1952—2016年滁州地区冰冻积雪时空特征及影响因子分析

2018-01-05胡姗姗熊世为杜少栋

浙江农业科学 2017年12期

关键词：滁州日数冰冻

胡姗姗，熊敏，熊世为，杜少栋

(滁州市气象局，安徽滁州 239000)

1952—2016年滁州地区冰冻积雪时空特征及影响因子分析

胡姗姗，熊敏，熊世为，杜少栋

(滁州市气象局，安徽滁州 239000)

利用1952—2016年滁州地区7个国家基本站积雪、冰冻地面观测资料，采用累积距平、相关分析、Mann-Kendall检验、小波分析等统计方法，分析了滁州地区积雪冰冻时空分布特征和长期变化特征。结果表明，1952—2016年滁州地区冰冻、积雪日数和积雪深度均呈现波动下降的趋势，其中冰冻日数下降趋势较为显著，并在80年代末开始发生突变减少；积雪日数在90年代末期以前以增多趋势为主，之后呈下降趋势；冰冻日数呈纬向分布，在中东部呈舌状分布；积雪日数呈西北多东南少分布，东部天长一带积雪日数最少。日最低气温在-1 ℃左右、日最高气温在3～4 ℃、日平均风速在2 m·s-1以下、日平均相对湿度在75%左右时，最有利于冰冻的发生；日平均气温和日平均地表温度在1 ℃左右、日平均相对湿度80%左右、日降水量6 mm以下时，有利于滁州积雪天气产生。

积雪；冰冻；累积距平；趋势检验

冰冻积雪灾害作为一种重要气象灾害，对我国社会经济的影响越来越大，严重的冰冻灾害对建筑业、电力、农业和交通运输业等都会造成不同程度的影响。目前引起冰冻灾害的成因已引起气象学者的广泛关注，并进行了大量的研究分析[1-12]。王遵娅[13]详细分析了中国冰冻日数的气候及变化特征，发现雨淞主要出现在中国南方地区，而雾淞主要出现在中国北方地区，并在20世纪90年代初发生突变减少。王颖等[14]对中国南方地区冰冻灾害的时空分布特征进行分析，发现冰冻灾害发生频率和冰冻灾害发生强度的空间分布均呈显著纬度地带性和垂直地带性特征。温华洋等[15]利用多元线性回归和人工神经网络两种方法，建立了安徽省3个不同区域电线积冰标准冰厚的气象估算模型。张卉慧等[16]对2008年雨雪冰冻灾害期间在安徽潜山测得的降水粒子谱数据进行了分析。

滁州地处江淮分水岭，属亚热带季风气候，各类极端天气事件频繁发生，冰冻灾害也经常发生，其中2008年中国南方低温雨雪冰冻灾害对滁州造成严重的影响和重大损失，农作物受灾面积达2 750 hm2，直接经济损失超过5 270万元。目前对于滁州地区冰冻灾害的研究多集中于对冰冻暴雪天气的过程总结及成因分析，针对滁州地区冰冻灾害的气候研究尚未开展，本文对1952—2016年滁州冰冻灾害的时空分布特征及气象影响因子进行深入和详细的分析，以期为滁州地区积雪冰冻灾害的评估和防灾减灾服务提供有益参考。

1 资料与方法

采用1952—2016年滁州地区7个气象观测站结冰、积雪天气现象观测资料，以观测记录中某日观测到结冰或积雪记为一个冰冻日或积雪日，其中结冰资料采用1952—2016年的数据，积雪资料采用1954—2016年的数据。利用线性倾向估计、相关分析、累积距平、Mann-Kendall检验和小波分析等统计方法分析滁州地区积雪冰冻灾害的时空分布特征、长期变化特征。

2 滁州积雪冰冻的分布特征

2.1 积雪冰冻的空间分布

1952—2016年滁州地区年平均冰冻日数为50～70 d。冰冻日数空间分布呈显著的纬向性特征，由北向南呈现递减趋势，年平均冰冻日数最高值位于滁州北部凤阳，达70 d，其次是来安、定远和明光60～62 d，南部全椒最少，仅50 d。另外在垂直地带性特征上，冰冻日数与各站海拔高度有关，在滁州中东部地区冰冻日数等值线呈舌状分布(图1)。

积雪日数较冰冻日数明显偏少，1954—2016年滁州地区年平均积雪日数为6.8～9.6 d，总体呈西北多东南少的特点。积雪日数高值区位于北部定远、凤阳和明光，为8.9～9.6 d，其中定远最高(9.6 d)，其次是滁州、来安、全椒7.6～8.6 d，东部天长最少，为6.8 d。滁州积雪日数的空间分布也具有明显区域特征，自北向南逐渐减少。

图1 1954—2016年滁州7站年平均冰冻日数空间分布和年平均积雪日数空间分布

2.2 积雪冰冻的时间分布

从1952—2016年滁州地区冰冻、积雪日数的月平均分布来看(图2)，从10月至翌年4月均会出现冰冻天气，主要集中在12月至翌年2月，冬季冰冻日数占全年的83%，其中1月冰冻天气发生最多，占全年的31%，2月和12月次之，分别占全年的21%和24%。3—4月强冷空气南下导致倒春寒天气发生时以及10—11月冷空气活动逐渐频繁时也偶有冰冻天气发生，共占全年的12%。而出现积雪的时段比冰冻更集中，滁州地区从11月至翌年3月都有可能出现积雪，其中12月和1月最多，共占全年的78%；其次是2、3月和11月，有降雪时积雪也偶有出现。

图2 1954—2016年滁州月冰冻、积雪日数变化

3 滁州积雪冰冻灾害的时间变化特征

3.1 年际变化

1952—2016年滁州年平均冰冻日数58 d，年冰冻日数达到70 d及以上的共5 a，1969年最多，达87 d；年冰冻日数在40 d及以下的有4 a，其中1953年最少，仅有32 d。年平均积雪日数9 d，积雪日数达到20 d以上的有6 a，1969年最多为32 d，有2 a未出现积雪，分别是1975年和2007年。1975年虽然结冰日数最多，但未出现积雪，而2007年结冰日数最少，也未出现过积雪，可见二者的相关性并不明显。

从图3可以看出，1952—2016年滁州站逐年冰冻、积雪日数变化曲线均呈现波动下降的趋势，冰冻日数减少幅度为1.4 d·10 a-1，积雪日数减少幅度为1.0 d·10 a-1。其中1974—1982年冰冻日数年际变化平缓，1965—1973年和2002—2013年冰冻日数年际变化较大，2014年后变化相对平稳。而积雪日数除2000—2006年以及2009年以来变化平稳外，其余时段年际变化较大。

图3 1952—2016年滁州站年平均冰冻、积雪日数变化

1954—2016年滁州积雪深度也呈现出减小趋势(图4)，其中1955—1958年、1983—1988年、2006—2013年年际变化较大。2008年积雪深度最大，为47 cm，其次是1955年的43 cm以及1954年的42 cm。

图4 1954—2016年滁州逐年最大积雪深度变化

3.2 年代际变化

由图5可以看出，滁州冰冻日数呈明显阶段性变化，各个年代均有所不同。90年代中期以前滁州冰冻日数呈增多趋势，之后则出现减少趋势，冰冻日数偏多和偏少的转折点出现在90年代中期。90年代末期以前滁州积雪日数呈现出多雪、少雪交替，但总体以相对较多为主，之后相对较少。可见在90年代末期以前冰冻日数和积雪日数均偏多，二者呈正相关；90年代中期到末期冰冻日数偏少而积雪日数偏多，呈负相关；90年代末期以后二者均偏少，呈正相关。

虚线为11 a滑动平均图5 1954—2016年滁州冰冻日数累积距平曲线和积雪日数累积距平曲线

3.3 变化趋势及显著性检验

从长期趋势看，滁州地区冰冻日数呈减少趋势，倾向率为-3.2 d·10 a-1，通过α=0.01的显著性检验。从空间分布来看(图6)，倾向率最小值位于滁州东部和南部的天长、明光、来安、全椒等地，呈减少的趋势；最大值位于定远、凤阳和滁州，也呈减少趋势。全市冰冻倾向率在-2.1～-5.6 d·10 a-1，相关系数全部通过α=0.05的显著性检验，其中滁州、来安、全椒、天长、明光通过α=0.01的显著性检验。积雪日数也呈缓慢减少趋势，倾向率为-0.5 d·10 a-1，倾向率最小值位于北部凤阳和南部全椒，其次是滁州、明光，最大值位于来安、天长和定远。全市积雪倾向率为-0.3～-0.7 d·10 a-1，相关系数均未通过显著性检验，变化趋势不显著。

由图7可以看出，冰冻从80年代末以来有明显减少的趋势。90年代中期以来至2010年这种减少趋势超过α=0.05的显著性水平，表明从80年代末开始滁州地区冰冻日数在减少，至90年代中期以来减少十分显著，这与前面分析结论一致，2010年后又有增长趋势，2013年起趋于平稳。积雪日数虽然UF统计量和UB统计量有多处相交，但均未通过α=0.05的显著性检验，说明滁州地区积雪日数没有发生明显突变。

3.4 周期分析

对1954—2016年滁州地区冰冻日数时间序列采用小波变换法进行分析，由图8可以看出，滁州地区冰冻日数存在明显的年和年代变化，1990年后年变化的周期为2～3 a，表现较稳定，准16 a的周期信号近50 a来几乎一直存在。积雪日数也存在3 a左右的年际变化周期，最强信号在20世纪60年代末到90年代初，周期信号准15 a的年代际周期信号在20世纪80年代后更加显著。

4 出现积雪冰冻的气象因子分析

4.1 冰冻产生的气象条件

气温、相对湿度和风速等是产生冰冻灾害的重要气象条件，对冰冻天气的预测具有参考意义[17]。滁州地区10月至翌年4月均会出现冰冻天气，统计分析该时段的冰冻日数与气象要素的相关关系可知，冰冻日数与最高气温和最低气温、平均风速均存在显著的负相关关系，与相对湿度呈正相关，均通过了α=0.01的显著性检验，其中冰冻日数与最低气温相关系数最高，为-0.51。

图6 1954—2016年滁州冰冻趋势和积雪趋势

图7 1954—2016年冰冻日数和积雪日数Mann-Kendall统计曲线

通过统计冰冻天气发生时的气象要素频率百分比分布，来确定滁州地区出现冰冻天气的有利气象条件。可以看出，冰冻发生时，日最低气温主要集中在-5～1 ℃，日最高气温主要集中在1～5 ℃，最易引起冰冻发生的最低气温为-1 ℃左右，有19%以上的样本发生冰冻灾害，2 ℃以上发生冰冻灾害的概率较小，日最高气温3～4 ℃易引起冰冻；冰冻发生时，风速较小，平均风速基本在5 m·s-1以下，最易引起发生冰冻灾害的平均风速为2～3 m·s-1，可见静小风有利于冰冻天气产生；冰冻发生时，相对湿度较大，主要集中在50%～80%，出现最多是在75%左右，当相对湿度小于40%时发生冰冻灾害概率较小(图9)。

图8 1964—2016年滁州地区冰冻日数序列小波分析和积雪日数序列小波分析

4.2 积雪产生的气象条件

影响积雪的气象因子较多，除了气温、相对湿度外，还有降水量、地表气温等。研究发现，湿而冷的冬季最有利于积雪的形成，在暖湿和冷干两种情况下，积雪变化由降雪量和气温两者影响的大小来决定[18-20]。由图10可以看出，积雪灾害发生时，日平均气温主要集中在-3～3 ℃，其中1 ℃左右产生积雪的概率最高；相对湿度主要集中在70%～90%，约占80%，低于50%则未出现积雪，可见湿度较大是积雪产生的必要条件；平均地表温度主要集中在-2～2 ℃，日降水量主要集中在0～6 mm，约占75%左右。

图9 1954—2016年滁州冰冻日的气温、风速和相对湿度的频率分布

图10 近60 a滁州积雪日的温度、相对湿度、地表温度和日降水量的频率分布

4 小结

1952—2016年滁州地区冰冻积雪日数空间分布的区域性特征较明显，冰冻日数整体呈由北向南递减的趋势，冰冻日数的高值中心位于北部凤阳，低值中心位于南部全椒。冰冻日数与各站海拔高度有关，在滁州中北部地区冰冻日数呈舌状分布；积雪日数呈西北多东南少分布，高值区位于东北地区的定远，低值区位于东部天长。近60 a来滁州地区冰冻灾害主要发生在12月至翌年2月，占全年总冰冻数的83%，其中1月发生最多，在周期特征上，冰冻日数存在准10 a的周期信号，2～3 a的年际周期变化在1990年后显著；积雪主要发生在11月至翌年3月，其中12月和1月出现最多，也存在3 a左右和准15 a的周期信号。

1952—2016年滁州地区冰冻积雪日数均呈现波动下降的趋势，减少幅度分别为2.20 a和0.5 d·10 a-1，其中冰冻日数在80年代末突然减少，尤其是90年代中期以来滁州冰冻日数显著减少，冰冻日数减少趋势明显的地区在东部天长；积雪日数在90年代末期以前以增加趋势为主，之后是相对减少，减少趋势明显的地区为北部凤阳。滁州地区冰冻日数与最低气温和最高气温关系最密切，呈显著负相关。当日最低气温在-1 ℃左右，日最高气温3～4 ℃，日平均风速≤2 m·s-1，日平均相对湿度为75%左右时，最有利于冰冻灾害的发生；当日平均气温和日平均地表温度在1 ℃左右，日平均相对湿度在80%，日降水量≤6 mm时，最有利于滁州积雪天气产生。冰冻积雪的形成一定程度上受局地小气候的影响较大。本文对冰冻天气的分析是利用滁州地区国家气象观测站资料进行的，且为人工观测，乡镇区域站因缺少观测站资料，因此对滁州地区的冰冻积雪的分布更全面和精细化的分析，还有待今后进一步深入的研究。

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