大兴安岭地区初霜冻分析与预测

许丽玲，韩凤岐，潘明溪，余嘉怡，张秀红,康恒元

（1.漠河市气象局，黑龙江 漠河 165399；2.黑河市气象局，黑龙江 黑河 164300；3.呼兰区气象局，黑龙江 呼兰 150025；4.哈尔滨市气象局，黑龙江 哈尔滨 150028）

1 引言

大兴安岭地区地处高纬度，位于中国最北，也是全国最早出现霜冻的地区［1］。霜冻是指在植物生长季节内，由于冷空气的入侵，使士壤、植物表面以及近地面空气层的温度骤降到0℃以下，引起植物细胞间结冰而使植物遭到伤害或死亡的一种短时间低温灾害［2］。霜冻和霜是不同的概念，伴有霜的霜冻称为白霜，反之称为黑霜。由于黑霜无凝华出现，未放出潜热，因此对植物造成的危害更为严重［3］。随着全球气候变暖，高纬度升温明显，无霜期延长［4-5］。我国学者已采用不同的霜冻指标对不同区域霜的气候特征及变化规律进行了研究，研究认为，中国北方(30°N以北)地区霜冻日数明显减少，霜冻日的平均温度显著升高，春季霜冻日的提前结束和秋季霜冻日的推迟来临使得北方冬季缩短、生长季拉长［6］。韩荣青等［7］认为2000年以来(2000-2008年)北方各地初霜冻日期推迟最为明显。张健等［8］研究黑龙江省初霜冻出现的日期气候平均分布，地理位置越北出现的日期越早，大兴安岭山区比平原早，北部初霜冻日平均在9月上旬。本文对2021年9月17-20日大兴安岭地区7个国家站，出现初霜冻日进行天气形势分析总结阈值范围，对提高该地区低温霜冻的预测能力，气候资源利用，灾害防御等提供科学依据。

2 资料与方法

本文选取1997-2021年大兴安岭地区7个国家站（漠河站1997年1月1日正式观测）日地面最低温度、日最低温度、14时气温和露点温度资料，统计出秋季第一次出现地面最低温度≤0℃的日期，确定为该站这一年秋季初霜冻发生日期，设定9月1日为数字0，依此类推，8月31日为-1，9月2日为数字1，到9月30日为数字29，计算出大兴安岭地区1997-2020年平均初霜冻日，结合中央台地面、高空天气图，EC细网格资料，运用天气学原理方法分析大兴安岭地区2021年9月17-20日7个国家站初霜冻日天气形势，根据实况资料和预报图分析研究各种要素阈值范围来预测初霜日，并对1997-2020年初霜日进行Mann-Kendall检验，找出突变时间。

霜冻标准：当近地面的温度下降到0℃以下时，空气中的水汽在地面物体上凝结成白色的冰晶叫做霜，亦称白霜。霜冻是指地面(或叶面)的温度突然下降到农作物生长温度以下时，农作物受冻害的现象［9］。霜冻按其形成的原因可分为三类:平流霜冻、辐射霜冻、平流-辐射霜冻，大兴安岭地区出现的霜冻大多是平流-辐射霜冻［10］。

3 天气特点

2021年9月17-20日大兴安岭地区6个国家站分别出现初霜冻，各站初霜日出现日期比较集中，最早出现霜冻是新林站9月17日，最晚出现霜冻是加格达奇站9月20日，平均初霜日在9月18日，比1997-2020年平均初霜日偏晚7 d。各站初霜日也比本站历年（1997-2020年）平均初霜日偏晚（表1），其中漠河站偏晚最多14 d，北极村站只偏晚1 d。一般情况下，大兴安岭地区北部比南部初霜来的早，据统计1997-2020年南部（加格达奇站）比北部（漠河站）平均初霜日偏晚13 d。9月17-20日大兴安岭地区7个国家站，地表最低温度在-1.5-0℃之间,日最低气温-（0.1-5.8）℃之间,冷空气强度较强,影响范围大。

表1 大兴安岭地区1997-2020年国家站平均初霜日及2021年初霜日

4 地形影响

大兴安岭地区地处高纬度，是我国离极地最近的地区，初秋极地冷空气南下进入大兴安岭山脉，山坡上的冷空气下沉、山地夜间因辐射冷却，停滞形成“冷湖效应”［11］。沿江地区（北极村站和呼玛站）1997-2020年平均初霜日是9月17日（表1），比非沿江地区（漠河站、新林站、呼中站、塔河站、加格达奇站）初霜日期晚1-13 d；南部地区（呼玛站、加格达奇站）1997-2020年平均初霜日9月17日，比北部地区（漠河站、新林站、呼中站、塔河站）初霜日晚8-13 d（表1）。山区均比同纬度的平原容易出现霜冻，在同样的天气条件下山区夜间辐射降温比平原明显，比平原更易出现霜冻［8］。

5 天气形势分析

5.1 高空天气形势

2021年9月17日20时500 hPa高度场（图1 a）欧亚中高纬度为两槽一脊型，西西伯利亚平原东部至鄂霍次克海为东北至南向的低涡，贝加尔湖为宽广的高脊，脊前槽后西北冷空气影响大兴安岭地区，与低槽配合的冷中心强度为-32℃，位于漠河北部，高空冷空气强；700 hPa高度场（图1 b）欧亚图上为两槽一脊型，乌拉尔地区和东亚大陆分别为大槽，中亚贝加尔湖脊发展，大兴安岭地区处于高压脊前受超极地气流控制，冷空气从西北向南直接影响大兴安岭地区，-12℃温度线在漠河，-8℃温度线达到新林；850 hPa高度场（图1 c）贝加尔湖以东形成高压，低槽东移到日本海，大兴安岭地区处于槽后，0℃线在漠河北部，4℃线到达新林，冷空气南下大兴安岭地区中北部，冷空气自西北向东南移动；受西北冷平流影响，导致大兴安岭地区各站出现霜冻。

图1 2021年9月17日20时(a)500 hPa、(b)700 hPa和(c)850 hPa高度场

5.2 地面天气形势

9月17日20时地面天气图显示（图2 a）和高空配合的地面高压为北来高压（110°-130°E之间），自北南下控制大兴安岭地区，高压中心强度1020.0 hPa；18日08时（图2 b）极地高压东移南下增强，大兴安岭地区受闭合高压控制，中心强度1025.0 hPa，降温明显，速度快，此形势出现后24 h和48 h即可出现霜冻［10］，加之大兴安岭地区各站实况地面风速较小，天气晴好，有利于地面辐射降温［12］，使大兴安岭地区7个国家站17-20日早晨均出现霜冻。

图2 2021年9月（a）17日20时和（b）18日08时地面天气图

5.3 地表温度场形势

从EC细网格9月17日08时地表温度场预报图可以看出，预报18日02时（图3 a）大兴安岭地区漠河、北极村、呼中、塔河、新林地表温度达到-2℃，呼玛和加格达奇地表温度达到2℃，而漠河、北极村、呼中、塔河、新林站实况日最低地面温度在0-（-1.5）℃之间，出现初霜冻，加格达奇和呼玛日最低地面温度是0.4℃和1.4℃，和预测值基本吻合；预报19日05时（图3 b）呼玛、加格达奇地表温度达到-2℃，而实况呼玛站日最低地面温度在-0.6℃，也出现初霜冻，加格达奇日最低地面温度在0.9℃，20日加格达奇日最低地面温度在0.0℃，出现霜冻。通过地表温度形势场的分析与预测，对大兴安岭地区预报初霜冻效果很好。

图3 2021年9月（a）18日02时和(b)19日05时地表温度场

5.4 2 m露点温度场形势

从EC细网格9月16日08时2 m露点温度初始场预报，16日14时大兴安岭地区西北部2 m露点温度预测值达到-2℃，而17日呼中站和新林站实况日最低气温分别是-0.8℃和-2.2℃，新林站地面最低气温-0.2℃，出现霜冻，和预测值基本吻合；17日14时2 m露点温度（图4 a）大兴安岭地区西北部预测值在-2-2℃，18日实况漠河、北极村、塔河、呼中地面最低气温在-0.6-0℃，出现霜冻，东南部在2-4℃，呼玛和加格达奇站没有出现霜冻；18日14时2 m露点温度（图4 b）预测呼玛和加格达奇站-4-(-2)℃；19日实况呼玛地面最低气温在-0.6℃，加格达奇站日最低气温-0.2℃，2 m露点温度场预测露点温度Td＜2℃时，对预报大兴安岭地区初霜冻有很好指示意义。

图4 2021年9月（a）17日14时和（b）18日14时2 m露点温度场

5.5 24 h变温场形势

16日23时气温实况分别是漠河1.2℃、新林0.5℃、呼中1.3℃、塔河2.3℃，北极村5.7℃、呼玛4.6℃、加格达奇7.0℃；从EC细网格9月16日08时24 h变温场预报图可以看出，17日23时预测（图5 a）大兴安岭地区漠河、新林、呼中、塔河、北极村温度降幅4℃，呼玛站和加格达奇站温度降幅2-3℃；而17日23时气温实况分别是漠河-1.6℃、新林-0.8℃、呼中-0.1℃、塔河4.3℃，北极村1.9℃、呼玛5.7℃、加格达奇6.5℃，和预测基本吻合；18日02时24 h变温场（图5 b）整个大兴安岭地区温度降幅4℃，18日02时国家站小时气温实况数据显示漠河、呼中、新林、塔河气温在-（0.6-2.7）℃之间，根据前一日气温实况结合24 h变温场预测值，对预测未来24 h、48 h大兴安岭地区出现初霜冻有很好参考意义。

图5 2021年9月（a）17日23时和（b）18日02时24 h变温场

5.6 零度层高度场形势

从EC细网格零度层高度（10 m）预报图（图6 a、图6 b）可以看出，从9月16日08时-20日08时零度层高度在1000-2000 m之间，并且17-20日地面上为高压控制，预报次日有霜冻，和实况完全吻合。根据黑龙江省预报经验和方法，当气温零度层高度下降到2500 m以下时，并且有地面高压配合，可预报第二天早晨有霜冻相一致［10］。

图6 2021年9月（a）16日08时和（b）18日08时零度层高度场

6 大兴安岭地区初霜日预测

霜冻的预报其实就是温度一种临界值的预报，所有影响温度的气象要素和因子都会影响霜冻的出现。根据1997-2020年大兴安岭地区各站初霜日统计分析发现，初霜出现时基本满足以下6个条件：

(1)晴（或者前夜有云后夜无云）或云量≤3（云总量10）；

(2)T14d（14时露点温度）≤3℃（前一日T14d越低越好）；

(3)T14（14时气温）≤19℃（满足T14d≤3℃并且出现霜冻的14时气温最高值的各站平均气温，前一日T14越低越好）；

(4)夜间V≤2 m/s(白天风速大，夜间微风或静风最好)；

(5)前一日20时T850≤4℃且T700≤-8℃（700 hPa温度场-8℃线到达漠河附近），大兴安岭地区北部次日出现霜冻，前一日20时T850≤0℃且T700≤-12℃（700 hPa温度场-8℃线到达加格达奇附近）大兴安岭地区南部出现霜冻；

(6)大兴安岭地区地面为北来高压控制，夜间辐射条件好。

从表2可以看出，1997-2020年大兴安岭地区各站在符合前一日14时气温及露点温度范围时，加格达奇站、新林站、北极村站出现霜冻的概率是84%和88%，呼中是72%，呼玛站和塔河站是60%和68%，漠河是56%。在满足(1)、(4)、(5)、(6)条件下，参考各站前一日14时气温及露点温度预报次日霜冻，其中加格达奇站、新林站、北极村站初霜日效果很好，呼中站、呼玛站较好、塔河站和漠河站次之。霜冻是由很多要素综合配置而产生的，因此各要素的变化分析和预测及作用成为关键。

表2 1997-2020年各站初霜日14时气温和露点温度及出现霜冻的概率

7 Mann-Kendall检验

对1997-2020年大兴安岭地区平均初霜日进行Mann-Kendall检验（图7），给定显著性水平α=0.05，即μ0.05=±1.96。UF曲线值＞0，表明序列呈上升趋势，＜0则表明呈下降趋势。2004年之后呈上升趋势，UF、UB曲线相交于2012年，表明大兴安岭地区平均初霜日自2012年开始发生突变现象，2019年以后上升趋势超过0.05显著性水平临界线，大兴安岭地区初霜日突变后较突变前平均推迟了5 d。

图7 1997-2020年大兴安岭地区初霜冻的Mann-kendall曲线

8 小结

（1）2021年大兴安岭地区最早出现霜冻是新林站9月17日，最晚出现霜冻是加格达奇站9月20日，平均初霜日在9月18日，比1997-2020年平均初霜日偏晚7 d。2021年各站初霜日比本站平均初霜冻日整体偏晚，其中漠河站偏晚14 d，北极村站只偏晚1 d。大兴安岭北部地区比南部地区初霜日偏早，非沿江地区比沿江地区初霜日偏早。

（2）2021年9月17-20日大兴安岭地区霜冻过程影响范围大、强度较强。高空有高脊前西北气流引导极地冷空气南下，地面为北来高压系统控制。根据EC细网格地表温度场、2 m露点温度、24 h变温、零度层高度预报图预报未来24 h、48 h霜冻，有很好的指示意义。

（3）根据1997-2020年实况资料统计分析，结合当日天气实况、实况天气图，预报图，总结指标，预测次日霜冻，并对1997-2020年初霜日进行Mann-Kendall检验，突变时间在2012年，初霜日突变后较突变前平均推迟了5 d。