1961—2010年临夏州寒潮天气气候特征及其对农业的影响

岳高峰++马旭洁++马春英

摘要 使用甘肃省临夏回族自治州的6个国家级地面自动气象观测站1961—2010共50年气象观测资料，利用数理统计分析、趋势分析法、Mann-Kendall突变检验法和Morlet小波分析方法，对临夏州50年寒潮天气发生的气候变化和时空分布进行分析和研究，发现寒潮天气发生的周期和规律性。结果表明：春季的4—5月和秋冬季的10—11月是临夏州寒潮天气多发的2个时段；寒潮天气平均降温幅度最大的月份为5月，幅度最小为1月；不同类型和强度寒潮天气的年、月变率差异大；50年寒潮天气发生规律呈现出先增后减趋势，与近年气候变暖趋势相一致；Mann-Kendall突变检验法显示，临夏州50年来寒潮天气发生频次没有产生突变；寒潮天气发生频次存在18～22年、9～11年和2～4年周期振荡规律。

关键词 寒潮；气候特征；周期规律；农业；甘肃临夏；1961—2010年

中图分类号 P425.5+4 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2016）20-0225-02

寒潮天气过程是一种大规模的强冷空气活动过程，主要特点是出现剧烈降温和大风[1]。寒潮过程是我国春季、秋冬季常见的一种严重气象灾害天气。北方的冷空气大规模地向南侵袭，造成大范围急剧降温和偏北大风的天气过程。寒潮天气的主要特点是剧烈降温和大风，有时还伴有雨、雪、雨凇和霜冻等，寒潮给工农业生产和人们的生活带来很大影响，能导致灌港封冻、交通中断、牲畜越冬困难和早春晚秋作物受冻，尤其是对农业的影响更为严重和明显[1-2]。关于寒潮天气，许多学者做了大量的研究工作，赵其庚[3]和席世平等[4]利用等熵位涡守恒性更强、持续时间更长这一特点追踪寒潮天气过程，更好地分析寒潮天气发展规律，更准确预测其发展趋势。林爱兰等[5]根据寒潮天气过程的影响范围和危害程度，定义了寒潮强度指数来综合衡量寒潮天气的强度。赵俊荣[6]利用数值预报产品对寒潮暴风雪天气过程进行了检验。魏风英等学者对我国寒潮天气进行了深入的研究，分析研究了寒潮天气形成的机制和原理，并标出了寒潮天气关键区，确定了影响我国的4条寒潮移动路线，分析了寒潮天气演变的规律[7-10]。

本文利用临夏州6个国家气象观测站的日平均气温和最低气温资料，对临夏州50年的寒潮天气的气候特征进行分析，分析寒潮天气对农业的影响和危害，掌握寒潮天气过程发生的规律和周期，做好寒潮天气的监测预报预警和农业生产保护，为农业防灾减灾决策提供参考依据。

1 资料与方法

1.1 区域概况

临夏回族自治州（简称临夏州，下同）位于甘肃省的中南部，地理坐标介于34°57′～36°12′N，102°41′～103°40′E之间，总面积为81.67万hm2。临夏州地处青藏高原和黄土高原的过渡地带，大部分地方属温带半干旱气候，其中西南部山区为高寒阴湿，东北部为干旱地区[11]。临夏州为典型的农业区，主要以种植旱作农业为主，主要粮食作物有小麦、玉米、马铃薯、油菜和蚕豆等。受特殊的地形和气候影响，临夏州是一个气象灾害高频发地区，寒潮天气一年中均可发生，春秋季更频繁。

1.2 资料来源

所用数据来源于临夏州所辖的临夏市、永靖县、东乡县、广河县、和政县和康乐县共6个国家自动气象观测站1961—2010年间的常规气象观测资料，从中挑选出日平均气温和日最低气温资料，剔除异常值并进行插值处理，确保资料的准确率和可靠性。根据中国气象局第16号令《气象灾害预警信号发布与传播办法》[12]中规定，将寒潮天气定义为四级（一般）、三级（较重）、二级（严重）和一级（特别严重）。令Tave代表日平均气温、Tmin代表日最低气温，并规定寒潮量级：四级，48 h内Tave下降8 ℃以上，Tmin≤4 ℃；三级，24 h内Tave下降10 ℃以上，Tmin≤4 ℃；二级，24 h内Tave下降12 ℃以上，Tmin≤0 ℃；一级，24 h内Tave下降16 ℃以上，Tmin≤0 ℃。

1.3 寒潮强度指数定义

一次寒潮天气过程的强度由日最低气温降温幅度、日最低气温值、影响范围和影响持续时间综合决定。借鉴于林爱兰等[5]关于寒潮强度的计算，定义临夏州寒潮天气过程强度指数KZ，其计算公式为：

KZ=KF-KD+KS

式中：KZ为寒潮天气过程综合强度指数，KF为寒潮天气过程最低气温降温幅度指数，KD为寒潮天气过程最低气温指数，KS为寒潮天气过程影响范围和持续时间指数。经过计算，用KZ来综合衡量寒潮天气过程的强度，KZ值越大表明寒潮强度越高，KZ值越小表明寒潮强度越低。

1.4 统计与分析方法

使用数理统计方法、线性趋势法、Mann-Kendall突变检验法和Morlet小波分析方法，对临夏州1961—2010年50年间寒潮天气过程时空间分布、寒潮天气过程年发生频次进行统计和分析；使用Morlet小波分析方法对寒潮天气过程的进行趋势进行分析，找出寒潮天气发生的周期性和规律性。

2 结果与分析

2.1 寒潮天气时空分布特征

2.1.1 寒潮天气空间分布特征。50年来，临夏州寒潮天气过程空间分布从西南方的康乐县至东北方的永靖县依次减少。其中中南部的和政县和偏南部的康乐县为2个寒潮天气多发区。全州50年间寒潮发生频次平均为6.7次/年，和政县最高，为7.1次/年，康乐县次高，为6.9次/年，而北部的永靖县最少，为4.8次/年。临夏州寒潮天气多发于2个时段，春季的4—5月是寒潮的高发时段，秋冬季的10—11月是寒潮天气次高发时段。春季寒潮天气平均降温幅度最大的月份为5月，秋季寒潮天气降温幅度最大为10月。

2.1.2 寒潮天气时间分布特征。

（1）寒潮天气年际和年代际变化特征。50年间，临夏州寒潮天气发生频次呈现出先增加后减少的趋势。寒潮天气发生次数最多的是1976年，为9次；其次是1986年，为8次；最少的年份为1998年，寒潮天气平均发生次数为2次。1961—1970年霜冻频次呈波动增加趋势，但不显著；1971—1980霜冻频次呈现出显著的增长趋势；1981—1990霜冻频次同样呈现出增长趋势；而在1991—2010年又呈现出减少趋势，近年寒潮天气发生的频次在减少，这也与全球气候变暖的趋势相一致。

（2）寒潮天气月际变化特征。从月际变化来看，寒潮天气发生次数最的月份是5月，其次是10月，而1月为最少。50年间临夏州共发生寒潮天气过程335次，5月共发生寒潮天气128次，占全部寒潮天气发生频次的38.2%；10月共发生寒潮天气107次，占全部寒潮天气发生频次的31.9%；其余月份共100次，占全部寒潮天气发生频次的29.9%。从寒潮天气变化强度来看，5月和10月出现强寒潮次数分别为最多和次最多，且强度变化也是最大。

（3）寒潮强度KZ指数变化特征。KZ指数月变化显示，5月、10月寒潮指数均为正值，分别为0.62、0.49，说明5月和10月寒潮发生强度呈增强的趋势，其余月份的KZ指数均为负值，说明寒潮发生强度呈减弱的趋势。KZ指数年代际变化显示，50年间临夏州寒潮强度指数呈下降趋势，以0.34/10年的趋势下降（通过0.01显著性水平检验）。

2.1.3 寒潮天气Mann-Kendall突变检验。在临夏州50年寒潮天气发生频次序列的Mann-Kendall突变检验图上，曲线UF显示，1961—1972年寒潮天气发生频次在波动上升，但不显著；1972—1988年寒潮天气发生频次上升非常显著；1989—2010年寒潮天气发生频次又处于减少的趋势，1988年成为了转折点。UF和UB曲线在1977年和2002年存在明显交点，但始终没有超过UF的信度线（0.05显著水平），说明临夏州50年来寒潮天气发生频次没有产生突变。

2.1.4 寒潮天气周期振荡变化。通过用Morlet小波变换（使用复小波变换，可以有效避免出现虚假振荡），得小波方差图，显示寒潮天气发生频次存在18～22年、9～11年和2～4年周期振荡规律。小波系数图显示，18～22年周期振荡非常显著，9～11年较显著，2～4年周期振荡不明显；18～22年周期振荡在50年间整个时段存在；9～11年在1975年后有规律性周期振荡；而2～4年周期振荡在20世纪80年代后期开始存在，之前时间段不明显。9～11年周期振荡在2010年小波系数正值等值线并没闭合并正处于中心，预计在之后的4～5年临夏州寒潮天气年发生率存在增长趋势的可能。

2.2 寒潮天气对农业的影响

寒潮天气常伴随着强降温、雨雪、大风天气。南下东移的冷空气降温可以达到10 ℃甚至20 ℃以上。寒潮天气对农业的危害和影响非常大，临夏州春季4—5月正值玉米、春小麦幼苗生长期，也是当地早酥梨、大接杏、啤特果等特色林果的现蕾和开花时段，而此时出现的寒潮和强降温天气对作物和林果的影响是巨大的，如果伴随出现强霜冻则更是毁灭性的打击。

不同地区不同种类的农作物耐寒的生理学温度也都有一定的限度，如北方春小麦、豆类和油料作物属耐寒作物，可以承受-10～-7 ℃的低温，萝卜可耐-6 ℃的低温，白菜可耐-4 ℃的低温，而玉米、马铃薯只能耐-3～-2 ℃的低温。而且，各种植物不同生长发育期阶段的耐寒能力也不同。对于大多数植物来说，当温度降到0 ℃左右时，就会明显受害。临夏州历史上几乎每次寒潮天气过程都会造成大面积的农作物和林果树受害，灾害程度会因冷空气入侵范围不同而有较大差异。寒潮天气过境后，气温骤然下降，降温可持续1 d至数天；而低洼的地区由于冷空气堆积，降温幅度大而且持续时间长；较高的塬地虽然降温幅度小，但可以出现冰冻和霜冻现象。如在1976年4月18日，由于寒潮天气暴发，临夏市日最低气温降至-12.2 ℃，全州其余地方也出现极端最低气温和霜冻现象，致使当年农林牧业生产遭受重大损失。

2.3 寒潮天气农业防御对策

一是露天增温法，利用一切条件提高近地面层温度，如布设烟堆、安装鼓风机等，打乱逆温层，对近地层有显著增温效果，其中熏烟一般能提高近地层温度1～2 ℃。二是植被覆盖法，利用覆盖物保护植物体的地上部或地下怕冻部位，减少地面长波辐射，防御寒风侵袭，从而起到防寒作用。覆盖有水平和垂直覆盖2种，其中有直接覆盖在作物上或果树上的，有搭棚覆盖的，还有采用包扎式的。风障对防御冻害也有较好效果，可以根据实际情况采用不同类型和不同倾角的风障设计。三是喷洒药剂法，主要用于果树防冻。喷化学药剂防御冻害是利用生长激素控制果树生长规律，增强抗冻能力。化学方法防御冻害是一种应急措施，必须注意收听收看当地天气预报，在寒潮降温开始前适时喷洒化药剂才能起到好的效果。

3 结论与讨论

利用临夏州的6个国家自动气象观测站1961—2010年间的常规气象观测资料，从中挑选出日平均气温和日最低气温资料，使用数理统计方法、线性趋势法、Mann-Kendall突变检验法和Morlet小波分析方法，对临夏州50年寒潮天气发生的气候变化和时空分布进行分析和研究。定义临夏州寒潮天气过程强度指数和寒潮等级。临夏州寒潮天气多发于春季的4—5月和秋冬季的10—11月。1961—2010年间，临夏州寒潮天气发生频次呈现出先增加后减少趋势。50年间临夏州寒潮强度指数呈0.34/10年的趋势下降（通过0.01显著性水平检验）。Mann-Kendall突变检验显示，临夏州50年来寒潮天气发生频次没有产生突变。小波分析显示，临夏州寒潮天气发生频次存在18～22年、9～11年和2～4年周期振荡规律。寒潮天气常伴随10 ℃以上的强降温和大风天气，对农业的危害和影响非常大。

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