任曼琳 , 李忠燕 , 譚婭姮 , 嚴(yán)小冬* , 張東海

（1.貴州省氣候中心，貴陽 550002；2.貴州省山地氣候與資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴陽 550002）

引言

當(dāng)過冷水滴下降至地面，與低于0℃的物體接觸并在其表面凍結(jié)形成覆冰層的現(xiàn)象，被稱為凝凍，其中以雨凇為主，形成雨凇的雨叫凍雨。貴州是我國(guó)凝凍災(zāi)害最重、發(fā)生最為頻繁的省份，約占全國(guó)總數(shù)的84%[1-3]，這是由于貴州地區(qū)海拔普遍在1000 m以上，呈現(xiàn)西高東低的喇叭口地形，境內(nèi)山地、河流眾多，處于中低緯且位于西南水汽輸送帶上，多冷暖空氣交匯，靜止鋒及切變系統(tǒng)極易形成，每年冬季在北方冷空氣的不斷入侵之下，常形成陰雨連綿的低溫天氣導(dǎo)致貴州地區(qū)凝凍災(zāi)害頻發(fā)[4-7]。目前，已從環(huán)流形勢(shì)和影響系統(tǒng)演變等角度對(duì)貴州凝凍災(zāi)害形成的天氣形勢(shì)和垂直結(jié)構(gòu)特征有了一定的認(rèn)識(shí)[8-10]，并從海溫異常、環(huán)流異常、關(guān)鍵區(qū)因子等方面入手，深入分析了貴州凝凍災(zāi)害的氣候背景[4,11-15]，取得了一系列有意義的成果。

眾所周知，持續(xù)的區(qū)域性凝凍災(zāi)害對(duì)交通、電力及人民群眾的生活生產(chǎn)安全影響巨大，其中2008年1月10日～2月2日和2011年1月1日～2月5日貴州省經(jīng)歷了極端的區(qū)域性凝凍過程，這兩次超強(qiáng)凝凍過程事件的影響范圍之廣、強(qiáng)度之大、持續(xù)時(shí)間之長(zhǎng)，歷史罕見，給貴州社會(huì)經(jīng)濟(jì)造成了嚴(yán)重的損失[16-20]。因此，本文利用1961～2019年貴州省84站逐日雨凇資料，在改進(jìn)現(xiàn)有區(qū)域性凝凍過程指標(biāo)并確立新標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析區(qū)域性凝凍過程的時(shí)空演變特征，以期為加深對(duì)區(qū)域性凝凍災(zāi)害的認(rèn)知和提升區(qū)域性凝凍災(zāi)害的預(yù)測(cè)水平提供科學(xué)參考。

1 資料與方法

凝凍主要包括雨凇和霧凇。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1961～2019年貴州霧凇共計(jì)出現(xiàn)1214 站次，雨凇共計(jì)出現(xiàn)31566站次，霧凇占比較少。另一方面，霧凇非冰非雪，是霧中無數(shù)0℃以下而尚未凝華的水蒸氣隨風(fēng)在樹枝等物體上不斷積聚凍粘的結(jié)果，其形成條件較特殊。因此，本文選取1961年10月～2020年4月貴州省84站逐日雨凇觀測(cè)資料作為樣本數(shù)據(jù)，對(duì)霧凇不予考慮。冬季定義為當(dāng)年10月1日～翌年4月30日，如1961年冬季為1961年10月1日～1962年4月30日。

本文采用小波分析、功率譜分析及M-K突變檢驗(yàn)方法對(duì)區(qū)域性凝凍過程發(fā)生次數(shù)和天數(shù)的周期及突變特征進(jìn)行分析，利用合成分析、聚類分析方法分析區(qū)域性凝凍過程的空間分布特征。

2 區(qū)域性凝凍過程指標(biāo)確定

在實(shí)際業(yè)務(wù)中，多個(gè)國(guó)家和地方標(biāo)準(zhǔn)[21-23]均規(guī)定了貴州省單站凝凍過程的指標(biāo)及分級(jí)指標(biāo)，但是國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)冰凍天氣等級(jí)和《貴州短期氣候預(yù)測(cè)技術(shù)》均未對(duì)區(qū)域性凝凍過程給出明確定義，而地方標(biāo)準(zhǔn)貴州省凝凍災(zāi)害等級(jí)中給出的定義未對(duì)過程結(jié)束日進(jìn)行明確規(guī)定。因此，有必要進(jìn)一步完善這一標(biāo)準(zhǔn)。

《貴州短期氣候預(yù)測(cè)技術(shù)》中首先對(duì)單站凝凍過程進(jìn)行了定義及分級(jí)：規(guī)定單個(gè)縣（區(qū)）連續(xù)出現(xiàn)3個(gè)以上（含3個(gè)）凝凍日則為單站凝凍過程，而當(dāng)凝凍現(xiàn)象消失持續(xù)兩日，則凝凍消失的前一日定義為凝凍結(jié)束日；而凝凍過程持續(xù)天數(shù)≤3 d為輕級(jí)凝凍，持續(xù)4～5 d為中級(jí)凝凍，持續(xù)6～9 d為重級(jí)凝凍，持續(xù)天數(shù)≥10 d為特重級(jí)凝凍；以區(qū)域內(nèi)各級(jí)凝凍的站數(shù)占比為依據(jù)，給出了年度區(qū)域性凝凍過程分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。地方標(biāo)準(zhǔn)貴州省凝凍災(zāi)害等級(jí)中指出全省同時(shí)段有8個(gè)以上（含8個(gè)）縣（區(qū)）出現(xiàn)單站（縣級(jí)）凝凍過程則為一次區(qū)域性凝凍過程。

李忠燕等[24]利用貴州省雨凇觀測(cè)資料對(duì)貴州省單站凝凍過程的指標(biāo)進(jìn)行了訂正，指出單個(gè)縣（區(qū)）連續(xù)出現(xiàn)3 d以上（含3 d）凝凍日則為單站凝凍過程的起始條件。本文根據(jù)這一定義再結(jié)合地方標(biāo)準(zhǔn)貴州省凝凍災(zāi)害等級(jí)中區(qū)域性凝凍過程的定義，規(guī)定某日監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)有8站及以上出現(xiàn)凝凍則為一個(gè)區(qū)域性凝凍日，若監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)連續(xù)出現(xiàn)3 d及以上區(qū)域性凝凍日，則一次區(qū)域性凝凍過程開始，連續(xù)出現(xiàn)2 d非區(qū)域性凝凍日，則該次區(qū)域性凝凍過程結(jié)束，過程首個(gè)區(qū)域性凝凍日為過程開始日，最后一個(gè)區(qū)域性凝凍日為過程結(jié)束日，開始日至結(jié)束日（含）的天數(shù)為過程持續(xù)天數(shù)。

3 區(qū)域性凝凍過程的時(shí)間分布特征

按照上節(jié)給出的新標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)計(jì)了1961～2019年貴州省區(qū)域性凝凍過程。如圖1所示，近59 a貴州省共計(jì)出現(xiàn)134次區(qū)域性凝凍過程，年平均區(qū)域性凝凍過程次數(shù)為2.3次；其中1987年冬季發(fā)生區(qū)域性凝凍過程次數(shù)最多（6次），2004年和2011年冬季次之（5次），而1986年、2000年、2001年、2016年和2019年冬季未發(fā)生區(qū)域性凝凍過程。從每年區(qū)域性凝凍過程的累積天數(shù)來看，其累積天數(shù)介于0～43 d，平均為15 d；其中 1976 年累積天數(shù)最長(zhǎng)（43 d），1983 年次之（40 d），1968年再次（34 d），1986年、2000年、2001年、2016年和2019年均為0 d。年區(qū)域性凝凍過程次數(shù)與累積天數(shù)均呈現(xiàn)明顯的年際振蕩特征，且兩者之間為顯著的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.727；在年代際時(shí)間尺度上，二者變化特征相似，均呈“偏多-偏少-偏多-偏少”的趨勢(shì)變化。

圖1 1961～2019年貴州省區(qū)域性凝凍過程次數(shù)（藍(lán)線）和累積天數(shù)（紅線）時(shí)間序列

根據(jù)1961～2019年貴州省區(qū)域性凝凍過程次數(shù)的小波系數(shù)實(shí)部（圖2a）和功率譜（圖2b），可以看出：貴州省區(qū)域性凝凍過程次數(shù)主要存在7～8 a和3～4 a的年際變化周期；7～8 a振蕩周期在1990s末～2000s表現(xiàn)較明顯，為第1主周期，且該周期通過了95%信度檢驗(yàn)；其次3～4 a為第2主周期，主要在1980s表現(xiàn)較為明顯。此外，M-K突變檢驗(yàn)（圖略）顯示，近59 a貴州區(qū)域性凝凍過程次數(shù)呈減少趨勢(shì)且無明顯突變。

圖2 1961～2019年貴州省區(qū)域性凝凍過程次數(shù)的（a）小波分析及（b）功率譜分析（綠線表示5%信度檢驗(yàn)，紅線表示紅噪音，藍(lán)線表示95%信度檢驗(yàn)）

從1961～2019年貴州省區(qū)域性凝凍過程累積天數(shù)的小波系數(shù)實(shí)部和功率譜（圖略）分析表明：貴州省區(qū)域性凝凍過程累積天數(shù)同樣存在7～8 a和3～4 a的年際變化周期，且均通過95%信度檢驗(yàn)；其中7～8 a振蕩周期在2000s～2010s初表現(xiàn)得較明顯，是第1主周期；其次3～4 a為第2主周期，主要表現(xiàn)在1970s初～1990s初。同樣由M-K突變檢驗(yàn)（圖略）可知，近59 a貴州區(qū)域性凝凍過程累積天數(shù)無明顯突變點(diǎn)，在1990s初之前波動(dòng)大，之后呈明顯減少趨勢(shì)。

從134次區(qū)域性凝凍過程的具體時(shí)間分布（圖3a）來看，近59 a區(qū)域性凝凍過程最早開始出現(xiàn)于11月15日（1976年），最晚結(jié)束于3月14日（1962年和1977年），主要集中出現(xiàn)在12月～翌年2月（圖3b），其中1月占比最多（47%），2月次之（33%），11月最少（2%）。從單次區(qū)域性凝凍過程的持續(xù)天數(shù)（圖略）來看，持續(xù)時(shí)間介于3～33 d，其中2007年冬季的一次區(qū)域性凝凍過程持續(xù)天數(shù)最長(zhǎng)（33 d），之后依次為2010年、1983年和1976年冬季的某次區(qū)域性凝凍過程，分別對(duì)應(yīng)32 d、28 d、25 d。

圖3 1961～2019年貴州省134次區(qū)域性凝凍過程（a）發(fā)生時(shí)間和（b）各旬占比情況

從134次區(qū)域性凝凍過程的影響站數(shù)（單次過程中全省出現(xiàn)雨凇的站數(shù)而非站次）（圖4a）來看，單次區(qū)域性凝凍過程影響站數(shù)為11～78站，平均影響42站；其中2010年冬季的一次區(qū)域性凝凍過程影響站數(shù)最多，為78站，占監(jiān)測(cè)總站數(shù)的91.8%；2007年和2017年次之，分別為77和76站，占監(jiān)測(cè)總站數(shù)的90.6%和89.4%；而2013年冬季的一次區(qū)域性凝凍過程影響站數(shù)最少，為11站，占監(jiān)測(cè)總站數(shù)的12.9%。從影響站數(shù)不同區(qū)間值的占比百分率（圖4b）來看，近59 a區(qū)域性凝凍過程影響站數(shù)主要介于21～60站，其中31～35站的區(qū)間占比最多。

圖4 1961～2019年貴州省134次區(qū)域性凝凍過程影響站數(shù)（a）及其在不同區(qū)間值占比百分率（b）

4 區(qū)域性凝凍過程的空間分布特征

圖5為1961～2019年貴州省134次區(qū)域性凝凍過程中各站發(fā)生頻率的空間分布。如圖所示，貴州省易發(fā)生區(qū)域性凝凍過程的地區(qū)主要集中在中部一線，其中大方（100%）、開陽（98.5%）、威寧（97.8%）、萬山（96.7%）、水城（94%）、甕安（94%）、丹寨（94%）、畢節(jié)（92.5%）、麻江（91.8%）和納雍（91%）的發(fā)生頻率均超過了90%，表明這些地區(qū)極易發(fā)生區(qū)域性凝凍過程，其中大方站達(dá)100%，表明134次區(qū)域性凝凍過程中大方站均有雨凇天氣現(xiàn)象出現(xiàn)；而在東北部和南部部分地區(qū)，區(qū)域性凝凍過程的發(fā)生頻率低于30%，其中望謨和羅甸站發(fā)生頻率為0%，表明該地區(qū)無區(qū)域性凝凍過程發(fā)生。

圖5 1961～2019年貴州省134次區(qū)域性凝凍過程各站發(fā)生頻率的空間分布（單位：%）

將單次區(qū)域性凝凍過程中發(fā)生雨凇日數(shù)最多的站點(diǎn)定義為該次區(qū)域性凝凍過程的中心站點(diǎn)，若某次過程中雨凇日數(shù)最多的站點(diǎn)有多個(gè)，則該次過程的中心站點(diǎn)為多個(gè)。圖6給出了1961～2019年貴州省134次區(qū)域性凝凍過程中各站作為中心站點(diǎn)的發(fā)生頻率。如圖所示，貴州省區(qū)域性凝凍過程中中心站點(diǎn)發(fā)生頻率的高值區(qū)同樣主要集中在中部一線，其中開陽（77.6%）、大方（72.4%）、威寧（60.4%）、萬山（48.4%）和丹寨（47%）作為中心站點(diǎn)的發(fā)生頻率在45%以上，而其余大部地區(qū)的發(fā)生頻率在10%以下，東北部和南部地區(qū)的發(fā)生頻率為0%?？梢?，近59 a貴州省區(qū)域性凝凍過程的頻發(fā)區(qū)和中心站點(diǎn)高頻區(qū)均主要集中在中部一線。

圖6 1961～2019年貴州省134次區(qū)域性凝凍過程各站作為中心站點(diǎn)的發(fā)生頻率分布（單位：%）

根據(jù)1961～2019年貴州省每次區(qū)域性凝凍過程中各站出現(xiàn)雨凇天數(shù)的分布特征對(duì)其進(jìn)行聚類分析，可分為中東部型、中部型、中西部型、西部型、全省型共5類。從各個(gè)類型的合成場(chǎng)（圖7）來看，近59 a中東部型（圖7a）發(fā)生15次，占比11.2%，區(qū)域性凝凍現(xiàn)象主要發(fā)生在以開陽-三穗-萬山為中心的中東部一帶；中部型（圖7b）發(fā)生14次，占比10.4%，凝凍現(xiàn)象主要發(fā)生在以開陽為中心的中部地區(qū)；中西部型（圖7c）發(fā)生43次，占比32.1%，凝凍現(xiàn)象主要發(fā)生在以開陽-大方-威寧為中心的中西部一帶；西部型（圖7d）發(fā)生18次，占比13.4%，凝凍現(xiàn)象主要發(fā)生在以威寧為中心的西部地區(qū)；全省型（圖7e）發(fā)生44次，占比 32.8%，凝凍現(xiàn)象主要發(fā)生在 25.5°～27.5°N，以威寧-大方-開陽-萬山為大值中心?？梢姡F州省區(qū)域性凝凍過程以中西部型和全省型為主。

圖7 貴州省不同類型區(qū)域性凝凍過程的雨凇日數(shù)空間分布（a.中東部型，b.中部型，c.中西部型，d.西部型，e.全省型，百分?jǐn)?shù)表示該類型占比）

為了檢驗(yàn)1961～2019年貴州省134次區(qū)域性凝凍過程中凝凍天數(shù)實(shí)況與不同類型合成場(chǎng)的相似程度，分別計(jì)算了各次過程中凝凍天數(shù)與其對(duì)應(yīng)類型合成場(chǎng)凝凍天數(shù)的相關(guān)系數(shù)（表1）。從表1可見，中東部型的15次區(qū)域性凝凍過程的相關(guān)系數(shù)為0.79～0.93，均通過0.001的信度檢驗(yàn)，平均為0.852，最佳相似過程是1969年2月16日開始的區(qū)域性過程；中部型的14次區(qū)域性凝凍過程的相關(guān)系數(shù)為0.71～0.94，均通過0.001的信度檢驗(yàn)，平均為0.826，最佳相似過程是1997年2月3日開始的區(qū)域性過程；中西部型的43次區(qū)域性凝凍過程的相關(guān)系數(shù)為0.75～0.93，均通過0.001的信度檢驗(yàn)，平均為0.851，最佳相似過程是2007年1月12日開始的區(qū)域性過程；西部型的18次區(qū)域性凝凍過程的相關(guān)系數(shù)為0.81～0.95，均通過0.001的信度檢驗(yàn)，平均為0.878，最佳相似過程是1972年12月19日開始的區(qū)域性過程；全省型的44次區(qū)域性凝凍過程的相關(guān)系數(shù)為0.66～0.94，均通過0.001的信度檢驗(yàn)，平均為0.870，最佳相似過程是1984年1月16日開始的區(qū)域性過程。綜上所述，各個(gè)類型區(qū)域性凝凍過程的凝凍天數(shù)實(shí)況與不同類型合成場(chǎng)均高度相關(guān)，由此可見分型結(jié)果較合理。

表1 1961～2019年貴州省134次區(qū)域性凝凍過程凝凍天數(shù)實(shí)況與不同類型合成場(chǎng)的相似程度

5 結(jié)論

本文利用1961～2019年貴州省84站逐日雨凇觀測(cè)資料，確定了貴州省區(qū)域性凝凍過程指標(biāo)，并根據(jù)新標(biāo)準(zhǔn)對(duì)貴州省區(qū)域性凝凍過程的時(shí)空特征進(jìn)行了分析，得出以下主要結(jié)論：

（1）1961～2019年貴州省區(qū)域性凝凍過程次數(shù)與累積天數(shù)均呈減少趨勢(shì)，其趨勢(shì)變化均呈現(xiàn) “偏多-偏少-偏多-偏少”的特征，二者均存在7～8 a與3～4 a的年際變化周期，且無明顯突變。區(qū)域性凝凍過程主要集中出現(xiàn)在12月下旬～2月下旬，影響持續(xù)天數(shù)介于3～33 d，過程影響站數(shù)主要集中在21～60站。

（2）1961～2019年貴州省區(qū)域性凝凍過程的頻發(fā)區(qū)及中心站點(diǎn)高頻區(qū)均主要集中在中部一線，東北部和南部地區(qū)的發(fā)生頻率較低。貴州省區(qū)域性凝凍過程可分為中東部型、中部型、中西部型、西部型和全省型共5類，其中以中西部型和全省型為主。