1960-2017年黄土高原不同等级寒冷日数时空演变特征

安 彬, 肖薇薇, 朱 妮, 刘宇峰, 单治彬

(1.安康学院 旅游与资源环境学院/陕西省院士专家工作站, 陕西 安康 725000;2.安康市汉江水资源保护与利用工程技术研究中心, 陕西 安康 725000;3.陕南乡村振兴研究中心, 陕西 安康 725000; 4.咸阳师范学院 地理与环境学院, 陕西 咸阳 712000)

IPCC第一工作组第六次评估报告(AR6)指出：人类活动导致地球变暖，高温极端天气发生强度频率迅速增加，如热浪和干旱事件的发生时间很接近、甚至是同时发生[1]，而诸如寒潮、冷昼等极端低温冰冻事件将可能趋于减少[2-4]，影响了区域社会经济发展和公众的健康[5-6]。近年来，类似于2018年初美国东部的“寒流炸弹”、2008年初中国南方的低温雨雪等[7]典型极端低温冰冻事件屡有发生，对人身生命安全及交通、电力等基础设施造成了巨大损失。为此，国内外学者对全球不同尺度的冰冻、寒潮等极端低温事件变化特征[4,8-11]以及发生原因[11-13]展开研究，并取得丰富的研究成果。

黄土高原(33°41′—41°16′N，100°52′—114°33′E)处于我国东部季风区向西北干旱区的过渡地带，是全球生态环境脆弱带、气候变化敏感区之一。相关研究表明，自1960s以来黄土高原地区的降水量、降水日数持续下降[14]，冷昼、冷夜、冰冻和霜冻日数显著下降[15]，气候呈明显暖干化趋势[16]。然而，1997—2013年期间全球出现了温室气体浓度持续增长，地面气温没有明显增加甚至出现变冷的全球变暖停滞(Hiatus)现象[17]，黄土高原地区气温变化对Hiatus现象响应明显，且表现出季节差异[18]。当前学界多关注的是黄土高原极端高温事件，而对不同等级寒冷天气日数研究鲜有报道。全球变暖停滞现象前后，黄土高原地区极端气候如何变化，尤其是寒冷天气日数如何变化？藉此，本文结合气象行业的“寒冷程度等级”标准，利用黄土高原地区1960—2017年逐日最低气温资料，分析不同等级寒冷天气日数时空演变特征，并探讨其对Hiatus现象的响应，为正确认识黄土高原地区寒冷天气变化规律及制定服务三农等措施提供科学依据。

1 资料与方法

1.1 研究资料

本文采用的逐日最低气温(Tmin)数据均来源于中国气象数据网(http:∥data.cma.cn/)，通过经台站气温极值、气候界限值、缺失或错误数据低于2%等质量控制，建立了黄土高原地区(1960—2017年)均一、稳定的日最低气温序列，58个气象站点具体位置见图1。

图1 黄土高原地区气象站点分布

1.2 方法

参照气象学“寒冷程度等级”[10,19]，结合黄土高原实际情况，本文研究的寒冷等级从高到低有：严寒(Tmin<-20℃)、大寒(-20℃≤Tmin<-10℃)、小寒(-10℃≤Tmin<-5℃)、轻寒(-5℃≤Tmin<0℃)、微寒(0℃≤Tmin<5℃)、凉(5℃≤Tmin<10℃)。在此基础上，分别统计黄土高原58个气象站点Tmin相应寒冷等级日数，总寒冷日数为6个等级寒冷日数总和。各等级寒冷天气日数的变化趋势和波动特征(CV)分别采用线性拟合法、变异系数法计算分析，具体计算步骤参考文献[20]；基于计算结果，利用Arc GIS 10.2中反距离权重插值法(IDW)表达空间变化特征。为了对比1997年Hiatus现象前后黄土高原不同等级寒冷天气变化差异，采用1997年后(1998—2017年)减去1997年前(1960—1997年)各等级寒冷日数的变化趋势和波动特征。

2 结果与分析

2.1 不同等级寒冷日数空间分布特征

受地理位置、地势地形等因素综合影响，1960—2017年黄土高原不同寒冷等级日数表现出明显的空间差异(图2)；整体上随着寒冷等级的降低而逐渐增加(表1)。具体来看，黄土高原地区严寒日数自北向南逐渐减少，东北部和西北部局部地区的严寒日数超过了40 d，大部分地区的严寒日数低于5 d，其中黄土高原南部的甘肃北道至河南孟津一带未曾出现过严寒天气。山西北部、青海西部和内蒙古等地区的大寒日数均超过了60 d，而汾渭河谷地南部和河南北部的大寒日数低于15 d，与严寒天气日数的空间分布特征相似。对于小寒日数而言，在空间整体上表现出西高东低格局，黄土高原中部、东部等广大地区的小寒日数为35～45 d，中宁至长武以西、山西太原周边等地区则介于45～55 d，其中以甘肃华家岭站以63 d为最高。1960—2017年黄土高原轻寒天气日数自北向南逐渐增加，表现出较为明显的纬向地带性特征；其中银川—定边—兴县以北地区的轻寒日数普遍低于45 d，关中平原西南部的轻寒日数则高于65 d。黄土高原微寒天气日数空间上呈北少南多、东少西多特征，以西部门源的82.1 d为最多；全区中部和北部广大地区的微寒日数均低于45 d，自甘肃东北部、陕西中南部、山西与河南交界等地区形成了45～50 d带状分布区。黄土高原凉日数表现出西多东少空间特征，凉天气日数变化介于45～50 d是最主要的形式，较微寒日数相比其分布更广，集中在山西、陕西及内蒙古南部等区域，其中以青海同仁站的82.6 d为最多。对于总寒天气日数而言，空间上自东南向西北逐渐增多，与黄土高原极端最低气温空间格局基本一致[21]。年均总寒日数在汾渭谷地普遍低于210 d，在陕西北部、山西中部和宁夏西北部等地区普遍在210～240 d，在黄土高原中部和东部其余地区变化介于240～270 d，而在西部青海等局部地区超过了300 d。结合表1可知，在黄土高原各等级寒冷日数中，多数区域以凉天气日数为主，其次是轻寒和微寒日数，分别占总寒日数的21.59%，20.59%和19.10%。

2.2 不同等级寒冷日数变化趋势的空间特征

除1960—2017年黄土高原总寒和大寒日数降幅高于0.3 d/a外，其他等级寒冷日数趋势变化幅度整体偏小，均低于0.09 d/a。具体来看，严寒日数多呈减少趋势(图3)，减少幅度以0～0.1 d/a分布最广，空间上表现出北部高于南部，最为明显的为青海门源(-0.64 d/a)。具体来看，除黄土高原东北、西北局地外，全区绝大部分地区大寒日数呈减少趋势，且以0.2～0.4 d/a的降幅分布最广，集中分布在陕西北部、山西中部和南部、内蒙古、甘肃陇东等地区；其中青海同仁(-0.91 d/a)降幅最为明显。相对于大寒日数，黄土高原地区的小寒、轻寒和微寒日数均以增加趋势为主。小寒日数变化趋势以固原、临汾一线为界，表现出东南局地减少、西北广大区域增加的空间特征，其中以河南孟津(-0.40 d/a)降幅、青海同仁(0.34 d/a)增幅最为明显。轻寒日数呈减少趋势的集中分布在内蒙古、山西、青海及宁夏北部地区，整体呈南增北减的空间特征，其中以青海门源(-0.30 d/a)降幅、甘肃西峰镇(0.22 d/a)增幅最为明显。微寒日数整体上表现自西北向东南递增空间特征，孟津增加幅度为全区最高(0.20 d/a)；呈减少趋势仅分布在宁夏及其周边、山西东北部等少数区域。从黄土高原凉日数变化趋势来看，多数地区表现为减少趋势，减幅自东向西呈“低—高—低—最高”特征；关中平原、山西及河南交界、青海西北等局地的凉日数表现出增加趋势。除西宁、榆社和河曲等极少数地区外，黄土高原地区总寒日数呈显著减少趋势(p<0.05)，减幅自东南向西北逐渐增加，青海同仁(-0.85 d/a)减幅最为明显。综上可知，1960—2017年黄土高原总寒日数减少主要是由大寒日数减少导致的，其次是严寒日数和凉日数，而小寒、轻寒和微寒日数引起了总寒日数的增加(表1)。

由表1可知，黄土高原发生Hiatus现象后，年均总寒冷日数减少了14.05 d；其中严寒日数减少最为明显(10.22 d)，对总寒冷日数贡献最为突出，达到72.66%。从Hiatus现象前后不同等级寒冷日数变化趋势幅度方面看，轻寒(-0.43 d/a)>大寒(0.33 d/a)>凉(0.21 d/a)>小寒(-0.19 d/a)>严寒(0.05 d/a)>微寒(0.02 d/a)。进一步分析黄土高原发生Hiatus现象前后不同等级寒冷日数变化趋势空间分布，结果见图4。黄土高原发生Hiatus现象后的严寒日数变化趋势以偏高为主，集中分布在青海至内蒙古一带和山西东北部，尤其是北部鄂尔多斯高原地区偏高幅度超过了0.2 d/a；趋势偏低地区集中在山西、陕西东部及陕甘宁交界处，说明Hiatus现象发生后并未改变上述地区严寒日数的变化趋势，即增减趋势低于Hiatus现象发生前。大寒、微寒和凉天气日数变化趋势在Hiatus现象后均以偏高为主，且偏高分布面积凉天气>大寒>微寒。大寒日数趋势变化偏高分布区域表现出以临河—耀县一线向东北和西南方向对称的空间特征，偏高幅度最明显超出了0.6 d/a；微寒日数趋势偏高分布在除汾渭谷地和甘青交界以外地区，偏高幅度呈南少北多，且最明显地区多达0.4 d/a；除甘青和晋蒙交界毗邻地区外，其余广大地区的凉天气日数趋势呈偏高特征，并在陕西中部至甘肃东北部形成了超过0.45 d/a的偏高幅度中心。在黄土高原发生Hiatus现象后，小寒和轻寒日数变化趋势均以偏低为主，且偏低分布面积轻寒>小寒。小寒日数趋势偏低主要分布在除山西和陕西南部、太原至河曲一带以外地区，偏低幅度呈东南少、西北多空间特征，且最明显地区多达0.6 d/a。自黄土高原的东南至西北方向，轻寒日数偏低幅度表现出“次低—高—次低—低”空间规律，其中以洛川、北道等局地0.9 d/a最明显。黄土高原发生Hiatus现象后，总寒日数变化趋势自东向西呈“偏低—偏高—偏低”空间格局，偏低幅度最多的集中分布在甘青交界、晋陕蒙交界至山西中部等地区，而偏高幅度最明显的集中分布在临河至洛川一线及其毗邻地区。

图2 1960-2017年黄土高原不同等级寒冷日数空间分布

表1 1960-2017年和Hiatus现象前后黄土高原不同等级寒冷日数及其变化趋势对比

图3 1960-2017年黄土高原不同等级寒冷日数变化趋势空间分布

图4 Hiatus现象前后黄土高原不同等级寒冷日数变化趋势空间分布

2.3 不同等级寒冷日数的波动特征

随着寒冷等级的降低，黄土高原寒冷日数的变异系数逐渐降低，即严寒日数的波动最大，远比其他寒冷等级的大，而总寒日数反而波动最小(表2)。具体从空间分布来看，黄土高原严寒日数波动特征呈自中部偏南向南北向逐渐减少空间规律，南部的关中平原、晋豫交界处的波动为0，波动特征较大的集中在青海南部、陇东高原东部及山西临汾毗邻区域(图5)。大寒日数波动特征自东南向西北逐渐降低，表现出纬向地带性规律。小寒日数波动特征在青海、甘肃西南至宁夏南部最小，上述地区以外的小寒日数波动特征空间上表现出大寒日数相似规律。对于轻寒日数而言，在黄土高原中部偏西零星区域其波动特征较大，且自东南向西北方向呈“小—大—小—大”交替空间分布。整体上，黄土高原的微寒和凉日数的波动特征空间上自西向东逐渐增加，其中微寒日数波动以0.14～0.16为主，集中分布在陕西、山西及内蒙古北部地区；凉日数波动以0.12～0.14为主，集中陇东高原中部以东的广大地区。对于总寒日数而言，波动特征较大的地区集中分布在汾河谷底南部、黄土高原西北角以及河曲、同仁等零星区域，自东南至西北方向、东向西均表现出“大—小—大”交替空间分布特征。综上所述，虽然1960—2017年黄土高原严寒日数等6类寒冷日数波动特征较大，并没有导致总寒日数波动出现较大幅度变化。

表2 1960-2017年和Hiatus现象前后黄土高原不同等级寒冷日数波动变化特征对比

图5 1960-2017年黄土高原不同等级寒冷日数波动特征空间分布

由表2可知，不同等级寒冷日数在黄土高原发生Hiatus现象前后两个时段呈微小的波动变化特征，整体上波动变化幅度表现出严寒日数最大(0.065 9)，其次是小寒(-0.032 1)、凉(0.019 0)、大寒(0.014 1)，而轻寒、微寒和总寒日数均低于0.01。黄土高原严寒日数波动偏高和偏低的分布面积大致相当，偏高的地区集中分布在山西中北部、鄂尔多斯高原中部以西广大地区(图6)。Hiatus现象发生后，黄土高原大寒日数波动变化以偏高为主，且表现出西低东高空间分布，偏低集中分布在黄土高原东南部和青海等区域。整体上，黄土高原小寒、轻寒和微寒日数的波动变化主要表现为偏低，其中小寒日数波动变化偏低集中分布以黄土高原东北至西南的较宽带状地区，波动变化偏高的仅分布在晋豫交界处。轻寒日数波动变化差异自东南至西北表现出“偏低—偏高—偏低—偏高”交替的空间分布特征，其中山西北部、内蒙古东北和西北角等局地的偏高程度最为明显。微寒日数波动变化偏高集中分布在青海和宁夏及其毗邻区、关中平原至晋豫交界一带。黄土高原Hiatus现象发生后，凉日数波动变化呈东部偏高、西部偏低空间格局，其中山西中北部偏东、晋陕和晋豫交界处的偏高程度最为明显。对于总寒日数而言，波动偏高集中分布在黄土高原南部、东北角和西部局地，偏低程度较为明显的地区零星分布在晋陕蒙毗邻、山西离石和陕西武功等地区。综上可知，随着寒冷等级的升高，黄土高原寒冷日数的波特变化差异逐渐降低。值得注意的是，在黄土高原Hiatus现象发生后，尽管严寒和大寒日数波动变化偏高，但其日数占总寒日数比例较低，并未导致总寒日数波动差异发生明显变化。

图6 Hiatus现象前后黄土高原不同等级寒冷日数波动特征变化空间分布

3 结 论

(1) 随着寒冷等级的降低，1960—2017年黄土高原不同寒冷等级日数逐渐增加，且表现出明显空间差异特征。严寒和大寒日数自北向南逐渐减少，但微寒和轻寒日数则自北向南逐渐增加；小寒和凉日数呈西高东低格局，但微寒日数呈西低东高格局；总寒日数自东南向西北逐渐增多。研究期黄土高原多数区域以大寒日数为主，其次是轻寒和凉日数。

(2) 在寒冷日数变化趋势特征方面，1960—2017年黄土高原严寒、大寒、凉和总寒日数多呈减少趋势，小寒、轻寒和微寒日数均以增加趋势为主，且总寒日数减少主要是由大寒日数减少导致的。Hiatus现象发生后，严寒、大寒、微寒和凉天气日数变化趋势均以偏高为主，且偏高分布面积凉天气>大寒>微寒>严寒；小寒和轻寒日数变化趋势均以偏低为主，且偏低分布面积轻寒>小寒；总寒日数变化趋势偏高与偏低分布相当。

(3) 在寒冷日数波动特征方面，1960—2017年黄土高原寒冷日数的变异系数随着寒冷等级的降低逐渐变小，各等级寒冷日数的波动特征空间分布较为复杂。Hiatus现象发生后，各寒冷等级波动变化总体差别不大；小寒、轻寒和微寒日数波动变化以偏低为主，大寒日数以偏低为主，总寒、严寒和凉日数波动偏高和偏低大致相当的空间分布格局。