本文以连续5 d日平均气温负距平超过1倍标准差为标准来定义冬季异常低温事件，并依据低温持续天数、极寒冷日平均气温距平和日平均气温累积距平3个要素反映的综合寒冷程度，将异常低温事件划分为3个等级。从计算结果来看，历史上典型低温事件均得到了有效刻画。如1999～2000年冬季，受“拉尼娜事件”影响，中国华北地区冬季气温明显偏低，部分地区甚至出现了少见的严寒；2002年12月22日华北普降中到大雪，自12月25日至2003年1月10日华北地区持续出现低于-10 ℃的低温天气，尤其在1月5日部分地区出现了低于-20 ℃的低温天气；2010年1月1～6日和17～23日，大部分地区先后遭受两次强寒潮天气袭击，北方大部分地区遭受低温冻害和雪灾；另外2012～2013年冬季，全国先后经历了10次冷空气过程，其中2012年12月上旬至2013年1月上旬，中国北方和中东大部气温偏低2～4 ℃，部分地区偏低达4 ℃以上。上述典型低温事件均被成功检测出，且多数被判定为一级（表1），这与现实情况也极其吻合（图1），进而说明本文的判定方法和分级标准整体上是合理可行的。

不过在2016年1月下旬和2021年1月初，南水北调中线工程虽然分别遭遇强寒潮侵袭（图6），且有一定的冰害产生，但由于日平均气温负距平超过1倍标准差的连续天数均为4 d，未达到判别标准，故未被检测为异常低温事件。这在一定程度上也反映出，南水北调中线自2014年正式通水以来，冬季气温整体偏高，总体上冰期输水并未真正经历超强冷冬年的考验［15］。

另外，水温作为影响渠道冰情发展最重要也最直接的因子，其变化通常取决于水体与大气和渠床的热交换，其中伴随大气温度的降低，尤其是极端低温事件的发生，渠道水温沿程衰减速度将明显加快［27-28］。图7为近年来南水北调中线工程总干渠明渠末端北拒马河节制闸断面各年度冬季每日08：00现场的水温监测数据。从图7中可以看出，在每年的1月初，该断面水温已逐步接近或达到冰点0 ℃。此间，如若12月下旬或1月份有异常低温事件发生，尤其是发生一、二级异常低温事件，在很大程度上将会加重渠道水体热量损失，加速渠道岸冰、流冰甚至冰盖等冰情的形成，进而影响输水运行安全。对于文中检测出的中线工程正式通水以来冬季3次异常低温事件，虽然等级上都为三级（表1、图6），但在一定程度上均带来了渠道水温的快速降低（图7），进而引发或加重岸冰、流冰、冰盖等冰情的发生［15］。因此，在每年冬季，工程运行管理单位需格外关注12月下旬和1月份的异常低温事件发生，对于中线安阳河以北段要有效实施“拦、扰、融、排、捞”一体化冰凌防控措施和各项运行管理措施，确保冰期输水调度安全［6］。

为此，对南水北调中线工程近年来冬季气温变化特点和异常低温事件发生频次进行统计分析，有效找出其冬季历史极端低温工况，进而结合中长期天气预报和数字孪生中线工程建设，不断提升冰情演化“预报、预警、预演、预案”功效，尤其是12月下旬至1月中下旬期间的气温、水温、冰情等相关因子的预测预报和异常低温事件叠加效应分析，对于指导中线冰期输水调度和冰凌灾害防御具有重要意义。

5" 结 论

本文以南水北调中线工程总干渠明渠段最北端冬季气温相对最低、冰情严重的涿州气象站为例，基于该站1981～2021年冬季日平均气温数据，采用标准差阈值法对冬季异常低温事件进行定义和等级划分的基础上，对中线工程近41 a来冬季异常低温事件频次变化规律进行了统计分析，得到以下结论：

（1） 在冬季，进入12月份涿州站日平均气温基本接近0 ℃，之后日平均气温逐步降低；在12月下旬至次年的1月中旬，日平均气温达到年度最低，多年平均值基本维持在-4 ℃上下；而后，日平均气温逐步上升，在2月中旬前后基本恢复至0 ℃以上。在近41 a间，涿州站冬季平均气温总体呈现上升的趋势，气候倾向率为0.113 ℃/10 a。

（2） 1981～2021年间，涿州站共发生冬季异常低温事件31次，累计天数251 d，其中1980年代发生次数最多，其次是2000和2010年代，而1990年代发生次数最少，事件发生频次总体上呈现一定程度的下降趋势。

（3） 在冬季3个月中，1月份异常低温事件发生次数最多，次均发生天数也最长，12月份次之，而2月份发生次数最少，次均发生天数也最短，冬季异常低温事件发生日主要集中在12月下旬至1月上旬及1月中下旬。

（4） 近41 a来，涿州站冬季分别发生一级、二级、三级异常低温事件11，5，15次，其中，一级、三级事件在1月份发生次数最多，而二级事件在1月发生次数最少。正式通水至2021年以来，中线工程冬季异常低温事件共发生3次，且均为三级，对冰期输水影响相对有限。

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（编辑：谢玲娴）

Frequency analysis on abnormal low-temperature events in winter at Zhuozhou Station

on Middle Route Project of South-to-North Water Diversion

LI Jinggang，CHEN Xiaonan，ZHAO Hui，CHEN Linju

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

Abstract：

To analyze the occurrence pattern of abnormal low-temperature events during winters in the Middle Route Project of South-to-North Water Diversion，the Zhuozhou meteorological station was selected as a case study.The station is located at the northernmost end of the open channel section of the main canal and experiences relatively low winter temperatures and severe ice conditions.Utilizing the daily average temperature data of Zhuozhou Station from 1981 to 2021，winter abnormal low-temperature events were identified and classified using the standard deviation threshold method.A statistical analysis was performed to assess the frequency variation of these events over the past 41 years.The results indicated that：① The daily average temperature at Zhuozhou Station was near 0 ℃ in December，gradually dropping thereafter.It reached the yearly low from late December to mid-January，averaging around -4 ℃.Subsequently，temperatures rose，returning to above 0 ℃ by mid-February.② During 1981 to 2021，Zhuozhou Station experienced 31 abnormal low-temperature events，totaling 251 days.The 1980s had the highest frequency，followed by the 2000s and 2010s，with the 1990s having the lowest frequency.There was a decline in event frequency over time.③ Among the winter months，January had the highest frequency and longest average occurrence days，followed by December，with the lowest frequency and shortest average occurrence days in February.Abnormal low-temperature events in winter mainly occurred from late December to early January and mid to late January.④ From 1981 to 2021，Zhuozhou Station has encountered 11 Grade 1，5 Grade 2，and 15 Grade 3 abnormal low-temperature events during winter.Grade 1 and Grade 3 events were the most in January，while Grade 2 events were the least in that month.From the formal water supply of Middle Route Project of the South-to-North Water Diversion to 2021，there were three Grade 3 abnormal low-temperature events in winter，which had a limited impact on water diversion during the glacial period.These research findings can serve as a reference for guiding water transportation scheduling and preventing ice-related disasters in the Middle Route Project of South-to-North Water Diversion.

Key words：

abnormal low-temperature event； frequency variation； water diversion during glacial period； Zhuozhou Station; Middle Route Project of South-to-North Water Diversion