1952—2016年滁州地區(qū)冰凍積雪時空特征及影響因子分析

胡姍姍，熊 敏，熊世為，杜少棟

(滁州市氣象局，安徽 滁州 239000)

1952—2016年滁州地區(qū)冰凍積雪時空特征及影響因子分析

胡姍姍，熊 敏，熊世為，杜少棟

(滁州市氣象局，安徽 滁州 239000)

利用1952—2016年滁州地區(qū)7個國家基本站積雪、冰凍地面觀測資料，采用累積距平、相關分析、Mann-Kendall檢驗、小波分析等統(tǒng)計方法，分析了滁州地區(qū)積雪冰凍時空分布特征和長期變化特征。結果表明，1952—2016年滁州地區(qū)冰凍、積雪日數(shù)和積雪深度均呈現(xiàn)波動下降的趨勢，其中冰凍日數(shù)下降趨勢較為顯著，并在80年代末開始發(fā)生突變減少；積雪日數(shù)在90年代末期以前以增多趨勢為主，之后呈下降趨勢；冰凍日數(shù)呈緯向分布，在中東部呈舌狀分布；積雪日數(shù)呈西北多東南少分布，東部天長一帶積雪日數(shù)最少。日最低氣溫在-1 ℃左右、日最高氣溫在3～4 ℃、日平均風速在2 m·s-1以下、日平均相對濕度在75%左右時，最有利于冰凍的發(fā)生；日平均氣溫和日平均地表溫度在1 ℃左右、日平均相對濕度80%左右、日降水量6 mm以下時，有利于滁州積雪天氣產生。

積雪； 冰凍； 累積距平； 趨勢檢驗

冰凍積雪災害作為一種重要氣象災害，對我國社會經濟的影響越來越大，嚴重的冰凍災害對建筑業(yè)、電力、農業(yè)和交通運輸業(yè)等都會造成不同程度的影響。目前引起冰凍災害的成因已引起氣象學者的廣泛關注，并進行了大量的研究分析[1-12]。王遵婭[13]詳細分析了中國冰凍日數(shù)的氣候及變化特征，發(fā)現(xiàn)雨淞主要出現(xiàn)在中國南方地區(qū)，而霧淞主要出現(xiàn)在中國北方地區(qū)，并在20世紀90年代初發(fā)生突變減少。王穎等[14]對中國南方地區(qū)冰凍災害的時空分布特征進行分析，發(fā)現(xiàn)冰凍災害發(fā)生頻率和冰凍災害發(fā)生強度的空間分布均呈顯著緯度地帶性和垂直地帶性特征。溫華洋等[15]利用多元線性回歸和人工神經網(wǎng)絡兩種方法，建立了安徽省3個不同區(qū)域電線積冰標準冰厚的氣象估算模型。張卉慧等[16]對2008年雨雪冰凍災害期間在安徽潛山測得的降水粒子譜數(shù)據(jù)進行了分析。

滁州地處江淮分水嶺，屬亞熱帶季風氣候，各類極端天氣事件頻繁發(fā)生，冰凍災害也經常發(fā)生，其中2008年中國南方低溫雨雪冰凍災害對滁州造成嚴重的影響和重大損失，農作物受災面積達2 750 hm2，直接經濟損失超過5 270萬元。目前對于滁州地區(qū)冰凍災害的研究多集中于對冰凍暴雪天氣的過程總結及成因分析，針對滁州地區(qū)冰凍災害的氣候研究尚未開展，本文對1952—2016年滁州冰凍災害的時空分布特征及氣象影響因子進行深入和詳細的分析，以期為滁州地區(qū)積雪冰凍災害的評估和防災減災服務提供有益參考。

1 資料與方法

采用1952—2016年滁州地區(qū)7個氣象觀測站結冰、積雪天氣現(xiàn)象觀測資料，以觀測記錄中某日觀測到結冰或積雪記為一個冰凍日或積雪日，其中結冰資料采用1952—2016年的數(shù)據(jù)，積雪資料采用1954—2016年的數(shù)據(jù)。利用線性傾向估計、相關分析、累積距平、Mann-Kendall檢驗和小波分析等統(tǒng)計方法分析滁州地區(qū)積雪冰凍災害的時空分布特征、長期變化特征。

2 滁州積雪冰凍的分布特征

2.1 積雪冰凍的空間分布

1952—2016年滁州地區(qū)年平均冰凍日數(shù)為50～70 d。冰凍日數(shù)空間分布呈顯著的緯向性特征，由北向南呈現(xiàn)遞減趨勢，年平均冰凍日數(shù)最高值位于滁州北部鳳陽，達70 d，其次是來安、定遠和明光60～62 d，南部全椒最少，僅50 d。另外在垂直地帶性特征上，冰凍日數(shù)與各站海拔高度有關，在滁州中東部地區(qū)冰凍日數(shù)等值線呈舌狀分布(圖1)。

積雪日數(shù)較冰凍日數(shù)明顯偏少，1954—2016年滁州地區(qū)年平均積雪日數(shù)為6.8～9.6 d，總體呈西北多東南少的特點。積雪日數(shù)高值區(qū)位于北部定遠、鳳陽和明光，為8.9～9.6 d，其中定遠最高(9.6 d)，其次是滁州、來安、全椒7.6～8.6 d，東部天長最少，為6.8 d。滁州積雪日數(shù)的空間分布也具有明顯區(qū)域特征，自北向南逐漸減少。

圖1 1954—2016年滁州7站年平均冰凍日數(shù)空間分布和年平均積雪日數(shù)空間分布

2.2 積雪冰凍的時間分布

從1952—2016年滁州地區(qū)冰凍、積雪日數(shù)的月平均分布來看(圖2)，從10月至翌年4月均會出現(xiàn)冰凍天氣，主要集中在12月至翌年2月，冬季冰凍日數(shù)占全年的83%，其中1月冰凍天氣發(fā)生最多，占全年的31%，2月和12月次之，分別占全年的21%和24%。3—4月強冷空氣南下導致倒春寒天氣發(fā)生時以及10—11月冷空氣活動逐漸頻繁時也偶有冰凍天氣發(fā)生，共占全年的12%。而出現(xiàn)積雪的時段比冰凍更集中，滁州地區(qū)從11月至翌年3月都有可能出現(xiàn)積雪，其中12月和1月最多，共占全年的78%；其次是2、3月和11月，有降雪時積雪也偶有出現(xiàn)。

圖2 1954—2016年滁州月冰凍、積雪日數(shù)變化

3 滁州積雪冰凍災害的時間變化特征

3.1 年際變化

1952—2016年滁州年平均冰凍日數(shù)58 d，年冰凍日數(shù)達到70 d及以上的共5 a，1969年最多，達87 d；年冰凍日數(shù)在40 d及以下的有4 a，其中1953年最少，僅有32 d。年平均積雪日數(shù)9 d，積雪日數(shù)達到20 d以上的有6 a，1969年最多為32 d，有2 a未出現(xiàn)積雪，分別是1975年和2007年。1975年雖然結冰日數(shù)最多，但未出現(xiàn)積雪，而2007年結冰日數(shù)最少，也未出現(xiàn)過積雪，可見二者的相關性并不明顯。

從圖3可以看出，1952—2016年滁州站逐年冰凍、積雪日數(shù)變化曲線均呈現(xiàn)波動下降的趨勢，冰凍日數(shù)減少幅度為1.4 d·10 a-1，積雪日數(shù)減少幅度為1.0 d·10 a-1。其中1974—1982年冰凍日數(shù)年際變化平緩，1965—1973年和2002—2013年冰凍日數(shù)年際變化較大，2014年后變化相對平穩(wěn)。而積雪日數(shù)除2000—2006年以及2009年以來變化平穩(wěn)外，其余時段年際變化較大。

圖3 1952—2016年滁州站年平均冰凍、積雪日數(shù)變化

1954—2016年滁州積雪深度也呈現(xiàn)出減小趨勢(圖4)，其中1955—1958年、1983—1988年、2006—2013年年際變化較大。2008年積雪深度最大，為47 cm，其次是1955年的43 cm以及1954年的42 cm。

圖4 1954—2016年滁州逐年最大積雪深度變化

3.2 年代際變化

由圖5可以看出，滁州冰凍日數(shù)呈明顯階段性變化，各個年代均有所不同。90年代中期以前滁州冰凍日數(shù)呈增多趨勢，之后則出現(xiàn)減少趨勢，冰凍日數(shù)偏多和偏少的轉折點出現(xiàn)在90年代中期。90年代末期以前滁州積雪日數(shù)呈現(xiàn)出多雪、少雪交替，但總體以相對較多為主，之后相對較少?？梢娫?0年代末期以前冰凍日數(shù)和積雪日數(shù)均偏多，二者呈正相關；90年代中期到末期冰凍日數(shù)偏少而積雪日數(shù)偏多，呈負相關；90年代末期以后二者均偏少，呈正相關。

虛線為11 a滑動平均圖5 1954—2016年滁州冰凍日數(shù)累積距平曲線和積雪日數(shù)累積距平曲線

3.3 變化趨勢及顯著性檢驗

從長期趨勢看，滁州地區(qū)冰凍日數(shù)呈減少趨勢，傾向率為-3.2 d·10 a-1，通過α=0.01的顯著性檢驗。從空間分布來看(圖6)，傾向率最小值位于滁州東部和南部的天長、明光、來安、全椒等地，呈減少的趨勢；最大值位于定遠、鳳陽和滁州，也呈減少趨勢。全市冰凍傾向率在-2.1～-5.6 d·10 a-1，相關系數(shù)全部通過α=0.05的顯著性檢驗，其中滁州、來安、全椒、天長、明光通過α=0.01的顯著性檢驗。積雪日數(shù)也呈緩慢減少趨勢，傾向率為-0.5 d·10 a-1，傾向率最小值位于北部鳳陽和南部全椒，其次是滁州、明光，最大值位于來安、天長和定遠。全市積雪傾向率為-0.3～-0.7 d·10 a-1，相關系數(shù)均未通過顯著性檢驗，變化趨勢不顯著。

由圖7可以看出，冰凍從80年代末以來有明顯減少的趨勢。90年代中期以來至2010年這種減少趨勢超過α=0.05的顯著性水平，表明從80年代末開始滁州地區(qū)冰凍日數(shù)在減少，至90年代中期以來減少十分顯著，這與前面分析結論一致，2010年后又有增長趨勢，2013年起趨于平穩(wěn)。積雪日數(shù)雖然UF統(tǒng)計量和UB統(tǒng)計量有多處相交，但均未通過α=0.05的顯著性檢驗，說明滁州地區(qū)積雪日數(shù)沒有發(fā)生明顯突變。

3.4 周期分析

對1954—2016年滁州地區(qū)冰凍日數(shù)時間序列采用小波變換法進行分析，由圖8可以看出，滁州地區(qū)冰凍日數(shù)存在明顯的年和年代變化，1990年后年變化的周期為2～3 a，表現(xiàn)較穩(wěn)定，準16 a的周期信號近50 a來幾乎一直存在。積雪日數(shù)也存在3 a左右的年際變化周期，最強信號在20世紀60年代末到90年代初，周期信號準15 a的年代際周期信號在20世紀80年代后更加顯著。

4 出現(xiàn)積雪冰凍的氣象因子分析

4.1 冰凍產生的氣象條件

氣溫、相對濕度和風速等是產生冰凍災害的重要氣象條件，對冰凍天氣的預測具有參考意義[17]。滁州地區(qū)10月至翌年4月均會出現(xiàn)冰凍天氣，統(tǒng)計分析該時段的冰凍日數(shù)與氣象要素的相關關系可知，冰凍日數(shù)與最高氣溫和最低氣溫、平均風速均存在顯著的負相關關系，與相對濕度呈正相關，均通過了α=0.01的顯著性檢驗，其中冰凍日數(shù)與最低氣溫相關系數(shù)最高，為-0.51。

圖6 1954—2016年滁州冰凍趨勢和積雪趨勢

圖7 1954—2016年冰凍日數(shù)和積雪日數(shù)Mann-Kendall統(tǒng)計曲線

通過統(tǒng)計冰凍天氣發(fā)生時的氣象要素頻率百分比分布，來確定滁州地區(qū)出現(xiàn)冰凍天氣的有利氣象條件?？梢钥闯?，冰凍發(fā)生時，日最低氣溫主要集中在-5～1 ℃，日最高氣溫主要集中在1～5 ℃，最易引起冰凍發(fā)生的最低氣溫為-1 ℃左右，有19%以上的樣本發(fā)生冰凍災害，2 ℃以上發(fā)生冰凍災害的概率較小，日最高氣溫3～4 ℃易引起冰凍；冰凍發(fā)生時，風速較小，平均風速基本在5 m·s-1以下，最易引起發(fā)生冰凍災害的平均風速為2～3 m·s-1，可見靜小風有利于冰凍天氣產生；冰凍發(fā)生時，相對濕度較大，主要集中在50%～80%，出現(xiàn)最多是在75%左右，當相對濕度小于40%時發(fā)生冰凍災害概率較小(圖9)。

圖8 1964—2016年滁州地區(qū)冰凍日數(shù)序列小波分析和積雪日數(shù)序列小波分析

4.2 積雪產生的氣象條件

影響積雪的氣象因子較多，除了氣溫、相對濕度外，還有降水量、地表氣溫等。研究發(fā)現(xiàn)，濕而冷的冬季最有利于積雪的形成，在暖濕和冷干兩種情況下，積雪變化由降雪量和氣溫兩者影響的大小來決定[18-20]。由圖10可以看出，積雪災害發(fā)生時，日平均氣溫主要集中在-3～3 ℃，其中1 ℃左右產生積雪的概率最高；相對濕度主要集中在70%～90%，約占80%，低于50%則未出現(xiàn)積雪，可見濕度較大是積雪產生的必要條件；平均地表溫度主要集中在-2～2 ℃，日降水量主要集中在0～6 mm，約占75%左右。

圖9 1954—2016年滁州冰凍日的氣溫、風速和相對濕度的頻率分布

圖10 近60 a滁州積雪日的溫度、相對濕度、地表溫度和日降水量的頻率分布

4 小結

1952—2016年滁州地區(qū)冰凍積雪日數(shù)空間分布的區(qū)域性特征較明顯，冰凍日數(shù)整體呈由北向南遞減的趨勢，冰凍日數(shù)的高值中心位于北部鳳陽，低值中心位于南部全椒。冰凍日數(shù)與各站海拔高度有關，在滁州中北部地區(qū)冰凍日數(shù)呈舌狀分布；積雪日數(shù)呈西北多東南少分布，高值區(qū)位于東北地區(qū)的定遠，低值區(qū)位于東部天長。近60 a來滁州地區(qū)冰凍災害主要發(fā)生在12月至翌年2月，占全年總冰凍數(shù)的83%，其中1月發(fā)生最多，在周期特征上，冰凍日數(shù)存在準10 a的周期信號，2～3 a的年際周期變化在1990年后顯著；積雪主要發(fā)生在11月至翌年3月，其中12月和1月出現(xiàn)最多，也存在3 a左右和準15 a的周期信號。

1952—2016年滁州地區(qū)冰凍積雪日數(shù)均呈現(xiàn)波動下降的趨勢，減少幅度分別為2.20 a和0.5 d·10 a-1，其中冰凍日數(shù)在80年代末突然減少，尤其是90年代中期以來滁州冰凍日數(shù)顯著減少，冰凍日數(shù)減少趨勢明顯的地區(qū)在東部天長；積雪日數(shù)在90年代末期以前以增加趨勢為主，之后是相對減少，減少趨勢明顯的地區(qū)為北部鳳陽。滁州地區(qū)冰凍日數(shù)與最低氣溫和最高氣溫關系最密切，呈顯著負相關。當日最低氣溫在-1 ℃左右，日最高氣溫3～4 ℃，日平均風速≤2 m·s-1，日平均相對濕度為75%左右時，最有利于冰凍災害的發(fā)生；當日平均氣溫和日平均地表溫度在1 ℃左右，日平均相對濕度在80%，日降水量≤6 mm時，最有利于滁州積雪天氣產生。冰凍積雪的形成一定程度上受局地小氣候的影響較大。本文對冰凍天氣的分析是利用滁州地區(qū)國家氣象觀測站資料進行的，且為人工觀測，鄉(xiāng)鎮(zhèn)區(qū)域站因缺少觀測站資料，因此對滁州地區(qū)的冰凍積雪的分布更全面和精細化的分析，還有待今后進一步深入的研究。

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2017-09-30

安徽省氣象科技發(fā)展基金(KM201404)

胡姍姍(1983—)，女，安徽滁州人，工程師，從事天氣預報及相關研究工作，E-mail：husshanshan@126.com。

文獻著錄格式：胡姍姍，熊敏，熊世為，等. 1952—2016年滁州地區(qū)冰凍積雪時空特征及影響因子分析[J].浙江農業(yè)科學，2017，58(12)：2129-2134.

10.16178/j.issn.0528-9017.20171215

P426.616

A

0528-9017(2017)12-2129-06

張 韻)