鄞州區(qū)積雪變化特征及其對農(nóng)業(yè)的影響因素分析

夏靜雯，蔡仕博，申子彬，陳曉海

(1.鄞州區(qū)氣象局，浙江 鄞州 315194； 2.寧海縣氣象局，浙江 寧海 315600)

積雪作為重要的淡水資源，是氣候系統(tǒng)的重要組成部分[1-2]，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響不容忽視。積雪的累積和消融改變地表與大氣之間的熱量、水分平衡，從而影響氣候變化；氣候異常引起的氣溫和降水變化又會對積雪產(chǎn)生反饋作用[3]。中國的積雪多分布于新疆北部、天山積雪區(qū)、青藏高原積雪區(qū)、內(nèi)蒙古和東北積雪區(qū)[4]，已有眾多學(xué)者對這些區(qū)域的積雪進(jìn)行研究[5-8]認(rèn)為，青藏高原積雪主要出現(xiàn)在上年10月至當(dāng)年5月，且高原冬春積雪在20世紀(jì)后40年呈現(xiàn)出平穩(wěn)增長的趨勢。北疆區(qū)域內(nèi)，對積雪日數(shù)、積雪深度等積雪變量的影響力大小依次為海拔>坡向>坡度>植被>緯度>經(jīng)度[9]。利用遼寧省52個氣象觀測站數(shù)據(jù)[10]研究發(fā)現(xiàn)，積雪初、終日期對溫度較降水敏感，且與平均地面溫度較平均氣溫更為密切。但以往研究多基于北方地區(qū)，由于積雪觀測資料的缺乏，目前關(guān)于南方積雪的研究還較有限。

鄞州區(qū)地處浙江省東部沿海，是典型的亞熱帶季風(fēng)氣候，積雪出現(xiàn)的頻次并不高，但給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來的災(zāi)害卻很嚴(yán)重。2008年1月中旬至2月上旬，鄞州區(qū)出現(xiàn)的積雪天氣造成農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)損失達(dá)6 800萬元?；诖?，研究鄞州區(qū)的積雪特征及對農(nóng)業(yè)的影響因素，對提高其預(yù)報準(zhǔn)確率、減少積雪災(zāi)害對農(nóng)業(yè)的損失非常重要。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 IGRA探空數(shù)據(jù)

本文所使用的全球常規(guī)無線電探空數(shù)據(jù)集(The Integrated Global Radiosonde Archive，簡稱IGRA)[11]是由美國國家氣候數(shù)據(jù)中心(National Climatic Data Center，簡稱NCDC)提供。提供了每日0000UTC(世界時，下同)和1200UTC這兩個時次的探測數(shù)據(jù)，包括各標(biāo)準(zhǔn)等壓面上的溫度、位勢高度、露點(diǎn)溫度、風(fēng)向和風(fēng)速等大氣參數(shù)。

浙江地區(qū)有3個IGRA探空測站，分別為杭州(站號58457，120.17°E，30.23°N)、洪家(站號58665，121.42°E，28.65°N)和衢州(站號58633，118.87°E，28.97°N)。

1.2 對流有效位能定義

不穩(wěn)定能量是發(fā)生強(qiáng)對流天氣需要具備的基本條件之一，用來描述不穩(wěn)定能量的物理量有很多，其中對流有效位能(Convective Avialable Potential Energy，簡稱CAPE)是一個能同時表征低層大氣特征和氣塊上升運(yùn)動過程中經(jīng)過的高層大氣特性的物理量，因此，被認(rèn)為能比較真實地描述探空資料所表示的大氣不穩(wěn)定度[12-13]。

1.3 積雪年

根據(jù)積雪的季節(jié)變化特征，將上年的9月1日至當(dāng)年的8月31日定義為一個積雪年，每個積雪年從秋季開始至夏季結(jié)束。下文中將積雪年簡稱為年。

1.4 積雪深度

根據(jù)地面氣象觀測規(guī)范，積雪深度是指從積雪表面到地面的垂直深度，以厘米(cm)為單位，取整數(shù)。當(dāng)氣象站四周視野地面被雪(包括霰、米雪、冰粒)覆蓋超過一半以上時，需要觀測積雪深度，平均雪深不足0.5 cm記為0。因此，當(dāng)雪深數(shù)據(jù)為痕量，計算時將其當(dāng)做0.5 cm。

2 結(jié)果與分析

2.1 積雪日數(shù)的變化特征

對鄞州國家基本氣象站的積雪日數(shù)進(jìn)行分析(圖1)可以看出，鄞州站的積雪具有明顯的季節(jié)性，主要集中在冬春兩季，從12月開始至次年3月結(jié)束，因此，稱為積雪期。其中，2月積雪最多，出現(xiàn)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有影響的積雪災(zāi)害的可能性最高，年均積雪1.53 d，占全年積雪日數(shù)的46.40%；1月次之，年均積雪1.19 d；3月積雪最少，年均積雪0.16 d，僅占全年積雪日數(shù)的0.47%，約為2月的1/10。

圖1 鄞州站積雪日數(shù)月際變化

對積雪日數(shù)的年際變化趨勢(圖2)分析可知，鄞州站年均積雪日數(shù)為3.3 d，總體呈現(xiàn)出下降的趨勢(趨勢傾向率為-0.5 d/10 a)，尤以1986年后下降趨勢更明顯。1986年以前，年均積雪日為4.47 d，其中1970和1977年的年均積雪日數(shù)達(dá)12和14 d；1987年之后，年均積雪日數(shù)為1.97 d，相比1953—1986年少2.5 d，其中10年無積雪。

圖2 鄞州站積雪日數(shù)年際變化

圖3 鄞州站積雪深度月際變化

2.2 積雪深度的變化特征

由圖3可知，冬季(12、1和2月)的積雪深度大于春季(3月)。2月的積雪日數(shù)最多，平均積雪深度也最大，達(dá)3.56 cm；1、12月的平均積雪深度分別為3.42和3.34 cm；3月積雪最少，積雪也最淺，僅為2.67 cm。

積雪深度無明顯年際變化(圖4)。就年際而言，鄞州站多年平均積雪深度為2.95 cm，最大積雪深度出現(xiàn)在1986年，為9.5 cm；而1954、1962、1966、1973和2016年的積雪深度最小，低于0.5 cm。1964、1977年的年積雪日數(shù)和年均積雪深度均較大，分別為9 d、7.13 cm和14 d、8.21 cm，說明這兩年相對多雪且積雪較厚，對農(nóng)業(yè)造成的不利影響也最為嚴(yán)重。

圖4 鄞州站積雪深度年際變化

2.3 積雪和降水、溫度的關(guān)系

本文還選取了積雪期內(nèi)的降水量、氣溫、地表溫度和下墊面溫度，并結(jié)合風(fēng)速綜合分析不同要素對積雪的影響。

由圖5可知，不論是氣溫、地面溫度或下墊面溫度，積雪期各氣溫變量均呈增加趨勢，這與積雪日數(shù)的長期變化趨勢相反。其中，氣溫和地面溫度每10 a升溫幅度分別達(dá)0.349和0.286 ℃，這種升溫趨勢從20世紀(jì)80年代開始更為顯著。值得注意的是，在溫度波動性上升過程中，存在幾個低溫時期，如1963、1968、1977、1984、2011年等，在低溫達(dá)到谷值的當(dāng)年或其后1～2年內(nèi)，積雪日數(shù)則會呈現(xiàn)峰值，這在一定程度上反映了溫度對于積雪的影響。而降水量在80年代中期以前表現(xiàn)為波動性，以后表現(xiàn)出增加趨勢(0.568 mm/10 a)。積雪期平均風(fēng)速呈明顯減小趨勢，這可能與觀測環(huán)境的變化和觀測儀器的變更有關(guān)。

圖5 積雪期內(nèi)年積雪日數(shù)和各氣象要素的年際變化

由積雪期內(nèi)積雪日數(shù)和各氣候因子之間的相關(guān)系數(shù)分析可知，積雪期內(nèi)積雪日數(shù)的變化與氣溫和地表溫度的變化有較好的負(fù)相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)達(dá)-0.565和-0.527，說明積雪日數(shù)與氣溫關(guān)系較為密切，這是由于氣溫在積雪維持方面較為重要，較低的氣溫有利于積雪的發(fā)育和保有，故對應(yīng)較高的積雪日數(shù)，反之較高的氣溫加快了積雪的融化，故對應(yīng)較低的積雪日數(shù)。降水量、風(fēng)速對積雪日數(shù)的影響(相關(guān)系數(shù)分別為-0.279和0.321)則沒有那么顯著。而草面、磚面、瀝青地面、水泥地面等下墊面溫度與積雪日數(shù)之間的相關(guān)性(相關(guān)系數(shù)分別為-0.098，-0.074，-0.207和-0.019)都不高，這可能由于下墊面溫度觀測在2008年以后才啟用，樣本數(shù)過少使得相關(guān)性的計算缺少代表性。

2.4 積雪前后氣象要素對比

為了深化對積雪的認(rèn)識，本文還給出了積雪前日及當(dāng)日氣象要素的概率密度分布圖。

由圖6可知，積雪前日平均氣溫為2 ℃，0 ℃左右的氣溫所占比例最高(20.8%)，有超過37%的積雪在前日氣溫高于1 ℃；積雪當(dāng)日，氣溫平均值為0.91 ℃，降幅達(dá)到1.09 ℃，0 ℃左右的氣溫所占比例更高(27%)，超過60%的積雪日氣溫維持在-1～1 ℃。同樣的，積雪當(dāng)日，地表溫度也會有所降低，由積雪前日的2.42 ℃降至1.45 ℃，降幅達(dá)0.97 ℃，其概率密度分布情況與平均氣溫類似。對于風(fēng)速而言，積雪前日最大風(fēng)速平均為3.39 m·s-1，其概率分布呈現(xiàn)出2個峰值，分別為2.5和3.0 m·s-1，所占比例15.5%～16.6%；積雪當(dāng)日風(fēng)速降至3.29 m·s-1，有超過50%的積雪風(fēng)速分布在2.5～4.0 m·s-1。

圖6 積雪前日和當(dāng)日各氣象要素的概率密度分布

由圖7可知，出現(xiàn)積雪時下墊面溫度都會降低。其中，瀝青路面溫度下降最多，由積雪前日的2.54 ℃降至0.74 ℃，降幅達(dá)1.8 ℃，其他3種下墊面溫度降幅約1.4～1.5 ℃。概率密度分布圖上也表現(xiàn)出類似特征，在積雪前日，下墊面溫度較為均勻地分布于0～4 ℃，當(dāng)積雪現(xiàn)象出現(xiàn)時，概率的高值區(qū)會集中于更低的溫度范圍。

圖7 積雪前日和當(dāng)日下墊面溫度的概率密度分布

表1詳細(xì)列出了積雪前日和積雪當(dāng)日各氣象要素的平均值，說明更低的溫度和較小的風(fēng)速是積雪積累的基礎(chǔ)條件，這樣的氣象條件下需謹(jǐn)防出現(xiàn)對農(nóng)業(yè)有影響的積雪災(zāi)害。

本文還利用浙江省內(nèi)3個探空站的探空數(shù)據(jù)，來分析積雪發(fā)生前后大氣垂直結(jié)構(gòu)。

由圖8可知，積雪前后溫度廓線差異主要出現(xiàn)在近地面及對流層上部，積雪當(dāng)日近地面平均溫度約-0.9 ℃，而前一日近地面平均溫度略高(約0.04 ℃)；700～150 hPa高度層內(nèi)積雪見后溫度廓線基本一致，平均溫度遞減率約6.4 ℃·km-1；150～70 hPa對流上部區(qū)域，積雪當(dāng)日的平均溫度更高，較前一日約高0.5～0.8 ℃，說明更低的近地面溫度和更高的對流層頂溫度有利于積雪的累積，更易造成農(nóng)業(yè)損失。

圖8 積雪前日和積雪當(dāng)日溫度、露點(diǎn)溫度及其對應(yīng)均方差的垂直分布

相比于溫度廓線，積雪前后的濕度差異更大。積雪前后的平均溫度露點(diǎn)差自地面至925 hPa，均低于4 ℃，且均方差小(4～5 ℃)，表明大氣低層水汽比較充足且穩(wěn)定；隨著高度升高，溫度露點(diǎn)差逐漸增大，在400～200 hPa高度層內(nèi)可達(dá)10～13 ℃，說明此時上部大氣較干燥；至200 hPa以上大氣又略變濕潤，溫度露點(diǎn)差降至9 ℃以下。與積雪當(dāng)日相比，積雪前一日的平均溫度露點(diǎn)差略低，特別是在850～300 hPa的對流層中上部，平均溫度露點(diǎn)差偏低1.5～3.2 ℃，說明在積雪前一日整層大氣都更加濕潤。積雪前一日CAPE平均值為9.19 J·kg-1，積雪當(dāng)日為10.81 J·kg-1，說明積雪當(dāng)日大氣層結(jié)的不穩(wěn)定能量更高。

3 小結(jié)與討論

根據(jù)地面氣象觀測資料和探空資料，對鄞州的積雪變化特征及其對農(nóng)業(yè)的影響因素分析表明，鄞州的積雪主要集中在冬春兩季，12月始至次年3月結(jié)束，其中2月的積雪最多，占全年積雪日數(shù)的46.4%；平均積雪深度也最大，達(dá)3.56 cm。年積雪日數(shù)3.3 d，總體呈下降趨勢，尤以1986年后下降趨勢較明顯；平均積雪深度為2.95 cm，最大積雪深度9.5 cm，出現(xiàn)在1986年，說明積雪對農(nóng)業(yè)的影響逐年減輕，但冬春兩季特別是2月更需做好農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的積雪防范工作。

積雪期內(nèi)積雪日數(shù)的變化與氣溫和地表溫度的變化有較好的負(fù)相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)達(dá)-0.565和-0.527，相比積雪前日，積雪當(dāng)日氣溫降幅達(dá)1.09 ℃，地表溫度降幅達(dá)0.97 ℃，說明積雪日數(shù)與氣溫和地表溫度的關(guān)系較為密切，這是由于溫度在積雪維持方面較重要，低溫有利于積雪的發(fā)生和保有，而降水量、風(fēng)速對積雪日數(shù)的影響較弱，且更低的近地面溫度、更高的對流層頂溫度、干燥的大氣層結(jié)和更高的不穩(wěn)定能量均有利于積雪的出現(xiàn)，此時需加固農(nóng)業(yè)設(shè)施大棚、做好設(shè)施喜溫作物保溫工作，減少積雪災(zāi)害對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響。