1961—2019年吉林省暖冬气候特征分析

刘 宁, 于秀晶*, 黄 晶

(1.吉林省气候中心，长春 130062；2.安徽省大气探测技术保障中心，合肥 230031)

随着人类工业革命的开启以及经济的持续发展，地球也进入了一个新时期，大量温室气体被释放到大气层中，全球气温上升，导致极地冰川消融、海平面上升、气候风险加大，中国主要表现为冬季气温升高，极端天气气候事件渐强渐多[1-6]。暖冬影响利弊兼备，冬季气温较高有利于减轻供暖压力、节约能源；降雪融化快有利于交通运输；可减少心脑血管疾病的发病及死亡人数；对牲畜越冬、蔬菜生长、多年生经济林木、农田水利建设、道路施工及户外作业等也均有有利影响。但暖冬也会导致极端事件发生、重大工程运行风险加大、农业生产条件改变、水资源稀缺等不利影响[7-10]。暖冬对人类健康、生态环境、经济与农业生产活动均有直接或间接的影响，因此暖冬研究逐渐得到了广泛的关注。

图1 吉林省46个站点分布Fig.1 The 46 meteorological observation stations in Jilin Province

近年来，对暖冬的定义及等级划分的方法在不断更新，随着气象业务及气候研究的不断深入，逐渐形成了统一的定义和标准。2008年国家质量监督检验检疫总局和国家标准化管理委员会发布了国家标准《暖冬等级》(GB/T 21983—2008)[11]。有诸多学者依据此标准对不同地区暖冬气候特征进行了研究。林昕等[12]、杜军等[13]、陈倩雯等[14]、李会霞等[15]、徐虹等[16]均利用国家标准《暖冬等级》对近几十年福建、青藏高原、黄土高原、云南等地区暖冬事件时间序列进行提取与分析，并取得较为显著的研究成果。吉林省位于松辽平原中心，是中国著名的大粮仓，土地肥沃，畜牧业资源也较为丰富，因此吉林省成为很多研究气候变化及相关领域学者的关注焦点。尹炀等[17]、山珊等[18]的研究显示，1960年以来吉林冬季气温呈现出波动上升的趋势；高峰等[19]、杨雪等[20]认为吉林省平均气温在1986年发生增暖突变，且冬季增暖最为显著，暖冬年内东北地区因仅受西北风影响，冷空气势力弱；任景全等[21]的研究显示吉林省冷持续日数、冰冻日数等极端气温指数在20 世纪 80 年代发生突减，而暖持续日数、热夜日数等发生突增；沈志超[22]则认为东北地区冬季增暖主要从20世纪80年代中期开始，暖冬年集中发生在90年代后，且发生强度和频率有显著增加趋势。目前已有较多学者对吉林省气温变化进行了研究并得出冬季显著增暖的结论，但根据气温对吉林省暖冬进行等级划分并对其进行气候变化特征的分析，尚未见相关的研究成果。现在国家标准《暖冬等级》基础上，提取1961—2019年暖冬事件时间序列，并分析吉林省冬季气温变化特点及暖冬事件的气候变化特征，为吉林省农牧业生产、生态环境保护及防灾减灾工作提供理论依据。

1 资料与方法

1.1 研究区域概况

吉林省位于中国东北地区中部，经纬度范围为 122°E～131°E、 41°N～46°N。图1所示为选取的46个站点分布。吉林省按区域划分为西、中、东3个区域。西部包括白城和松原；长春、四平和辽源为中部；东部地区包括吉林、通化、白山、长白山保护区(东岗、二道)和延边。

1.2 资料来源

选取吉林省气候中心从长Z文件提取的国家基准站地面逐日气温观测资料，资料经过均一化处理。为确保资料长度的一致性，剔除1961年之后缺测较多的站点，选取了资料完整性较好的46个站点1961—2019年冬季逐日气温观测资料，包括日平均气温、日最高气温和日最低气温资料。以当年12月至翌年2月为翌年冬季 (如2018年12月—2019年2月为2019年冬季)，计算1961—2000年冬季气温距平采用1961—1990年30 a气候平均值，计算2001—2010年冬季气温距平采用1971—2000年30 a气候平均值，计算2011—2019年冬季气温距平采用1981—2010年30 a气候平均值。

1.3 气候倾向率

采用气候倾向率估计方法对吉林省冬季平均气温变化趋势进行分析，设t为年份(1961—2019年)，y为拟合值(对应年份的冬季平均气温)，a为气候倾向率，b为常数，得到y和t之间的线性方程

y=at+b

(1)

式(1)中：a的正负代表趋势，a>0，说明随着时间t的增加，气温y呈上升趋势，反之说明呈下降趋势。|a|表示速率，值越大，表示气温上升或下降的趋势越大，反之则气温上升或下降的趋势越小。

1.4 暖冬指标和暖冬等级划分

参考国家标准《暖冬等级》，对吉林省暖冬进行定义和划分。在空间上可分为单站暖冬和区域暖冬(本文中区域暖冬即为吉林全省暖冬)，且两者均有强弱两个等级。该标准中根据气温来定义单站暖冬强度，并在此基础上以单站暖冬站数与总站数的百分比来界定区域暖冬。

1.4.1 单站暖冬和暖冬等级划分

(2)

(3)

将单站冬季平均气温距平ΔT与暖冬阈值0.43σ之差定义为单站暖冬指数IWs，单位为℃。当ΔT≥0.43σ时，即认为发生了单站暖冬。标准中将单站强暖冬阈值界定为1.29σ。因此，单站暖冬界定标准为0.43σ≤ΔT<1.29σ；强暖冬标准为ΔT≥1.29σ[23]。

1.4.2 区域暖冬和暖冬等级划分

将某一区域内暖冬站数与总站数的百分比定义为区域暖冬指数IWa，当IWa≥50%时即认为发生了区域暖冬，发生的年份即为暖冬年。若区域内发生强暖冬的站数占暖冬站数的50%以上，即认为发生了区域强暖冬。具体等级划分如表1所示。

表1 单站暖冬及区域暖冬划分Table 1 The grade’s division of single station warm winter and regional warm winter

2 吉林省冬季气温变化

2.1 冬季平均最高气温、平均气温、平均最低气温变化

如图2所示，1961—2019年吉林省冬季平均气温为-13.3 ℃，近59 a升温速率为0.41 ℃/10 a，远高于全国增暖趋势( 0.16 ℃/10 a)[24]，并通过0.01的显著性检验。80年代末期气温发生突变，增暖显著，至2019年近30 a气温均处于高位，但变化趋势不明显，其中90年代末期至2019年近20 a气温波动幅度加大。

图2 吉林省冬季各气温变化趋势Fig.2 The trends of winter temperature in Jilin Province

吉林省冬季平均最高气温、平均气温、平均最低气温均呈现升高趋势，平均最高气温的线性增温率为0. 27 ℃/10 a，在三者中最小，平均气温的升温趋势次之，增温率达到0. 41 ℃/10 a，平均最低气温的升温趋势最大为0.53 ℃/10 a，并通过0.001的显著性检验。因此得知，冬季平均最低气温的升高是吉林省冬季变暖的主要因素。

从表2可知，冬季3个月平均最高气温、平均气温、平均最低气温均为升温趋势，而2月各气温的升温趋势均大于12月和1月，由此可见2月气温上升对冬季变暖的影响最大。

表2 吉林省冬季逐月各气温的气候倾向率Table 2 The climate tendency rate of temperature in winter in Jilin Province

注：黑体表示2月各气温升温趋势均大于12月和1月。

2.2 冬季平均气温变化趋势的空间分布

图3 1961—2019年吉林省冬季平均气温变化趋势分布Fig.3 The distribution of mean winter temperature trends in Jilin Province during 1961—2019

从图3可知，本文中研究的46个站点冬季平均气温均呈上升趋势，东部大部分站点气温变化率较大，全省大部均有较为明显的变暖趋势。各站点气温变化率范围为0.05～0.77 ℃/10 a，其中农安变化率最小，每10 a气温仅上升0.05 ℃；有22个台站气温变化率为0.25～0.4 ℃/10 a；松原大部、长春东南部、四平大部、吉林大部、通化、白山西部及洮南等23个台站气温变化率大于0.4 ℃/10 a，其中吉林市区最大为0.77 ℃/10 a。

3 吉林省暖冬事件的变化

3.1 单站暖冬事件变化

由图4可知，1961—2019年吉林省单站暖冬发生5～59次，频次范围较大。暖冬频次呈现西南部和东南部大、北部小的空间分布。其中四平大部、通化南部、延边东南部10县市暖冬频次≥40，集安、和龙、龙井和珲春4县市暖冬频次>50，珲春最多达59次，即1961—2019年每年均出现暖冬。扶余、蛟河、二道及长白暖冬频次在10次以下，二道最少仅出现5次。

图4 单站暖冬发生频次Fig.4 Occurrence frquencies for single station warm winter

与单站暖冬发生频次的空间分布相同，单站强暖冬发生频次仍呈现西南部和东南部大、北部小的空间分布(图5)。四平市区、梨树、集安、和龙、龙井、延吉、珲春强暖冬发生频次为33～57次，其中珲春最多达57次，仅1977年和2013年未发生强暖冬。白城北部、吉林中东部及扶余、榆树、靖宇、二道和长白为1～4次，其中扶余、蛟河、靖宇、二道和长白仅出现一次强暖冬。

从单站暖冬指数变化趋势可以看出(图6)，1961—2019年吉林省大部分县市的暖冬指数IWs呈上升趋势，共42县市暖冬指数线性趋势为正，与冬季平均气温变化趋势分布大致匹配，其中通化南部、吉林西北部、白山西部及宁江区(松原市区)、长春市区、敦化和二道10县市IWs线性趋势超过0.2 ℃/10 a，其中吉林市区最大为0.49 ℃/10 a，该站冬季平均气温变化趋势也为全省最大；农安、德惠、长白和汪清4县市IWs线性趋势为负，其中农安最小为-0.23 ℃/10 a，由图3可知农安冬季平均气温变化趋势也为全省最小，两者相匹配。

3.2 区域暖冬事件变化

近59年来吉林省区域暖冬指数呈升高趋势，变化率约为4.3%/10a，说明吉林省冬季气温确实存在变暖的趋势，达到暖冬标准的站点数呈增长趋势。

59年间共出现25个暖冬，其中60年代出现1个，70年代出现3个，80年代出现4个，90年代最多出现9个暖冬，1990—2019年共出现17个暖冬，占总数的68%，21世纪以来出现8个。1998、2007年吉林省区域暖冬指数均为100%，即46个站点均发生暖冬。如表3所示，在25个暖冬年中，共有18个年份为强暖冬年，其中70年代出现1个，80年代出现3个，90年代的9个暖冬年均为强暖冬年，21世纪以来出现5个。2007年是自1961年以来暖冬范围最大、强度最强的一年，全省有44站发生了单站强暖冬，其余两站仅发生单站暖冬。

余下的34个非暖冬年均有单站暖冬发生，60年代非暖冬年最多为9个。全省暖冬指数在4%～46%，即发生了局地暖冬。

表3 1961—2019年吉林省区域(强)暖冬事件年份Table 3 Years of regional (strong) warm winter events in Jilin Province during 1961—2019

注：黑体为强暖冬发生年份。

4 结论

(1)1961—2019年吉林省冬季平均气温为-13.3 ℃，增温趋势明显，近59 a升温速率为0.41 ℃/10 a。冬季平均最高气温、平均气温、平均最低气温均呈现升高趋势，其中平均最低气温的升温趋势最大为0.53 ℃/10 a，并通过0.001的显著性检验。因此可知，冬季平均最低气温的升高是吉林省冬季变暖的主要因素。2月平均最高气温、平均气温、平均最低气温的升温趋势均大于12月和1月，由此可见2月气温上升对冬季变暖的影响最大。

(2)各站点冬季平均气温均呈上升趋势，东部大部气温变化率较大。各站点气温变化率范围为0.05～0.77 ℃/10 a，农安最小为0.05 ℃/10 a；有22个台站气温变化率为0.25～0.4 ℃/10 a；23个台站气温变化率大于0.4 ℃/10 a，其中吉林市区最大为0.77 ℃/10 a。

(3)1961—2019年吉林省各站单站暖冬发生频次为5～59次，单站强暖冬发生1～57次，均呈现西南部和东南部大、北部小的空间分布。共42台站IWs线性趋势为正，与冬季平均气温变化趋势分布大致匹配。共10台站IWs线性趋势超过0.2 ℃/10 a，其中吉林市区最大为0.49 ℃/10 a；4县市IWs线性趋势为负，其中农安最小为-0.23 ℃/10 a。

(4)近59年吉林省区域暖冬指数呈升高趋势，变化率约为4.3%/10 a，说明吉林省冬季气温确实存在变暖的趋势，达到暖冬标准的站点数呈增长趋势。59年间共出现25个暖冬，1990—2019年共出现17个暖冬，占总数的近70%。在25个暖冬年中出现18个强暖冬年，2007年是自1961年以来暖冬强度及范围最大的一年，全省有44站发生了单站强暖冬，其余两站仅发生单站暖冬。

温室气体使地球能够保持适宜的温度，适于人类和动植物生存。但随着经济发展、人类活动增多导致温室气体的含量迅速升高，全球显著升温。而厄尔尼诺事件、西太平洋副热带高压、东亚季风等自然因素也会使暖冬气候发生[25-27]。中国在全球气候系统变暖的大背景下，极端天气事件发生频繁，未来相关部门应在以往天气气候事件应对基础上，合理利用气候资源，减少或消除因暖冬气候带来的损失。