貴州省單站凝凍過程的指標(biāo)訂正及特征分析

李忠燕，張東海，嚴(yán)小冬，任曼琳， 段 瑩，周 濤

(1.貴州省氣候中心，貴陽(yáng) 550002；2貴州省山地氣候與資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴陽(yáng) 550002；3 貴州省生態(tài)氣象和衛(wèi)星遙感中心，貴陽(yáng) 550002)

引言

凝凍，俗稱桐油凝，是指當(dāng)環(huán)境氣溫低于0℃時(shí)，過冷雨滴、霧滴在近地面物體表面凝附凍結(jié)而形成覆冰層的現(xiàn)象，其形成過程中一定有液態(tài)水向固態(tài)冰的轉(zhuǎn)化，包括雨凇、霧凇、雪凇、雨霧及雨雪混合凍結(jié)覆冰等，其中以雨凇最為重要。貴州是我國(guó)凝凍災(zāi)害最重、發(fā)生頻率最為頻繁的省份，約占全國(guó)總數(shù)的84%[1]。持續(xù)的凝凍災(zāi)害對(duì)電力、通訊、交通、農(nóng)林畜牧業(yè)均都有重大不利影響，其中2007年和2010年冬季影響最為嚴(yán)重[2-6]。貴州省多凝凍過程的發(fā)生與其特殊的地理位置、地形地貌以及氣候條件等有關(guān)[7-8]，冬季冷暖空氣易交匯在西南地區(qū)形成靜止鋒并長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定，導(dǎo)致氣溫不斷下降，形成低溫陰雨天氣過程，當(dāng)平均氣溫低于0℃時(shí)易造成凝凍災(zāi)害的發(fā)生。學(xué)者們從中高緯度和副熱帶環(huán)流異常、靜止鋒、逆溫層等角度對(duì)貴州凝凍形成的天氣形勢(shì)和垂直結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了不同的分析[9-11]，從海溫異常、環(huán)流異常等角度對(duì)貴州凝凍形成的氣候背景進(jìn)行了分析[12-17]。

在實(shí)際業(yè)務(wù)中，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)冰凍天氣等級(jí)(GB43/T 34297-2017)、地方標(biāo)準(zhǔn)貴州省凝凍災(zāi)害等級(jí)(DB52/T 652-2010)以及《貴州短期氣候預(yù)測(cè)技術(shù)》中均對(duì)冬季單站凝凍過程進(jìn)行定義。三個(gè)指標(biāo)結(jié)合不同氣象要素或天氣現(xiàn)象對(duì)單站凝凍過程進(jìn)行了定義，其中《貴州短期氣候預(yù)測(cè)技術(shù)》是結(jié)合三種氣象要素以及天氣現(xiàn)象對(duì)凝凍過程進(jìn)行了定義，由于該指標(biāo)是結(jié)合了氣溫、降水等氣象要素，可用于預(yù)測(cè)模型中預(yù)測(cè)指標(biāo)的搭建，而地方標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)則是根據(jù)天氣現(xiàn)象進(jìn)行定義，較為客觀?！顿F州短期氣候預(yù)測(cè)技術(shù)》和地方標(biāo)準(zhǔn)均對(duì)凝凍過程的初始條件進(jìn)行定義，規(guī)定雨凇現(xiàn)象持續(xù)天數(shù)≥3天才算一次過程凝凍過程，同時(shí)兩個(gè)定義中均對(duì)結(jié)束日進(jìn)行了定義，定義中規(guī)定連續(xù)兩天監(jiān)測(cè)指標(biāo)中斷則標(biāo)志著過程結(jié)束，但國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中未對(duì)初始條件和結(jié)束日進(jìn)行明確定義，因此有必要根據(jù)客觀地對(duì)單站凝凍過程和分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行訂正。本文利用1961～2019年貴州省85站逐日的雨凇、霧凇資料，通過對(duì)樣本數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析以及三個(gè)現(xiàn)有指標(biāo)的對(duì)比分析，訂正了貴州省單站凝凍過程的指標(biāo)和分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，以期為后期凝凍過程預(yù)測(cè)以及區(qū)域性凝凍過程研究提供參考。

1 資料

根據(jù)凝凍的定義，凝凍主要包括雨凇和霧凇，而1961～2019年間貴州霧凇共計(jì)出現(xiàn)1214站次，而雨凇共計(jì)出現(xiàn)31566站次，故霧凇占比較少。另一方面，霧凇非冰非雪，是由于霧中無(wú)數(shù)零攝氏度以下而尚未凝華的水蒸氣隨風(fēng)在樹枝等物體上不斷積聚凍粘的結(jié)果，故霧凇的形成條件較特殊。因此本文只選取貴州省85站1961年1月～2020年4月逐日的雨凇觀測(cè)資料作為樣本數(shù)據(jù)。

2 單站凝凍過程指標(biāo)確定及其時(shí)空特征

統(tǒng)計(jì)1961～2019年貴州省各月凝凍日數(shù)所占百分比(圖1)發(fā)現(xiàn)，貴州省10月至翌年4月均發(fā)生過凝凍天氣，但59a間10月共計(jì)出現(xiàn)過2站次凝凍天氣，4月共計(jì)出現(xiàn)過25站次凝凍天氣，而5～9月無(wú)凝凍發(fā)生。因此以當(dāng)年11月至翌年3月逐日觀測(cè)的雨凇資料作為研究該年冬季凝凍的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2.1 單站凝凍過程的確定

為客觀地對(duì)貴州單站凝凍過程的起始條件進(jìn)行定義，統(tǒng)計(jì)了1981～2010年冬季(本文中冬季指當(dāng)年11月至翌年3月)凝凍天氣現(xiàn)象不同持續(xù)天數(shù)(無(wú)間斷)的發(fā)生頻率(圖略)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明貴州省凝凍持續(xù)天數(shù)為1～34天，隨著持續(xù)天數(shù)的增加，發(fā)生頻率呈指數(shù)下降。所謂過程，持續(xù)天數(shù)應(yīng)該≥2天，而貴州持續(xù)天數(shù)為2天的發(fā)生頻率為25.9%，凝凍持續(xù)天數(shù)2天以上的累積頻率為61.3%，這樣會(huì)造成樣本數(shù)據(jù)過多，沒有針對(duì)性。而持續(xù)天數(shù)為3天的發(fā)生頻率為14.5%，凝凍持續(xù)天數(shù)3天以上的累積頻率為35.4%，再結(jié)合《貴州短期氣候預(yù)測(cè)技術(shù)》和地方標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)定義，因此，定義單個(gè)縣(區(qū))連續(xù)出現(xiàn)3天以上(含3天)凝凍日則為單站凝凍過程的起始條件，第一日定義為凝凍過程的開始日。

同時(shí)統(tǒng)計(jì)了1981～2010年貴州省凝凍過程中非凝凍日數(shù)的發(fā)生頻率(圖略)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：84.2%的貴州省凝凍過程中非凝凍日數(shù)為0，即凝凍過程中無(wú)凝凍現(xiàn)象的中斷。12.5%的貴州省凝凍過程中非凝凍日數(shù)為1，即凝凍過程中出現(xiàn)凝凍現(xiàn)象中斷天數(shù)為1天。因此將凝凍過程結(jié)束的判定標(biāo)準(zhǔn)定義為：當(dāng)凝凍現(xiàn)象連續(xù)兩天中斷標(biāo)志著凝凍過程的結(jié)束，凝凍消失的前一日即最后一個(gè)凝凍日定義為凝凍結(jié)束日。

按照新的定義，統(tǒng)計(jì)了1981～2010年冬季貴州省凝凍過程中不同持續(xù)天數(shù)的發(fā)生頻率(圖2)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明貴州省凝凍過程的持續(xù)天數(shù)為3～39天，最長(zhǎng)凝凍過程持續(xù)天數(shù)為39天，1981～2010年共計(jì)出現(xiàn)1次，同樣地，隨著凝凍過程持續(xù)天數(shù)的增加，發(fā)生頻率呈指數(shù)下降。

2.2 單站凝凍過程的時(shí)空特征

圖3(a)給出了貴州省凝凍過程開始初日多年平均(1981～2010年)空間分布，總體來(lái)看，貴州省凝凍過程最早出現(xiàn)在威寧縣，再依次出現(xiàn)在大方、開陽(yáng)、萬(wàn)山，然后從東北向南部逐漸發(fā)生凝凍過程，其中榕江縣最晚出現(xiàn)凝凍過程，威寧和榕江的時(shí)間跨度約44天。圖4a為1961～2019年貴州省全省平均凝凍過程開始初日時(shí)間序列，其中峰值(谷值)表征當(dāng)年凝凍開始初日較晚(較早)?？傮w來(lái)看，1961～2000年沒有明顯的年代際變化特征，而在在2000s～2010s前期以偏早為主，2010s中期明顯偏晚，而近2年明顯偏早，尤其是2019年，平均偏早近39天。

圖3(b)給出了貴州省凝凍過程結(jié)束終日的多年平均(1981～2010年)空間分布，總體來(lái)看，貴州省凝凍過程最早結(jié)束在沿河、思南，然后從東北向南部，東部向西部逐漸結(jié)束凝凍過程，開陽(yáng)、大方、萬(wàn)山、威寧再依次結(jié)束，最早結(jié)束和最晚結(jié)束的時(shí)間跨度約60天。圖4(b)為1961～2019年貴州省全省平均凝凍過程結(jié)束終日時(shí)間序列，其中峰值(谷值)表征當(dāng)年凝凍結(jié)束終日較晚(較早)。總體來(lái)看，1961～2019年沒有明顯的年代際變化特征，年際振蕩較大。與凝凍過程開始初日時(shí)間序列作相關(guān)發(fā)現(xiàn)，二者相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.824，通過0.01顯著性水平，表明在大多數(shù)年份，凝凍過程開始初日偏早/偏晚，結(jié)束終日也偏早/偏晚。

2.3 單站凝凍過程的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)及特征

根據(jù)貴州省凝凍過程不同持續(xù)天數(shù)的發(fā)生頻率統(tǒng)計(jì)結(jié)果(圖2)來(lái)看，若按《貴州短期氣候預(yù)測(cè)技術(shù)》和地方標(biāo)準(zhǔn)貴州省凝凍災(zāi)害等級(jí)中持續(xù)天數(shù)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)劃分，則輕級(jí)、中級(jí)、重級(jí)和特重級(jí)占比分別是36.1%、28.2%、18.9%、16.8%，該占比不符合分組百分位原則，因此采用百分位原則將單站凝凍過程進(jìn)行新的等級(jí)劃分，以第50百分位(中位數(shù))、第75百分位(第三個(gè)四分位)、第90百分位為分界線進(jìn)行劃分。根據(jù)貴州省凝凍過程不同持續(xù)天數(shù)的發(fā)生頻率統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看，第50、75、 90百分位對(duì)應(yīng)天數(shù)分別是4、7、12。因此規(guī)定凝凍過程持續(xù)天數(shù)3～4為輕級(jí)凝凍，持續(xù)5～7天為中級(jí)凝凍，持續(xù)8～12天為重級(jí)凝凍，持續(xù)天數(shù)≥13天為特重級(jí)凝凍。

按照新的單站凝凍過程分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)1961～2019年冬季貴州省各站不同等級(jí)凝凍過程年均次數(shù)和頻率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(圖5)，總體來(lái)看，4個(gè)不同等級(jí)凝凍過程其年均次數(shù)和頻率的空間分布特征基本一致。另外隨著單站凝凍過程等級(jí)的升級(jí)，其范圍在不斷縮小，無(wú)論是哪種等級(jí)，大值區(qū)主要仍集中在26.5°～27.5°N，低值區(qū)仍在貴州省北部和南部地區(qū)。雖然威寧和大方站也呈減小的趨勢(shì)，但其減小的幅度最小，其中威寧和大方站特重凝凍過程的發(fā)生頻率分別為66.1%和52.5%。

圖6給出了1961～2019年冬季貴州省不同等級(jí)單站凝凍過程的站次時(shí)間序列?？梢钥闯?， 4個(gè)不同等級(jí)單站凝凍過程的站次均呈緩慢減少趨勢(shì)，其中隨著等級(jí)的升高，減少趨勢(shì)減弱，即輕級(jí)的減少趨勢(shì)最明顯，而特重級(jí)的減少趨勢(shì)最弱。從特重級(jí)的序列來(lái)看，由于1967、1976、1983、2007年冬季特重級(jí)站次較多，其變化特征與其他三個(gè)等級(jí)的不太一致，比如2007年冬季特重級(jí)的站次甚至比輕級(jí)的站次更多。

2.4 典型站點(diǎn)凝凍過程的特征

威寧、大方、開陽(yáng)和萬(wàn)山站是貴州省單站凝凍過程的四個(gè)中心，因此將這4個(gè)站作為單站凝凍過程的典型站進(jìn)行分析。分別對(duì)4個(gè)典型站點(diǎn)年凝凍過程次數(shù)和天數(shù)時(shí)間序列(圖7)、單次過程時(shí)間分布(圖8)、各月(圖略)和各旬(圖略)的占比進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析(表2)。

威寧縣平均海拔2200m，是貴州省面積最大、海拔最高的縣，由于其特殊的地勢(shì)條件，因此59a間出現(xiàn)單站凝凍過程最多、年平均凝凍過程次數(shù)也最多、平均天數(shù)最長(zhǎng)、單次過程持續(xù)天數(shù)最長(zhǎng)(表1)。4個(gè)典型站點(diǎn)的年凝凍過程次數(shù)與累積天數(shù)之間呈明顯的正相關(guān)關(guān)系，均呈減少趨勢(shì)。從各站點(diǎn)凝凍過程的具體時(shí)間分布來(lái)看，59a間4個(gè)典型站凝凍過程最早開始出現(xiàn)于11月中旬，最晚結(jié)束于3月下旬，凝凍過程主要集中出現(xiàn)在12月至翌年2月，其中1月占比最多，2月次之，而11月最少。從各旬占比來(lái)看，主要集中出現(xiàn)在1月中旬至2月上旬，11月上旬最少。4個(gè)典型站在時(shí)間上的統(tǒng)計(jì)特征表現(xiàn)基本一致，而在總次數(shù)等特征上存在一定的差異，造成這一現(xiàn)象的原因主要有兩點(diǎn)，第一個(gè)原因是氣候背景，11月至翌年3月，1月最冷，其中以1月下旬為最冷旬，而11月最高，其中11月上旬為最暖旬，因此4個(gè)典型站時(shí)間上的統(tǒng)計(jì)特征表現(xiàn)基本一致；第二原因是觀測(cè)站的海拔高度，威寧(2236.2m)>大方(1704.0m)>開陽(yáng)(1277.2m)>萬(wàn)山(883.4m)，隨著海拔高度的上升，氣溫將有所下降，因此海拔差異是造成4個(gè)典型站凝凍次數(shù)等特征差異的主要原因。

表1 4個(gè)典型站凝凍過程統(tǒng)計(jì)表(注：萬(wàn)山站1962～1976年缺測(cè))

3 結(jié)論

本文通過對(duì)1961～2019年冬季雨凇樣本數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析以及三個(gè)現(xiàn)有指標(biāo)的對(duì)比分析，重新確定了貴州省單站凝凍過程的指標(biāo)和分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，并根據(jù)新的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其特征進(jìn)行分析，得出以下主要結(jié)論：

(1)單個(gè)縣(區(qū))連續(xù)出現(xiàn)3天以上(含3天)凝凍日則為單站凝凍過程的起始條件，第一日定義為凝凍過程的開始日，當(dāng)凝凍現(xiàn)象連續(xù)兩天中斷標(biāo)志著凝凍過程的結(jié)束，凝凍消失的第一日定義為凝凍結(jié)束日。貴州省凝凍過程的持續(xù)天數(shù)為3～39天，隨著凝凍過程持續(xù)天數(shù)的增加，發(fā)生頻率呈指數(shù)下降。

(2)貴州省凝凍過程開始初日和結(jié)束終日之間存在凝凍過程開始初日偏早/偏晚，結(jié)束終日也偏早/偏晚的現(xiàn)象。

(3)根據(jù)百分位法對(duì)單站凝凍過程的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了確定，規(guī)定凝凍過程持續(xù)天數(shù)3～4為輕級(jí)，持續(xù)5～7天為中級(jí)，持續(xù)8～12天為重級(jí)，持續(xù)天數(shù)≥13天為特重級(jí)。隨著凝凍等級(jí)的升高，其影響范圍在不斷縮小，但大值區(qū)主要仍集中在26.5°～27.5°N，低值區(qū)仍在貴州省北部和南部地區(qū)。4個(gè)不同等級(jí)單站凝凍過程的站次均呈緩慢減少趨勢(shì)。

(4)4個(gè)典型站點(diǎn)的年凝凍過程次數(shù)與累積天數(shù)均呈減少趨勢(shì)。4個(gè)典型站的凝凍過程主要集中出現(xiàn)時(shí)間基本一致，主要出現(xiàn)在12月至翌年2月，其中均是1月占比最多，2月次之，而11月最少。從各旬占比來(lái)看，主要集中出現(xiàn)在1月中旬至2月上旬，11月上旬最少。