李忠燕，張東海，嚴小冬，任曼琳， 段 瑩，周 濤

(1.貴州省氣候中心，貴陽 550002；2貴州省山地氣候與資源重點實驗室，貴陽 550002；3 貴州省生態(tài)氣象和衛(wèi)星遙感中心，貴陽 550002)

引言

凝凍，俗稱桐油凝，是指當環(huán)境氣溫低于0℃時，過冷雨滴、霧滴在近地面物體表面凝附凍結(jié)而形成覆冰層的現(xiàn)象，其形成過程中一定有液態(tài)水向固態(tài)冰的轉(zhuǎn)化，包括雨凇、霧凇、雪凇、雨霧及雨雪混合凍結(jié)覆冰等，其中以雨凇最為重要。貴州是我國凝凍災害最重、發(fā)生頻率最為頻繁的省份，約占全國總數(shù)的84%[1]。持續(xù)的凝凍災害對電力、通訊、交通、農(nóng)林畜牧業(yè)均都有重大不利影響，其中2007年和2010年冬季影響最為嚴重[2-6]。貴州省多凝凍過程的發(fā)生與其特殊的地理位置、地形地貌以及氣候條件等有關(guān)[7-8]，冬季冷暖空氣易交匯在西南地區(qū)形成靜止鋒并長時間穩(wěn)定，導致氣溫不斷下降，形成低溫陰雨天氣過程，當平均氣溫低于0℃時易造成凝凍災害的發(fā)生。學者們從中高緯度和副熱帶環(huán)流異常、靜止鋒、逆溫層等角度對貴州凝凍形成的天氣形勢和垂直結(jié)構(gòu)特征進行了不同的分析[9-11]，從海溫異常、環(huán)流異常等角度對貴州凝凍形成的氣候背景進行了分析[12-17]。

在實際業(yè)務中，國家標準冰凍天氣等級(GB43/T 34297-2017)、地方標準貴州省凝凍災害等級(DB52/T 652-2010)以及《貴州短期氣候預測技術(shù)》中均對冬季單站凝凍過程進行定義。三個指標結(jié)合不同氣象要素或天氣現(xiàn)象對單站凝凍過程進行了定義，其中《貴州短期氣候預測技術(shù)》是結(jié)合三種氣象要素以及天氣現(xiàn)象對凝凍過程進行了定義，由于該指標是結(jié)合了氣溫、降水等氣象要素，可用于預測模型中預測指標的搭建，而地方標準和國家標準則是根據(jù)天氣現(xiàn)象進行定義，較為客觀。《貴州短期氣候預測技術(shù)》和地方標準均對凝凍過程的初始條件進行定義，規(guī)定雨凇現(xiàn)象持續(xù)天數(shù)≥3天才算一次過程凝凍過程，同時兩個定義中均對結(jié)束日進行了定義，定義中規(guī)定連續(xù)兩天監(jiān)測指標中斷則標志著過程結(jié)束，但國家標準中未對初始條件和結(jié)束日進行明確定義，因此有必要根據(jù)客觀地對單站凝凍過程和分級標準進行訂正。本文利用1961～2019年貴州省85站逐日的雨凇、霧凇資料，通過對樣本數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析以及三個現(xiàn)有指標的對比分析，訂正了貴州省單站凝凍過程的指標和分級標準，以期為后期凝凍過程預測以及區(qū)域性凝凍過程研究提供參考。

1 資料

根據(jù)凝凍的定義，凝凍主要包括雨凇和霧凇，而1961～2019年間貴州霧凇共計出現(xiàn)1214站次，而雨凇共計出現(xiàn)31566站次，故霧凇占比較少。另一方面，霧凇非冰非雪，是由于霧中無數(shù)零攝氏度以下而尚未凝華的水蒸氣隨風在樹枝等物體上不斷積聚凍粘的結(jié)果，故霧凇的形成條件較特殊。因此本文只選取貴州省85站1961年1月～2020年4月逐日的雨凇觀測資料作為樣本數(shù)據(jù)。

2 單站凝凍過程指標確定及其時空特征

統(tǒng)計1961～2019年貴州省各月凝凍日數(shù)所占百分比(圖1)發(fā)現(xiàn)，貴州省10月至翌年4月均發(fā)生過凝凍天氣，但59a間10月共計出現(xiàn)過2站次凝凍天氣，4月共計出現(xiàn)過25站次凝凍天氣，而5～9月無凝凍發(fā)生。因此以當年11月至翌年3月逐日觀測的雨凇資料作為研究該年冬季凝凍的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2.1 單站凝凍過程的確定

為客觀地對貴州單站凝凍過程的起始條件進行定義，統(tǒng)計了1981～2010年冬季(本文中冬季指當年11月至翌年3月)凝凍天氣現(xiàn)象不同持續(xù)天數(shù)(無間斷)的發(fā)生頻率(圖略)，統(tǒng)計結(jié)果表明貴州省凝凍持續(xù)天數(shù)為1～34天，隨著持續(xù)天數(shù)的增加，發(fā)生頻率呈指數(shù)下降。所謂過程，持續(xù)天數(shù)應該≥2天，而貴州持續(xù)天數(shù)為2天的發(fā)生頻率為25.9%，凝凍持續(xù)天數(shù)2天以上的累積頻率為61.3%，這樣會造成樣本數(shù)據(jù)過多，沒有針對性。而持續(xù)天數(shù)為3天的發(fā)生頻率為14.5%，凝凍持續(xù)天數(shù)3天以上的累積頻率為35.4%，再結(jié)合《貴州短期氣候預測技術(shù)》和地方標準的相關(guān)定義，因此，定義單個縣(區(qū))連續(xù)出現(xiàn)3天以上(含3天)凝凍日則為單站凝凍過程的起始條件，第一日定義為凝凍過程的開始日。

同時統(tǒng)計了1981～2010年貴州省凝凍過程中非凝凍日數(shù)的發(fā)生頻率(圖略)。統(tǒng)計結(jié)果表明：84.2%的貴州省凝凍過程中非凝凍日數(shù)為0，即凝凍過程中無凝凍現(xiàn)象的中斷。12.5%的貴州省凝凍過程中非凝凍日數(shù)為1，即凝凍過程中出現(xiàn)凝凍現(xiàn)象中斷天數(shù)為1天。因此將凝凍過程結(jié)束的判定標準定義為：當凝凍現(xiàn)象連續(xù)兩天中斷標志著凝凍過程的結(jié)束，凝凍消失的前一日即最后一個凝凍日定義為凝凍結(jié)束日。

按照新的定義，統(tǒng)計了1981～2010年冬季貴州省凝凍過程中不同持續(xù)天數(shù)的發(fā)生頻率(圖2)，統(tǒng)計結(jié)果表明貴州省凝凍過程的持續(xù)天數(shù)為3～39天，最長凝凍過程持續(xù)天數(shù)為39天，1981～2010年共計出現(xiàn)1次，同樣地，隨著凝凍過程持續(xù)天數(shù)的增加，發(fā)生頻率呈指數(shù)下降。

2.2 單站凝凍過程的時空特征

圖3(a)給出了貴州省凝凍過程開始初日多年平均(1981～2010年)空間分布，總體來看，貴州省凝凍過程最早出現(xiàn)在威寧縣，再依次出現(xiàn)在大方、開陽、萬山，然后從東北向南部逐漸發(fā)生凝凍過程，其中榕江縣最晚出現(xiàn)凝凍過程，威寧和榕江的時間跨度約44天。圖4a為1961～2019年貴州省全省平均凝凍過程開始初日時間序列，其中峰值(谷值)表征當年凝凍開始初日較晚(較早)。總體來看，1961～2000年沒有明顯的年代際變化特征，而在在2000s～2010s前期以偏早為主，2010s中期明顯偏晚，而近2年明顯偏早，尤其是2019年，平均偏早近39天。

圖3(b)給出了貴州省凝凍過程結(jié)束終日的多年平均(1981～2010年)空間分布，總體來看，貴州省凝凍過程最早結(jié)束在沿河、思南，然后從東北向南部，東部向西部逐漸結(jié)束凝凍過程，開陽、大方、萬山、威寧再依次結(jié)束，最早結(jié)束和最晚結(jié)束的時間跨度約60天。圖4(b)為1961～2019年貴州省全省平均凝凍過程結(jié)束終日時間序列，其中峰值(谷值)表征當年凝凍結(jié)束終日較晚(較早)?？傮w來看，1961～2019年沒有明顯的年代際變化特征，年際振蕩較大。與凝凍過程開始初日時間序列作相關(guān)發(fā)現(xiàn)，二者相關(guān)系數(shù)高達0.824，通過0.01顯著性水平，表明在大多數(shù)年份，凝凍過程開始初日偏早/偏晚，結(jié)束終日也偏早/偏晚。

2.3 單站凝凍過程的分級標準及特征

根據(jù)貴州省凝凍過程不同持續(xù)天數(shù)的發(fā)生頻率統(tǒng)計結(jié)果(圖2)來看，若按《貴州短期氣候預測技術(shù)》和地方標準貴州省凝凍災害等級中持續(xù)天數(shù)的分級標準來劃分，則輕級、中級、重級和特重級占比分別是36.1%、28.2%、18.9%、16.8%，該占比不符合分組百分位原則，因此采用百分位原則將單站凝凍過程進行新的等級劃分，以第50百分位(中位數(shù))、第75百分位(第三個四分位)、第90百分位為分界線進行劃分。根據(jù)貴州省凝凍過程不同持續(xù)天數(shù)的發(fā)生頻率統(tǒng)計結(jié)果來看，第50、75、 90百分位對應天數(shù)分別是4、7、12。因此規(guī)定凝凍過程持續(xù)天數(shù)3～4為輕級凝凍，持續(xù)5～7天為中級凝凍，持續(xù)8～12天為重級凝凍，持續(xù)天數(shù)≥13天為特重級凝凍。

按照新的單站凝凍過程分級標準對1961～2019年冬季貴州省各站不同等級凝凍過程年均次數(shù)和頻率進行統(tǒng)計(圖5)，總體來看，4個不同等級凝凍過程其年均次數(shù)和頻率的空間分布特征基本一致。另外隨著單站凝凍過程等級的升級，其范圍在不斷縮小，無論是哪種等級，大值區(qū)主要仍集中在26.5°～27.5°N，低值區(qū)仍在貴州省北部和南部地區(qū)。雖然威寧和大方站也呈減小的趨勢，但其減小的幅度最小，其中威寧和大方站特重凝凍過程的發(fā)生頻率分別為66.1%和52.5%。

圖6給出了1961～2019年冬季貴州省不同等級單站凝凍過程的站次時間序列。可以看出， 4個不同等級單站凝凍過程的站次均呈緩慢減少趨勢，其中隨著等級的升高，減少趨勢減弱，即輕級的減少趨勢最明顯，而特重級的減少趨勢最弱。從特重級的序列來看，由于1967、1976、1983、2007年冬季特重級站次較多，其變化特征與其他三個等級的不太一致，比如2007年冬季特重級的站次甚至比輕級的站次更多。

2.4 典型站點凝凍過程的特征

威寧、大方、開陽和萬山站是貴州省單站凝凍過程的四個中心，因此將這4個站作為單站凝凍過程的典型站進行分析。分別對4個典型站點年凝凍過程次數(shù)和天數(shù)時間序列(圖7)、單次過程時間分布(圖8)、各月(圖略)和各旬(圖略)的占比進行了統(tǒng)計分析(表2)。

威寧縣平均海拔2200m，是貴州省面積最大、海拔最高的縣，由于其特殊的地勢條件，因此59a間出現(xiàn)單站凝凍過程最多、年平均凝凍過程次數(shù)也最多、平均天數(shù)最長、單次過程持續(xù)天數(shù)最長(表1)。4個典型站點的年凝凍過程次數(shù)與累積天數(shù)之間呈明顯的正相關(guān)關(guān)系，均呈減少趨勢。從各站點凝凍過程的具體時間分布來看，59a間4個典型站凝凍過程最早開始出現(xiàn)于11月中旬，最晚結(jié)束于3月下旬，凝凍過程主要集中出現(xiàn)在12月至翌年2月，其中1月占比最多，2月次之，而11月最少。從各旬占比來看，主要集中出現(xiàn)在1月中旬至2月上旬，11月上旬最少。4個典型站在時間上的統(tǒng)計特征表現(xiàn)基本一致，而在總次數(shù)等特征上存在一定的差異，造成這一現(xiàn)象的原因主要有兩點，第一個原因是氣候背景，11月至翌年3月，1月最冷，其中以1月下旬為最冷旬，而11月最高，其中11月上旬為最暖旬，因此4個典型站時間上的統(tǒng)計特征表現(xiàn)基本一致；第二原因是觀測站的海拔高度，威寧(2236.2m)>大方(1704.0m)>開陽(1277.2m)>萬山(883.4m)，隨著海拔高度的上升，氣溫將有所下降，因此海拔差異是造成4個典型站凝凍次數(shù)等特征差異的主要原因。

表1 4個典型站凝凍過程統(tǒng)計表(注：萬山站1962～1976年缺測)

3 結(jié)論

本文通過對1961～2019年冬季雨凇樣本數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析以及三個現(xiàn)有指標的對比分析，重新確定了貴州省單站凝凍過程的指標和分級標準，并根據(jù)新的標準對其特征進行分析，得出以下主要結(jié)論：

(1)單個縣(區(qū))連續(xù)出現(xiàn)3天以上(含3天)凝凍日則為單站凝凍過程的起始條件，第一日定義為凝凍過程的開始日，當凝凍現(xiàn)象連續(xù)兩天中斷標志著凝凍過程的結(jié)束，凝凍消失的第一日定義為凝凍結(jié)束日。貴州省凝凍過程的持續(xù)天數(shù)為3～39天，隨著凝凍過程持續(xù)天數(shù)的增加，發(fā)生頻率呈指數(shù)下降。

(2)貴州省凝凍過程開始初日和結(jié)束終日之間存在凝凍過程開始初日偏早/偏晚，結(jié)束終日也偏早/偏晚的現(xiàn)象。

(3)根據(jù)百分位法對單站凝凍過程的分級標準進行了確定，規(guī)定凝凍過程持續(xù)天數(shù)3～4為輕級，持續(xù)5～7天為中級，持續(xù)8～12天為重級，持續(xù)天數(shù)≥13天為特重級。隨著凝凍等級的升高，其影響范圍在不斷縮小，但大值區(qū)主要仍集中在26.5°～27.5°N，低值區(qū)仍在貴州省北部和南部地區(qū)。4個不同等級單站凝凍過程的站次均呈緩慢減少趨勢。

(4)4個典型站點的年凝凍過程次數(shù)與累積天數(shù)均呈減少趨勢。4個典型站的凝凍過程主要集中出現(xiàn)時間基本一致，主要出現(xiàn)在12月至翌年2月，其中均是1月占比最多，2月次之，而11月最少。從各旬占比來看，主要集中出現(xiàn)在1月中旬至2月上旬，11月上旬最少。