贵州省区域性凝冻过程的时空特征分析

任曼琳 , 李忠燕 , 谭娅姮 , 严小冬* , 张东海

（1.贵州省气候中心，贵阳 550002；2.贵州省山地气候与资源重点实验室，贵阳 550002）

引言

当过冷水滴下降至地面，与低于0℃的物体接触并在其表面冻结形成覆冰层的现象，被称为凝冻，其中以雨凇为主，形成雨凇的雨叫冻雨。贵州是我国凝冻灾害最重、发生最为频繁的省份，约占全国总数的84%[1-3]，这是由于贵州地区海拔普遍在1000 m以上，呈现西高东低的喇叭口地形，境内山地、河流众多，处于中低纬且位于西南水汽输送带上，多冷暖空气交汇，静止锋及切变系统极易形成，每年冬季在北方冷空气的不断入侵之下，常形成阴雨连绵的低温天气导致贵州地区凝冻灾害频发[4-7]。目前，已从环流形势和影响系统演变等角度对贵州凝冻灾害形成的天气形势和垂直结构特征有了一定的认识[8-10]，并从海温异常、环流异常、关键区因子等方面入手，深入分析了贵州凝冻灾害的气候背景[4,11-15]，取得了一系列有意义的成果。

众所周知，持续的区域性凝冻灾害对交通、电力及人民群众的生活生产安全影响巨大，其中2008年1月10日～2月2日和2011年1月1日～2月5日贵州省经历了极端的区域性凝冻过程，这两次超强凝冻过程事件的影响范围之广、强度之大、持续时间之长，历史罕见，给贵州社会经济造成了严重的损失[16-20]。因此，本文利用1961～2019年贵州省84站逐日雨凇资料，在改进现有区域性凝冻过程指标并确立新标准的基础上，进一步分析区域性凝冻过程的时空演变特征，以期为加深对区域性凝冻灾害的认知和提升区域性凝冻灾害的预测水平提供科学参考。

1 资料与方法

凝冻主要包括雨凇和雾凇。据统计，1961～2019年贵州雾凇共计出现1214 站次，雨凇共计出现31566站次，雾凇占比较少。另一方面，雾凇非冰非雪，是雾中无数0℃以下而尚未凝华的水蒸气随风在树枝等物体上不断积聚冻粘的结果，其形成条件较特殊。因此，本文选取1961年10月～2020年4月贵州省84站逐日雨凇观测资料作为样本数据，对雾凇不予考虑。冬季定义为当年10月1日～翌年4月30日，如1961年冬季为1961年10月1日～1962年4月30日。

本文采用小波分析、功率谱分析及M-K突变检验方法对区域性凝冻过程发生次数和天数的周期及突变特征进行分析，利用合成分析、聚类分析方法分析区域性凝冻过程的空间分布特征。

2 区域性凝冻过程指标确定

在实际业务中，多个国家和地方标准[21-23]均规定了贵州省单站凝冻过程的指标及分级指标，但是国家标准冰冻天气等级和《贵州短期气候预测技术》均未对区域性凝冻过程给出明确定义，而地方标准贵州省凝冻灾害等级中给出的定义未对过程结束日进行明确规定。因此，有必要进一步完善这一标准。

《贵州短期气候预测技术》中首先对单站凝冻过程进行了定义及分级：规定单个县（区）连续出现3个以上（含3个）凝冻日则为单站凝冻过程，而当凝冻现象消失持续两日，则凝冻消失的前一日定义为凝冻结束日；而凝冻过程持续天数≤3 d为轻级凝冻，持续4～5 d为中级凝冻，持续6～9 d为重级凝冻，持续天数≥10 d为特重级凝冻；以区域内各级凝冻的站数占比为依据，给出了年度区域性凝冻过程分级标准。地方标准贵州省凝冻灾害等级中指出全省同时段有8个以上（含8个）县（区）出现单站（县级）凝冻过程则为一次区域性凝冻过程。

李忠燕等[24]利用贵州省雨凇观测资料对贵州省单站凝冻过程的指标进行了订正，指出单个县（区）连续出现3 d以上（含3 d）凝冻日则为单站凝冻过程的起始条件。本文根据这一定义再结合地方标准贵州省凝冻灾害等级中区域性凝冻过程的定义，规定某日监测区域内有8站及以上出现凝冻则为一个区域性凝冻日，若监测区域内连续出现3 d及以上区域性凝冻日，则一次区域性凝冻过程开始，连续出现2 d非区域性凝冻日，则该次区域性凝冻过程结束，过程首个区域性凝冻日为过程开始日，最后一个区域性凝冻日为过程结束日，开始日至结束日（含）的天数为过程持续天数。

3 区域性凝冻过程的时间分布特征

按照上节给出的新标准，统计了1961～2019年贵州省区域性凝冻过程。如图1所示，近59 a贵州省共计出现134次区域性凝冻过程，年平均区域性凝冻过程次数为2.3次；其中1987年冬季发生区域性凝冻过程次数最多（6次），2004年和2011年冬季次之（5次），而1986年、2000年、2001年、2016年和2019年冬季未发生区域性凝冻过程。从每年区域性凝冻过程的累积天数来看，其累积天数介于0～43 d，平均为15 d；其中 1976 年累积天数最长（43 d），1983 年次之（40 d），1968年再次（34 d），1986年、2000年、2001年、2016年和2019年均为0 d。年区域性凝冻过程次数与累积天数均呈现明显的年际振荡特征，且两者之间为显著的正相关关系，相关系数为0.727；在年代际时间尺度上，二者变化特征相似，均呈“偏多-偏少-偏多-偏少”的趋势变化。

图1 1961～2019年贵州省区域性凝冻过程次数（蓝线）和累积天数（红线）时间序列

根据1961～2019年贵州省区域性凝冻过程次数的小波系数实部（图2a）和功率谱（图2b），可以看出：贵州省区域性凝冻过程次数主要存在7～8 a和3～4 a的年际变化周期；7～8 a振荡周期在1990s末～2000s表现较明显，为第1主周期，且该周期通过了95%信度检验；其次3～4 a为第2主周期，主要在1980s表现较为明显。此外，M-K突变检验（图略）显示，近59 a贵州区域性凝冻过程次数呈减少趋势且无明显突变。

图2 1961～2019年贵州省区域性凝冻过程次数的（a）小波分析及（b）功率谱分析（绿线表示5%信度检验，红线表示红噪音，蓝线表示95%信度检验）

从1961～2019年贵州省区域性凝冻过程累积天数的小波系数实部和功率谱（图略）分析表明：贵州省区域性凝冻过程累积天数同样存在7～8 a和3～4 a的年际变化周期，且均通过95%信度检验；其中7～8 a振荡周期在2000s～2010s初表现得较明显，是第1主周期；其次3～4 a为第2主周期，主要表现在1970s初～1990s初。同样由M-K突变检验（图略）可知，近59 a贵州区域性凝冻过程累积天数无明显突变点，在1990s初之前波动大，之后呈明显减少趋势。

从134次区域性凝冻过程的具体时间分布（图3a）来看，近59 a区域性凝冻过程最早开始出现于11月15日（1976年），最晚结束于3月14日（1962年和1977年），主要集中出现在12月～翌年2月（图3b），其中1月占比最多（47%），2月次之（33%），11月最少（2%）。从单次区域性凝冻过程的持续天数（图略）来看，持续时间介于3～33 d，其中2007年冬季的一次区域性凝冻过程持续天数最长（33 d），之后依次为2010年、1983年和1976年冬季的某次区域性凝冻过程，分别对应32 d、28 d、25 d。

图3 1961～2019年贵州省134次区域性凝冻过程（a）发生时间和（b）各旬占比情况

从134次区域性凝冻过程的影响站数（单次过程中全省出现雨凇的站数而非站次）（图4a）来看，单次区域性凝冻过程影响站数为11～78站，平均影响42站；其中2010年冬季的一次区域性凝冻过程影响站数最多，为78站，占监测总站数的91.8%；2007年和2017年次之，分别为77和76站，占监测总站数的90.6%和89.4%；而2013年冬季的一次区域性凝冻过程影响站数最少，为11站，占监测总站数的12.9%。从影响站数不同区间值的占比百分率（图4b）来看，近59 a区域性凝冻过程影响站数主要介于21～60站，其中31～35站的区间占比最多。

图4 1961～2019年贵州省134次区域性凝冻过程影响站数（a）及其在不同区间值占比百分率（b）

4 区域性凝冻过程的空间分布特征

图5为1961～2019年贵州省134次区域性凝冻过程中各站发生频率的空间分布。如图所示，贵州省易发生区域性凝冻过程的地区主要集中在中部一线，其中大方（100%）、开阳（98.5%）、威宁（97.8%）、万山（96.7%）、水城（94%）、瓮安（94%）、丹寨（94%）、毕节（92.5%）、麻江（91.8%）和纳雍（91%）的发生频率均超过了90%，表明这些地区极易发生区域性凝冻过程，其中大方站达100%，表明134次区域性凝冻过程中大方站均有雨凇天气现象出现；而在东北部和南部部分地区，区域性凝冻过程的发生频率低于30%，其中望谟和罗甸站发生频率为0%，表明该地区无区域性凝冻过程发生。

图5 1961～2019年贵州省134次区域性凝冻过程各站发生频率的空间分布（单位：%）

将单次区域性凝冻过程中发生雨凇日数最多的站点定义为该次区域性凝冻过程的中心站点，若某次过程中雨凇日数最多的站点有多个，则该次过程的中心站点为多个。图6给出了1961～2019年贵州省134次区域性凝冻过程中各站作为中心站点的发生频率。如图所示，贵州省区域性凝冻过程中中心站点发生频率的高值区同样主要集中在中部一线，其中开阳（77.6%）、大方（72.4%）、威宁（60.4%）、万山（48.4%）和丹寨（47%）作为中心站点的发生频率在45%以上，而其余大部地区的发生频率在10%以下，东北部和南部地区的发生频率为0%。可见，近59 a贵州省区域性凝冻过程的频发区和中心站点高频区均主要集中在中部一线。

图6 1961～2019年贵州省134次区域性凝冻过程各站作为中心站点的发生频率分布（单位：%）

根据1961～2019年贵州省每次区域性凝冻过程中各站出现雨凇天数的分布特征对其进行聚类分析，可分为中东部型、中部型、中西部型、西部型、全省型共5类。从各个类型的合成场（图7）来看，近59 a中东部型（图7a）发生15次，占比11.2%，区域性凝冻现象主要发生在以开阳-三穗-万山为中心的中东部一带；中部型（图7b）发生14次，占比10.4%，凝冻现象主要发生在以开阳为中心的中部地区；中西部型（图7c）发生43次，占比32.1%，凝冻现象主要发生在以开阳-大方-威宁为中心的中西部一带；西部型（图7d）发生18次，占比13.4%，凝冻现象主要发生在以威宁为中心的西部地区；全省型（图7e）发生44次，占比 32.8%，凝冻现象主要发生在 25.5°～27.5°N，以威宁-大方-开阳-万山为大值中心。可见，贵州省区域性凝冻过程以中西部型和全省型为主。

图7 贵州省不同类型区域性凝冻过程的雨凇日数空间分布（a.中东部型，b.中部型，c.中西部型，d.西部型，e.全省型，百分数表示该类型占比）

为了检验1961～2019年贵州省134次区域性凝冻过程中凝冻天数实况与不同类型合成场的相似程度，分别计算了各次过程中凝冻天数与其对应类型合成场凝冻天数的相关系数（表1）。从表1可见，中东部型的15次区域性凝冻过程的相关系数为0.79～0.93，均通过0.001的信度检验，平均为0.852，最佳相似过程是1969年2月16日开始的区域性过程；中部型的14次区域性凝冻过程的相关系数为0.71～0.94，均通过0.001的信度检验，平均为0.826，最佳相似过程是1997年2月3日开始的区域性过程；中西部型的43次区域性凝冻过程的相关系数为0.75～0.93，均通过0.001的信度检验，平均为0.851，最佳相似过程是2007年1月12日开始的区域性过程；西部型的18次区域性凝冻过程的相关系数为0.81～0.95，均通过0.001的信度检验，平均为0.878，最佳相似过程是1972年12月19日开始的区域性过程；全省型的44次区域性凝冻过程的相关系数为0.66～0.94，均通过0.001的信度检验，平均为0.870，最佳相似过程是1984年1月16日开始的区域性过程。综上所述，各个类型区域性凝冻过程的凝冻天数实况与不同类型合成场均高度相关，由此可见分型结果较合理。

表1 1961～2019年贵州省134次区域性凝冻过程凝冻天数实况与不同类型合成场的相似程度

5 结论

本文利用1961～2019年贵州省84站逐日雨凇观测资料，确定了贵州省区域性凝冻过程指标，并根据新标准对贵州省区域性凝冻过程的时空特征进行了分析，得出以下主要结论：

（1）1961～2019年贵州省区域性凝冻过程次数与累积天数均呈减少趋势，其趋势变化均呈现 “偏多-偏少-偏多-偏少”的特征，二者均存在7～8 a与3～4 a的年际变化周期，且无明显突变。区域性凝冻过程主要集中出现在12月下旬～2月下旬，影响持续天数介于3～33 d，过程影响站数主要集中在21～60站。

（2）1961～2019年贵州省区域性凝冻过程的频发区及中心站点高频区均主要集中在中部一线，东北部和南部地区的发生频率较低。贵州省区域性凝冻过程可分为中东部型、中部型、中西部型、西部型和全省型共5类，其中以中西部型和全省型为主。