任曼琳，李忠燕，2，王博卿，譚婭姮，王爍

（1.貴州省氣候中心，貴州 貴陽 550002；2.貴州省山地氣候與資源重點實驗室，貴州 貴陽 550002；3.貴州省氣象信息中心，貴州 貴陽 550002）

引言

凝凍是我國冬季常見的氣象災害，其發(fā)生對農林業(yè)、交通運輸、電力輸送和通訊設施有很大影響。2008年1月，我國南方發(fā)生了歷史罕見的低溫雨雪冰凍災害事件，此次過程持續(xù)時長達33 d，對貴州省造成直接經濟損失348億元人民幣（丁一匯等，2008；陶詩言和衛(wèi)捷，2008；李崇銀等，2008）。2011年1月我國南方再次遭受低溫雨雪冰凍天氣襲擊，凝凍災害造成160余萬人受災（杜小玲等，2014）。這兩次歷史少見凝凍事件的突出特征是強度大、持續(xù)時間長、影響范圍廣（Hu et al.， 2014；宗海鋒等，2022），對民生及經濟發(fā)展均造成較大影響。目前，已有大量研究從海溫場、逆溫層及云物理機制等分析造成凝凍過程發(fā)生的背景，并對各項因子的影響程度進行了討論。研究發(fā)現(xiàn)海溫異常是凝凍災害發(fā)生的氣候背景，其導致歐亞地區(qū)持續(xù)性大氣環(huán)流異常是災害發(fā)生的主要原因（陶詩言和衛(wèi)捷，2008；李崇銀等，2008；曾明劍等，2008；高輝等，2008；顧雷等，2008；施寧等，2008；孫建華和趙思雄，2008；李麗麗等，2013；白慧等，2016；彭京備和孫淑清，2017；徐瑋平等，2022；許金萍等，2022；宗海鋒等，2022）；而暖濕氣流旺盛、逆溫層及強冷空氣影響使地面溫度降至0 ℃附近是凝凍形成的大氣環(huán)境背景與主要條件（朱乾根，2007；賴鑫等，2011），且與逆溫層有密切關系（何玉龍等，2007；趙思雄和孫建華，2008；楊貴名等，2008；杜小玲等，2010；宗志平等，2013；張峻和王海軍，2013；劉暢和楊成芳，2017；徐娟娟等，2020）。同時，穩(wěn)定、少動的準靜止鋒（或切變線）也是凝凍天氣的重要影響系統(tǒng)，位于鋒面西段的逆溫層和暖層有利于凝凍的形成（孫建華和趙思雄，2008；楊貴名等，2008；唐延婧和宋丹，2008）。

由于特殊氣候特點及地理位置，貴州為凝凍災害頻發(fā)區(qū)，凝凍發(fā)生數(shù)量占全國總數(shù)的84%（朱乾根，2007；杜小玲等，2010；歐建軍等，2011）。此外因山地、河谷及喀斯特等特殊地貌較多，隨著人類社會的經濟發(fā)展及國家戰(zhàn)略建設需求，公路、橋梁鐵塔等重要基礎設施在貴州山區(qū)所占比例逐年上升，其帶來的經濟發(fā)展及人員流動也隨之升高，因此貴州在低溫凝凍過程中更容易發(fā)生因雪凝而導致的次生災害，可見做好對貴州省冬季凝凍過程的分析預報工作尤為重要。2021/2022年冬季，在中等強度的La Ni?a事件背景下，貴州省氣溫偏低、降水偏多，但凝凍日數(shù)總體偏少，呈前期偏弱后期偏強的階段性分布特征。本文利用多種資料分別從高度場、風場、水汽條件、溫度場等方面，針對貴州地區(qū)的氣候特點深入分析2021/2022年冬季貴州凝凍階段性特征成因，掌握冬季凝凍過程的發(fā)生特征，對提高凝凍天氣預報質量具有重大意義。

1 資料與方法

凝凍主要包括雨淞和霧淞。霧淞非冰非雪，其形成條件比較特殊，是由于霧中無數(shù)0 ℃以下尚未凝華的水蒸氣隨風在樹枝等物體上不斷積聚凍粘的結果；雨凇是超冷卻降水碰到溫度等于或低于0 ℃的物體表面時所形成玻璃狀的透明或無光澤的表面粗糙的冰覆蓋層，也叫冰凌、樹凝。霧凇和雨凇的區(qū)別是雨凇有降水，為透明狀，而霧淞無降水，為白色冰晶結構。1961—2021年貴州省霧淞、雨凇分別出現(xiàn)1 224、32 402站次，可見霧淞占比較少。在歷史觀測資料中，當記錄為雨凇日時，代表凝凍天氣真實發(fā)生，溫度和降水均達到要求，此時參考影響范圍的大小，持續(xù)時間的長短，即可很好的定義一次凝凍事件的強弱（張超等，2022）。因此，本文以貴州省雨凇觀測資料作為凝凍數(shù)據(jù)來源。

規(guī)定某日監(jiān)測區(qū)域內有8站及以上出現(xiàn)凝凍則為一個區(qū)域性凝凍日，若監(jiān)測區(qū)域內連續(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)域性凝凍過程結束（任曼琳等，2022）。

所用資料有：（1）貴州省氣候中心整編的貴州省84個國家氣象站逐日平均氣溫、降水、雨凇觀測資料；（2）美國環(huán)境預報中心和國家大氣研究中心（National Centers for Environmental Prediction/National Center for Atmospheric Research， NCEP/NCAR）的FNL（Final Operational Global Analysis）再分析資料，對應時段內每日4時次的溫度場、風場、比濕場及位勢高度場，水平分辨率為1°×1°；（3）美國國家海洋大氣管理局（National Oceanic and Atmospheric Administration， NOAA）的逐月海溫數(shù)據(jù)，水平分辨率為0.25°×0.25°；（4）Ni?o3.4指數(shù)采用國家氣候中心發(fā)布的監(jiān)測數(shù)據(jù)（即5°N—5°S，120°W—170°W區(qū)域平均的海表溫度距平序列）；（5）南方濤動指數(shù)（Southern Oscillation Index， SOI）采用美國國家海洋大氣管理局氣候預測中心發(fā)布的數(shù)據(jù)（即塔希提站與達爾文站月平均海平面氣壓差序列的標準化值）。本文研究時段為2021年12月至2022年2月，氣候態(tài)均指1991—2020年多年平均，2021/2022年冬季是指2021年12月至2022年2月。

文中附圖涉及地圖的行政邊界基于國家測繪地理信息局標準地圖服務網站下載的審圖號為GS（2017）3320號的標準地圖制作，底圖無修改。

2 結果分析

2.1 2021/2022年冬季貴州省凝凍特征

2021/2022年冬季，貴州省平均氣溫5.7 ℃，較常年同期（6.6 ℃）偏低0.9 ℃。從平均氣溫距平空間分布［圖1（a）］可以看出，全省大部地區(qū)氣溫較常年同期偏低0.5 ℃以上，其中貴州省東北部、西部以及南部等地氣溫偏低1.0～2.0 ℃，盤州市偏低2.7 ℃。2021/2022年冬季，貴州省平均降水量142.5 mm，較常年同期（84 mm）偏多69.6%，為1961年以來歷史同期最多。從降水量距平百分率空間分布［圖1（b）］可以看出，降水量空間分布不均，呈北少南多分布趨勢，除桐梓、道真、開陽3站降水量偏少外，其余大部地區(qū)降水量偏多2成以上，其中貴州省中部以南、西部部分地區(qū)降水量偏多1倍以上。

圖1 2021/2022年冬季貴州省平均氣溫距平（a，單位：℃）和降水距平百分率（b，單位：%）Fig.1 Mean air temperature anomaly （a， Unit： ℃） and percentage of precipitation anomaly （b， Unit： %） in Guizhou Province in winter of 2021/2022

2021/2022年冬季，貴州省平均氣溫起伏大，階段性變化特征明顯，呈現(xiàn)前冬異常偏暖，后冬異常偏冷。從貴州省平均氣溫的逐日演變（圖2）可以看出，2021年12月1日至12月25日，貴州省總體偏暖，偏暖時段累計25.0 d，最高日平均氣溫距平達6.2 ℃；2021年12月26日以后全省迅速轉冷，累積偏冷日數(shù)達53.0 d，最低日平均氣溫距平達-8.5 ℃。

圖2 2021/2022冬季貴州省日平均氣溫及其距平逐日變化（單位：℃）Fig.2 Daily mean temperature and its anomaly in Guizhou Province in winter of 2021/2022 （Unit： ℃）

在2021/2022年冬季氣候濕冷的背景下，貴州省平均發(fā)生凝凍4.9 d，較常年同期（5.3 d）偏少0.4 d。全省共計55站出現(xiàn)凝凍，凝凍日數(shù)大值區(qū)主要集中出現(xiàn)在貴州省中部一線地區(qū)［圖3（a）］，具有中部多、南北少的分布特點，其中最大凝凍日數(shù)為威寧的29.0 d。從凝凍日數(shù)距平空間分布［圖3（b）］來看，除貴州省中部一線32站凝凍日數(shù)略偏多外，其余大部地區(qū)偏少，其中畢節(jié)市大部、遵義市西部偏少4.0 d以上，畢節(jié)站偏少11.0 d。

圖3 2021/2022年冬季貴州省凝凍日數(shù)（a）及其距平（b）空間分布（單位：d）Fig.3 Spatial distribution of freezing days （a） and its anomaly （b） in Guizhou Province in winter of 2021/2022 （Unit： d）

從貴州省凝凍站次的逐日演變（圖4）可以看出，2021/2022年冬季凝凍的階段性特征明顯，呈前期偏少后期偏多，2021/2022年冬季共有3次區(qū)域性凝凍過程。2021年12月1—25日，貴州省總體偏暖、凝凍偏輕，12月17—19日僅4站次出現(xiàn)凝凍。12月26日開始，受冷空氣過程影響，貴州省出現(xiàn)第一次區(qū)域性凝凍過程（表1），該次過程持續(xù)4 d，于12月29日結束，共影響45站，其中12月27日影響站數(shù)最多，共計32站發(fā)生凝凍。12月30日之后，無明顯冷過程影響，溫度起伏變化不大，截至2022年1月24日，貴州無區(qū)域性凝凍過程發(fā)生。1月21日開始，受冷空氣過程影響，平均氣溫出現(xiàn)負距平（圖2），1月25日開始有1站次凝凍出現(xiàn)，至1月31日連續(xù)3 d有8站以上凝凍過程發(fā)生，達到區(qū)域性凝凍過程標準，該次過程持續(xù)5 d，于2月4日結束，共影響35站。2月14—17日，受短暫升溫過程影響，貴州無凝凍過程發(fā)生。2月17開始，受冷空氣過程影響，平均氣溫出現(xiàn)負距平，至2月19日連續(xù)3 d有8站以上凝凍過程出現(xiàn)，達到區(qū)域性凝凍過程標準，該次過程持續(xù)5 d，于2月23日結束，共影響38站。

表1 2021/2022年冬季貴州省區(qū)域性凝凍過程統(tǒng)計Tab.1 Statistical of regional freezing process in Guizhou Province in winter of 2021/2022

圖4 2021/2022年冬季貴州省凝凍站次逐日變化Fig.4 Daily Changes of freezing stations in Guizhou Province in winter of 2021/2022

2021/2022年冬季貴州省氣溫偏低、降水偏多，而全省平均發(fā)生凝凍4.9 d，較常年同期偏少0.4 d，凝凍總體較常年偏輕，共有3次區(qū)域性凝凍過程發(fā)生。氣溫和凝凍均呈現(xiàn)前輕后重的階段性演變。

2.2 2021/2022年冬季貴州省凝凍階段性特征成因分析

ENSO（El Ni?o-Southern Oscillation）是熱帶海氣系統(tǒng)的重要信號，其海溫異常將通過海氣相互作用影響大氣環(huán)流，研究表明強La Ni?a事件會導致西伯利亞高壓和冬季風偏強，中高緯度地區(qū)維持經向環(huán)流為主，使冷空氣活動頻繁（趙振國，1989；陶詩言和張慶云，1998；Chen et al.， 2000；Wang et al.，2000；舒建川等，2021； Zheng et al.， 2022）。據(jù)統(tǒng)計1981年以來共出現(xiàn)17次La Ni?a事件，在這17次La Ni?a年的冬季，貴州省平均氣溫距平低于0 ℃的年份達12 a，表明赤道中東太平洋海溫偏低為貴州省冬季氣溫偏低提供了有利的海溫背景條件。

從Ni?o3.4指數(shù)逐月演變（圖5）可以看出，2021年10月起，Ni?o3.4指數(shù)3個月滑動平均值小于-0.50 ℃，且持續(xù)超過5個月，根據(jù)厄爾尼諾/拉尼娜事件判別標準（國家氣候中心和中國氣象科學研究院，2017），判定此次為一起中等強度的La Ni?a事件。此次事件于2022年3月達到峰值，峰值強度為-1.17 ℃，截至2022年6月已持續(xù)9個月，強度雖有所減弱但仍在持續(xù)，且2020年8月至2021年3月中東太平洋也發(fā)生了一次中等強度的La Ni?a事件。從Ni?o3.4指數(shù)與SOI逐月演變來看，2020年7月起Ni?o3.4負指數(shù)對應SOI正指數(shù)，表明熱帶大氣與赤道地區(qū)海溫異常高度耦合，熱帶大氣對海溫異常的響應明顯。從2021/2022年冬季赤道太平洋海表溫度距平場空間分布（圖6）可以看出，日界線以東赤道以南的中東太平洋地區(qū)為負海溫距平，負距平中心位于120°W—90°W的赤道地區(qū)，中心強度低于-1.50 ℃。

圖5 2019年1月至2022年6月Ni?o3.4指數(shù)和南方濤動指數(shù)（SOI）逐月演變Fig.5 Monthly evolution of the Ni?o3.4 index and the Southern Oscillation Index （SOI） from January 2019 to June 2022

圖6 2021/2022年冬季赤道太平洋海表溫度距平場空間分布（單位：℃）Fig.6 The spatial distribution of sea surface temperature anomaly field of Equatorial Pacific in winter of 2021/2022 （Unit： ℃）

研究表明，在中低緯度地區(qū)，南支鋒區(qū)的活躍程度可用500 hPa位勢高度的降低和副熱帶西風急流增強來判斷，同時位勢高度降低則表明受冷空氣影響，以564 dagpm為特征線的位勢高度一旦進入30°N以南，表明南方受強冷空氣的影響越顯著（杜小玲等，2014）。本文副熱帶西南急流的建立以500 hPa高度場風速大于等于28 m·s-1表示。從2021/2022年冬季500 hPa平均位勢高度和大于等于28 m·s-1的風速逐日演變［圖7（a）］可以看出，500 hPa平均位勢高度階段性特征明顯，前期平均位勢高度偏高，后期偏低，2021年12月1—19日以564 dagpm為特征線的位勢高度雖有南北擺動，但穩(wěn)定維持在30°N以北，2022年1月20日之后，南壓明顯，截至2月22日維持在28°N附近，2月23日開始明顯向北擺動。副熱帶西風急流也呈前期偏弱后期偏強的階段性變化特征，其中2月9—12日、16—20日風速大于36 m·s-1。因此南支鋒區(qū)4個活躍期，分別出現(xiàn)在2021年12月15—18日、12月26—28日、1月9—14日、1月21日—2月22日。

圖7 2021/2022年冬季500 hPa平均位勢高度（黑色線條，單位：dagpm）、風速大于等于28 m·s-1區(qū)域（填色區(qū)，單位：m·s-1）（a）及850 hPa平均風矢量（箭頭，單位：m·s-1）、偏南（北）風風速（填色區(qū)，單位：m·s-1）及0 ℃等溫線（黑線）（b）沿103°E—110°E平均的緯度-時間剖面Fig.7 Latitude-time profile of 500 hPa mean geopotential height （black lines， Unit： dagpm） and wind speed greater than or equal to 28 m·s-1 （shaded area， Unit： m·s-1） （a） and 850 hPa mean wind vector （arrow， Unit： m·s-1）， south （north） wind speed（shaded area， Unit： m·s-1） and 0 ℃ line （black line） （b） averaged along 103°E-110°E in the winter of 2021/2022

在高層南支鋒區(qū)建立的有利背景下，低層風場對凝凍天氣影響顯著。由2021/2022年冬季850 hPa平均風矢量、偏南（北）風風速及0 ℃等溫線的緯度-時間剖面［圖7（b）］可以看出，2021年12月26日前后、2022年1月26日至2月19日存在明顯的低層切變線，切變線南側為暖濕偏南氣流，北側為干冷偏北氣流。從偏南氣流的強度來看，前期偏弱后期偏強的階段性特征明顯，尤其在2022年1月20日之后。而偏北氣流在2021年12月16—18日、12月26日前后、2022年1月26日至2月11日、2月18—24日4個階段明顯偏強。伴隨偏北氣流增加，冷空氣勢力增強，導致0 ℃等溫線明顯南壓，其中2月18—24日偏北氣流最為強盛，導致0 ℃等溫線南壓至25°N。1月26日之后，切變線穩(wěn)定維持、偏北氣流強盛使0 ℃等溫線南壓明顯、偏南氣流與偏北氣流勢力相當，使得對流層低層長時間維持水汽輻合，導致該階段溫度持續(xù)偏低，出現(xiàn)持續(xù)凝凍天氣過程。

由于南支鋒區(qū)上偏南氣流加強，對應貴州地區(qū)區(qū)域平均水汽通量和南風水汽通量［圖8（a）］也呈前期偏弱后期偏強的階段性特征，且南支鋒區(qū)活躍期與貴州省凝凍出現(xiàn)時間（圖4）吻合，尤其在偏南氣流增強期間，偏南風的水汽通量中心與凝凍過程有很好地吻合。其中1月21日至2月22日南支鋒區(qū)異常活躍，持續(xù)時間長，對應貴州省持續(xù)凝凍天氣，導致該階段溫度持續(xù)偏低。因此高層南支鋒區(qū)的建立、維持與貴州省凝凍天氣密切相關，2021/2022年冬季南支鋒區(qū)前期偏弱后期偏強為貴州省凝凍階段性特征提供了有利的背景。

圖8 2021/2022年冬季貴州地區(qū)（103°E—110°E，24°N—29°N）區(qū)域平均水汽通量（填色區(qū)）和南風水汽通量（黑色虛線）（單位：g·cm-1·hPa-1·s-1）（a）及水汽通量散度的高度-時間剖面（單位：10-8g·cm-2·hPa-1·s-1）（b）Fig.8 The height-time profile of regional mean water vapor flux （color filled areas） and south-wind water vapor fluxes（black dashed line） （Unit： g·cm-1·hPa-1·s-1） （a） and the divergence of water vapor flux （Unit： 10-8g·cm-2·hPa-1·s-1）（b） over Guizhou （103°E-110°E， 24°N-29°N） in the winter of 2021/2022

另外，由于2021/2022年冬季850 hPa貴州范圍內偏南氣流呈前期偏弱后期偏強的分布，導致低層水汽輻合也呈現(xiàn)前期偏弱后期偏強分布［圖8（b）］。2022年1月19—28日、2月5—12日、2月14—19日對流層低層出現(xiàn)較強的水汽輻合中心，中心強度達-20.09×10-8g·cm-2·hPa-1·s-1，主要出現(xiàn)在850 hPa附近，而在其上空700 hPa附近對應有較強的輻散中心，在垂直方向上自下而上形成低層輻合中層輻散的結構，且對流層低層出現(xiàn)較強的水汽輻合中心時段與貴州出現(xiàn)持續(xù)凝凍過程時段吻合。因此，2022年1月19日之后，偏南氣流持續(xù)增強，對流層低層水汽輻合也迅速增強，并維持低層輻合中層輻散的不穩(wěn)定層結和上升運動，觸發(fā)長時間的低溫雨雪天氣，導致2021/2022年冬季貴州凝凍呈現(xiàn)前期偏弱后期偏強分布。

從2021/2022年冬季貴州地區(qū)（103°E—110°E，24°N—29°N）區(qū)域平均溫度的高度-時間剖面（圖9）可以看出，2022年12月25—28日、2022年1月29日至2月5日、2月19—23日高層冷勢力明顯，導致0 ℃等溫線出現(xiàn)在850 hPa等壓線以下，降溫明顯，且該時段與貴州凝凍最強時段吻合。2021/2022年冬季前期暖層較為深厚，0 ℃等溫線可延伸至600 hPa，而冷空氣勢力前期偏弱后期偏強，導致貴州省冬季溫度距平和凝凍的階段性分布特征明顯。研究表明，低層為冷層，而暖濕空氣沿冷墊爬升，形成深厚而穩(wěn)定的逆溫層是雨雪冰凍過程的直接原因（丁一匯等，2008；楊貴名等，2008；孫建華和趙思雄，2008；Kwon et al.， 2016；閻琦等，2019；張桂蓮等，2022）。而從圖9可以看出整個冬季未見逆溫層存在，由于沒有深厚而穩(wěn)定的逆溫層，雖然2021/2022年冬季貴州省出現(xiàn)3次區(qū)域性凝凍過程，但強度均偏輕。

圖9 2021/2022年冬季貴州地區(qū)（103°E—110°E， 24°N—29°N）區(qū)域平均溫度的高度-時間剖面（單位：℃，黑線為0 ℃等溫線）Fig.9 Height-time profile of regional average temperature over Guizhou （103°E-110°E， 24°N-29°N） in the winter of 2021/2022 （Unit： ℃， the black line is 0 ℃ isotherm）

綜合來看，2021/2022年冬季赤道中東太平洋海溫偏低為貴州省冬季氣溫偏低提供了有利的海溫背景條件，而高層南支鋒區(qū)總體呈前期偏弱后期偏強的階段性分布特征，為貴州省凝凍階段性特征提供了有利的大尺度環(huán)流背景。2022年1月26日之后，對流層低層切變線穩(wěn)定維持、偏北氣流異常強盛使0 ℃等溫線南壓明顯，同時隨著偏南氣流持續(xù)增強，對流層低層水汽輻合也迅速增強，并維持低層輻合中層輻散的不穩(wěn)定層結和上升運動，為貴州省冬季后期凝凍階段性偏強提供了有利的水汽條件。溫度場上，前期暖層較為深厚，后期冷空氣勢力強勁，為貴州省凝凍前期偏弱后期偏強的階段性特征提供了有利的溫度條件。

3 結論

2021/2022年冬季赤道中東太平洋海溫偏低，導致貴州省氣溫偏低、降水偏多，而凝凍日數(shù)偏少，呈前期偏弱后期偏強的階段性分布特征。本文分別從高度場、風場、水汽條件、溫度場等方面對凝凍階段性特征的成因進行分析，得到以下結論：

（1）2021/2022年冬季，高層南支鋒區(qū)有4個活躍期，分別出現(xiàn)在2021年12月15—18日、12月26—28日、1月9—14日、1月21日至2月22日，總體前期偏弱后期偏強，由于南支鋒區(qū)上偏南氣流加強對應貴州地區(qū)區(qū)域平均水汽通量也呈前期偏弱后期偏強形勢，為貴州省凝凍階段性特征提供了有利的大尺度環(huán)流背景。

（2）2022年1月26日之后，對流層低層切變線穩(wěn)定維持、偏北氣流異常強盛使0 ℃等溫線南壓明顯，同時偏南氣流與偏北氣流勢力相當，偏南氣流持續(xù)增強，對流層低層水汽輻合也迅速增強，并維持低層輻合中層輻散的不穩(wěn)定層結和上升運動，觸發(fā)長時間低溫雨雪天，為貴州省凝凍階段性特征提供了有利的水汽條件。

（3）溫度垂直剖面場上，2022年12月25—28日、2022年1月29日至2月5日、2月19—23日高層冷勢力明顯，0 ℃等溫線位置異常偏低，該時段與貴州凝凍最強時段吻合。前期暖層較為深厚，冷空氣勢力呈前期偏弱后期偏強的階段性分布特征，為貴州省凝凍階段性特征提供了有利的溫度條件。但由于2021/2022年冬季沒有深厚而穩(wěn)定的逆溫層，導致3次區(qū)域性凝凍過程強度均偏弱。