李恩莉

(寶雞市氣象局，陜西 寶雞 721006)

1 引言

隨著全球氣候變暖的加劇，極端天氣氣候事件出現(xiàn)的頻率和強(qiáng)度不斷加大，2021年鄭州特大暴雨、2022年全國極端高溫干旱等都與氣候變暖有著一定的關(guān)系，受此影響，我國農(nóng)業(yè)氣候資源與農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害也呈現(xiàn)出劇烈的變化，倒春寒作為農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害的一種，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中受到高度關(guān)注，很多學(xué)者對倒春寒的時(shí)空分布特征、氣象指標(biāo)建立以及災(zāi)害影響等方面進(jìn)行了研究。李勇等從氣候突變等方面對貴州省倒春寒災(zāi)害的時(shí)空分布特征進(jìn)行了研究，指出貴州無倒春寒發(fā)生的頻率最大，其次是重級以上倒春寒。李德萍等對青島地區(qū)的倒春寒時(shí)空特征進(jìn)行了研究，并得出青島倒春寒氣象指標(biāo)，為提高作為防御能力提供了有力參考。徐巖巖等采用集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的方法分析了河南省倒春寒時(shí)空特征。趙剛等采用主成分分析法構(gòu)建了江蘇省的倒春寒評估模型，并對江蘇省多年發(fā)生的倒春寒過程進(jìn)行了評估，馬德栗等同樣利用主成分分析法構(gòu)建了倒春寒評估模型，對湖北省倒春寒過程進(jìn)行了評估。楊文剛等利用平均氣溫距平和持續(xù)時(shí)間建立了倒春寒氣象指標(biāo)和等級劃分標(biāo)準(zhǔn)。高操等分析了山東省不同強(qiáng)度倒春寒的時(shí)空變化特征，并指出山東省倒春寒發(fā)生強(qiáng)度與環(huán)流指數(shù)有相關(guān)性。楊莉等在分析貴陽市倒春寒發(fā)生規(guī)律的基礎(chǔ)上，概括出了典型重度倒春寒和無倒春寒年的環(huán)流模型，并給出倒春寒的防御措施。倒春寒作為低溫凍害的一種，也是對寶雞春季農(nóng)業(yè)生產(chǎn)危害最嚴(yán)重的氣象災(zāi)害之一。3～4月份正值寶雞小麥返青拔節(jié)、果樹開花坐果以及烤煙、花椒等經(jīng)濟(jì)作物生長關(guān)鍵期，若受到倒春寒天氣的影響，會造成農(nóng)作物莖葉組織凍傷，果樹花果脫落，從而造成嚴(yán)重影響。因此，分析研究寶雞倒春寒天氣的發(fā)生規(guī)律及其預(yù)報(bào)指標(biāo)，對寶雞農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)有重要的意義。

2 研究區(qū)域與方法

2.1 資料與方法

選取寶雞11個(gè)縣區(qū)氣象站1974～2019年3～4月份逐日最高、最低和平均氣溫資料，NCEP/NCAR再分析資料,分辨率為2.5°×2.5°，利用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法分析寶雞倒春寒多時(shí)間尺度變化規(guī)律，利用克里金插值法分析倒春寒空間分布特征；采用天氣學(xué)方法分析中度以上倒春寒天氣的環(huán)流形勢，得出寶雞中度以上倒春寒天氣預(yù)報(bào)指標(biāo)。

2.2 倒春寒標(biāo)準(zhǔn)

按照倒春寒氣象指標(biāo)(GB/T34816-2017)，結(jié)合寶雞本地氣候特點(diǎn)，制定出寶雞市倒春寒標(biāo)準(zhǔn)(表1):3月1日至4月30日，日平均氣溫或最低氣溫24 h降幅首次達(dá)到3 ℃或以上的日期為倒春寒開始日期，日平均氣溫穩(wěn)定回升到當(dāng)日所在滑動候的平均氣溫氣候標(biāo)準(zhǔn)值的日期為倒春寒的結(jié)束日期，根據(jù)降溫幅度和持續(xù)時(shí)間又將倒春寒分為4個(gè)等級(表1)，其中，ΔT24、ΔT48分別為某站24 h、48 h氣溫降幅，δT為該站氣溫距平，L為倒春寒持續(xù)時(shí)間。

表1 寶雞市倒春寒等級標(biāo)準(zhǔn)

2.3 各強(qiáng)度“倒春寒”發(fā)生的頻率(Fi)

Fi=ns/N×100%。

(1)

式(1)中:s表示“倒春寒”等級；N為某站氣象資料的年數(shù)；ns為發(fā)生相應(yīng)等級“倒春寒”的總時(shí)間。

3 寶雞市倒春寒時(shí)空分布特征

3.1 寶雞市倒春寒發(fā)生次數(shù)的空間分布特征

1974～2019年寶雞市不同等級倒春寒發(fā)生次數(shù)見表2，可以看出，各縣區(qū)不同等級倒春寒出現(xiàn)的占比不同，倒春寒發(fā)生總次數(shù)太白最多179次，扶風(fēng)最少150次；輕度倒春寒發(fā)生次數(shù)岐山最多149次，最少仍為扶風(fēng)128次；中度倒春寒發(fā)生次數(shù)隴縣最多27次，鳳翔最少13次；重度倒春寒各縣區(qū)出現(xiàn)次數(shù)為1～3次，其中太白未出現(xiàn)重度倒春寒；嚴(yán)重倒春寒各縣區(qū)出現(xiàn)次數(shù)為1～6次，值得注意的是，除眉縣的重度倒春寒次數(shù)多于嚴(yán)重倒春寒外，其余縣區(qū)均為嚴(yán)重倒春寒次數(shù)多于重度倒春寒。從各個(gè)等級倒春寒過程發(fā)生次數(shù)占比來看，輕度倒春寒發(fā)生次數(shù)最多，全市平均占比85.6%，中度倒春寒發(fā)生次數(shù)為次多，平均占比為11.5%，嚴(yán)重倒春寒平均占比為1.8%，發(fā)生次數(shù)最少為重度倒春寒，平均占比僅為0.8%。

表2 1974～2019年研究區(qū)倒春寒發(fā)生次數(shù) 次

采用克里金插值法對寶雞市倒春寒總次數(shù)的空間分布進(jìn)行分析(圖1)，從圖中可以看出，倒春寒發(fā)生總次數(shù)呈南北山區(qū)多，川塬縣區(qū)少的特征，其中南部縣區(qū)多于北部縣區(qū)，全市范圍太白最多179次，另外一個(gè)高值中心位于麟游169次；全市最少的縣區(qū)為扶風(fēng)150次，次少為渭濱152次。

圖1 1974～2019年研究區(qū)倒春寒總次數(shù)空間分布

圖2為寶雞不同等級倒春寒出現(xiàn)次數(shù)的空間分布，由圖可見，輕度倒春寒呈東西少、南北多的特征，高值中心位于太白和岐山(149次和148次)，扶風(fēng)出現(xiàn)最少128次，另一低值中心出現(xiàn)在渭濱132次。中度倒春寒呈南北山區(qū)多川塬區(qū)少的的特征，高值中心位于隴縣27次，低值中心在鳳翔和扶風(fēng),分別為13次和14次。重度倒春寒呈東多西少的特征，出現(xiàn)次數(shù)較其他等級為最少，最多為岐山3次，鳳縣則未出現(xiàn)過重度倒春寒。嚴(yán)重倒春寒呈南多東少的特征，高值中心位于太白和鳳翔，出現(xiàn)次數(shù)分別為6次和5次，岐山眉縣一帶出現(xiàn)最少，僅出現(xiàn)過1次。

圖2 1974～2019年研究區(qū)不同等級倒春寒出現(xiàn)次數(shù)空間分布

3.2 成因分析

分析寶雞不同等級倒春寒空間分布特征可知，太白、麟游、岐山、鳳翔是倒春寒高發(fā)區(qū)，川道縣區(qū)出現(xiàn)次數(shù)最少。分析原因，主要與寶雞的地形相關(guān)。寶雞境內(nèi)南、西、北三面山，中部低平，東部敞開，以渭河為中軸，呈尖角開口槽形。南部山區(qū)和北部塬區(qū)海拔較高，晴空時(shí)溫度更容易下降，中部渭河川道海拔較低，地勢平坦，輻射降溫較海拔高的地帶弱一些。

3.3 寶雞倒春寒時(shí)間變化特征

3.3.1 年代際變化

寶雞全市平均倒春寒發(fā)生次數(shù)呈明顯的年代際變化(圖3)，總次數(shù)20世紀(jì)80年代最多424站次，20世紀(jì)70年代最少269站次；輕度倒春寒20世紀(jì)80年代最多384站次，20世紀(jì)70年代最少236站次；中度倒春寒21世紀(jì)00年代最多72站次，20世紀(jì)70年代最少21站次；重度倒春寒21世紀(jì)00年代最多6站次，20世紀(jì)90年代則沒有出現(xiàn)；嚴(yán)重倒春寒21世紀(jì)00年代最多22站次，20世紀(jì)70年代最少1站次。由此可見輕度倒春寒發(fā)生次數(shù)的年代際變化特征與總次數(shù)相同，這與輕度倒春寒次數(shù)占比最多密切相關(guān)。

圖3 1974～2019年研究區(qū)不同等級倒春寒發(fā)生次數(shù)年代際變化

3.3.2 年際變化

寶雞倒春寒發(fā)生總次數(shù)呈現(xiàn)逐年下降的趨勢(圖4)，下降速率為2.6站次/10a，2019年總次數(shù)最少10站次，1980年最多59站次；與總次數(shù)相同，輕度倒春寒發(fā)生次數(shù)以3.5站次/10a的速度下降；中度到嚴(yán)重倒春寒均呈逐年上升趨勢，中度倒春寒上升速度最大0.7站次/10年，重度和嚴(yán)重倒春寒上升速度均為0.2站次/10a。由此可見，寶雞市倒春寒天氣在減少，但強(qiáng)度較強(qiáng)的倒春寒過程在增多，表明隨著全球氣候變暖的加劇，災(zāi)害性天氣的強(qiáng)度在加強(qiáng)，極端天氣的頻數(shù)呈增長趨勢。

圖4 1974～2019年研究區(qū)不同等級倒春寒出現(xiàn)次數(shù)年際變化

3.3.3 月變化

圖5為1974～2019年寶雞全市平均不同等級倒春寒出現(xiàn)次數(shù)的月際變化，由圖5可見，各個(gè)等級倒春寒出現(xiàn)次數(shù)均為4月份多于3月份，寶雞全市平均總次數(shù)4月份為91次，占比53%，3月為79次，占比47%；輕度倒春寒4月份77次，3月份65次；中度4月份11次，3月份6次；3月份未出現(xiàn)過重度以上等級的倒春寒天氣；4月份全市平均出現(xiàn)重度倒春寒1次，嚴(yán)重倒春寒2次。4月份天氣逐漸回暖，氣溫回升，此時(shí)遇到冷空氣影響，降溫更為明顯。

圖5 1974～2019年研究區(qū)平均不同等級倒春寒3～4月份變化

3.3.4 旬變化

1974～2019年寶雞全市平均不同等級倒春寒旬變化見圖6，總次數(shù)4月中旬最多33次，占比20%，3月上旬最少18次，占比11%；輕度倒春寒特征與總次數(shù)相同，最多為4月中旬28次，最少為3月上旬16次；中度倒春寒4月中旬和下旬均為4次，3月中旬最少，僅1次；重度倒春寒僅在4月下旬出現(xiàn)過1次，4月上旬和中旬分別出現(xiàn)過1次嚴(yán)重倒春寒天氣，由此可見，3月上旬倒春寒天氣出現(xiàn)次數(shù)最少，且未出現(xiàn)過中度以上等級的倒春寒天氣。

圖6 1974～2019年研究區(qū)平均不同等級倒春寒發(fā)生次數(shù)逐旬變化

3.3.5 倒春寒發(fā)生頻率

表3為寶雞市不同等級倒春寒天氣的發(fā)生頻率，可以看出輕度倒春寒出現(xiàn)頻率最高，各縣區(qū)均在95%以上，其中鳳翔、千陽、太白、鳳縣出現(xiàn)頻率達(dá)100%，說明這四縣區(qū)每年都會出現(xiàn)輕度倒春寒天氣。出現(xiàn)頻率次高的為中度倒春寒天氣(28.3%～45.7%)，其中鳳縣、太白出現(xiàn)頻率最高(45.7%和41.3%)，鳳翔出現(xiàn)頻率最小(23.9%)。值得注意的是，全市范圍內(nèi)嚴(yán)重倒春寒天氣的出現(xiàn)頻率高于重度倒春寒，其中鳳翔出現(xiàn)重度倒春寒天氣的頻率最多8.7%，鳳縣未出現(xiàn)過重度倒春寒天氣；嚴(yán)重倒春寒天氣的出現(xiàn)頻率太白最多13%，其次為鳳翔10.9%，眉縣和岐山則最少2.2%。此特征為寶雞做好倒春寒天氣的預(yù)報(bào)和農(nóng)事服務(wù)提供參考依據(jù)。

表3 研究區(qū)各等級倒春寒的出現(xiàn)頻率 %

3.4 倒春寒初終日特征分析

3.4.1 倒春寒初終日時(shí)間變化特征分析

倒春寒初日指某氣象站每年首次達(dá)到倒春寒標(biāo)準(zhǔn)的開始日期，倒春寒終日指某氣象站每年最后一次倒春寒天氣末日的終止日期。這里以3月1日記為1，以此類推，4月1日記為32, 4月30日記為61，建立倒春寒初終日期序列，選取陳倉代表川道，鳳翔代表塬區(qū)，隴縣代表北部山區(qū)，太白代表南部山區(qū)，對寶雞倒春寒初終日時(shí)空變化特征進(jìn)行分析。

寶雞倒春寒初日逐年變化見圖7a，1974～2019年倒春寒過程川道平均初日為3月12日，最早日期為3月2日，最晚為4月25日，近46年初日呈逐年推遲的趨勢，速率為1.3d/10a。塬區(qū)平均初日為3月14日，最早日期為3月1日，最晚為4月18日，近46年初日以2.4d/10a的速度推遲，北部山區(qū)平均初日為3月10日，最早日期為3月1日，最晚為4月5日，近46年初日呈現(xiàn)緩慢提前趨勢，速度為0.2d/10a。南部山區(qū)平均初日為3月10日，最早日期為3月1日，最晚為3月31日，近46年初日無明顯變化。

分析寶雞全市倒春寒終日逐年變化(圖7b)可知，1974～2019年川道倒春寒平均終日為4月20日，最早日期為3月31日，最晚為4月27日，近46年終日呈逐年提前的趨勢，速率為0.3 d/10a；塬區(qū)平均終日為4月19日，最早日期為3月19日，最晚為4月28日，近46年終日以0.5 d/10a的速度提前；北部山區(qū)平均終日為4月18日，最早日期為3月19日，最晚為4月28日，近46年終日以1.1 d/10a的速度提前。南部山區(qū)平均終日為4月20日，最早日期為3月21日，最晚為4月28日，近46年終日呈現(xiàn)推遲趨勢，推遲速率為1.3 d/10a。

圖7 1974～2019年研究區(qū)倒春寒初日、終日逐年變化

3.4.2 倒春寒初終日空間變化特征分析

對寶雞各縣區(qū)倒春寒初終日氣候傾向率空間分布(圖8)進(jìn)行分析，可見，各縣區(qū)倒春寒初日均為推遲趨勢(圖8a)，全市初日呈現(xiàn)東北-西南向推遲速度快、西北-東南向推遲速度慢的特征，其中麟游和鳳縣推遲最為明顯，推遲速度最為緩慢的地區(qū)為西北部隴縣一帶和東南部扶風(fēng)眉縣一帶。而終日氣候傾向率(圖8b)除太白一帶為正外，其余縣區(qū)均為負(fù)，且自南向北逐漸減小，即除太白倒春寒終日呈推遲趨勢外，其余縣區(qū)均為提前，推遲速率最高的縣區(qū)為岐山1.6d/10a。由此可見，總體而言，寶雞倒春寒呈現(xiàn)初日推遲而終日提前的特征，這與全球氣候變暖有著密切的關(guān)系。

圖8 1974～2019年研究區(qū)倒春寒平初日、終日氣候傾向率空間分布

4 環(huán)流形勢分析

根據(jù)寶雞災(zāi)害性天氣日常慣例，定義全市4個(gè)及以上縣區(qū)出現(xiàn)災(zāi)害性天氣，則本次過程為一次區(qū)域性過程，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，1974～2019年寶雞出現(xiàn)區(qū)域性中度倒春寒天氣過程19次，重度倒春寒過程1次，嚴(yán)重倒春寒過程3次。利用NCEP/NCAR 2.5°×2.5°高度場、溫度場及海平面氣壓場等再分析資料，對區(qū)域性中度以上倒春寒天氣過程中的環(huán)流形勢進(jìn)行分析。

4.1 地面形勢分析

對中度以上倒春寒天氣過程發(fā)生前48 h的地面形勢進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，地面冷高壓主體位于50°N以北、90～100°E之間，寶雞地區(qū)受暖低壓控制，持續(xù)增溫，倒春寒發(fā)生前寶雞平均氣溫較常年同期異常偏高，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，偏高2 ℃以上達(dá)12次，偏高4 ℃以上達(dá)6次，前期增暖為倒春寒的發(fā)生提供了有利的背景條件。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，倒春寒發(fā)生時(shí)，影響寶雞的冷空氣移動路徑主要有4條(圖9)，分別是西北路、北路、西路和東路。其中重度以上倒春寒發(fā)生時(shí)，冷空氣路徑以北路為主，其次為西北路，地面冷高壓中心均在1040 hPa 以上，鋒區(qū)走向呈東北-西南向，鋒區(qū)強(qiáng)度達(dá)25 hPa/10緯距。中度倒春寒發(fā)生時(shí)，冷空氣路徑則以西北路為最多(11次)，其次為東路(4次)，北路冷空氣影響3次，西路冷空氣影響僅1次。冷高壓中心為1030～1040 hPa，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，西北路冷空氣影響時(shí)冷高壓強(qiáng)度大于東路冷空氣，鋒區(qū)走向以西北-東南向?yàn)橹鳎浯螢槟媳毕蚝蜄|西向，鋒區(qū)強(qiáng)度則明顯小于重度倒春寒。

圖9 不同路徑冷空氣影響的地面氣壓場

4.2 高空形勢分析

對中度以上倒春寒過程發(fā)生時(shí)的高空環(huán)流形勢進(jìn)行分析可知，500 hPa高度場上以2種環(huán)流形勢為主，一種是“兩槽一脊”型(圖10a)，即中高緯度地區(qū)高度場呈兩槽一脊形勢，巴爾喀什湖以東至貝湖地區(qū)為長波脊，烏拉爾山和貝湖以東分別為低槽區(qū)，冷空氣在貝湖東側(cè)堆積，寶雞受高壓脊前西北氣流控制，此種形勢降溫強(qiáng)度最大，但不伴有降水。另一種形勢是“一槽一脊”型(圖10b)，中高緯度上烏拉爾山以東為長波脊，歐亞地區(qū)為寬廣的槽區(qū)，冷空氣在巴爾喀什湖一帶堆積，寶雞市上空氣流平直或多短波槽活動，此種倒春寒天氣一般伴有降水出現(xiàn)。

圖10 中度以上倒春寒天氣500hPa高度場(實(shí)線)和溫度場(虛線)

4.3 倒春寒天氣預(yù)報(bào)指標(biāo)

對1974～2019年寶雞中度以上倒春寒天氣過程的天氣形勢進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)分析，得出寶雞市倒春寒天氣預(yù)報(bào)指標(biāo)(表4)，為寶雞農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)提供參考。鋒區(qū)強(qiáng)度和等溫線數(shù)量指30～40°N、100～110°E的范圍內(nèi)。

由表4可見，中度倒春寒天氣發(fā)生時(shí)，500 hPa冷中心溫度為-44～-32 ℃，鋒區(qū)強(qiáng)度為15～20 hPa/10緯距；700 hPa冷中心溫度為-28～-16 ℃，等溫線數(shù)量為4～6條，850 hPa冷中心溫度低于-16～-8 ℃，等溫線數(shù)量為3～5條。重度以上倒春寒天氣發(fā)生時(shí)，500 hPa冷中心溫度低于-36 ℃，鋒區(qū)強(qiáng)度大于25 hPa/10緯距，700 hPa冷中心溫度低于-20 ℃，等溫線數(shù)量為5～6條，850 hPa冷中心溫度低于-16～-12 ℃，等溫線數(shù)量為6條。

表4 寶雞市中度以上倒春寒天氣預(yù)報(bào)指標(biāo)

5 結(jié)論

(1)受地形影響，寶雞市倒春寒過程總體呈南北山區(qū)多中部川道少的特征，其中太白和麟游、岐山、鳳翔一帶為高發(fā)區(qū)，川道縣區(qū)為低發(fā)區(qū)。

(2)寶雞不同等級倒春寒過程呈現(xiàn)多時(shí)間尺度變化的特征，總次數(shù)和輕度倒春寒為20世紀(jì)80年代最多，20世紀(jì)70年代最少；中度以上倒春寒出現(xiàn)最多的年代均為21世紀(jì)00年代，20世紀(jì)90年代則沒有出現(xiàn)過重度倒春寒。輕度倒春寒呈逐年下降趨勢，中度以上倒春寒則呈逐年上升趨勢；各個(gè)等級倒春寒過程4月份多于3月份；逐旬變化來看，3月上旬倒春寒天氣出現(xiàn)次數(shù)最少，且未出現(xiàn)過中度以上等級的倒春寒天氣，重度倒春寒僅在4月下旬出現(xiàn)過1次，4月上旬和中旬分別出現(xiàn)過1次嚴(yán)重倒春寒天氣。另外，倒春寒天氣呈現(xiàn)初日推遲終日提前的趨勢，這與氣候變暖有著密切的關(guān)系。

(3)影響寶雞中度以上倒春寒天氣的冷空氣路徑由多到少依次是西北路、東路、北路和西路，500 hPa高度場上中高緯度以“兩槽一脊”或“一槽一脊”形勢為主，其中前者降溫幅度較大，一般無降水出現(xiàn)，后者影響下一般伴有降水出現(xiàn)。另外，前期回暖也是寶雞倒春寒過程強(qiáng)度加大的原因之一。

(4)利用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法和天氣學(xué)原理，從高低空冷空氣的強(qiáng)度、鋒區(qū)強(qiáng)度、地面冷空氣路徑等方面著手，建立了寶雞中度以上等級倒春寒天氣預(yù)報(bào)指標(biāo)，為寶雞倒春寒天氣預(yù)報(bào)及農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)提供科學(xué)支撐。