謝 莉 韓作強(qiáng)

（黃河水利委員會(huì)水文局信息中心，鄭州 450004）

黃河內(nèi)蒙古河段位于黃河流域最北端，河段全長843 km，受大陸性季風(fēng)氣候影響，冬季寒冷干燥，日平均氣溫在0 ℃以下的時(shí)間可持續(xù)4～5 個(gè)月[1]。氣溫的高低直接決定了河道的冰量和冰質(zhì)[2]，而冷空氣的強(qiáng)度及頻次是影響黃河內(nèi)蒙古河段流凌、封河發(fā)展的主要因子[3-5]。近年來對(duì)冷空氣的研究以寒潮為主，冷空氣的年際變化主要反映在寒潮和強(qiáng)冷空氣所代表的強(qiáng)降溫過程[6-7]。1990 年以后，黃河流域經(jīng)歷了明顯的暖冬氣候，黃河內(nèi)蒙古河段流凌、封河日期隨之推遲[8]。但不同地區(qū)和季節(jié)冷空氣的頻次、強(qiáng)度變化趨勢(shì)不完全相同，因此，開展內(nèi)蒙古河段冷空氣活動(dòng)規(guī)律的研究，對(duì)提高內(nèi)蒙古凌汛期天氣氣候的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)水平、及時(shí)有效發(fā)布降溫預(yù)報(bào)預(yù)警、黃河防凌減災(zāi)及安全度汛具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

11 月上中旬黃河內(nèi)蒙古河段氣溫驟降，11 月下旬至12 月上旬河段出現(xiàn)流凌、封河。冷空氣入侵的強(qiáng)度、頻次直接決定了流凌、封河出現(xiàn)的具體時(shí)間和位置。而在穩(wěn)封期，冷空氣活動(dòng)又是影響封凍長度、冰凌硬度、冰蓋厚度的關(guān)鍵因子。2011—2020 年，黃河內(nèi)蒙古河段首凌平均日期為11月25日，首封平均日期為12月6日，即通常所說的“小雪（節(jié)氣）流凌，大雪（節(jié)氣）封河”。其中首封地點(diǎn)有4 年出現(xiàn)在包頭水文站斷面，有4年出現(xiàn)在什四份子險(xiǎn)工附近，剩余2 年出現(xiàn)在三湖河口水文站斷面，各站點(diǎn)地理位置如圖1 所示?；诎^氣象站獨(dú)特的地理位置及其對(duì)黃河內(nèi)蒙古河段流凌、封河具有重要的預(yù)報(bào)指導(dǎo)意義，本文利用包頭氣象站1959—2020年凌汛期逐日平均氣溫、日最低氣溫?cái)?shù)據(jù)，分析了包頭氣象站凌汛期氣溫、不同強(qiáng)度冷空氣的趨勢(shì)變化，以及拉尼娜事件對(duì)黃河內(nèi)蒙古河段凌汛氣溫、冷空氣活動(dòng)的影響，旨在提高冷空氣活動(dòng)的預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)精度，以期為提升內(nèi)蒙古河段防凌防災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)管控能力提供技術(shù)支撐。

圖1 主要站點(diǎn)分布圖

1 資料與方法

數(shù)據(jù)來自包頭氣象站逐日氣溫觀測(cè)資料，統(tǒng)計(jì)時(shí)間長度為1959年11月1日至2021年3月31日。采用一元線性回歸、Mann-Kendall（M-K）檢驗(yàn)方法分析凌汛期（當(dāng)年11月至翌年3月）冷空氣變化趨勢(shì)和不同強(qiáng)度冷空氣的突變趨勢(shì)。采用拉尼娜事件于1959—2020 年的數(shù)據(jù)研究拉尼娜事件發(fā)展年（即拉尼娜事件開始至本年9月之前）、持續(xù)年（即前一年冬季至本年秋季已為一次拉尼娜事件，且持續(xù)發(fā)展至明年春季）、衰減年（即前一年冬季拉尼娜事件已達(dá)到峰值并持續(xù)到本年春季，同時(shí)本年秋冬季不是暖事件開始年）對(duì)黃河內(nèi)蒙古河段凌汛期氣溫及冷空氣影響。

2 冷空氣等級(jí)劃分

冷空氣等級(jí)劃分參考中國氣象局政策法規(guī)司編制的冷空氣等級(jí)（GB∕T 20484—2006）[9]，劃分標(biāo)準(zhǔn)見表1。按照標(biāo)準(zhǔn)采用日最低氣溫和日最低氣溫下降幅度2 個(gè)指標(biāo)來判定冷空氣類別及出現(xiàn)次數(shù)?？紤]到日最低氣溫不受太陽輻射影響，能較好地反映降溫的相對(duì)幅度[10]，對(duì)流凌、封河預(yù)報(bào)更具有實(shí)際的業(yè)務(wù)需求。結(jié)合黃河內(nèi)蒙古河段凌汛期氣溫業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)和冷空氣對(duì)氣溫強(qiáng)弱程度的影響，將冷空氣分為4 個(gè)等級(jí)：弱冷空氣、中等強(qiáng)度冷空氣、強(qiáng)冷空氣和寒潮（表2）。由于凌汛期氣溫是由冷空氣過程的強(qiáng)弱直接決定的，因此本文在討論不同等級(jí)冷空氣變化的同時(shí)分析了不同冷空氣與凌汛期氣溫的相關(guān)關(guān)系。

表1 不同等級(jí)冷空氣劃分標(biāo)準(zhǔn)

表2 不同等級(jí)冷空氣劃分

3 結(jié)果分析

3.1 凌汛期冷空氣頻次變化

黃河內(nèi)蒙古河段包頭站冷空氣頻次的年際變化如圖2 所示。1959—2020 年，凌汛期平均冷空氣頻次為36.5 次。其中1959—1983 年，凌汛期平均冷空氣頻次為36.1次，整體呈下降趨勢(shì)，降幅為2.5次∕10 a；1984—1995年，凌汛期平均冷空氣頻次為37.3次，較1959—1983年度偏多1.2次，整體也呈下降趨勢(shì)，降幅為3.2 次∕10 a；1996—2020 年，凌汛期平均冷空氣頻次為36.6 次，整體呈上升趨勢(shì)，增幅為2.2 次∕10 a。弱冷空氣頻次的年際變化與冷空氣總頻次變化基本一致，但階段性變化較冷空氣總頻次變化更為復(fù)雜。統(tǒng)計(jì)得出，1959—2020年，凌汛期平均弱冷空氣的頻次為21.6次，占冷空氣總頻次的59.1%。

圖2 凌汛期冷空氣頻次年際變化趨勢(shì)

3.2 不同等級(jí)冷空氣頻次突變檢驗(yàn)

M-K 檢驗(yàn)法是一種氣候診斷與預(yù)測(cè)技術(shù)。應(yīng)用M-K檢驗(yàn)法可以判斷氣候序列中是否存在氣候突變，如果存在，可以確定突變發(fā)生的時(shí)間[11]。黃河內(nèi)蒙古河段不同等級(jí)冷空氣頻次的M-K檢驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同等級(jí)冷空氣頻次的M-K統(tǒng)計(jì)量曲線

當(dāng)統(tǒng)計(jì)量UF 值>0 時(shí)，說明冷空氣頻次呈持續(xù)增長趨勢(shì)；UF 在0.05 顯著性水平線以上，為通過0.05 顯著性檢驗(yàn)。如果UF 和統(tǒng)計(jì)量UB 曲線的交點(diǎn)在置信水平區(qū)間[-1.96 1.96]內(nèi)，那么交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻便是突變開始的時(shí)間。弱冷空氣頻次在1964 年之前呈上升趨勢(shì)，之后呈下降趨勢(shì)，1984年下降趨勢(shì)明顯，之后略有回升，但整體呈下降趨勢(shì)，2010 年前后發(fā)生突變；中等強(qiáng)度冷空氣頻次在1959—2020 年呈下降趨勢(shì)，在1989—2018 年呈明顯下降趨勢(shì)；強(qiáng)冷空氣頻次在1963—1970 年呈上升趨勢(shì)，1964 年發(fā)生突變后至1966 年呈顯著上升趨勢(shì)，1971 年之后呈下降趨勢(shì)，2007 年后呈明顯下降趨勢(shì)；寒潮頻次在1976 年之前呈上升趨勢(shì)，之后呈不顯著下降趨勢(shì)。

3.3 不同等級(jí)冷空氣對(duì)凌汛期氣溫的影響

對(duì)包頭氣象站凌汛期氣溫與不同等級(jí)冷空氣頻次的相關(guān)性分析，結(jié)果表明包頭氣象站凌汛期氣溫與弱冷空氣的頻次變化呈顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.26，且通過α=0.05顯著性檢驗(yàn)，這一結(jié)果與之前的研究[3]基本一致，2000—2019年內(nèi)蒙古河段凌汛期平均氣溫呈現(xiàn)出西增東降態(tài)勢(shì)，包頭站凌汛期平均氣溫傾向率為-0.56℃∕10 a。包頭氣象站凌汛期氣溫與中等強(qiáng)度冷空氣、強(qiáng)冷空氣和寒潮頻次呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為-0.1、-0.15 和-0.04，其中凌汛期氣溫與寒潮頻次的相關(guān)性最差。結(jié)果表明，寒潮頻次本身偏少及帶來的階段性降溫對(duì)于凌汛期整體氣溫的影響并不顯著。強(qiáng)冷空氣頻次偏多，對(duì)于凌汛期整體氣溫的偏低起到重要作用。

3.4 拉尼娜事件對(duì)凌汛期氣溫的影響

在1951—2019 年的14 次拉尼娜事件中，雙峰型拉尼娜事件（拉尼娜事件第2年的下半年繼續(xù)發(fā)生拉尼娜事件）有5次；發(fā)展為厄爾尼諾事件有3次；維持中性狀態(tài)有6 次。通常而言，受拉尼娜事件影響的冬季，北半球極端冷事件發(fā)生頻率會(huì)增加，因此我國中東部大部地區(qū)，氣溫偏低的概率較高。拉尼娜事件不同年份對(duì)包頭站凌汛期氣溫的影響如圖4 所示。拉尼娜發(fā)展年，12 月上旬至翌年3 月下旬，凌汛期氣溫均較多年均值（1981—2020年）偏低；拉尼娜持續(xù)年，12月上旬至翌年2月下旬，凌汛期氣溫較多年均值偏低，3月略有波動(dòng)，整體以偏低為主；拉尼娜衰減年，11月上旬至翌年2月上旬，凌汛期氣溫較多年均值明顯偏低，3 月氣溫回升速度較拉尼娜發(fā)展年和持續(xù)年明顯加快。整體來看，拉尼娜發(fā)展年、持續(xù)年及衰減年，凌汛期氣溫整體較多年均值偏低。

圖4 拉尼娜事件不同年份對(duì)包頭站凌汛期氣溫的影響

3.5 拉尼娜事件對(duì)冷空氣強(qiáng)度的影響

表3 為拉尼娜不同年份不同等級(jí)冷空氣頻次距平百分比，多年均值采用1959—2020 年。

表3 拉尼娜不同年份不同等級(jí)冷空氣頻次距平百分比分析%

拉尼娜發(fā)展年，11—12月影響包頭氣象站冷空氣頻次較多年均值整體偏少，尤其是強(qiáng)冷空氣分別偏少44%和29%。1—2 月影響包頭氣象站強(qiáng)冷空氣及寒潮頻次較多年均值整體偏多，尤其是2 月份強(qiáng)冷空氣及寒潮的頻次較常年同期分別偏多16%和13%。由于拉尼娜發(fā)展年定義為9 月之前進(jìn)入拉尼娜狀態(tài)，凌汛期前期主要受夏季暖—中性海溫影響，氣溫較多年均值整體偏高，凌汛封河期1—2 月，受冷海溫影響，強(qiáng)冷空氣及寒潮頻次較多年均值偏多，導(dǎo)致凌汛封河期氣溫較多年均值偏低。

拉尼娜持續(xù)年，由于受前期冷海溫持續(xù)影響，11 月強(qiáng)冷空氣頻次明顯偏多，較多年均值偏多54%；12 月中等強(qiáng)度冷空氣頻次較常年同期偏多29%。1 月強(qiáng)冷空氣及寒潮頻次較多年均值分別偏多19%和82%，這對(duì)于封河長度的發(fā)展起到重要的作用。

拉尼娜衰減年，11 月中等強(qiáng)度及弱冷空氣頻次較多年均值偏多，強(qiáng)冷空氣及寒潮頻次分別較多年均值偏少33%和52%。12 月至翌年3 月，冷空氣總的頻次較多年均值偏少，導(dǎo)致凌汛期氣溫回升明顯，較常年同期偏高。

4 結(jié) 語

本文利用1959—2020 年內(nèi)蒙古河段包頭氣象站逐日平均氣溫和日最低溫，以及拉尼娜事件數(shù)據(jù)資料，分析了凌汛期包頭氣象站的冷空氣變化特征，主要結(jié)論如下。

（1）1959—2020年，影響內(nèi)蒙古河段冷空氣的多年平均頻次為36.1次，弱冷空氣頻次占冷空氣總頻次的59.1%，且弱冷空氣頻次與包頭氣象站凌汛期氣溫呈顯著正相關(guān)，而強(qiáng)冷空氣頻次與包頭站凌汛期氣溫呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

（2）拉尼娜不同年份，凌汛期氣溫整體以偏低為主。拉尼娜發(fā)展年，11—12月影響包頭氣象站冷空氣頻次較多年均值整體偏少，尤其是強(qiáng)冷空氣頻次分別偏少44%和29%。1—2 月影響包頭氣象站強(qiáng)冷空氣及寒潮頻次較多年均值整體偏多，尤其是2 月分別偏多16%和13%；拉尼娜持續(xù)年，1 月強(qiáng)冷空氣及寒潮頻次較多年均值分別偏多19%和82%；拉尼娜衰減年，11 月中等及弱冷空氣頻次較多年均值偏多，強(qiáng)冷空氣及寒潮頻次分別較多年均值偏少33%和52%。

（3）本文僅分析了包頭氣象站冷空氣頻次的變化，但冷空氣受中高緯度影響明顯，對(duì)于拉尼娜相似年只做了定性分析討論，具體預(yù)報(bào)還需結(jié)合中高緯度預(yù)測(cè)因子[3]。同時(shí)，根據(jù)分析，不同路徑冷空氣形成的降溫幅度差別很大，具體問題有待進(jìn)一步深入研究。