李坤玉，趙魯強，王 鑄

(1.中國氣象局 國家氣象中心，北京100081；2.中國氣象局 公共氣象服務(wù)中心，北京100081)

冰凍天氣，也叫凝凍天氣，是一種氣象災(zāi)害。研究表明局部性冰凍天氣易造成農(nóng)業(yè)凍害、電線覆冰等次生災(zāi)害[1]。區(qū)域性大范圍的冰凍天氣，會形成冰凍災(zāi)害鏈，對交通、電力、通訊、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、畜牧業(yè)及城市運行、群眾生活等方面產(chǎn)生極大影響。凍雨(即雨凇、凝凍)是中國冰凍災(zāi)害的主要成災(zāi)因子，本研究中的冰凍天氣主要是指凍雨天氣。2000年以來中國發(fā)生過多次較大范圍的區(qū)域性冰凍天氣，尤其是云南、貴州、湖南和江西等地極易出現(xiàn)冰凍災(zāi)害。2008年南方地區(qū)出現(xiàn)歷史罕見低溫雨雪冰凍天氣，1億多人受災(zāi)，直接經(jīng)濟損失超過1 100億元。2011年1月，南方地區(qū)又連續(xù)遭遇多次較強的低溫冰凍天氣侵襲，約1 800萬人受災(zāi)。因此，對冰凍天氣的影響程度做出客觀、科學(xué)的評估，可以提高此類天氣的防御能力，達到防災(zāi)減災(zāi)目的。

近年來，學(xué)者們對冰凍天氣災(zāi)害評估進行了大量的研究，如顧婷婷等[2]從致災(zāi)因子、承災(zāi)體和歷史高速公路交通事故特征3方面，對浙江省高速公路低溫雨雪冰凍災(zāi)害進行評估；楊靜等[3]基于冰凍持續(xù)時間、降水持續(xù)時間、日平均降水量和日平均氣溫4個因子，采用灰色關(guān)聯(lián)度方法構(gòu)建了一種影響公路交通的冰凍強度綜合指標；萬素琴等[4]使用連續(xù)雨雪日數(shù)、雨雪總量、日平均氣溫小于等于0.5 ℃的連續(xù)日數(shù)、過程平均氣溫和極端最低氣溫5個要素，建立了湖北省低溫雨雪冰凍綜合過程指數(shù)計算模型；毛淑君等[5]采用日最高氣溫、日最低氣溫、相對濕度和日照時數(shù)4種氣象要素，給出中國南方地區(qū)低溫雨雪冰凍的風險區(qū)劃；萬錦栓等[6]從致災(zāi)因子危險性、孕災(zāi)環(huán)境敏感性、承災(zāi)體易損性和抗災(zāi)能力4個方面，構(gòu)建了湖南省冰凍災(zāi)害風險區(qū)劃綜合評估模型；梁釗揚等[7]根據(jù)過程降溫幅度、低溫持續(xù)時間、最低氣溫等因子評估了粵中西部低溫雨雪冰凍天氣。

綜上，現(xiàn)有成果的研究區(qū)域局限在部分地區(qū)或個別省(市)，研究對象也主要針對區(qū)域性冰凍天氣過程。筆者在考慮氣象業(yè)務(wù)實施的前提下，基于氣溫、持續(xù)時間和范圍3個要素構(gòu)建中國區(qū)域的冰凍評估模型，對區(qū)域性冰凍天氣過程和某一日的冰凍天氣影響程度均可進行評估研究，以期為更好地開展冰凍天氣災(zāi)害防御提供依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料來源

氣象資料來源于2000—2019年國家級氣象觀測站(簡稱國家站)的地面天氣實況觀測資料，氣候背景資料為20世紀70年代至90年代國家氣象信息中心整編的國家站日平均氣溫觀測資料的30年氣候平均值。國家站包括國家基準氣候站、國家基本氣象站和國家一般氣象站，研究范圍為中國區(qū)域。

1.2 研究方法

冰凍天氣評估分為區(qū)域性冰凍天氣過程(簡稱冰凍天氣過程)評估和某一日的冰凍天氣(簡稱單日冰凍天氣)評估2個方面。借鑒文獻[8]的研究成果和相關(guān)歷史資料，在某一天氣過程影響時，若同一時段內(nèi)有5個或5個以上相鄰的國家站出現(xiàn)冰凍天氣，則定義為一次冰凍事件；若一次冰凍天氣事件的持續(xù)時間為2天及以上，則定義為一次冰凍天氣過程；若一天內(nèi)有5個或5個以上相鄰的國家站出現(xiàn)冰凍天氣，則定義為一個冰凍日。對于某國家站，與其距離小于200 km的國家站，則定義為相鄰站。筆者基于上述冰凍天氣過程和冰凍日的定義，開展冰凍天氣評估分析。

李坤玉等[9]研究了冰凍天氣氣象條件和災(zāi)害損失的相關(guān)關(guān)系，指出冰凍天氣災(zāi)害對平均氣溫最敏感，平均氣溫越低，低溫持續(xù)時間越長，影響范圍越廣，冰凍天氣災(zāi)害損失越大。葉成志等[10]研究指出日平均氣溫對于冰凍強度具有重要影響。因此，筆者選取日平均氣溫、持續(xù)時間和影響范圍作為冰凍天氣的強度指標。由于冰凍天氣評估各指標的量綱不同，為消除各指標間的量綱差異，采用式(1)對各指標數(shù)據(jù)進行標準化處理，將所有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為標準化的無量綱指標數(shù)據(jù)X′。

(1)

2 冰凍天氣過程評估

2.1 冰凍天氣過程綜合強度指數(shù)和等級劃分原則

冰凍天氣過程綜合強度評估主要包括持續(xù)時間、影響范圍和強度(平均強度和峰值強度)3個評價指標，選用日平均氣溫作為強度指標。冰凍天氣過程綜合強度指數(shù)(comprehensive strength index of freezing weather process，CSIFWP)的定義如式(2)所示，是對過程持續(xù)時間(N)、過程影響范圍(A)、過程極端氣溫強度(TQ)、過程平均氣溫強度(TL)進行標準化處理后，再加權(quán)求和。

CSIFWP=N+A+TQ+TL

(2)

(3)

(4)

其中，TK為過程第K天的日平均氣溫。

由于氣象資料樣本長度有限，限制了統(tǒng)計量的代表性，故引入百分位等級劃分原則。即將一組數(shù)據(jù)排序，計算相應(yīng)的百分位，再按照所處百分位區(qū)間來對應(yīng)其相應(yīng)的等級。根據(jù)冰凍天氣過程綜合強度指數(shù)，將冰凍天氣過程由強至弱按比例劃分為4個等級：極端冰凍天氣過程(占10%)、重度冰凍天氣過程(占20%)、中等強度冰凍天氣過程(占40%)和輕度冰凍天氣過程(占30%)。

2.2 冰凍天氣過程綜合強度等級劃分標準

經(jīng)過識別，2000—2019年中國共出現(xiàn)66次冰凍天氣過程，其發(fā)生頻次逐年變化情況如圖1所示。根據(jù)等級劃分原則，2000—2019年共包括7次極端冰凍天氣過程、13次重度冰凍天氣過程、26次中等強度冰凍天氣過程和20次輕度冰凍天氣過程。冰凍天氣過程等級劃分如表1所示。

圖1 2000—2019年中國冰凍天氣過程頻次的逐年變化圖

表1 2000—2019年中國冰凍天氣過程及等級劃分

續(xù)表1

因此，冰凍天氣過程綜合強度指數(shù)閾值劃分標準為：極端冰凍天氣過程(CSIFWP≥2.43)；重度冰凍天氣過程(0.53≤CSIFWP<2.43)；中等強度冰凍天氣過程(0.53≤CSIFWP<2.43)；輕度冰凍天氣過程(CSIFWP<-1.13)。

3 單日冰凍天氣評估

3.1 單日冰凍天氣綜合強度指數(shù)和等級劃分原則

單日冰凍天氣綜合強度評估主要包括影響范圍和強度2個評價指標，選用日平均氣溫作為強度指標。單日冰凍天氣綜合強度指數(shù)(comprehensive strength index of freezing day,CSIFD)的定義如式(5)所示，是對單日影響范圍(AK)和單日氣溫強度(TK)進行標準化處理后，再加權(quán)求和。

CSIFD=AK+TK

(5)

式中：AK為第K天冰凍天氣影響面積；TK為第K天的日平均氣溫。

同樣引入百分位等級劃分原則，根據(jù)單日冰凍天氣綜合強度指數(shù)，將單日冰凍天氣由強至弱按比例劃分為4個等級：特強冰凍日(占10%)、強冰凍日(占20%)、中等強度冰凍日(占40%)和弱冰凍日(占30%)。

3.2 單日冰凍天氣綜合強度等級劃分標準

經(jīng)過識別，2000—2019年中國共出現(xiàn)358個冰凍日。根據(jù)等級劃分原則，共包括36個特強冰凍日、72個強冰凍日、143個中等冰凍日和107個弱冰凍日。單日冰凍天氣等級劃分如表2所示。因此，單日冰凍天氣綜合強度指數(shù)閾值劃分標準為：特強冰凍日(CSIFD≥1.909 4)；強冰凍日(0.508 0≤CSIFD<1.909 4)；中等強度冰凍日(-0.809 7≤CSIFD<0.508 0)；弱冰凍日(CSIFD<-0.809 7)。

4 評估結(jié)果分析

4.1 冰凍天氣過程對應(yīng)天氣事件

根據(jù)冰凍天氣過程等級劃分原則，識別出的極端冰凍天氣過程、影響范圍較大的重度和中等強度冰凍天氣過程均有相對應(yīng)的天氣事件。

在極端冰凍天氣過程中，綜合強度排名第1的是2008年1月中旬至2月中旬“歷史罕見低溫雨雪冰凍災(zāi)害肆虐南方”，排名第2的是2011年1月中下旬南方多地遭受低溫雨雪冰凍災(zāi)害，排名第3的是2011年1月上旬南方多地遭受低溫雨雪冰凍災(zāi)害，排名第4的是2014年2月4日至中旬南方大部地區(qū)出現(xiàn)持續(xù)低溫雨雪冰凍天氣，排名第5的是2013年1月上旬南方持續(xù)低溫陰雨雪天氣，排名第6的是2010年2月中旬受寒潮影響中東部地區(qū)出現(xiàn)的多雨雪天氣，排名第7的是2012年1月18日至下旬南方地區(qū)多陰雨雪天氣，貴州、云南、湖南等地出現(xiàn)凍雨。

表2 2000—2019年中國冰凍日及等級劃分

在影響范圍較大的重度冰凍天氣過程中，排名第8的是2009年11月15日至20日南方地區(qū)低溫雨雪天氣，排名第9的是2009年11月9日至12日華北、黃淮等地出現(xiàn)歷史罕見暴雪冰凍，排名第10的是2005年2月中上旬受冷空氣影響貴州、湖南、湖北、安徽和河南等地出現(xiàn)凍雨天氣，排名第11的是2018年1月下旬受較強冷空氣影響中東部地區(qū)出現(xiàn)的雨雪冰凍天氣。

在影響范圍較大的中等強度冰凍天氣過程中，排名第22的是2013年2月6日至9日全國寒潮天氣，排名第38的是2010年1月2日至6日中東部寒潮導(dǎo)致湖南、江西出現(xiàn)大范圍凍雨。

然而，研究并沒有識別出2010年2月24日至25日東北地區(qū)雨雪冰凍天氣，這可能是因為24日東北地區(qū)有8個相鄰站出現(xiàn)冰凍天氣，但25日相鄰站小于5個，由于持續(xù)時間小于2天，因此不被識別為1次冰凍天氣過程。

4.2 冰凍日對應(yīng)天氣事件

根據(jù)冰凍日等級劃分原則，識別出的特強冰凍日和強冰凍日也均有相對應(yīng)的天氣事件。在特強冰凍日中，綜合排名前5的18個特強冰凍日對應(yīng)于2008年1月中旬至2月中旬“歷史罕見低溫雨雪冰凍災(zāi)害肆虐南方”，2個對應(yīng)于2009年11月9日至12日華北、黃淮等地出現(xiàn)歷史罕見暴雪冰凍，2個對應(yīng)于2009年11月15日至20日南方地區(qū)低溫雨雪天氣，3個對應(yīng)于2011年1月上旬南方多地遭受低溫雨雪冰凍災(zāi)害，4個對應(yīng)于2013年1月上旬南方持續(xù)低溫陰雨雪天氣。

在強冰凍日中，4個強冰凍日對應(yīng)于2005年2月中上旬受冷空氣影響貴州、湖南、湖北、安徽和河南等地出現(xiàn)凍雨天氣，6個對應(yīng)于2008年1月中旬至2月中旬“歷史罕見低溫雨雪冰凍災(zāi)害肆虐南方”，3個對應(yīng)于2009年11月15日至20日南方地區(qū)低溫雨雪天氣，5個對應(yīng)于2010年2月中旬受寒潮影響中東部地區(qū)出現(xiàn)的多雨雪天氣，7個對應(yīng)于2011年1月上旬南方多地遭受低溫雨雪冰凍災(zāi)害，8個對應(yīng)于2011年1月中下旬南方多地遭受低溫雨雪冰凍災(zāi)害，5個對應(yīng)于2014年2月4日至中旬南方大部分地區(qū)出現(xiàn)持續(xù)低溫雨雪冰凍天氣。

5 結(jié)論

(1)利用2000—2019年國家站的地面天氣實況觀測資料和20世紀70年代至90年代整編的國家級氣象觀測站日平均氣溫地面觀測資料的30年氣候平均值，選用日平均氣溫、持續(xù)時間和影響范圍3個評價指標，采用標準化加權(quán)求和方法，引入百分位等級劃分原則，對冰凍天氣評估展開研究，并定量評價了2000—2019年中國出現(xiàn)的66次冰凍天氣過程和358個冰凍日。

(2)冰凍天氣過程綜合強度指數(shù)閾值劃分標準為：極端冰凍天氣過程(CSIFWP≥2.43)；重度冰凍天氣過程(0.53≤CSIFWP<2.43)；中等強度冰凍天氣過程(0.53≤CSIFWP<2.43)；輕度冰凍天氣過程(CSIFWP<-1.13)。單日冰凍天氣綜合強度指數(shù)閾值劃分標準為：特強冰凍日(CSIFD≥1.909 4)；強冰凍日(0.508≤CSIFD<1.909 4)；中等強度冰凍日(-0.809 7≤CSIFD<0.508)；弱冰凍日(CSIFD<-0.8097)。

(3)識別出的極端冰凍天氣過程、影響范圍較大的重度和中等強度冰凍天氣過程以及特強冰凍日、強冰凍日均有相對應(yīng)的天氣事件，與實際相符合。冰凍天氣過程綜合強度指數(shù)等級劃分標準和單日冰凍天氣綜合強度指數(shù)等級劃分標準對冰凍天氣過程和冰凍日有較強的評估能力。

(4)根據(jù)冰凍天氣過程綜合強度指數(shù)和單日冰凍天氣綜合強度指數(shù)，可以定量評價任何一次冰凍天氣過程和單日冰凍天氣的強度，有助于更好地開展冰凍天氣的評估和服務(wù)工作，提高氣象服務(wù)水平，為政府防災(zāi)減災(zāi)提供科學(xué)依據(jù)。

(5)由于國家站點分布相對稀少，樣本資料有限，未考慮最低氣溫、降水量、日照時數(shù)和電線覆冰厚度等致災(zāi)氣象因子。未來可考慮更多的致災(zāi)氣象因子以及地形、海拔等孕災(zāi)環(huán)境和人口、經(jīng)濟等承災(zāi)體，構(gòu)建針對敏感行業(yè)或重點地區(qū)的冰凍天氣災(zāi)害定量化風險評估模型，并基于氣象實時監(jiān)測和精細化預(yù)報產(chǎn)品發(fā)展風險動態(tài)評估技術(shù)。