黄河内蒙古河段凌汛期寒潮特征及天气分型

2022-12-20张利娜靳莉君

人民黄河 2022年12期

刘静，张利娜，靳莉君

（黄河水利委员会水文局，河南郑州 450004）

黄河内蒙古河段处于黄河流域最北端，干流全长823 km［1-2］。该河段冬季严寒而漫长，冰期 4～5 个月，河流流向自低纬向高纬，同期气温上游高、下游低，流凌封冻溯源而上，容易形成严重冰塞，解冻开河自上而下，冰凌洪水自上而下沿程增大，极易出现冰坝阻水漫堤甚至决口灾害［3-4］。

气温是影响内蒙古河段凌情变化的主要因素［4-5］，气温起伏变化大，容易导致封开河不稳定，形成冰塞冰坝［6］。寒潮天气过程是一种大规模的强冷空气活动过程，常引起气温骤降，造成河流流凌、封冻并导致封河长度加长，是一种重要的灾害天气［7］，有关寒潮天气对黄河凌情影响的研究一直受到水利气象专家的重视。杨升全等［8］认为寒潮的强与弱、多与少对凌情的重与轻有决定意义；王春青等［7］指出，黄河流域50%的封河是由寒潮天气造成的，宁蒙河段寒潮发生频率高于黄河下游，且寒潮强度也强于黄河下游；张荣刚等［9］研究表明寒潮天气过程是造成2016—2017年内蒙古河段快速封河的直接原因。以往研究大多集中在内蒙古河段寒潮天气过程个例分析或者寒潮基本气候特征分析上，对寒潮天气形势缺乏系统全面的研究。本文首先对近10 a 内蒙古河段寒潮过程的基本特征进行详细分析，然后根据冷空气移动路径，对寒潮过程进行环流分型，最后对寒潮变化的可能成因进行简要分析，以期为黄河防凌减灾提供技术支撑。

1 资料和方法

1.1 资料介绍

采用的资料有：①2010年11月至2020年3月内蒙古河段磴口、包头、托克托3 个气象站的逐日平均气温和日最低气温资料，气象站分布见图1；②美国国家环境预报中心／大气研究中心（NCEP／NCAR）提供的500 hPa 高度场和温度场、海平面气压场等逐日再分析资料，分辨率为 2.5°×2.5°［10］；③中国气象局提供的逐月北极海冰密度指数资料。本文凌汛期定义为11月至翌年 3月，为方便起见，将2010年11月—2011年3月定义为2010年凌汛期，并以此类推。在寒潮过程统计过程中，如遇到跨月的情形，则取过程天数多的月份作为寒潮出现月份。

图1 黄河内蒙古河段水文站及气象站分布示意

1.2 寒潮过程标准及分析方法

识别寒潮过程首先需要识别降温过程，参照毛炜峄等［11-12］的定义确定降温过程，即将某日与其前1 日的最低气温差记为 ΔT24，ΔT24由≥0 转为＜0 的第 1 日为降温过程初日，ΔT24由＜0 转为≥0 的前1 日为降温过程终日，初日至终日之间称为一次降温过程。

中华人民共和国国家标准《寒潮等级》（GB／T 21987—2017）定义，使某地日最低气温24 h 内降温幅度≥8 ℃，或48 h 内降温幅度≥10 ℃，或72 h 内降温幅度≥12 ℃，且日最低气温≤4 ℃的冷空气活动称为寒潮。根据该标准仅能识别出寒潮日，识别寒潮过程需在识别降温过程的基础上，进一步依据《寒潮等级》标准对过程中最大 24、48、72 h 降温幅度进行判断［12］。

依据以上判识方法分别统计磴口、包头和托克托3 站的寒潮过程，若某时段内3 站中至少有1 站出现寒潮过程，则认为该时段内蒙古河段出现寒潮过程，因同一次过程对3 站的影响时间可能略有差异，作为一个过程处理，将3 站中第1 个影响日作为过程初日，最后1 个影响日作为过程终日，初日至终日之间的天数称为寒潮过程持续时间。例如，若磴口和包头均于11月22—23 日出现寒潮，而托克托于21—24 日出现寒潮，则将21 日和24 日作为内蒙古河段寒潮过程的初日和终日；若磴口、包头、托克托分别于1月14—16日、15—17 日和 15—16 日出现寒潮，则将 14 日作为内蒙古河段寒潮过程的初日，17 日作为终日。

在识别出近10 a 内蒙古河段所有寒潮过程的基础上，进一步采用线性趋势分析、t 检验、天气学分析等方法对寒潮过程基本特征、环流分型以及次数变化成因进行分析和研究。

2 寒潮过程基本特征

2.1 影响范围

依据内蒙古河段寒潮过程判别标准，统计得到该河段近10 a 共出现98 次寒潮过程，进一步根据出现寒潮的站点数将寒潮过程划分为单站型、两站型和三站型。其中单站型次数最多，达47 次，占总次数的48%；两站型38 次，占 39%；三站型最少，仅 13 次，占13%。单站型中托克托出现寒潮的次数最多，达23次，其次为包头站，达15 次，磴口站最少，仅9 次，包头位置最偏北（见图1），但寒潮次数却比托克托少，一方面是因为其北部为山脉，受山脉阻挡作用，冷空气会被削弱，另一方面，托克托易受东部回流冷空气影响，故寒潮过程较多。两站型中包头和托克托同时出现的次数最多，达27 次，占该型的71%，其次为磴口和托克托同时出现的过程，达9 次，磴口和包头同时出现的次数仅有2 次（见表 1）。

表1 内蒙古河段不同类型寒潮过程出现次数

2.2 持续时间

2010—2019年，内蒙古河段寒潮过程持续时间为1～5 d，平均持续时间为2.1 d，其中1 d 和2 d 的过程较多，分别为37 次和35 次，两者累计占过程总数的73%，持续5 d 的仅有2 次。分别统计不同类型寒潮过程的持续时间，结果表明，单站型持续时间为1～3 d，且随持续时间增加，次数迅速减少，持续1 d 的过程有27 次，占该类型总数的57%。两站型和三站型持续时间以2 d为主，分别为13 次和6 次，占同类过程总数的34%和46%（见表2）。

表2 内蒙古河段不同持续时间的寒潮过程次数

2.3 最大降温幅度

统计内蒙古河段3 站寒潮过程不同时段内最大降温幅度及其出现时间（见表3），结果表明，过程、24 h、48 h以及72 h 最大降温幅度均呈现出自西向东逐渐增大的特征，即托克托降温幅度最大，包头次之，磴口最小。其次，各站在同一时段内出现降温幅度最大值的时间互不相同，这与冷空气的路径和强度、各站的地理位置和海拔等因素有密切关系［13］。此外，统计发现3 站各时段内最大降温幅度均出现在两站型或三站型寒潮过程中，这也反映了强寒潮过程往往影响范围较大。

表3 内蒙古河段各站寒潮过程不同时段内最大降温幅度及其出现时间

2.4月际和年际变化

内蒙古河段凌汛期寒潮过程次数月际变化（见表4）显示，11月和 1月寒潮过程最多，均达 22 次，3月最少，为16 次。这是因为11月处于秋冬交替季节，基础气温相对较高，受冷空气影响时气温下降幅度较大，易达到寒潮级别；1月处于全年最冷时期，冷空气势力最强，故寒潮次数也较多；3月冷空气势力最弱，寒潮次数最少。

表4 内蒙古河段凌汛期寒潮过程次数月际变化

2010—2019年内蒙古河段凌汛期寒潮过程次数逐年变化（见图2）显示，2018年寒潮过程最多，达17次，其次为 2017年，达 14 次，2010年和 2011年最少，仅3 次。近10 a 寒潮过程次数有明显的增加趋势，增加速率为1.4 次／a，通过了α＝0.001 的显著性检验。2015—2019年凌汛期平均每年出现13.6 次寒潮过程，较2010—2014年（年平均 6 次）增加了 127%。内蒙古河段各类寒潮过程次数的逐年变化（见图2）显示，单站型、两站型和三站型次数均呈增加趋势，其中单站型增加速率达 0.9 次／a，通过了α＝0.001 的显著性检验，而两站型和三站型均未通过显著性检验。单站型近5 a 凌汛期平均每年出现7 次寒潮过程，较2010—2014年（年平均2.4 次）增加了192%。单站型又以包头和托克托出现寒潮过程为主，分别统计两站寒潮过程次数的年际变化（图略），结果表明，包头和托克托增加速率分别为 0.7 次／a 和 1.1 次／a，分别通过了α＝0.05 和α＝0.001 的显著性检验。包头和托克托站近5 a凌汛期平均每年分别出现7.2 次和10.4次寒潮过程，较 2010—2014年（年平均 4.2 次和 4 次）分别增加了71%和160%。由此可见，近10 a 内蒙古河段单站型寒潮过程显著增多，其中主要表现为包头和托克托（尤其是托克托）的寒潮过程显著增加。

图2 内蒙古河段各类寒潮过程次数逐年变化

3 冷空气源地和路径

影响内蒙古河段的冷空气主要有3 个源地，即新地岛以西洋面、新地岛以东洋面和冰岛以南洋面［14-15］，3 个源地的冷空气大多在西伯利亚中部地区（以下称为关键区）积累加强后入侵内蒙古河段。

根据冷空气的移动路径，将影响内蒙古河段的寒潮天气过程分为以下类型：①偏北路，冷空气经贝加尔湖南下影响内蒙古河段；②偏西路，冷空气自关键区向东途经巴尔喀什湖、新疆、青海、甘肃后到达内蒙古河段；③偏东路，冷空气自关键区经蒙古国到达华北北部至东北一带，地面冷高压底部回流冷空气造成内蒙古河段气温骤降，此外还存在冷空气未经过关键区，从新地岛以东经泰梅尔半岛、中西伯利亚南下影响内蒙古河段地区的情形，但极为少见；④偏北路与偏东路共同影响型，两类路径的冷空气在贝加尔湖以东汇合后影响内蒙古河段。偏北路路径是内蒙古河段寒潮过程最为常见的路径，占寒潮过程总数的70%以上，其他3 类路径出现的次数相当，占比均不到10%。

4 寒潮过程环流特征分析

4.1 偏北路冷空气型寒潮

偏北路冷空气型寒潮暴发前的天气形势多为横槽型（见图3），即乌拉尔山和鄂霍次克海附近分别存在一高压脊，东半球极涡南压至中西伯利亚，亚洲地区形成倒Ω 流型，自极涡中心向西伸出一东西走向的横槽，槽后脊前的偏北气流不断引导冷空气在西西伯利亚堆积。而后冷空气主要以横槽旋转东移南下和横槽转竖两种方式向南移动，并以前者最为常见。两者的不同点是，横槽旋转东移南下型极涡向东北方向收缩，而横槽转竖型极涡位置稳定。相同点是，槽前平直西风带中存在小波动，构成槽前等高线结构疏散，且槽前为冷平流，促使横槽旋转南下或转竖，引导强冷空气大举南下，易造成剧烈降温天气，表3 中列举的最大降温大部分由横槽旋转东移南下或横槽转竖造成。偏北路冷空气影响范围较广，当其强度较大时，可造成磴口、包头、托克托3 站同时出现寒潮天气。

图3 偏北路冷空气型寒潮500 hPa 高度场（实线）和温度场（虚线）

4.2 偏西路冷空气型寒潮

偏西路冷空气型寒潮暴发前，欧亚中高纬环流较平直，乌拉尔山一带为低压槽区，槽线上有冷平流，槽后脊区有暖平流，促使槽脊发展。低压槽在随基本气流东移过程中常加强形成蒙古气旋，并有-40 ～-44 ℃的冷中心与之配合，锋区东移南压，造成内蒙古河段出现寒潮天气过程（见图4）。内蒙古河段3 站中磴口受偏西路冷空气影响次数最多，因磴口位置最偏西，故当冷空气为西路时，磴口往往最先出现降温天气。

图4 偏西路冷空气型寒潮500 hPa 高度场（实线）和温度场（虚线）

4.3 偏东路冷空气型寒潮

偏东路冷空气型寒潮暴发前，欧亚中高纬环流形势呈两槽一脊型，乌拉尔山及鄂霍次克海为低压槽区，贝加尔湖以西为高压脊区。脊线上有明显的暖平流，有利于脊向北发展，脊前偏北气流加强，引导新地岛以东冷空气汇入低压槽中，促使低压槽加强形成闭合冷涡，冷中心强度达-40 ～-48 ℃。冷空气主体偏北，其在东移过程中，低空冷空气折向西南，造成内蒙古河段中东部出现回流天气，气温骤降（见图5）。偏东路冷空气主要影响包头和托克托，在其影响下，两站经常同时出现寒潮。

图5 偏东路冷空气型寒潮500 hPa 高度场（实线）和温度场（虚线）

4.4 偏北路与偏东路共同影响型寒潮

偏北路与偏东路共同影响型寒潮环流场的特征是，东北亚地区稳定维持一低压槽或者闭合低涡，与上游东移的低压槽合并加强后，槽后偏北气流引导冷空气大举南下侵袭内蒙古河段。在偏北路与偏东路冷空气共同影响下，内蒙古河段3 站均有可能出现寒潮天气。

5 近5 a 寒潮过程次数显著增加的原因

5.1 气温变化

根据定义，寒潮过程由日最低气温决定，因此日最低气温变化必然是寒潮次数发生变化的重要影响因素［16］。表 5 给出了内蒙古河段 2010—2014年和2015—2019年凌汛期日均气温和平均日最低气温，由表5 可知，磴口站近5 a 凌汛期日均气温和平均日最低气温较2010—2014年均有升高的趋势，而包头站和托克托站呈现出相反的变化特征，且托克托站气温降低的趋势更加明显。这可能与气候变暖停滞有关［17-18］，黄星等［19］研究指出，内蒙古河段春季、秋季、冬季的平均气温和平均最低气温均于21 世纪初出现了变暖停滞现象，变暖停滞后各类气温呈现出不同程度的降低趋势。由此可见，包头、托克托站日最低气温降低可能是造成寒潮次数显著增加的直接原因。

表5 内蒙古河段2010—2014年和2015—2019年凌汛期日均气温和平均日最低气温

5.2 西伯利亚高压和北极海冰

西伯利亚高压是影响我国寒潮变化最直接的大气活动中心，其强度与我国寒潮次数呈显著的正相关关系［16，20-23］。选取北纬 40°—60°、东经 80°—120°区域作为西伯利亚高压的主体［21，24］，将该区域内海平面气压平均值作为西伯利亚高压强度指数。图6 给出了2010—2019年凌汛期西伯利亚高压强度指数距平，由图6 可知，近5 a 西伯利亚高压明显强于2010—2014年，这将有利于冷空气向我国输送，造成寒潮等异常低温天气发生次数的增加。而西伯利亚高压强度变化与北极海冰密度密切相关，已有的研究指出，秋季北极海冰密度与冬季西伯利亚高压为显著的负相关关系［23，25-26］，即当秋季北极海冰密度偏大时西伯利亚高压强度偏弱，当北极海冰密度偏小时西伯利亚高压强度偏强。参考谢永坤等［22］的定义，将 9月、10月平均北极海冰密度作为秋季北极海冰密度指数，统计2010—2019年该指数的距平（见图7），结果表明，近5 a北极海冰密度明显小于2010—2014年的，北极海冰密度减小造成西伯利亚高压强度增强，进而引起内蒙古河段寒潮次数增加。