近50a东北地区冷冬气候变化特征分析

王 雷，吴正方，杜海波，宗盛伟

（东北师范大学地理科学学院，吉林长春130024）

近50a东北地区冷冬气候变化特征分析

王 雷，吴正方，杜海波，宗盛伟

（东北师范大学地理科学学院，吉林长春130024）

参照中华人民共和国国家标准《暖冬等级》，对单站、区域冷冬进行了定义和等级划分，并自定义了冷冬强度及冷冬严重度指数.在此基础上，利用1961—2010年东北地区90个气象观测站的地面气象观测资料，对东北地区1961—2010年冷冬事件的时空分布规律进行了分析.结果表明：1961—2010年东北各站冬季均表现出增温的趋势，增温的幅度为每10年0.02℃～0.94℃，在区域上由西往东增温幅度逐渐变大.就整个东北地区而言，近50a冬季平均气温呈显著的上升趋势，为每10年0.55℃.东北地区各站冷冬发生的频率为30%～48%，总体的变化趋势为从东南往西北再向东北逐渐降低.近50a东北地区各站点冷冬强度为1.18～2.20，但冷冬强度的分布较为复杂，没有明显的空间格局；各站点冷冬严重度为0.22～0.68，其分布大致为从东南往西北再向东北逐渐减弱.近50a东北地区冷冬指数呈明显的下降趋势，线性趋势为每10年－10.47%，通过了95%的显著性检验.La Nina现象的发生可能对东北地区出现冷冬的影响不大，而北极涛动的负异常可能是东北地区发生冷冬事件的主要原因.

冷冬；冷冬严重度；东北地区

在全球气候变暖的大背景下，近100a来中国年平均地表温度明显增加，升温幅度约为0.5℃～0.8℃，且增温主要发生在冬季和春季［1］.冬季平均气温的升高必然导致暖冬发生频率的增大，20世纪80年代中期以后我国频繁出现全国性暖冬［2］.暖冬的频繁出现使冷冬逐渐走出人们的视野.但2008年1月我国发生的低温、雨雪、冰冻天气，对南方的交通、通讯和输电等造成的严重影响极大地提高了人们研究冷冬的兴趣［3－4］.王绍武对中国冷冬的气候特征进行了分析，指出2008年冬季是中国东部30a来最冷的冬季，而近50a来的寒冬年份是1968年和1977年［3］.杜军等对近50a西藏冷暖冬气候变化特征进行了研究，指出近50a西藏区域强冷冬事件出现了8次，1962年是近50a中范围最广、强度最大的冷冬，1968年和1983年次之，而2008年是区域强暖冬事件［5］.两地强冷冬发生年份的不尽相同表明，冷冬的发生可能受地理位置和地势地貌的影响而具有区域性差异，不同区域不尽相同.

东北地区位于中国内地的东北部，地处欧亚大陆东岸中高纬度地区，地理位置为115°25′～135°09′E、38°72′～53°55′N.四周分别环列着辽西山地、大兴安岭、小兴安岭和长白山地，其特殊的地理位置与地貌组合形成了其特有的自然环境，并且在植被、海陆分布、大气环流、人文等因素的影响下，东北各地冬季气温的变化显得更加复杂，冷冬事件的发生也有其自身的特点.冷冬事件会对东北地区的园林业、畜牧业、交通运输以及供热、人们的穿衣保健等产生重大的影响.然而针对东北地区冷冬事件的研究很少.本文参照中华人民共和国国家标准《暖冬等级》单站、区域暖冬的定义及其等级划分方法［6］，对单站、区域冷冬进行了定义和等级划分.并在此基础上，对东北地区1961—2010年近半个世纪冷冬事件的时空分布规律进行了分析，以揭示我国东北地区冬季气温和冷冬变化特征，为冬季设施农业发展、露天园林植物冻害防御、制定冬季供暖和能源采购计划提供参考依据［7］.

1 数据和方法

1.1 数据

本文所采用的数据由中国气象局国家气象信息中心（http：／／www.nmic.gov.cn／）提供，将资料长度不足和台站迁移距离过大的站点剔除后，选取东北地区90个国家地面气象观测站（见图1）1961—2010年共50a逐日地面观测资料，包括逐日平均温度、最高和最低温度.以上年12月到翌年2月为冬季（如2010年冬季为2009年12月—2010年2月），计算了东北地区90个气象站点1961—2010年冬季平均温度及其距平.气候平均值采用1971—2000年30a的冬季气温均值.

1.2 冷冬指标及等级划分

本文参照中华人民共和国国家标准《暖冬等级》（GB／T 21983－2008），给出单站、区域冷冬的定义及其等级划分的标准.

1.2.1 单站冷冬

当某站冬季平均气温距平（ΔT）小于等于其标准差（σ）的0.43倍，即为冷冬；强冷冬属于冷冬事件中的极端（异常）气候事件，本文采用的标准是发生概率为10%，其阈值界定为－1.29σ.单站弱冷冬界定标准为－1.29σ＜ΔT≤－0.43σ，强冷冬标准为ΔT≤－1.29σ［6］.

为了反映和比较各站点冷冬的强弱程度，本文提出冷冬强度指数（Yi，i＝1，2，3，…，n）.n为研究区域中站点的个数.

图1 东北地区气象站点分布图

式中：ΔT为各站点冷冬年冬季平均气温距平；Ty为各站点冷冬的阈值，即－0.43σ.

以前针对单站冷冬的相关研究主要是从单站冷冬频次（频率）或强度（冷冬指数）单方面进行分析［45］，然而一地冷冬发生频次多少或者冷冬指数高低并不能准确反映该地的冷冬严重程度.因此在冷冬强度指数的基础上，本文把冷冬发生的频次（Xi，i＝1，2，3，…，n）和强度（Y）综合分析，提出了冷冬严重度指数（cold winter severity index，ICWS）的概念，用来反映各站点冷冬的严重程度.先对冷冬发生频次和冷冬强度进行标准化，使它们成为无量纲参数.

式中：Xmin和Xmax分别为冷冬发生频次的最小值和最大值；Ymin和Ymax分别为冷冬强度指数的最小值和最大值；xi和yi分别为冷冬发生频次和冷冬强度指数的标准化值.考虑到一地的冷冬发生频次多而强度弱、或者冷冬发生频次少而强度大，都不能准确反映该地冷冬的严重度，只有当冷冬发生频次多且强度大时，冷冬严重度才较强.因此，本文对它们进行求和以代表冷冬严重度.

式中，k1和k2分别为冷冬发生频次和冷冬强度的权重系数，且k1＋k2＝1.本文认为它们对冷冬严重度的贡献率相等，即k1＝k2＝0.5.因此ICWS的数值范围为0～1.

1.2.2 区域冷冬

定义区域内冷冬站数占站点总数的百分比为区域冷冬指数（Icd）.区域冷冬指数通过冷冬站数反映其冷冬强度.若Icd≥50%，即为区域冷冬；在区域冷冬年，区域范围内强冷冬站数与冷冬站数百分比大于等于50%，即为区域强冷冬［6］.

1.3 线性倾向

气象要素的变化趋势采用线性方程表示，即：y＝a＋bt.式中：y为气象要素；t为时间（本文为1961—2010年）；b为线性趋势项，b＊10表示气象要素倾向率，b的系数为正，则表明呈增加趋势，反之为减小趋势［8］.

1.4 克里格（Kriging）插值

克里格方法是以空间自相关性为基础，利用原始数据和半方差函数的结构性，对区域化变量的未知采样点进行无偏估值的插值方法，是地统计学的主要内容之一［9］.由于需要插值的区域变量Z的期望值是未知的，所以本文采用普通克里格法对气象数据进行空间插值.

2 结果与分析

2.1 冬季平均气温的变化

根据东北地区各站点近50a冬季平均气温变化趋势分布图（见图2a）可以看出，90个站点均表现出增温的趋势，增温的幅度为每10年0.02℃～0.94℃，由西往东增温幅度逐渐变大.87个站点的变化趋势达到了0.05的显著性水平，占96.7%.只有满洲里、额尔古纳右旗和沈阳的增温趋势没有通过95%的显著性检验.增温幅度最大的站点是集安，达到了每10年0.94℃.东北大部分地区的增温幅度在每10年0.17℃～0.33℃，特别是湿润高海拔地区增温幅度较大，比如小兴安岭地区和长白山冬季增温的幅度为每10年0.63℃～0.94℃，而大兴安岭地区的增温幅度较小.

就整个东北地区而言（见图2b），近50a冬季平均气温呈上升的趋势，增幅为每10年0.55℃，且达到了0.05的显著性水平，比全国冬季平均气温上升的幅度要大［10］，与董满宇等研究得出的结果基本一致［11］.从年代际变化来看，冬季平均气温60年代呈下降趋势，70年代的波动幅度较大，1977年达到50a来的最低值，为－17.45℃；80年代和90年代波动幅度较小，总体上呈上升的趋势.进入21世纪以来，东北地区冬季平均气温变化幅度较大，2001年达到50a来第二低值，为－16.90℃；而2007年达到50a来的最高值，为－10.36℃，两者相差6.54℃.

图2 1961—2010年东北地区各站点（a）及整个区域（b）冬季平均气温变化趋势

2.2 单站冷冬事件的变化

2.2.1 单站冷冬频率

由冷冬发生频率（见图3a）来看，近50a东北地区各站点冷冬发生的频率为30%～48%，总体的变化趋势为从东南往西北再向东北逐渐降低.吉林哈达岭地区、龙岗山和千山地区冷冬发生频率较高，达到40%～48%；伊勒呼里山地区、小兴安岭东侧及三江平原地区发生频率较低，为30%～33%.气象站点中扎兰屯、叶柏寿、本溪冷冬发生的频率最低为30%；沈阳的频率最高为48%.各站点强冷冬发生的频率（见图3b）为6%～18%，空间上表现为中部的科尔沁沙地和松嫩平原发生的频率较低，仅为6%～10%；而四周的大兴安岭中段地区、三江平原及长白山地区冷冬发生的频率较高，为14%～18%；通榆和安达站点发生的频率最低，为6%；集安和伊春站点的频率为18%，为所有站点中最高的.

结合东北地区近50a冷冬和强冷冬发生频率的分布可以看出，中部地区虽然发生冷冬的频率较高，但是强冷冬的频率较低，其原因可能为从西北部来的冷空气翻过大兴安岭就到达了中部地区，但是东北的地形中南部和东北部都有缺口，冷空气不易长时间停留，强冷冬的发生的频率就少.长白山地区冷冬与强冷冬发生的频率都较高，其原因可能为此区山地较多，冷空气进入后不易流通，冷冻持续时间较长，容易发生强冷冬.三江平原发生冷冬的频率最低，但是强冷冬的发生频率较高，原因在于其地理位置，能够到达三江平原的冷空气，其势力都较强，但频次较少.

图3 1961—2010年东北地区单站冷冬（a）和强冷冬（b）频率分布图

2.2.2 单站冷冬强度

由单站冷冬强度（见图4）可以看出，近50a东北地区各站点冷冬强度为1.18～2.20，但冷冬强度的分布较为复杂，没有明显的方向上的变化.东北大部分地区冷冬强度为1.51～1.63；科尔沁沙地地区、哈尔滨地区及张广才岭和老爷岭南段冷冬强度最低，为1.18～1.51；大兴安岭北部地区、伊勒呼里山地区及三江平原冷冬强度最高，为1.81～2.20；辽西地区和千山地区冷冬强度也较强，为1.63～1.81.站点中松江的冷冬强度最低，为1.18；图里河的冷冬强度最高，为2.20.

图4 1961—2010年东北地区单站冷冬强度分布图

5 1961—2010年东北地区单站冷冬严重度分布图

2.2.3 冷冬严重度分析

从冷冬严重度（见图5）来看，东北地区近50a来各站点冷冬严重度为0.22～0.68，其中冷冬严重度较强的站点主要分布在吉林省东南部和辽宁千山地区，严重度较弱的站点主要分布在黑龙江省的中部地区.气象站点中冷冬严重度最弱为松江站，其值为0.22；严重度最强的是沈阳站，其值高达0.68.通过克里格空间插值可以看出，整个东北地区冷冬严重度的分布大致为从东南往西北再向东北逐渐减弱.吉林哈达岭、龙岗山和千山地区冷冬严重度最强，为0.48～0.68，原因为冷冬严重度是由频次和冷冬强度共同决定的，此地冷冬的频次最多，加上冷冬强度也高，冷冬严重度自然较强.小兴安岭地区、三江平原、张广才岭和老爷岭地区冷冬严重度较弱，仅为0.22～0.39，原因为冷冬频次较少，冷冬的强度也较弱.

2.3 区域冷冬事件变化

从区域冷冬指数（Icd）变化来看，东北地区近50a冷冬指数呈明显的下降趋势，线性趋势为每10年－10.47%，通过了95%的显著性检验，这表明近50a来东北地区冷冬站点数以每10年10.47%的速率减少.由图6可以看出，东北地区区域冷冬指数在80年代中期以前保持在较高水平，从80年代中期到2010年处在较低水平.特别是从1987年以来，区域冷冬指数超过50%的年份只有5a，且基本都发生在21世纪之后.

1961—2010年东北地区共发生冷冬事件20次.60年代发生次数最多，达8次，占冷冬总次数的40%，其中在1964—1970年连续7a发生冷冬.90年代冷冬较少，仅为1次.进入21世纪以来，发生了4次冷冬事件.90年代以前共发生冷冬事件15次，占冷冬总次数的75%.近20a冷冬事件发生次数为5次，发生频率仅为25%.值得注意的是，在2008年南方遭受强烈低温、雨雪、冷冻天气，而东北地区竟然是暖冬气候.20次冷冬事件中强冷冬事件为5次，占冷冬总次数的25%，60年代最多为3次，且为1968—1970连续3a.70年代和80年代各有1次，即1977年和1981年.90年代没有发生，进入21世纪以来发生1次，为2001年.

在发生冷冬的20a中，1964年的Icd最低，仅为58%，是冷冬年中范围最小的.1977年Icd最高，为100%，其中达到强冷冬的站点为87个，占站点总数的97%，是50a中冷冬范围最大和最强的年份.1970年和2001年Icd也较高，为99%和97%.1965—1970年连续6a的Icd都在80%以上，为近50a的罕见现象.

2.4 东北冷冬事件与ENSO和北极涛动的关系

2.4.1 ENSO的影响

El Nino和La Nina是指赤道太平洋东部和中部海面温度持续异常偏暖和偏冷的现象［5］，是热带海洋和大气共同作用的产物.有研究表明，它们的发生会引起我国气候的异常［12－14］.通常情况下，El Nino的发生会使我国冬季气温升高，形成暖冬；La Nina的发生会使我国冬季气温降低，形成冷冬［15］.由表1可以看出，东北地区近50a发生的20次冷冬中，有3年El Nino现象也发生了，并且El Nino发生的年份中1968—1970年还是东北地区的强冷冬年［5，12］.在近50aLa Nina发生的14a中，东北地区只有4a发生冷冬，只占29%.这表明La Nina现象的发生和东北地区冷冬的发生并没有很好的对应关系，所以La Nina现象的发生可能对东北地区出现冷冬的影响不大，这与它的发生会使我国冬季气温降低，形成冷冬有所不同［16］.

2.4.2 北极涛动（AO）的影响

图6 1961—2010年东北区域冷冬指数变化趋势

北极涛动（AO）是北半球高纬度和中纬度气压场距平的“跷跷板”现象，这种中高纬度气压场距平的变化会引起西伯利亚高压、东亚冬季风强度的异常，从而引起气温的异常［16－19］.由表1可以看出，1961—2010年的50a中，冬季北极涛动的负异常年份发生了8a，60年代较多为3次，70年代到90年代较少各1次，21世纪头10a发生2次.在这8次冬季北极涛动负异常年中有7a东北地区为冷冬，占87.5%，由此可以看出冬季北极涛动的负异常与东北地区的冷冬年发生有很好的对应关系.从北极涛动和我国东北地区冬季气温的分析可以看出，北极极涡的减弱（即北极涛动的负异常）会导致西伯利亚高压增强，阿留申低压加深，西伯利亚高压东南部、阿留申低压西南部东北风强度增强，东亚太平洋地区海平面气压梯度加大，东亚冬季风强度偏强，我国东北地区冬季气温偏低，即出现冷冬［20－21］.

表1 1961—2010年东北地区各年代冷冬、El Nino、La Nina、冬季AO负异常事件发生年份

3 讨论

本文自定义了单站冷冬强度指数而没有参照单站暖冬指数［2］定义的单站冷冬指数来反映和比较各气象站点的冷冬强弱程度，原因有两个：其一，单站冷冬指数为冬季平均气温距平和冷冬阈值之差，各站点近50a冬季平均气温的趋势与距平的趋势相同，而距平的趋势就是冷冬指数的趋势，在前文中已分析过故没有采用.其二，用冷冬指数来比较各站点的冷冬强弱程度有些不妥，因为各站点的冷冬阈值不同.例如，有气象站点A和B，A的冷冬阈值为－1.25℃，某年距平为－2.25℃，冷冬指数为－1℃；B的冷冬阈值为－0.75℃，同年距平为－1.75℃，冷冬指数也为－1℃.两个站点的冷冬指数相同，但A的超出阈值部分占阈值的80%，而B的为130%，冷冬的强度显然是B更强.

姚俊英等采用月平均气温权重系数法得出从1961—2006年黑龙江省强冷冬的年份为1966，1970，1977，2001，其中最强冷冬为1977年［22］.与本文结果对比可以看出，冷冬变化相同的地方虽采用了不同的确定强冷冬的方法，得出的结果不尽相同，但是最强冷冬的年份是一致的.杜军等也采用与本文相同的强冷冬定义方法［5］，得出1962年为西藏近50a最冷冬年；杨志刚等同样采用此方法分析得出1983年是西藏怒江流域近40a中范围最广、强度最大的冷冬年份［23］.与本文结果对比分析可以看出，由于区域位置和海拔的不同，即使采用同样的方法，最强冷冬发生年份还是不同，正是冷冬发生区域性的表现.

近百年来全球变暖是不争的事实，但其存在不确定性［24－26］.Knight等利用HadCR UT3温度资料进行分析，得出1999—2008年全球温度增加幅度为（0.07±0.07）℃，显著低于1950年以来其他10a尺度上的温度变化，过去10a全球气候变暖停滞［27］；Kerr也支持这种观点［28］.在研究历史气候时，由于气象资料中城市热岛效应、覆盖面、分辨率等的影响，近百年来的增温幅度可能并没有估计的那么高［29］；另外对造成全球变暖的主因温室效应的机理科学界还没有达成共识.冬季气温变暖趋势、冷冬事件减少趋势与气候变暖一样，也具有不确定性.整个东北地区冬季平均气温，从近50a来看呈上升的趋势，但是近20a来其呈明显的下降趋势，并且近10a冬季气温较前10a有所下降［30］，未来如何变化存在不确定性；同时近10a来这种区域性（东北和新疆）冬季均温的降低在全国未来气候变化过程中扮演什么角色还不确定.全球气候变暖的背景下，冷冬事件应呈减少的趋势，但近几年冷冬事件在我国及北欧各国、俄罗斯等地频频发生，增加了其发生的不确定性，应予以特别注意.另外冷冬事件发生的自然和人为机制并不十分的明确，有关这方面的研究有待进一步的展开.

4 结论

（1）1961—2010年东北各站均表现出增温的趋势，增温的幅度为每10年0.02℃～0.94℃，在区域上由西往东增温幅度逐渐变大.其中大部分地区的增温幅度在每10年0.17℃～0.33℃，小兴安岭地区和长白山冬季增温的幅度较大为每10年0.63℃～0.94℃，而大兴安岭地区的增温幅度较小.就整个东北地区而言，近50a冬季平均气温呈上升的趋势，为每10年0.55℃，且达到了0.05的显著性水平.

（2）近50a东北地区各地冷冬发生的频率为30%～48%，总体的变化趋势为从东南往西北再向东北逐渐降低.吉林哈达岭地区、龙岗山和千山地区冷冬发生频率较高，达到40%～48%；伊勒呼里山地区、小兴安岭东侧及三江平原地区发生频率较低，为30%～33%.各站点强冷冬发生的频率为6%～18%，空间上表现为中部的科尔沁沙地和松嫩平原发生的频率较低，仅为6%～10%；而四周的大兴安岭中段地区、三江平原及长白山地区冷冬发生的频率较高，为14%～18%.

（3）近50a东北地区各站点冷冬强度为1.18～2.20，但冷冬强度的分布较为复杂，没有明显的方向上的变化.各站点冷冬严重度为0.22～0.68，其分布大致为从东南往西北再向东北逐渐减弱.吉林哈达岭、龙岗山和千山地区冷冬严重度最强，为0.48～0.68；小兴安岭地区、三江平原、张广才岭和老爷岭地区冷冬严重度较弱，仅为0.22～0.39.

（4）东北地区近50a区域冷冬指数呈明显的下降趋势，线性趋势为每10年－10.47%，通过了95%的显著性检验，即近50a来东北地区冷冬站点数以每10年10.47%的速率减少.1961—2010年东北地区共发生冷冬20次，其中60年代发生次数最多，达8次，占冷冬总次数的40%，其中在1964—1970年连续7a发生冷冬.90年代冷冬较少，仅为1次.进入21世纪以后，发生了4次冷冬.其中1977年是范围最大的和强度最强的冷冬年.

（5）La Nina现象的发生和东北地区冷冬的发生并没有很好的对应关系，所以La Nina现象的发生可能对东北地区出现冷冬的影响不大；而北极涛动的负异常与东北地区的冷冬年发生有很好的对应关系，其导致西伯利亚高压增强、阿留申低压加深，西伯利亚高压东南部、阿留申低压西南部东北风强度增强，东亚太平洋地区海平面气压梯度加大，东亚冬季风强度偏强，我国东北地区冬季温度偏低，即出现冷冬.

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Climatic variation characteristics in cold winter over Northeast China，1961—2010

WANG Lei，WU Zheng－fang，DU Hai－bo，ZONG Sheng－wei
（School of Geographical Science，Northeast Normal University，Changchun 130024，China）

According to the China national standard of warm winter grade，define the grade of single station and regional cold winter（CW）and propose the CW intensity index（CWII）and the CW severity index（CWSI）.Based on the recorded data of 90meteorological stations over Northeast China during 1961—2010，analyze the spatio－temporal variations of CW.The results show that the mean temperature of each station in winter shows a clear increasing trend with the value of 0.02℃～0.94℃per ten years over Northeast China in the last 50years.The positive amplitude gradually increases from west to east.The mean temperature of the entire region in winter also shows an obvious increasing trend with the value of 0.55℃per ten years.The CW frequency for single station is 30%～48%with a decreasing trend on the southeast－northwest－northeast direction.CWII of each station is within the range of 1.18～2.20over Northeast China in the last 50years.However，the distribution of CWII is complex and shows a non－obvious spatial pattern.CWSI of each station is in the range of 0.22～0.68with a weakened trend on the southeast－northwest－northeast direction.Regional cold winter index has an obvious decreasing trend with the value of－10.47%per ten years.The change trend is significant at the 0.05confidence level.La Nina phenomenon may not have obvious effect on the occurrence of CW in Northeast China.The Arctic Oscillation negative anomalies may be the main reason for the cold winter events over Northeast China.

cold winter；cold winter severity index；Northeast China

P 467 ［学科代码］ 170·1535

A

（责任编辑：方 林）

1000－1832（2014）02－0117－05

10.11672／dbsdzk2014－02－023

2013－06－11

国家自然科学基金资助项目（41171038）；吉林省自然科学基金资助项目（20101561）.

王雷（1987—），男，硕士研究生，主要从事区域气候变化研究；通讯作者：吴正方（1960—），男，博士，教授，博士研究生导师，主要从事生态气候研究.