大兴安岭地区极寒天气特征分析

许丽玲，康恒元，潘明溪，韩凤岐，沈月钊，喻文兵，张秀红

（1.漠河市气象局，黑龙江 漠河 165399；2.哈尔滨市气象局，黑龙江 哈尔滨 150001；3.呼兰区气象局，黑龙江 呼兰 150025；4.五常市气象局，黑龙江 五常 150200；5.重庆交通大学，重庆 400074）

0 引言

21 世纪以来，随着北极地区的迅速升温［1-3］，整个欧亚大陆和美国东部地区都出现了降温趋势［4-8］，北半球中高纬度大陆地区在冬季经历了频繁的、更严重的极端严寒天气［2-4，9-11］。例如2009—2010年冬季北美和欧亚大陆的严寒、2013—2014 年冬季北美暴雪、2015—2016 年冬季中国霸王级寒潮［12-16］、2020—2021 年中国跨年寒潮［17］，2021 年初欧洲的大部分地区陷入低温和冰雪状态，造成至少24 人死亡，美国的很多洲都经历了零下十几度的极端天气，给美国人民的生活带来极大困难［18］。极端冷事件的频发重新塑造了公众对变暖背景下冬季的看法，极端冷暖事件频发且强度增大已成为新常态（国家气候中心）。关于极端冷事件变化的成因研究以及极端冷事件的发生离不开高纬度的冷空气向南侵入中纬度地区［19-20］，而冷空气的南侵又与中高纬度的环流异常息息相关，如中纬度地区的阻塞高压（通常持续时间为几日到几周）的建立和崩溃控制冷空气的活动［21-25］。具体来说，冬季乌拉尔山-西伯利亚地区的阻高可能促使东亚冬季风变得更强［26］，进而使得东亚发生更多的极端冷事件［27-28］。另一方面，欧亚遥相关型（EU）、斯堪的纳维亚遥相关型（SCAND）、东大西洋-西俄罗斯遥相关型（EATL/ERUS），三种遥相关型对北半球冬季的变化影响比较大，1979 年之后SCAND 对北半球气温的影响有很大加强，主要表现为其正（负）位相引起的极区增温范围明显扩大，欧亚大陆北部的温度负（正）中心显著向东南方向延伸，甚至可以影响到我国长江流域［29］，这些典型的异常环流型对于区域极端冷事件的发生有着至关重要的影响［30-31］。从动力学角度出发，基于自组织映射神经网络方法对北半球中高纬度陆地的环流进行环流分型，发现该地区极端温度事件的变化趋势与其环流型的变化有关，使得近些年来中高纬度地区极端冷事件频发［32］。大兴安岭地区位于中国最北，纬度最高，也是我国离极地最近的地区，每年冬季受极地冷空气南下影响，给大兴安岭地区带来寒潮、降温，出现极寒天气。2021 年1 月27 日—2 月1 日，大 兴安岭地区遭遇入冬以来最强寒潮，此次寒潮强度大、范围广、持续时间长。呼中站最低气温-47.0 ℃，为41 年来历史同期最低，也是大兴安岭地区1974 年以来第12个极端最低温，呼玛站最低气温-45.0 ℃，为40 年以来历史同期最低；漠河站-46.2 ℃，为20 年来历史同期最低；新林、塔河最低气温分别为-45.6 ℃、-44.2 ℃，分别为建站以来最低气温第2位、第5位。极寒天气常伴有冰雾现象出现，气温越低，能见度越低，是一种双重危害的极恶劣天气，这种气温极低恶劣的天气环境，直接影响人们的正常生活和工作，已成为制约大兴安岭地区社会经济发展的重要因素。

为减轻和防御极寒天气的影响，首先就要做好灾害预报预警工作，把保障公众生命财产安全作为防灾减灾的首要任务。为更进一步研究大兴安岭地区极寒天气特征，本文利用大兴安岭地区48 年（1974—2021 年）极寒观测资料，分析极寒天气时空分布和变化特征，以及影响极寒天气的环流指数，为大兴安岭地区防灾减灾以及冷资源的利用提供科学依据。

1 研究区与数据

1.1 研究区概况

大兴安岭地区位于121°12′～127°00′ E，50°10′～53°33′ N（图1），大兴安岭东与小兴安岭毗邻，西以大兴安岭山脉为界与内蒙古自治区接壤，南濒广阔的松嫩平原，北以黑龙江主航道中心线与俄罗斯为邻。面积8.46×104km2，海拔300～700 m。全区地势呈西高东低，地形总势呈东北—西南走向，属浅山丘陵地带，境内原始森林茂密，是我国重要的林地之一。大兴安岭地区属寒温带大陆性季风气候，冬季受西伯利亚冷空气的影响，在极地大陆气团和蒙古高压控制下，冬季漫长严寒而干燥，昼短夜长。大兴安岭地区有6 个国家气象观测站，历史上极端最低气温（图1）：漠河-52.3 ℃（1969 年）、呼中-49.2 ℃（1979 年）、呼玛-48.2 ℃（1956 年）、新林-46.9 ℃（1980 年）、塔河-45.8 ℃（1980 年）、加格达奇 -45.4 ℃（1980 年），冬季低温寒冷是大兴安岭地区的典型天气特征。

图1 大兴安岭地区6个国家气象观测站历史极端最低气温Fig.1 Historical extreme minimum temperature at 6 national meteorological stations in the Greater Khingan Mountains region

1.2 数据与方法

利用世界气象组织（World Meteorological Organization，WMO）在气候变化监测会议中所定义的极端气温指数，极端最低气温是年内各月日最低气温最低值［33］。选取大兴安岭地区6个国家地面观测站冬季日最低气温（≤-40 ℃）数据，日最低气温≤-40 ℃的天气为极寒天气，所用最低气温数据来自黑龙江省气象观测站网，时间尺度为日，时间序列1974—2021 年，由于漠河本站建站较晚，漠河站使用北极村数据；环流指数选取冬季（1、2、12 月）月资料，源自国家气候中心业务使用的88 个环流指数。

极端最低气温重现期的计算基于经验频率方法，极寒天气突变分析使用Mann-Kendall 方法，周期分析使用Morlet 小波分析，相关显著性使用P=0的临界值检验［34］，通过对大气环流指数与极寒日数（1、2、12 月）做相关性分析，找出主要影响大兴安岭地区冬季极寒天气的环流因子。

2 结果与分析

2.1 极寒天气分布

2.1.1 极寒日数空间分布

1974—2021年大兴安岭地区6个国家站逐日资料统计分析（表1），全区共出现极寒日数904 d（各站不重复日数）。极寒日数空间分布从西北向南减少十分明显，西北部呼中出现极寒日数最多，共717 d，其次是漠河645 d，中部地区新林187 d、塔河156 d，东南部呼玛148 d，南部加格达奇出现极寒日数最少是29 d，年平均极寒日数西北部比南部多13.6 d（表1），大兴安岭地区极寒日数存在明显的空间差异。

表1 1974—2021年大兴安岭地区极寒日数Table 1 Number of extreme cold days in the Greater Khingan Mountains region from 1974 to 2021

2.1.2 极寒日数旬分布

1974—2021 年大兴安岭地区极寒天气发生频次最多月份是1 月，占46.7%，最少月份为3 月，占1.7%，从图2 可以看出，大兴安岭地区自11 月中旬至次年3 月中旬均有极寒天气出现，但主要集中在12 月上旬至2 月下旬，极寒天气以1 月中旬出现最多，共154 d，1 月下旬次多，出现150 d，进入2 月份极寒天气开始明显减少，春季天气回暖3 月中旬仅为2 d，11月中旬是极寒天气初发期，仅出现1 d。

图2 大兴安岭地区1974—2021年各旬极寒日数Fig.2 Distribution of extreme cold days in each ten-day period from 1974 to 2021 in the Greater Khingan Mountains region

2.1.3 极寒天气时间分布

1974—2021 年大兴安岭地区极寒天气出现最早的日期是2000年11月17日-40.3 ℃（漠河），结束最晚的日期是1985年3月12日-40.7 ℃（漠河）。在一日当中最早出现极寒天气的时间是17：00（北京时，下同），最晚结束时间是次日12：00，主要出现在漠河站和呼中站。在一日17：00—23：00，00：00—12：00均有极寒天气出现，仅13：00—16：00时段没有出现，极寒天气主要出现在03：00—09：00，以07：00出现频率最多，08：00 出现频率为次多，11：00—12：00 和17：00—20：00偶尔有极寒天气出现，21：00—23：00是极寒天气开始增多的时段。

2.2 极寒天气变化特征

2.2.1 极寒日数年际变化

1974—2021 年大兴安岭地区极寒日数，发生的频次存在着明显的年代际变化（图3），从20 世纪70年代中期至21 世纪20 年代初期是逐步呈递减的趋势，其倾向率为-2.88 d·（10a）-1（通过0.01显著性检验），在20 世纪70 年代末之前冬季极寒天气发生频繁，之后极寒天气呈减少趋势。极寒日数年际变化率较大，1974 年为大兴安岭地区极寒天气发生频次最多的一年47 d，而1992 年没有出现极寒天气。48年中高于极寒天气距平值（19 d）的年份占46%，2008—2014 年极寒天气又有小幅增多，但小于1981年之前，极寒日数减少最为明显是1988—1993 年，比年平均极寒日数偏少10 d，这和1988 年中国北方地区近50年来最低气温变暖突变相一致［35］。

图3 大兴安岭地区极寒日数年际变化Fig.3 Interannual variation of extreme cold days in the Greater Khingan Mountains region

2.2.2 极端最低气温年际变化

年极端最低气温从20世纪70年代中期至21世纪20 年代初期是逐步呈上升趋势（图4），相对峰值升高趋势比相对谷值升高趋势明显，其倾向率为0.55 ℃·（10a）-1（通过0.05 显著性检验），从《东北区域气候变化评估报告：2020决策者摘要》发布的数据显示来看，和东北区域（1961—2017 年）极端最低气温以0.63 ℃·（10a）-1的速率升高趋势一致，大兴安岭地区年极端最低气温升高趋势明显。48年平均极端最低气温-45.2 ℃，低于年平均极端最低气温年份占50%，年极端最低气温-49.6 ℃，出现在1979年漠河站，除了1992年极端最低气温-39.7 ℃之外，其他47年极端最低气温均达到极寒天气。48年中年极端最低气温极值57%出现在呼中，其次是漠河，占43%。年极端最低气温升高最明显是1992年，比1979年偏高10 ℃。在全球气候变暖背景下，大兴安岭地区2018—2021 年中有两年极端最低气温≤-47.0 ℃，可见极端低温天气气候事件发生频率明显。

图4 大兴安岭地区极端最低气温年际变化Fig.4 Interannual variation of extreme minimum temperature in the Greater Khingan Mountains region

2.2.3 极端最低气温旬变化

从1974—2021 年11—3 月旬极端最低气温（图5），大兴安岭地区极寒天气从11月中旬开始，3月中旬结束。极端最低气温-49.6 ℃，出现在1 月上旬和1月下旬，其次是1月中旬-49.2次。11月中旬至1月上旬极端最低气温逐渐递减趋势，1月中旬极端最低气温略高于上旬和下旬，1月下旬至3月中旬极端最低气温逐渐上升趋势（除2 月中旬略高2 月下旬），年极端最低气温多出现在12 月下旬和1 月下旬，占48 年19%，2 月下旬最少，占4%，年极端最低气温几乎不出现在3月和11月。

图5 大兴安岭地区极端最低气温旬变化Fig.5 Ten-day variation of extreme minimum temperature in the Greater Khingan Mountains region

2.3 极端最低气温重现期

根据大兴安岭地区1974—2021 年各站资料，统计每年出现的极端最低气温，计算出极端最低气温的重现期（表2），6 个国家站中有5 个站两年一遇极寒天气，只有加格达奇站-38.71 ℃没有出现极寒天气；6 个站中两年一遇、五年一遇、十年一遇极端最低气温分别为-45.11 ℃、-46.96 ℃、-47.95 ℃，都出现在呼中；二十年一遇、五十年一遇、百年一遇极端最低气温分别为-48.89 ℃、-49.63 ℃、-49.89 ℃，都出现在漠河。

表2 大兴安岭地区各站极端最低气温（℃）重现期Table 2 Return period of extreme minimum temperature（℃）at each station in the Greater Khingan Mountains region

2.4 Mann-Kendall检验

2.4.1 极寒日数突变性检验

从1974—2021 年极寒天气日数Mann-Kendall检验曲线［图6（a）］，UF 和UB 两条曲线出现交点，并且仅有一个交点落在95%置信区间内，可以判断是突变点，突变时间在1979 年，说明大兴安岭地区在1979年之前极寒天气日数是偏多，之后极寒天气日数开始减少，减少最明显是1989—2000 年，这和极寒日数年际变化相符。突变后年极寒日数比突变前减少14.2 d。

图6 大兴安岭地区极寒日数和极端最低气温Mann-Kendal检验Fig.6 Extreme cold days（a）and extreme minimum temperature（b）Mann-Kendal test in the Greater Khingan Mountains region

2.4.2 极端最低气温突变性检验

从极端最低气温Mann-Kendall 检验［图6（b）］，在1990年UF和UB两条曲线出现交点，说明大兴安岭地区在1990年之前极端最低气温偏低，之后极端最低气温开始上升，上升趋势最显著是2005—2009年和2015—2021 年，大兴安岭地区有明显增暖趋势，但2021年极端最低气温在突变后增暖的趋势上呈下降趋势。

2.5 Morlet小波分析

2.5.1 极寒日数周期性特征分析

1974—2021 年大兴安岭地区极寒日数频次小波功率谱［图7（a）］，图中小波功率越大，等值线越密集，倒锥形线为影响锥，该锥线以下表明该部分小波功率谱受到边缘效应的影响，表现出的周期特征存在较大的不确定性。在图中对应周期特征为2～4 年，分别出现在1974—1978 年和1984—2019年，表明这两个时间段内，年极寒天气波动以2～4年周期为主。图7（a）为对小波谱进行显著性检验的小波全谱图。可以看出，当虚线小于功率谱曲线时，表明该区段对应的周期特征达到了0.05水平显著性检验，因此，从图中可以看出，通过显著性检验的周期为2～4年。

图7 极寒日数、极端最低气温小波功率谱和小波全谱图（曲线）及0.05显著性水平线（虚线）Fig.7 Extreme cold days（a），extreme minimum temperature（b）wavelet power spectrum and wavelet full spectrum（curve）and 0.05 significance horizontal line（dotted line）

2.5.2 极端最低气温周期性特征分析

大兴安岭地区48 年极端最低气温小波功率谱分析［图7（b）］。在图中对应周期特征为4～5 年，分别出现在1974—2007 年、2014—2021 年，表明这两个时间段内，年极端低温波动以4～5 年周期为主。图7（b）为对小波谱进行显著性检验的小波全谱图，虚线小于功率谱曲线时，表明该区段对应的周期特征达到了0.05 水平显著性检验，因此，通过显著性检验的周期为4～5年。

2.6 影响极寒天气的环流指数

大气环流是全球气候异常的主要因子，其气候系统的变化会对中高纬地区天气形势和气候特征产生影响［36］，大兴安岭地区是中国纬度最高地区，影响冬季极端冷事件的主要因子与中高纬度的位势高度异常场有关［37］，为了探讨大兴安岭地区极寒天气变化的影响环流因子，通过分析大气环流指数与极寒日数的相关性，筛选出与48 年冬季1 月、2月、12月极寒日数相关性好的大气环流因子（表3），均通过0.01 显著性检验。结果表明：（1）大兴安岭地区1月极寒天气变化与斯堪的纳维亚遥相关型指数（SCAND）、北半球极涡面积指数（NHPVAI）、亚洲区极涡面积指数（APVAI）呈显著的正相关，相关系数分别为0.683、0.478、0.377，说明SCAND、NHPVA、APVAII 在1 月份是正向增长的环流模态，极寒天气偏多偏强；与极地-欧亚遥相关型指数（POL）、北大西洋涛动指数（NAO）、东亚槽强度指数（EATII）、北大西洋-欧洲区极涡强度指数（A-EPVII）、欧亚纬向环流指数（EZCI）、东大西洋-西俄罗斯遥相关型指数（EATL/ERUS）、北极涛动指数（AO）呈显著的负相关，相关系数分别为-0.523、-0.461、-0.456、-0.435、-0.421、-0.421、-0.383。说 明POL、NAO、EATII、A-EPVII、EZCI、EATL/ERUS、AO 在1 月份北半球高纬度反向增长的环流模态，其中NAO、EATII、EZCI、AO 主要通过影响东亚大槽、西伯利亚高压等区域性的大气环流，东亚大槽和西伯利亚高压增强（减弱），使侵入中国北方的冷空气次数增多（减少），影响大兴安岭地区极寒天气，这与乔雪梅等［38］研究EATII、AO 环流指数是影响中国北方寒潮频次变化重要的因素相一致。（2）大兴安岭地区2 月极寒天气变化与SCAND 和NHPVAI 呈显著的正相关，相关系数为0.423 和0.388，说明SCAND 和NHPVAI 是主要影响2 月份极寒天气变化的环流因子，呈正向增长的环流模态。（3）大兴安岭地区12月极寒天气变化与SCAND呈显著的正相关，相关系数为0.447；与北半球副高北界位置指数（NHSHNBPI）、北太平洋副高北界位置指数（PSHNBPI）、南极涛动指数（AAO）、北半球副高脊线位置指数（NHSHRPI）、北太平洋副高脊线位置指数（PSHRPI）、西太平洋副高北界位置指数（WPSHNBPI）呈显著的负相关，相关系数分别为 -0.442、-0.441、-0.438、-0.431、-0.428、-0.382。说明只有SCAND一项环流因子在12月份呈正向增长的环 流模态，NHSHNBPI、PSHNBPI、AAO、NHSHRPI、PSHRPI、WPSHNBPI 以反向增长的环流模态，AAO 减弱，使大兴安岭地区12 月份极寒天气的频次和强度增强，符合范可等［39］研究冬季南极涛动强弱影响中国北方地区气温增高（降低）；NHSHNBPI、PSHNBPI、NHSHRPI、PSHRPI、WPSHNBPI位置的变化，对大兴安岭地区12月份极寒天气的频次和强度变化也有很好的指示意义。基于以上研究，显著影响大兴安岭地区冬季1 月、2 月、12 月极寒天气最主要的因子是SCAND，这和刘毓赟［29］研究的SCAND 遥相关型对北半球气温的影响有很大加强，主要表现为其正（负）位相引起的极区增温范围明显扩大，欧亚大陆北部的温度负（正）中心显著向东南方向延伸，影响到我国北方地区，这一结论相一致。与1 月和2 月极寒天气正相关性好的环流因子是SCAND 和NHPVAI（北半球极涡面积指数），极涡是极区大尺度冷性环流系统，大规模强冷空气的表征，极涡位置移动、面积大小、强度的变化都可以对中高纬地区天气形势产生影响［40］，亚洲极涡面积扩大（缩小），北方寒潮频次偏多（少）［38］。

表3 冬季（1、2、12月）极寒日数与大气环流指数相关系数Table 3 Correlation coefficient between extreme cold days and atmospheric general circulation index in winter（January，February and December）

3 结论

本文利用1974—2021 年大兴安岭地区6 个国家地面观测站冬季日最低气温≤-40 ℃的极寒日数和极端最低气温资料，通过采用气候变化趋势和变化率分析、经验频率计算方法、Mann-Kendall 检验、小波功率谱和小波全谱分析方法，以及影响极寒天气的大气环流指数和极寒日数做相关性分析，得到如下结论：

（1）1974—2021 年大兴安岭地区冬季极寒日数共904 d（各站不重复），极寒日数呈减少趋势，其倾向率为-2.88 d·（10a）-1（通过0.01 显著性检验），极寒日数最多在1974年47 d，而1992年没有出现极寒天气（≤-40 ℃）；极寒日数最多是呼中717 d，其次是漠河645 d，最少是加格达奇29 d，空间分布从西北向南减少十分明显；极寒天气发生频次最多月份是1月，占46.7%，最少月份为3月，占1.7%；极寒日数在1979 年发生突变现象，突变后比突变前减少14.2 d，极寒日数存在2～4年显著周期。

（2）大兴安岭地区冬季48年平均极端最低气温-45.2 ℃，极端最低气温呈上升趋势，其倾向率为0.55 ℃·（10a）-1（通过0.05 显著性检验），极端最低气温极值，出现在1979 年漠河站-49.6 ℃，只有1992 年（-39.7 ℃）极端最低气温没有达到-40 ℃，其他47 年极端最低气温均达到极寒天气。在48 年中，年极端最低气温极值57%出现在呼中，43%出现在漠河。极端最低气温在1990年发生突变，显著周期是4～5 年，极端最低气温升高最明显是1992年，比1979年偏高10 ℃。

（3）重现期计算出大兴安岭地区6 个国家站中有5 个站两年一遇极寒天气，只有加格达奇站 -38.71 ℃没有出现极寒天气；6个站中两年一遇、五年一遇、十年一遇的最低气温极值都出现在呼中；二十年一遇、五十年一遇、百年一遇的最低气温极值都出现在漠河。

（4）影响大兴安岭地区冬季（1、2、12 月）极寒天气最主要的环流指数是斯堪的纳维亚遥相关型指数，呈正向增长的环流模态，斯堪的纳维亚遥相关型指数对大兴安岭地区冬季的气温变化影响较大，主要表现为其正位相引起的极区增温范围明显扩大，欧亚大陆北部的温度负中心显著向东南方向延伸，影响到我国北部大兴安岭地区冬季的极寒天气变化。