1961-2019年河南省寒潮时空分布及其对农业的影响

王记芳， 左 璇， 朱业玉

(河南省气候中心，郑州 450003)

引 言

寒潮是世界各地频繁发生的极端气象灾害之一，往往伴随着霜冻、严寒、大风和暴雪等恶劣天气，对农牧业生产、交通运输、电力设施和人体健康等诸多方面产生重大影响[1-5]。IPCC第五次评估报告指出，在气候变暖背景下，生态系统的脆弱性不断增加，预计全球寒潮风险将进一步加剧[6]。因此，加强对寒潮时空变化特征的研究，有助于进一步认识寒潮灾害的变化规律，为寒潮灾害的防御提供科学依据。

我国地理跨度大，气候条件差异也较大，不同地区的寒潮具有不同的特点。近年来，许多学者对我国不同区域寒潮的时空分布特征及成因进行了大量的研究。王遵娅[7]、钱维宏[8]和康志明[9]等分别研究了中国寒潮的变化趋势，均发现我国寒潮频次总体上呈减少趋势。在寒潮的空间分布上，王遵娅等[7]认为我国寒潮主要发生在北方地区，特别是新疆北部和内蒙古中部；康志明等[9]则认为，除了我国北方地区，我国东部的江南地区也为寒潮的高发区。这是由于二者采用的寒潮定义不同而造成的。赵玉广等[10]研究发现，1962-2008年间河北省寒潮频次呈下降趋势，与冬季增暖趋势的相关性较高，其中冬半年的平均最低气温上升最为明显。陈豫英[11-12]等对宁夏1961-2008年间的寒潮变化特征进行研究，发现寒潮频次总体上呈下降趋势，其中春季寒潮呈上升趋势，冬季则呈下降趋势。孟祥君等[13]对东北地区1960-2010年间寒潮的变化特征进行研究，发现寒潮的空间分布差异较大，发生频次呈减少趋势，地理纬度、地形地势和焚风效应是影响该区域寒潮发生的重要因素。曹兴[14]、博尔楠·哈不都拉[15]等研究表明，新疆乌鲁木齐市寒潮频次在年际、季节尺度上和阿勒泰市春季寒潮频数均呈现减少趋势。满苏尔·沙比提[16]研究发现，我国南疆地区1949-2008年间寒潮发生频次不断减少，但是部分作物的抗寒能力下降，农业遭受寒潮冻害的风险加大，并且受灾程度也更为严重。一些研究表明，在气候变暖背景下，我国部分地区的寒潮强度并没有减小，极端寒潮事件出现的概率增加。例如，Jiang等[17]研究发现，中国寒潮的发生频次在1957-2009年间总体上呈减少趋势，但由于大气环流等原因，华南地区可能会出现持续时间较长的极端寒潮事件。Ma等[18]研究发现，1988-2016年间东亚区域极端寒潮现象变得更加严重和频繁，在人为全球变暖的驱动下，大气内部的变异性可能是导致此现象的原因。上述研究为认识中国及周边区域寒潮的时空分布与成因提供了更系统的依据。

河南省地处黄淮海平原腹地，是我国重要的粮食生产基地，同时也是极易遭受寒潮灾害的地区。目前关于河南寒潮的研究主要集中于预报技术和对某次寒潮过程的成因分析[19-23]，对近几十年间河南寒潮气候特征的研究较少，同时寒潮对农业影响的相关工作也未开展。因此，本文利用1961-2019年河南省111个国家气象站的日最低气温资料和1978-2019年的气象灾情资料，研究了河南省寒潮的时空分布特征及其对农业的影响，研究结果为正确认识河南省寒潮变化规律及农业防灾减灾提供科学依据。

1 资料和方法

寒潮综合强度指数的计算借鉴相关研究[25-26]，计算公式为

IZ=IF-ID+IS

(1)

式(1)中,IZ为某次寒潮过程综合强度指数，IZ值越大(小)，表示寒潮过程越强(弱);IF为寒潮过程降温幅度指数，由达到寒潮标准的所有站点最大降温幅度平均值再经标准化得到;ID为极端低温指数，由达到寒潮标准的站点极端最低气温平均值再作标准化得到;IS为寒潮过程的范围和持续时间指数，由达到寒潮标准的站点过程天数之和，再经标准化得到。

标准化计算公式为

(2)

(3)

δ为该指数序列的均方差：

(4)

此外，本文采用线性趋势分析[7,25]对寒潮频次、寒潮综合强度指数和持续日数的年际变化特征进行研究。

2 结果与分析

2.1 单站寒潮空间分布

根据上述寒潮标准，统计出1961-2019年河南省111个站年平均寒潮频次的空间分布(图1)。由图1可以看出，河南省单站寒潮发生频次存在明显的空间差异，豫北和中东部地区的多，豫西和豫南的少。全省年平均寒潮发生频次为2.1次/a。豫北北部、豫东的东部和豫西山区东侧的洛阳-平顶山一带为寒潮高发区，年平均寒潮发生频次为2.5～3.8次/a；豫西大部、豫西南大部和豫南大部为寒潮少发区，年平均寒潮发生频次为1.0～2.0次/a；其余地区为2.0～2.5次/a。永城站寒潮频次最大，西峡站的最小。寒潮的这种空间差异主要与入境寒潮的活动路径和东西部地形有关。寒潮冷空气自西北向东南影响河南，在南下过程中强度逐渐减弱，因此寒潮频次北部和东部的多于南部的。同时由于豫西高大山体对冷空气的阻挡作用，使豫西和豫西南受寒潮影响较少，而冷空气沿山区东侧南下，造成山区东侧寒潮发生较多。

图1 1961-2019年河南省年平均寒潮频次空间分布

从单站寒潮平均最低气温的空间分布来看(图2a)，豫北大部、豫西大部和中东部偏南地区为-4.8～-3.0 ℃，沿黄及中东部偏北地区、豫西南和淮河以南大部为-3.0～-1.5 ℃，其中西峡站的最高，南乐站的最低。从单站寒潮平均降温幅度的空间分布来看(图2b)，降幅由西北向东南增加，豫北、中西部和豫西南大部为10.6～11.5 ℃，豫东大部和豫南大部为11.5～12.7 ℃，其中沿淮以南地区在12.0 ℃以上，济源、博爱和伊川的最小，光山的最大。平均降温幅度与寒潮频次的空间分布有所不同，豫北和豫中的寒潮频次较多，但降温幅度并不是很大，而豫南的寒潮频次虽然少，但一旦达到寒潮标准，降温幅度却很大。

图2 1961-2019年河南省寒潮平均最低气温(a)和平均降温幅度(b)空间分布

2.2 区域寒潮过程时间分布

2.2.1 寒潮月际变化

（1）内控意识比较淡薄。部分科研事业单位没有认识到内部控制在日常工作中的重要性，认为内部控制仅是财务部门的工作，未能从全局视野考虑内部控制，导致内部控制的作用得不到有效发挥。

近59年来，河南省共出现区域性寒潮213次(统称为寒潮总次数)，平均每年3.6次，其中全省性寒潮50次，平均每年0.85次，占寒潮总次数的23%。表1统计了河南省各月寒潮出现频次。寒潮出现在每年10月至翌年5月，5月只出现1次寒潮。除5月外，其余各月中，11月寒潮发生最为频繁，59年内共出现62次，占总次数的29%；其次是3月的占总次数的17%；1月的最少，只占8%。全省性寒潮的分布与此相同，也是11月的最多，共出现18次，其次是3月和4月均出现9次，1月未出现过全省性寒潮。过程最大降温幅度超过16 ℃的寒潮频次也以11月最多，其次是2月和4月，1月和10月较少。从季节分布来看，河南寒潮主要发生在秋季(83次)，冬季和春季发生的寒潮次数相同(65次)。造成寒潮的这种月、季分布特征的主要原因是，11月为秋冬转换季节，冷空气开始活跃，此时气温仍然较高，气温变化剧烈，降温幅度容易达到寒潮标准。冬季冷空气达到最强，但由于此时气温很低，降温幅度难以达到寒潮标准，故寒潮频次较秋季的少。春季3月气温回升较快，同时冷空气活动仍较频繁，也容易达到寒潮标准。寒潮初日以11月中下旬较多，最早为1962年10月14日，而寒潮终日以4月上中旬居多，最晚为1987年5月3日。

表1 1961-2019年河南省各月寒潮出现频次

2.2.2 寒潮年际变化

图3为1961-2019年河南省年、春季、秋季、冬季寒潮频次年际变化。从图3可看出，近59年河南省寒潮频次具有显著的减少趋势，减少速率为0.38次/10a，通过了0.05的显著性检验。冬季、春季和秋季寒潮频次均呈减少趋势，减少速率分别为0.20次/10a、0.11次/10a和0.12次/10a，冬季减少趋势通过了0.05的显著性检验，春季和秋季没有通过显著性检验。从年代际变化来看(表2)，1960年代寒潮频次最多(49次)，1970年代的次之(42次)，2000年代寒潮频次较1990年代的明显减少(23次)，2011-2019年寒潮频次较2000年代明显增多(28次)。从河南省冬半年平均最低气温年际变化(图4)可看出，在气候变暖背景下河南省冬半年(10月至翌年4月)平均最低气温明显升高，升高速率为0.4 ℃/10a，通过了0.01的显著性检验。年寒潮频次与冬半年平均最低气温呈显著的反相关，相关系数通过了0.01的显著性检验。

图3 1961-2019年河南省年(a)、春季(b)、秋季(c)、冬季(d)寒潮频次年际变化

表2 1961-2019年河南省各年代不同强度寒潮出现的频次及比例

图4 1961-2019年河南省冬半年(10月-翌年4月)平均最低气温年际变化

2.3 寒潮综合强度特征

利用式(1)对河南省213次寒潮过程的综合强度指数进行计算，并与历史灾情资料进行对比分析。2009年11月9-15日、1992年3月1-6日和1987年11月26日-12月2日为1961年以来最强的3次寒潮过程，对应的寒潮强度指数IZ值分别为9.49、8.01和7.92。查找历史灾情资料发现，这3次寒潮过程均造成了严重灾害。其中，2009年11月9-15日的寒潮过程中，河南北部和中部地区普降暴雪，有1/3的地区积雪深度突破历史极值，南部和东南部地区出现了冻雨，此次过程导致机场、高速公路关闭，大量房屋被积雪压塌，对农业、电力、交通运输及人民生活均造成了严重影响。而1986年4月11日、2010年11月12日和1964年11月1-2日为1961年以来最弱的3次寒潮过程，对应的寒潮强度指数IZ值分别为-3.40、-3.34和-3.28，未见有历史灾情记载。由此可见，本文式(1)的计算结果能较好地反映出河南寒潮强度的实际情况。

根据213次寒潮过程的综合强度指数，从季节变化来看，寒潮强度冬季的最大，秋季的次之，春季的最小。从各月平均值来看(图 5)，2月寒潮强度最强(平均强度指数为1.29)，1月的次之(1.22)，4月的最弱(-1.16)。寒潮强度的月变化与冷空气强度基本一致。10月-翌年2月冷空气势力逐渐增强，并在1、2月份达到最大，寒潮强度也随之增加，入春后冷空气势力逐渐减弱，寒潮强度也明显减小。近59年河南省寒潮强度无明显的线性变化趋势(图 6)。1961-2007年以波动变化为主，2007年后年际变化加大，出现了2009年和2016年2个最强寒潮年，而1997年和2002年没有出现寒潮，最弱的5个寒潮年为2010、2011、2012、1975和1995年。

图5 1961-2019年河南省寒潮强度指数月际变化

图6 1961-2019年河南省寒潮强度指数年际变化

根据寒潮综合强度指数计算结果，将寒潮分为强(IZ≥1.5)、中(-1.5

图7 1961-2019年河南省各级寒潮比例月际变化

2.4 寒潮过程持续日数

表3统计了河南省不同持续日数的寒潮过程频次和比例。由表3可以看出，持续日数≤4 d的寒潮过程最多，占寒潮总数的92%，其中持续日数2～3 d的寒潮过程占寒潮总数的61%；持续日数≥5 d的寒潮过程较少，仅占寒潮总数的8%。强、中、弱寒潮平均持续日数分别为3.8 d、2.6 d和1.9 d。其中，弱寒潮以持续日数1～2 d的过程居多，中等寒潮以持续日数2～3 d的过程居多，而强寒潮以持续日数3～4 d的过程居多，寒潮强度越强，持续日数越长。近59年来，河南省年寒潮日数呈显著减少趋势(图8)，减少速率为0.96 d/10a，通过了0.05的显著性检验，与寒潮发生频次的变化趋势相一致。

表3 1961-2019年河南省不同持续日数的寒潮过程频次和比例

图8 1961-2019年河南省寒潮日数年际变化

3 寒潮对农业的影响

本文对1978-2019年河南省气象灾害造成的农作物受灾面积进行统计，由于寒潮常常伴随强降温和降雪，造成低温冻害和雪灾，在缺少寒潮冻害资料的情况下，利用历年的低温冻害和雪灾受灾面积来表示寒潮冻害情况。近42年河南省寒潮冻害造成农作物受灾面积的年平均值为184.5千hm2，约占总受灾面积的5%。总体来看，近42年河南省寒潮冻害造成的农作物受灾面积呈不显著的减少趋势(图 9)。其中，1988-2010年的偏多，1978-1987年和2011-2019年的偏少，尤其是2011年以来减少明显。1978-2019年寒潮冻害造成的农作物受灾面积较多的年份为1993年(729.2千hm2)、1998年(621.6千hm2)、1988年(590.9千hm2)、1995年(589.8千hm2)和2005年(565.5千hm2)，而1997年、2012年、2014年、2015年、2016年、2017年和2019年，寒潮没有造成农作物受灾。

图9 1978-2019年河南省寒潮冻害受灾面积年际变化

由此可见，寒潮冻害受灾面积与寒潮频次和强度的年际变化并不是完全对应的，这主要是由于其不仅与寒潮频次和强度有关，而且与寒潮发生季节、农作物的生育期和抗寒能力等因素有关。例如，2009年11月中旬和2016年11月下旬全省均出现了强寒潮暴雪天气，但由于此时农作物正处于冬前生长期，抗寒能力较强，没有造成大面积冻害。2018年3月中旬和4月上旬全省出现了2次中等强度的寒潮过程，虽然寒潮强度不大，但由于此时农作物正处于拔节孕穗的生长关键期，抗寒能力很弱，造成了大面积农作物受灾。2019年全省出现了6次寒潮过程，寒潮频次较多，但由于寒潮强度较弱，且没有发生在作物生长关键期，因此没有造成低温冻害。

由2005-2019年河南省寒潮冻害受灾率(受灾面积/播种面积)的空间分布可知(图10)，全省寒潮冻害受灾率的空间分布差异较大。其中，豫北大部、豫西三门峡、豫东开封和商丘、豫南驻马店和信阳大部受灾严重，年平均受灾率在1%以上，而洛阳、郑州、南阳、平顶山、许昌、漯河、周口等地受寒潮影响较轻，年平均受灾率不足1%。这主要与寒潮频次、寒潮最低气温和降温幅度的空间分布有关。寒潮冷空气自西北向东南影响河南，豫北和豫东位于寒潮的活动路径上，寒潮频次较多，气温较低，所以受灾率较大。豫西海拔较高，寒潮过程气温较低，也易遭受低温冻害。豫南虽然寒潮频次少，但寒潮过程降温幅度大，加之暖湿气流活跃，常常出现大到暴雪，加重了灾情。豫西南寒潮频次少，降温幅度也较小，低温冻害较轻。通过上述分析可知，在气候变暖背景下，虽然河南省寒潮频次和受灾面积整体上呈减少趋势，但2011年后寒潮频次明显增加，并且3、4月份寒潮频次较多，此时正值农作物拔节孕穗和果树开花的生长关键期，抗寒能力较弱，加之寒潮低温和降温幅度的空间差异较大，因此河南农作物遭受寒潮冻害的风险仍然较大。

图10 2005-2019年河南省寒潮冻害受灾率空间分布

4 结 论

(1)河南省寒潮频次具有明显的空间分布差异，表现为豫北和中东部地区的多，豫西和豫南的少，其中豫北北部、豫东东部和豫西山区东侧的洛阳-平顶山一带为寒潮高发区。从寒潮平均最低气温的空间分布看，豫北大部、豫西大部和中东部偏南地区的较低，豫东偏北地区、豫西南和淮河以南大部的较高。寒潮平均最大降温幅度的空间分布与寒潮频次和最低气温的空间分布差异较大，表现为由西北向东南增加，豫东和豫南地区的寒潮降温幅度明显高于全省其他地区的降温幅度。

(2)近59年河南省共出现区域性寒潮213次，其中全省性寒潮50次。从月分布看，寒潮过程在11月发生频次最多，1月的最少。从季节分布看，寒潮过程秋季发生频次最多，冬季和春季的相同。近59年河南寒潮频次呈显著减少趋势，冬季、春季和秋季寒潮频次均呈减少趋势，其中冬季减少趋势显著，这与河南冬半年平均最低气温显著升高的趋势相反。从年代际变化来看，寒潮频次1960年代的最多，2000年代的最少，但2011年以来寒潮频次较2000年代的明显增加。

(3)近59年河南省区域性寒潮强度指数以2月的最大，1月的次之，4月的最小。强、中、弱等级寒潮过程分别出现39次、121次和53次，其中冬季强寒潮比例最大，春季和秋季弱寒潮比例最大。近59年全省强、中等级寒潮频次随年代际减少，弱寒潮频次无明显的年代际变化特征，但2010年代以来，中等和弱等级寒潮频次开始增多。区域性寒潮以持续日数≤4 d的过程为主，占寒潮总数的92%。强寒潮持续日数以3～4 d居多，中等寒潮的以2～3 d居多，弱寒潮的以1～2 d居多。近59年全省寒潮日数呈显著减少趋势，与寒潮发生频次的变化趋势一致。

(4)河南省寒潮冻害造成的农作物受灾面积约占总受灾面积的5%。寒潮冻害受灾率的空间分布差异较大，豫北大部、豫西三门峡、豫东开封和商丘、豫南驻马店和信阳大部受灾率较大。近42年河南寒潮冻害受灾面积呈不显著的减少趋势，但由于2011年以来河南寒潮频次明显增加，且寒潮在春季3、4月份发生频次较大，此时正值农作物的生长关键期，抗寒能力较弱，遭受寒潮冻害的风险仍然很大。