黄河内蒙古河段首凌前期水气界面热通量特征

刘珂 安智伟 刘吉峰

摘 要：为了给黄河凌汛期防灾减灾提供理论参考和数据支撑，利用气象、水文等观测数据和水气界面热量平衡方程，对黄河内蒙古河段冷空气活动特征、首凌前期水体失热特征进行研究，并对2011—2019年首凌前期水气界面的热量交换特征及其气候影响因素进行了分析，结果表明：1961—2019年黄河内蒙古河段冷空气过程发生频次约为65次/a，其中寒潮发生频次约为7次/a;首凌约97%发生于冷空气过程中，这些冷空气有33%属弱冷空气、37%属寒潮，首凌当日的冷空气过程从弱冷空气过程向强冷空气过程过渡;1971—2019年黄河内蒙古河段平均首凌日期为11月18日，2011—2019年平均首凌日期较2000年以前推迟6.6 d，首凌前期河道初始水温上升对首凌日期具有明显延迟作用;2011年以前首凌前期水气界面总感热通量与过程径流总量显著正相关，2011年以后二者关系显著减弱，同流量条件下河道水温由5 ℃降至0 ℃的水气界面感热通量异常偏大，沿岸土壤温度梯度减小、冷空气活动频繁和地表风速显著加快是首凌前期水气界面感热通量异常增大的原因。

关键词：首凌;感热通量;河道水温;冷空气;黄河内蒙古河段

Abstract：Based on the ground-based meteorological and hydrological data， the characteristics of first streaming ice date in Inner Mongolia Reach of Yellow River and air-water heat fluxes were studied. The new features appeared after the year of 2011 and its attribution analysis also were traced. The results show that the average cold air event number is 65 times per year during the period 1961-2019 and the cold wave is 7 times. About 97% of the first streaming ice of the river section is occurred in the process of cold air， of which 33% are weak cold air and 37% are cold waves. The probability of cold air process occurrence on the river first streaming ice date is from weak to strong. The average date of first streaming ice in Inner Mongolia reach of the Yellow River is on November 18 for the period from 1971 to 2019. From 2011 to 2019， there are 6.6 days later than that before 2000. The initial water temperature rise of the channel in early stage delays the date of the first streaming ice significantly. Before 2011， the total air-water sensible heat flux is significantly and positively correlated with the total river flow and the relationship is remarkably weakened after 2011. Under the conditions of the same discharge， the water temperature drops from 5℃ to 0 ℃， the accumulated sensible heat flux at the air-water interface shows abnormally large. The decrease of soil temperature gradient and the increase of surface wind speed are possible climatological causes for the large anomaly occurred after the year of 2011.

Key words： first streaming ice; heat fluxes; river temperature; cold surge event; Inner Mongolia reach of Yellow River

黄河宁蒙河段（宁夏石嘴山—内蒙古头道拐）地处黄河流域最北端，海拔在1 000 m以上，距离海洋遥远，冬季常被蒙古高压控制，大陆性气候特征明显，气候寒冷，日平均气温在0 ℃以下的时间可持续4～5个月。该河段凌汛期通常从11月中下旬开始流凌，12月上旬封冻，次年3月中下旬解冻开河，封冻期封冻长度可达1 000 km[1]，冰凌灾害严重，1949年以來发生凌灾约30次[2]。

冰情变化最主要的影响因素是热力因素[3-6]，流凌过程中的摩擦力、拖曳力及风力均对冰凌的形成和运动有较大的影响[2]。冰情预报归根到底是对水温的预报，理论上水温的变化取决于水体和周围环境的热交换，包括水与大气的热交换、水与河床的热交换等，其中水与大气的热交换起主导作用[1，4]。目前，冰凌预报模型大多以热力学为基础，根据温度演变情况预测冰情[4，7-12]，已有的冰情预报方案大多忽略或简化了动力、河道及人为因素的影响。目前针对冷空气过程特征的研究主要集中在中国中高纬度地区，特别是冷空气活动频繁的新疆地区[13-16]，但针对黄河内蒙古河段凌汛期间冷空气特征及其与河道冰情关系的研究较少，对首凌前期水体的失热途径及其失热总量研究也很少。笔者结合以往对冷空气的研究，利用水气界面热量平衡方程，对黄河内蒙古河段冷空气活动特征、首凌（首次流凌）前期水体失热特征进行研究，分析了2011—2019年首凌前期水气界面的热量交换特征及其气候影响因素，以期为黄河凌汛期防灾减灾提供理论参考和数据支撑。

1 数据和分析方法

1.1 数 据

计算水气界面感热通量所用数据包括：黄河内蒙古河段包头水文站1961—2019年（其中2006—2010年缺测）逐日气温（距地表2 m）、风速（距地表10 m）、地温;1971—2019年三湖河口水文站逐日水温、平均流量、平均流速。计算冷空气过程所用数据包括黄河内蒙古河段附近（区间流域内外）29个气象站1971—2019年逐日最低气温、平均气温。

1.2 分析方法

1.3 冷空气等级划分标准

根据国家标准《冷空气等级》（GB/T 20484—2017），冷空气分为弱冷空气、中等强度冷空气、较强冷空气、强冷空气和寒潮，划分标准见表1（单站冷空气过程）。

2 黄河内蒙古河段冷空气活动特征

2.1 冷空气活动频次

1961—2019年黄河内蒙古河段及附近29个气象站冷空气活动发生频次约为65次/a。空间分布上河套平原西部和远离河道地区冷空气活动发生频次接近70次/a，其中：弱冷空气活动发生频次约为41次/a，发生频次整体表现为东低西高;强冷空气发生频次西低东高，黄河向南转向的北侧地区为强冷空气高发区，较西部多2～3次/a;各气象站寒潮冷空气过程发生频次约为7次/a，整体呈东高西低分布特征，东部寒潮发生频次较西部偏多5～6次/a。

时间演变上，20世纪60年代以来各年代各级冷空气过程发生频次见表2。

由表2可以看出，20世纪90年代以后冷空气活动发生频次明显减少，具体而言，弱冷空气活动年代际减少趋势明显，2011—2019年发生频次较1990年之前均值约减少7次/a，中等强度以上冷空气过程在1991—2010年明显减少后有增加的趋势。

2.2 11月冷空气活动特征

黄河宁蒙河段冬季首凌多发生在三湖河口至头道拐河段，1971—2019年多年平均首凌发生日期为11月18日。对20世纪60年代以来11月各级冷空气过程发生频次进行了统计，见表3。

就整个研究时段而言，11月平均有5.6个冷空气过程，其中：弱冷空气过程3.2个，中等冷空气过程0.9个，强冷空气过程0.7个，寒潮天气过程0.8个。年代际变化上，20世纪90年代和21世纪00年代冷空气过程发生频次明显减少，2011年后略有增加。各级冷空气降温持续时间，除较强冷空气外随着冷空气等级提高而增加，年代际各级冷空气降温持续时间均经历了先减少后增加的过程，2011—2019年各等级冷空气降温持续时间均较1990年以前明显增加。

3 三湖河口站流凌前期水文气象特征

3.1 气象水文基本要素统计

黄河宁蒙河段自每年11月1日进入凌汛期，11月1日至首凌日期称为流凌前期。20世纪70年代以来三湖河口站流凌前期气象水文基本要素统计见表4。三湖河口站流凌前期气温年代际波动较大，风速在2005年以前具有明显减慢趋势、2011年以后有所加快。水文要素上，水温在2000年以前有上升趋势、2000年以后有所下降，河道首凌日期在2000年后明显推迟（平均每10 a推迟4 d，2011—2019年较2000年以前平均推迟6.6 d），河道流量波动变化较大。

3.2 初始水温降至5 ℃的日期变化情况

对黄河宁蒙河段历史首凌前水温进行统计发现，进入凌汛期（11月1—5日）的水温呈明显上升趋势，1971—2000年平均为5.5 ℃，2011—2019年平均为6.9 ℃、对应首凌日期较2000年以前推迟约7.3 d。鉴于历年11月初河道水温均值均高于5 ℃，为了对首凌前期水气界面热通量变化情况进行量化分析，这里将首凌前期设定为河道水温首次降至5 ℃的日期至首凌当日。

图1为1973年以来三湖河口站初始水温（凌汛首日即11月1日的水温）降至5 ℃的天数变化情况。2000年之前初始水温降至5 ℃的天数平均为3.6 d、约有1/3的年份进入凌汛期后河道水温即降至5 ℃，2000年后仅2 a在11月1日降至5 ℃，2011—2019年水温降至5 ℃的天数平均为7.3 d，较2000年之前约增加3.7 d。进一步分析11月1日初始水温降至5 ℃的时长与11月1日至首凌日期时长的相关性（图1中直线为线性拟合结果），二者相关系数为0.34（通过显著性水平为0.05的检验）。

3.3 河道水温从5 ℃降至0 ℃的热通量变化情况

河道水温从5 ℃下降至0 ℃的水体失热过程是影响河道首凌日期的关键因素。根据河道水体表面的热量交换方程计算2011—2019年三湖河口站河道水温从5 ℃降至0 ℃的感热、潜热和风应力能量通量，结果见表5。由表5可以看出，水气界面热量平衡方程中的3个通量项中，感热占比最大、潜热次之、风应力能量最小，数量级分別为102、101、10-1。对水气界面热量平衡方程进行二阶近似，略去风应力项，则水气界面热通量变化主要由感热通量和潜热通量决定;进行一阶近似，略去潜热项和风应力项，则水气界面热通量变化主要由感热通量决定。

分析1971年以来（1971年以前无水温资料）三湖河口站河道流凌前期河道水温从5 ℃降至0 ℃的过程径流总量与总感热通量的相关关系表明，总体上河道水温由5 ℃降至0 ℃对应的总感热通量与过程径流总量显著相关（相关系数为0.48，通过显著性水平为0.01的检验），即水气界面热量损失随过程径流总量的增加而增加，但2011年以后二者关系发生明显改变，即过程径流总量与总感热通量之间的相关性明显减弱（水气界面总感热通量与过程径流总量的相关系数仅为0.06），河道径流量对河道水气界面热交换总量的影响显著减小。据统计，2011年后同流量条件下水温由5 ℃降至0 ℃对应的水面总感热通量较历史同流量条件下异常偏大。

3.4 首凌前期总感热通量异常偏大原因分析

2011年以来，宁蒙河段首凌前期水气界面感热通量异常偏大，从首凌前期总体热量损失途径是否发生了变化、感热通量自身是否存在异常变化趋势两方面进行原因分析。

根据《水利水电工程水文计算规范》（SL/T 278—2020），河道中水体与周边环境热交换因素包括辐射、气温、湿度、风速、水面蒸发（潜热）、对流失热（感热）、河段旁侧入流热交换、河床与水流热交换、水流动力加热等，其中辐射、气温、湿度和风速是影响河道水体失热最重要的气象因子。对封冻河段或浅水河道而言，水体与河床的热交换也是一个重要的因素，其热交换通量由热传导系数和土壤温度梯度的乘积决定。对1961—2015年各层土壤温度变化情况进行统计分析发现，80 cm以上土层温度有明显升高趋势。图2为包头气象站1961—2015年逐年11月各层土壤温度的垂直梯度变化情况，可以看出，2000年以后浅层（40 cm以上）土壤温度梯度有明显减小趋势。根据热平衡方程，一定流量条件下河道水温从5 ℃降至0 ℃时，在水体热量损失一定的情况下，若河道水体与河床热交换减少，则水气界面热交换通量将增大。

风应力能量通量公式中，假定拖曳系数不变，则感热通量是地气温差和风速的函数，其中地气温差是感热通量的根源、风速的作用类似于放大器。

据统计，黄河内蒙古河段97%的首凌发生于冷空气活动过程中，这些冷空气过程有33%属弱冷空气过程、37%属寒潮降温过程、15%属强冷空气过程、15%属较强冷空气过程。在冷空气活动强度年代际变化上，寒潮冷空气和弱冷空气活动变化趋势显著，其中寒潮冷空气活动为增加趋势、弱冷空气活动为减少趋势，此外，强冷空气与寒潮冷空气变化趋势一致，弱冷空气与较强冷空气变化趋势一致。把强冷空气和寒潮归为一类、把弱冷空气和较强冷空气归为一类，分别简称为强、弱冷空气，从年代际变化趋势看，研究时段内首凌当日的冷空气过程从弱冷空气过程向强冷空气过程过渡（见图3）。据统计，2011—2019年黄河内蒙古河段首凌当日沿河气象站达到强冷空气标准的约占75%，与20世纪60年代相比增加45%，相应的弱冷空气气象站占比则从70%降至25%。

1971—2019年有观测资料的32 a中，首凌前期约需经历2.2次冷空气降温过程，其中87.5%的年份包含有寒潮天气过程。各年代冷空气过程发生频次具有明显的波动性，2000年以后冷空气发生频次增加趋势明显。

进一步对首凌前期冷空气过程中寒潮最早发生时间进行统计表明，2000年之后寒潮最早发生日期提前趋势明显（较之前提前2 d），同时寒潮过程最大降温幅度有明显增大趋势。

图4为1961—2019年历年11月平均风速和水气温差（水温减气温）变化情况（图中曲线为5 a滑动平均趋势线），可以看出，2011年以后黄河内蒙古河段进入地面风速与水气温差增大的时期，这种气候背景有利于首凌前期水气界面感热通量增大。

4 结 论

（1）1961—2019年黄河内蒙古河段冷空气过程发生频次约为65次/a，其中寒潮冷空气过程发生频次约为7次/a;首凌约97%发生于冷空气过程中，这些冷空气过程有33%属弱冷空气、37%属寒潮，首凌当日的冷空气过程从弱冷空气过程向强冷空气过程过渡。

（2）1971—2019年黄河内蒙古河段首凌日期多年平均为11月18日，2000年以后首凌日期明显推迟，2011—2019年平均首凌日期较2000年以前推迟6.6 d。2000年后首凌前期河道初始水温与首凌日期具有明显负相关关系，初始水温上升对首凌日期具有明显延迟作用。

（3）1971—2010年黄河内蒙古河段首凌前期水气界面总感热通量与过程径流总量显著正相关，2011年以来过程径流总量与首凌前期水气界面感热通量的关系明显减弱，相同流量条件下水气界面感热通量明显增大。

（4）沿岸土壤温度梯度减小抑制了河道水体与河道周围土壤的热量交换，水气界面热量损失相对增加，冷空气活动增多特别是强冷空气活动频次增加及地表风速加大加剧了水气界面热量交换，这些因素使2011年以来黄河内蒙古河段首凌前期水气界面感热通量异常增大。

本研究对河道上游来水、河道过流能力、水库调度等因素未予考虑，在后续研究中应考虑这些因素。

参考文献：

[1] 刘吉峰，杨健，霍世青，等.黄河宁蒙河段冰凌变化新特点分析[J].人民黄河，2012，34（11）：12-14.

[2] 可素娟，王敏，饶素秋.黄河冰凌研究[M].郑州：黄河水利出版社，2002：50-73.

[3] 王玲，刘吉峰，谢文轩.黄河宁蒙河段冰凌预报模型研究进展[J].人民黄河，2014，36（12）： 8-10.

[4] 沈洪道.河冰研究[M].霍世青，李世明，饶素秋，等，译.郑州：黄河水利出版社，2010：43-49.

[5] 冯国华.黄河内蒙古段冰凌特征分析及冰情信息模拟预报模型研究[D].呼和浩特：内蒙古农业大学，2009：57-83.

[6] 彭梅香，王春青，温丽叶，等.黄河凌汛成因分析及预测研究[M].北京：氣象出版社，2007：17-29.

[7] 冀鸿兰，朝伦巴根，陈守煜.基于模糊识别人工神经网络的冰凌预报模型[J].水力发电，2008，34（11）：24-26.

[8] 陈守煜，冀鸿兰.冰凌预报模糊优选神经网络BP方法[J].水利学报，2004，35（6）：114-118.

[9] 王志兴，李成振，陈刚.冰情预报的投影寻踪回归模型[J].自然灾害学报，2009，18（5）：174-177.

[10] 李亚伟，陈守煜，韩小军.基于支持向量机SVR的黄河凌汛预报方法[J].大连理工大学学报，2006，46（2）：272-275.

[11] 冀鸿兰，卞雪军，徐晶.黄河内蒙古段流凌预报可变模糊聚类循环迭代模型[J].水利水电科技进展，2013，33（4）：14-17.

[12] 张一兵，刘珺，焦敏辉，等.基于气温特征值的三湖河口断面冰期预报模型[J].人民黄河，2017，39（1）：38-40.

[13] 谢芳，刘海涛，张向军，等.1971—2016年新疆南部冷空气过程频数变化特征[J].沙漠与绿洲气象，2018，12（6）：22-31.

[14] 刘红霞，王飞，杨温萍，等.1971—2015年北疆地区不同等级冷空气时空统计特征分析[J].沙漠与绿洲气象，2019，13（1）：70-78.

[15] 毛炜峰，陈颖.1951—2015年乌鲁木齐市寒潮过程频数及强度气候特征[J].干旱气象，2016，34（3）：403-411.

[16] HUA T， WANG X. Temporal and Spatial Variations in the Climate Controls of Vegetation Dynamics on the Tibetan Plateau During 1982-2011[J]. Adv. Atmos. Sci. 2018，35，1337-1346.

[17] LI Z， LYU S， ZHAO L， et al. Turbulent Transfer Coefficient and Roughness Length in a High Altitude Lake， Tibetan Plateau[J]. Theoretical and Applied Climatology， 2016， 124（3）：723-735.

【责任编辑 张智民】