劉珂 安智偉 劉吉峰

摘 要：為了給黃河凌汛期防災(zāi)減災(zāi)提供理論參考和數(shù)據(jù)支撐，利用氣象、水文等觀測數(shù)據(jù)和水氣界面熱量平衡方程，對黃河內(nèi)蒙古河段冷空氣活動特征、首凌前期水體失熱特征進(jìn)行研究，并對2011—2019年首凌前期水氣界面的熱量交換特征及其氣候影響因素進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：1961—2019年黃河內(nèi)蒙古河段冷空氣過程發(fā)生頻次約為65次/a，其中寒潮發(fā)生頻次約為7次/a;首凌約97%發(fā)生于冷空氣過程中，這些冷空氣有33%屬弱冷空氣、37%屬寒潮，首凌當(dāng)日的冷空氣過程從弱冷空氣過程向強(qiáng)冷空氣過程過渡;1971—2019年黃河內(nèi)蒙古河段平均首凌日期為11月18日，2011—2019年平均首凌日期較2000年以前推遲6.6 d，首凌前期河道初始水溫上升對首凌日期具有明顯延遲作用;2011年以前首凌前期水氣界面總感熱通量與過程徑流總量顯著正相關(guān)，2011年以后二者關(guān)系顯著減弱，同流量條件下河道水溫由5 ℃降至0 ℃的水氣界面感熱通量異常偏大，沿岸土壤溫度梯度減小、冷空氣活動頻繁和地表風(fēng)速顯著加快是首凌前期水氣界面感熱通量異常增大的原因。

關(guān)鍵詞：首凌;感熱通量;河道水溫;冷空氣;黃河內(nèi)蒙古河段

Abstract：Based on the ground-based meteorological and hydrological data， the characteristics of first streaming ice date in Inner Mongolia Reach of Yellow River and air-water heat fluxes were studied. The new features appeared after the year of 2011 and its attribution analysis also were traced. The results show that the average cold air event number is 65 times per year during the period 1961-2019 and the cold wave is 7 times. About 97% of the first streaming ice of the river section is occurred in the process of cold air， of which 33% are weak cold air and 37% are cold waves. The probability of cold air process occurrence on the river first streaming ice date is from weak to strong. The average date of first streaming ice in Inner Mongolia reach of the Yellow River is on November 18 for the period from 1971 to 2019. From 2011 to 2019， there are 6.6 days later than that before 2000. The initial water temperature rise of the channel in early stage delays the date of the first streaming ice significantly. Before 2011， the total air-water sensible heat flux is significantly and positively correlated with the total river flow and the relationship is remarkably weakened after 2011. Under the conditions of the same discharge， the water temperature drops from 5℃ to 0 ℃， the accumulated sensible heat flux at the air-water interface shows abnormally large. The decrease of soil temperature gradient and the increase of surface wind speed are possible climatological causes for the large anomaly occurred after the year of 2011.

Key words： first streaming ice; heat fluxes; river temperature; cold surge event; Inner Mongolia reach of Yellow River

黃河寧蒙河段（寧夏石嘴山—內(nèi)蒙古頭道拐）地處黃河流域最北端，海拔在1 000 m以上，距離海洋遙遠(yuǎn)，冬季常被蒙古高壓控制，大陸性氣候特征明顯，氣候寒冷，日平均氣溫在0 ℃以下的時(shí)間可持續(xù)4～5個(gè)月。該河段凌汛期通常從11月中下旬開始流凌，12月上旬封凍，次年3月中下旬解凍開河，封凍期封凍長度可達(dá)1 000 km[1]，冰凌災(zāi)害嚴(yán)重，1949年以來發(fā)生凌災(zāi)約30次[2]。

冰情變化最主要的影響因素是熱力因素[3-6]，流凌過程中的摩擦力、拖曳力及風(fēng)力均對冰凌的形成和運(yùn)動有較大的影響[2]。冰情預(yù)報(bào)歸根到底是對水溫的預(yù)報(bào)，理論上水溫的變化取決于水體和周圍環(huán)境的熱交換，包括水與大氣的熱交換、水與河床的熱交換等，其中水與大氣的熱交換起主導(dǎo)作用[1，4]。目前，冰凌預(yù)報(bào)模型大多以熱力學(xué)為基礎(chǔ)，根據(jù)溫度演變情況預(yù)測冰情[4，7-12]，已有的冰情預(yù)報(bào)方案大多忽略或簡化了動力、河道及人為因素的影響。目前針對冷空氣過程特征的研究主要集中在中國中高緯度地區(qū)，特別是冷空氣活動頻繁的新疆地區(qū)[13-16]，但針對黃河內(nèi)蒙古河段凌汛期間冷空氣特征及其與河道冰情關(guān)系的研究較少，對首凌前期水體的失熱途徑及其失熱總量研究也很少。筆者結(jié)合以往對冷空氣的研究，利用水氣界面熱量平衡方程，對黃河內(nèi)蒙古河段冷空氣活動特征、首凌（首次流凌）前期水體失熱特征進(jìn)行研究，分析了2011—2019年首凌前期水氣界面的熱量交換特征及其氣候影響因素，以期為黃河凌汛期防災(zāi)減災(zāi)提供理論參考和數(shù)據(jù)支撐。

1 數(shù)據(jù)和分析方法

1.1 數(shù) 據(jù)

計(jì)算水氣界面感熱通量所用數(shù)據(jù)包括：黃河內(nèi)蒙古河段包頭水文站1961—2019年（其中2006—2010年缺測）逐日氣溫（距地表2 m）、風(fēng)速（距地表10 m）、地溫;1971—2019年三湖河口水文站逐日水溫、平均流量、平均流速。計(jì)算冷空氣過程所用數(shù)據(jù)包括黃河內(nèi)蒙古河段附近（區(qū)間流域內(nèi)外）29個(gè)氣象站1971—2019年逐日最低氣溫、平均氣溫。

1.2 分析方法

1.3 冷空氣等級劃分標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《冷空氣等級》（GB/T 20484—2017），冷空氣分為弱冷空氣、中等強(qiáng)度冷空氣、較強(qiáng)冷空氣、強(qiáng)冷空氣和寒潮，劃分標(biāo)準(zhǔn)見表1（單站冷空氣過程）。

2 黃河內(nèi)蒙古河段冷空氣活動特征

2.1 冷空氣活動頻次

1961—2019年黃河內(nèi)蒙古河段及附近29個(gè)氣象站冷空氣活動發(fā)生頻次約為65次/a?？臻g分布上河套平原西部和遠(yuǎn)離河道地區(qū)冷空氣活動發(fā)生頻次接近70次/a，其中：弱冷空氣活動發(fā)生頻次約為41次/a，發(fā)生頻次整體表現(xiàn)為東低西高;強(qiáng)冷空氣發(fā)生頻次西低東高，黃河向南轉(zhuǎn)向的北側(cè)地區(qū)為強(qiáng)冷空氣高發(fā)區(qū)，較西部多2～3次/a;各氣象站寒潮冷空氣過程發(fā)生頻次約為7次/a，整體呈東高西低分布特征，東部寒潮發(fā)生頻次較西部偏多5～6次/a。

時(shí)間演變上，20世紀(jì)60年代以來各年代各級冷空氣過程發(fā)生頻次見表2。

由表2可以看出，20世紀(jì)90年代以后冷空氣活動發(fā)生頻次明顯減少，具體而言，弱冷空氣活動年代際減少趨勢明顯，2011—2019年發(fā)生頻次較1990年之前均值約減少7次/a，中等強(qiáng)度以上冷空氣過程在1991—2010年明顯減少后有增加的趨勢。

2.2 11月冷空氣活動特征

黃河寧蒙河段冬季首凌多發(fā)生在三湖河口至頭道拐河段，1971—2019年多年平均首凌發(fā)生日期為11月18日。對20世紀(jì)60年代以來11月各級冷空氣過程發(fā)生頻次進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，見表3。

就整個(gè)研究時(shí)段而言，11月平均有5.6個(gè)冷空氣過程，其中：弱冷空氣過程3.2個(gè)，中等冷空氣過程0.9個(gè)，強(qiáng)冷空氣過程0.7個(gè)，寒潮天氣過程0.8個(gè)。年代際變化上，20世紀(jì)90年代和21世紀(jì)00年代冷空氣過程發(fā)生頻次明顯減少，2011年后略有增加。各級冷空氣降溫持續(xù)時(shí)間，除較強(qiáng)冷空氣外隨著冷空氣等級提高而增加，年代際各級冷空氣降溫持續(xù)時(shí)間均經(jīng)歷了先減少后增加的過程，2011—2019年各等級冷空氣降溫持續(xù)時(shí)間均較1990年以前明顯增加。

3 三湖河口站流凌前期水文氣象特征

3.1 氣象水文基本要素統(tǒng)計(jì)

黃河寧蒙河段自每年11月1日進(jìn)入凌汛期，11月1日至首凌日期稱為流凌前期。20世紀(jì)70年代以來三湖河口站流凌前期氣象水文基本要素統(tǒng)計(jì)見表4。三湖河口站流凌前期氣溫年代際波動較大，風(fēng)速在2005年以前具有明顯減慢趨勢、2011年以后有所加快。水文要素上，水溫在2000年以前有上升趨勢、2000年以后有所下降，河道首凌日期在2000年后明顯推遲（平均每10 a推遲4 d，2011—2019年較2000年以前平均推遲6.6 d），河道流量波動變化較大。

3.2 初始水溫降至5 ℃的日期變化情況

對黃河寧蒙河段歷史首凌前水溫進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，進(jìn)入凌汛期（11月1—5日）的水溫呈明顯上升趨勢，1971—2000年平均為5.5 ℃，2011—2019年平均為6.9 ℃、對應(yīng)首凌日期較2000年以前推遲約7.3 d。鑒于歷年11月初河道水溫均值均高于5 ℃，為了對首凌前期水氣界面熱通量變化情況進(jìn)行量化分析，這里將首凌前期設(shè)定為河道水溫首次降至5 ℃的日期至首凌當(dāng)日。

圖1為1973年以來三湖河口站初始水溫（凌汛首日即11月1日的水溫）降至5 ℃的天數(shù)變化情況。2000年之前初始水溫降至5 ℃的天數(shù)平均為3.6 d、約有1/3的年份進(jìn)入凌汛期后河道水溫即降至5 ℃，2000年后僅2 a在11月1日降至5 ℃，2011—2019年水溫降至5 ℃的天數(shù)平均為7.3 d，較2000年之前約增加3.7 d。進(jìn)一步分析11月1日初始水溫降至5 ℃的時(shí)長與11月1日至首凌日期時(shí)長的相關(guān)性（圖1中直線為線性擬合結(jié)果），二者相關(guān)系數(shù)為0.34（通過顯著性水平為0.05的檢驗(yàn)）。

3.3 河道水溫從5 ℃降至0 ℃的熱通量變化情況

河道水溫從5 ℃下降至0 ℃的水體失熱過程是影響河道首凌日期的關(guān)鍵因素。根據(jù)河道水體表面的熱量交換方程計(jì)算2011—2019年三湖河口站河道水溫從5 ℃降至0 ℃的感熱、潛熱和風(fēng)應(yīng)力能量通量，結(jié)果見表5。由表5可以看出，水氣界面熱量平衡方程中的3個(gè)通量項(xiàng)中，感熱占比最大、潛熱次之、風(fēng)應(yīng)力能量最小，數(shù)量級分別為102、101、10-1。對水氣界面熱量平衡方程進(jìn)行二階近似，略去風(fēng)應(yīng)力項(xiàng)，則水氣界面熱通量變化主要由感熱通量和潛熱通量決定;進(jìn)行一階近似，略去潛熱項(xiàng)和風(fēng)應(yīng)力項(xiàng)，則水氣界面熱通量變化主要由感熱通量決定。

分析1971年以來（1971年以前無水溫資料）三湖河口站河道流凌前期河道水溫從5 ℃降至0 ℃的過程徑流總量與總感熱通量的相關(guān)關(guān)系表明，總體上河道水溫由5 ℃降至0 ℃對應(yīng)的總感熱通量與過程徑流總量顯著相關(guān)（相關(guān)系數(shù)為0.48，通過顯著性水平為0.01的檢驗(yàn)），即水氣界面熱量損失隨過程徑流總量的增加而增加，但2011年以后二者關(guān)系發(fā)生明顯改變，即過程徑流總量與總感熱通量之間的相關(guān)性明顯減弱（水氣界面總感熱通量與過程徑流總量的相關(guān)系數(shù)僅為0.06），河道徑流量對河道水氣界面熱交換總量的影響顯著減小。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2011年后同流量條件下水溫由5 ℃降至0 ℃對應(yīng)的水面總感熱通量較歷史同流量條件下異常偏大。

3.4 首凌前期總感熱通量異常偏大原因分析

2011年以來，寧蒙河段首凌前期水氣界面感熱通量異常偏大，從首凌前期總體熱量損失途徑是否發(fā)生了變化、感熱通量自身是否存在異常變化趨勢兩方面進(jìn)行原因分析。

根據(jù)《水利水電工程水文計(jì)算規(guī)范》（SL/T 278—2020），河道中水體與周邊環(huán)境熱交換因素包括輻射、氣溫、濕度、風(fēng)速、水面蒸發(fā)（潛熱）、對流失熱（感熱）、河段旁側(cè)入流熱交換、河床與水流熱交換、水流動力加熱等，其中輻射、氣溫、濕度和風(fēng)速是影響河道水體失熱最重要的氣象因子。對封凍河段或淺水河道而言，水體與河床的熱交換也是一個(gè)重要的因素，其熱交換通量由熱傳導(dǎo)系數(shù)和土壤溫度梯度的乘積決定。對1961—2015年各層土壤溫度變化情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，80 cm以上土層溫度有明顯升高趨勢。圖2為包頭氣象站1961—2015年逐年11月各層土壤溫度的垂直梯度變化情況，可以看出，2000年以后淺層（40 cm以上）土壤溫度梯度有明顯減小趨勢。根據(jù)熱平衡方程，一定流量條件下河道水溫從5 ℃降至0 ℃時(shí)，在水體熱量損失一定的情況下，若河道水體與河床熱交換減少，則水氣界面熱交換通量將增大。

風(fēng)應(yīng)力能量通量公式中，假定拖曳系數(shù)不變，則感熱通量是地氣溫差和風(fēng)速的函數(shù)，其中地氣溫差是感熱通量的根源、風(fēng)速的作用類似于放大器。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，黃河內(nèi)蒙古河段97%的首凌發(fā)生于冷空氣活動過程中，這些冷空氣過程有33%屬弱冷空氣過程、37%屬寒潮降溫過程、15%屬強(qiáng)冷空氣過程、15%屬較強(qiáng)冷空氣過程。在冷空氣活動強(qiáng)度年代際變化上，寒潮冷空氣和弱冷空氣活動變化趨勢顯著，其中寒潮冷空氣活動為增加趨勢、弱冷空氣活動為減少趨勢，此外，強(qiáng)冷空氣與寒潮冷空氣變化趨勢一致，弱冷空氣與較強(qiáng)冷空氣變化趨勢一致。把強(qiáng)冷空氣和寒潮歸為一類、把弱冷空氣和較強(qiáng)冷空氣歸為一類，分別簡稱為強(qiáng)、弱冷空氣，從年代際變化趨勢看，研究時(shí)段內(nèi)首凌當(dāng)日的冷空氣過程從弱冷空氣過程向強(qiáng)冷空氣過程過渡（見圖3）。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2011—2019年黃河內(nèi)蒙古河段首凌當(dāng)日沿河氣象站達(dá)到強(qiáng)冷空氣標(biāo)準(zhǔn)的約占75%，與20世紀(jì)60年代相比增加45%，相應(yīng)的弱冷空氣氣象站占比則從70%降至25%。

1971—2019年有觀測資料的32 a中，首凌前期約需經(jīng)歷2.2次冷空氣降溫過程，其中87.5%的年份包含有寒潮天氣過程。各年代冷空氣過程發(fā)生頻次具有明顯的波動性，2000年以后冷空氣發(fā)生頻次增加趨勢明顯。

進(jìn)一步對首凌前期冷空氣過程中寒潮最早發(fā)生時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)表明，2000年之后寒潮最早發(fā)生日期提前趨勢明顯（較之前提前2 d），同時(shí)寒潮過程最大降溫幅度有明顯增大趨勢。

圖4為1961—2019年歷年11月平均風(fēng)速和水氣溫差（水溫減氣溫）變化情況（圖中曲線為5 a滑動平均趨勢線），可以看出，2011年以后黃河內(nèi)蒙古河段進(jìn)入地面風(fēng)速與水氣溫差增大的時(shí)期，這種氣候背景有利于首凌前期水氣界面感熱通量增大。

4 結(jié) 論

（1）1961—2019年黃河內(nèi)蒙古河段冷空氣過程發(fā)生頻次約為65次/a，其中寒潮冷空氣過程發(fā)生頻次約為7次/a;首凌約97%發(fā)生于冷空氣過程中，這些冷空氣過程有33%屬弱冷空氣、37%屬寒潮，首凌當(dāng)日的冷空氣過程從弱冷空氣過程向強(qiáng)冷空氣過程過渡。

（2）1971—2019年黃河內(nèi)蒙古河段首凌日期多年平均為11月18日，2000年以后首凌日期明顯推遲，2011—2019年平均首凌日期較2000年以前推遲6.6 d。2000年后首凌前期河道初始水溫與首凌日期具有明顯負(fù)相關(guān)關(guān)系，初始水溫上升對首凌日期具有明顯延遲作用。

（3）1971—2010年黃河內(nèi)蒙古河段首凌前期水氣界面總感熱通量與過程徑流總量顯著正相關(guān)，2011年以來過程徑流總量與首凌前期水氣界面感熱通量的關(guān)系明顯減弱，相同流量條件下水氣界面感熱通量明顯增大。

（4）沿岸土壤溫度梯度減小抑制了河道水體與河道周圍土壤的熱量交換，水氣界面熱量損失相對增加，冷空氣活動增多特別是強(qiáng)冷空氣活動頻次增加及地表風(fēng)速加大加劇了水氣界面熱量交換，這些因素使2011年以來黃河內(nèi)蒙古河段首凌前期水氣界面感熱通量異常增大。

本研究對河道上游來水、河道過流能力、水庫調(diào)度等因素未予考慮，在后續(xù)研究中應(yīng)考慮這些因素。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉吉峰，楊健，霍世青，等.黃河寧蒙河段冰凌變化新特點(diǎn)分析[J].人民黃河，2012，34（11）：12-14.

[2] 可素娟，王敏，饒素秋.黃河冰凌研究[M].鄭州：黃河水利出版社，2002：50-73.

[3] 王玲，劉吉峰，謝文軒.黃河寧蒙河段冰凌預(yù)報(bào)模型研究進(jìn)展[J].人民黃河，2014，36（12）： 8-10.

[4] 沈洪道.河冰研究[M].霍世青，李世明，饒素秋，等，譯.鄭州：黃河水利出版社，2010：43-49.

[5] 馮國華.黃河內(nèi)蒙古段冰凌特征分析及冰情信息模擬預(yù)報(bào)模型研究[D].呼和浩特：內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，2009：57-83.

[6] 彭梅香，王春青，溫麗葉，等.黃河凌汛成因分析及預(yù)測研究[M].北京：氣象出版社，2007：17-29.

[7] 冀鴻蘭，朝倫巴根，陳守煜.基于模糊識別人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的冰凌預(yù)報(bào)模型[J].水力發(fā)電，2008，34（11）：24-26.

[8] 陳守煜，冀鴻蘭.冰凌預(yù)報(bào)模糊優(yōu)選神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)BP方法[J].水利學(xué)報(bào)，2004，35（6）：114-118.

[9] 王志興，李成振，陳剛.冰情預(yù)報(bào)的投影尋蹤回歸模型[J].自然災(zāi)害學(xué)報(bào)，2009，18（5）：174-177.

[10] 李亞偉，陳守煜，韓小軍.基于支持向量機(jī)SVR的黃河凌汛預(yù)報(bào)方法[J].大連理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，46（2）：272-275.

[11] 冀鴻蘭，卞雪軍，徐晶.黃河內(nèi)蒙古段流凌預(yù)報(bào)可變模糊聚類循環(huán)迭代模型[J].水利水電科技進(jìn)展，2013，33（4）：14-17.

[12] 張一兵，劉珺，焦敏輝，等.基于氣溫特征值的三湖河口斷面冰期預(yù)報(bào)模型[J].人民黃河，2017，39（1）：38-40.

[13] 謝芳，劉海濤，張向軍，等.1971—2016年新疆南部冷空氣過程頻數(shù)變化特征[J].沙漠與綠洲氣象，2018，12（6）：22-31.

[14] 劉紅霞，王飛，楊溫萍，等.1971—2015年北疆地區(qū)不同等級冷空氣時(shí)空統(tǒng)計(jì)特征分析[J].沙漠與綠洲氣象，2019，13（1）：70-78.

[15] 毛煒峰，陳穎.1951—2015年烏魯木齊市寒潮過程頻數(shù)及強(qiáng)度氣候特征[J].干旱氣象，2016，34（3）：403-411.

[16] HUA T， WANG X. Temporal and Spatial Variations in the Climate Controls of Vegetation Dynamics on the Tibetan Plateau During 1982-2011[J]. Adv. Atmos. Sci. 2018，35，1337-1346.

[17] LI Z， LYU S， ZHAO L， et al. Turbulent Transfer Coefficient and Roughness Length in a High Altitude Lake， Tibetan Plateau[J]. Theoretical and Applied Climatology， 2016， 124（3）：723-735.

【責(zé)任編輯 張智民】