适用于我国华南广西区域冬季的冷湿指数计算方法研究

周秀华，陆 虹，金 龙，何 慧，朱秋宇

(广西壮族自治区气候中心，广西 南宁 530022)

2008年初，我国南方地区接连出现四次严重的低温雨雪天气过程，致使近20个省(区、市)遭受了历史罕见的冰冻灾害，交通运输、能源供应、电力传输、农业及人民群众生活等方面受到极为严重的影响。

对于低温雨雪带来的灾害及影响，需要气象工作者给出客观的定量评估。在以往的工作中，评估某一极端气候事件，往往用某一个或多个极端气候要素进行历史分析和定量评估。王凌等[1]、王遵娅等[2]、李双双等[3]在对2008年初低温雨雪冰冻过程分析时，分别用过程气温、降雪量、连续低温日数、连续降水日数、连续冰冻日数、气温和降水格网数据等评估低温冷害所造成的影响，挖掘自然灾害的时空演化信息。赖珍权等[4]应用天气分析和诊断分析方法，研究了2016年初广西的低温雨雪天气过程。胡钰玲等[5]从事件实况方面，对2008年和2016年发生在中国南方的两次低温雨雪冰冻天气过程做了对比分析。王海军等[6]对冰冻天气过程进行了分级，给出了发生区域持续性冰冻过程起止时间和地理分布范围，通过对冰冻日、雨凇雾凇日、冰冻指数及其重现期等统计数据分析，揭示了我国南方地区冰冻天气时空分布规律。一些研究则通过构建综合指数来评估事件的影响程度。万素琴等[7]提出低温雨雪冰冻过程综合指数的概念，采用多因子综合分析，使用无量纲数建立综合指数计算模型。毛淑君等[8]选取合理的气象要素条件建立了低温雨雪冰冻综合评估指数，并给出了我国南方发生低温雨雪冰冻的风险区划。周月华等[9]通过组建上述指数对灾害性天气过程进行历史分析、实时监测和预评估。ZHANG等[10]使用持续时间、范围、强度构建了一个描述事件的严重程度的综合指数，将中国区域性持续低温事件划分出强事件和弱事件，另外龚志强等[11]的研究中也采用了类似的综合指标。唐熠等[12]利用多因子综合评估技术筛选出20次过程，并将广西重大低温雨雪冰冻天气过程的天气概念模型分为三类。而ZHANG等[13]使用站点的最基本的气温和降水资料，构建了一个冷湿指数PT，根据逐日PT值的大小来评估低温雨雪过程的强弱；QIAN等[14]利用了ZHANG等[13]定义的冷湿指数PT值对全国历史上低温雨雪过程进行了检测，并根据过程总的PT值大小对过程的严重程度进行评估，所检测到的发生严重过程的年份与王绍武[15]给出的冷冬年份基本一致，对灾害严重程度的评估与实况较为相符。但利用该指数对广西低温雨雪过程进行评估时发现，降水量的大小对PT值的大小影响很大，使PT值不能准确反映广西的冷湿程度，因此，本文根据广西冬季的气候特点，结合温度和降水条件，对ZHANG等[13]提出的冷湿指数PT值的计算方法进行改进，提出了一种新的冷湿指数计算方法，以便能更准确的表征华南广西区域的低温雨雪冷害的强弱程度。

1 资 料

本文使用的资料为广西92个国家级地面气象站的逐日平均气温和降水量数据，数据起止时间为1951-2015年。所用资料1951-2012年的部分来自中国国家气象信息中心提供的中国国家级地面气象站均一化气温日值数据集(V1.0)和中国国家级地面气象站均一化降水数据集(V1.0)。以上数据集经过国家信息中心的质量控制，数据质量得以保证[16-20]。2013-2015年的新资料补充由广西区信息中心提供。本文研究时段是1951-2014年当年11月至翌年3月。由于1960年代以前台站数据缺测较多，故对1960年代前所统计出来的过程结果仅供参考。

2 对冷湿指数的改进

2.1 冷湿指数计算方法

按照ZHANG等[13]的研究，单日冷湿指数PTi计算方法如下：

(1)

通过分析发现，在广西冬季出现低温雨雪过程时，日降水量有时会出现中雨以上的量级甚至会出现大到暴雨，而此时如采用原计算式(1)来计算PT值，则会发生在温度变化不大的情况下，出现中雨以上降雨当日的PT值会比前一日的PT值大几倍的情况，但实际上当日冷害的程度并不会比前一日严重几倍的情况，以致会造成对低温雨雪过程严重程度评估的错误。

为此，为了更客观表述降水量对PT值大小的影响，本文将冬季日降水量进行了分级处理，对原冷湿指数计算公式(1)式进行了改进，提出了以下新的计算公式。

(1)当单站日降水量大于该站的降水量气候平均值，即时：

(2)

式中：若日平均气温为2

(3)

这样，当降水量低于气候值时，表明日降水量不大(因为一般冬季日降水气候平均值不大)，所以直接使用实际降水量，不会造成由于降水量太大，其作用远大于温度下降对冷湿指数计算的贡献。这种情况类似于雨凇、冻雨等天气，降水量小，但在一定程度上发生严重灾害。

(3)当单站没有降水时，即Pi=0时，取

(4)

即按原式(1)计算。即在没有降水时，属于干冷的情况，同样存在霜冻等低温冷害的发生。

2.2 修正后的冷湿指数合理性分析

为了进一步分析研究，依据华南广西区域冬季降水、气温的气候特点，修正的冷湿指数能否更准确地反映华南区域实际低温冷湿状况。我们选择广西低温雨雪冰冻天气出现次数多、受灾情况严重的站点——资源站作为代表站，当该站点出现低温雨雪过程时，分别采用原计算式(1)与修正后的计算式(2)、式(3)和式(4)计算PT值，进行对比分析。

表1计算给出了资源站2007年1月14-18日发生的一次低温冷湿天气过程，分别用原计算式(1)和修正后的计算式(2)、式(3)和式(4)计算逐日冷湿指数PT值。首先我们分析按照原式(1)计算的PT值：可以发现，14日比15日温度偏低0.3 ℃、降水量仅偏少0.2 mm，但其PT值相差了3倍多；而14日与16日温度相同，但降水量16日比14日偏多6.3 mm，其PT值则比14日的PT值增大了8倍；再比较14日和18日的PT值，温度相差0.6 ℃、降水相差15.9 mm，但2 d的PT值则相差约15倍，PT值的大小是代表当天冷湿程度的，如果根据原式(1)计算得出的PT值来表征这两天的冷湿程度，相差十几倍，这显然是极不合理的。然而进一步使用修正后的计算式(2)、式(3)和式(4)对这一过程逐日计算PT值(表1)，我们发现，由于修正后的公式比较合理地考虑了不同量级的降水在不同温度条件对计算冷湿指数的影响，因此没有出现温度相当时，PT值相差好几倍的情况，而且当降雨出现大值时，PT值也不会出现突然增大十几倍的状况，如14日和18日的PT值仅增大了1倍，其表征的冷湿程度合理反映了实际温度和湿度状况。

表1 资源站2007年1月14-18日冷湿指数对比

该站2011年1月18-22日也发生了一次持续性低温雨雪冰冻天气过程，分别用原式(1)和修正后的式(2)、式(3)和式(4)逐日计算冷湿指数PT值，计算结果对比如下(表2)：18日和20日平均气温相同，均为-0.3℃，而18日降水量为1.7 mm，20日为23 mm，这两天原式(1)计算的PT值分别为1.52和7.44，20日比18日增大了5.92，增大4倍，降水量的增大明显夸大了冷湿程度的变化。而采用修正后的式(2)、式(3)和式(4)计算这两天的PT值分别为2.09和2.41，20日比18日仅增大了0.32，降水量的增大造成PT值的变化比较平缓。可见，在同样温度条件下，降水量的大小，对原式(1)计算的PT值影响很大，而对修正公式计算的PT值影响较为合理，可见修正公式PT值计算方法能有效避免大降水量对冷湿指数计算的夸大影响。另外，该过程20日比19日温度上升了0.2℃，降水量增大了11.4 mm，采用原式(1)计算的PT值20日比19日增大了3.26，和实际冷湿程度有偏差(一般是PT值越大，冷湿程度越重)。而修正公式计算的PT值是20日比19日减小0.22，能比较准确地反映实际的冷湿程度。

表2 资源站2011年1月18-22日冷湿指数对比

2008年1月13日至2月4日，桂林市和我国南方大部分地区一样，发生了一次持续性低温雨雪冰冻过程，其中1月29日至2月1日桂林降水量为小雨转大雨，用原式(1)计算逐日冷湿指数PT值，1月29-31日温度和降水量逐日变化不大，计算得到的冷湿指数PT值在0.86～1.36，变化比较平缓，其中1月31日降水量为微量0.0 mm，温度为1.5℃，PT值为0.86，而次日(2月1日)降水量为45.4 mm，温度为1.2℃，PT值陡然增大为7.36，增大了6.50，是前1 d的8.6倍。而用修正公式(2)、式(3)和式(4)计算得到的冷湿指数PT值为在0.86～2.13，其中1月31日也为0.86，2月1日温度下降0.3℃及降水量增大45.4 mm，使PT值增大到2.13，增大了1.27，是前1 d的2.5倍(表3)。可见，桂林站冷湿过程计算结果和资源站相似，即原式(1)计算的PT值受降水量影响较大，大降水量甚至在温度变化较小的情况下使指数陡然增大，明显夸大了冷湿的程度。而修正公式计算的PT值受降水量影响较小，能更恰当地反映雨雪冰冻过程中逐日的冷湿程度。

表3 桂林站2008年1月29日至2月1日冷湿指数对比

综合上面分析来看，修正后的冷湿指数计算方法可以更好地消除大降水量对冷湿程度的夸大影响、升温和降温对冷湿程度更敏感，能更合理的表征华南广西区域冬季低温冷害发生时的冷湿严重程度。

3 区域持续性低温雨雪事件

3.1 定义

据统计，广西各地出现降雪、雨淞和结冰等雨雪冰冻现象时，有70%以上的站点日平均气温低于4 ℃。因此本文在研究区域低温雨雪事件时，所取的低温阈值为4 ℃。定义区域性持续低温雨雪事件如下：当出现冷空气影响时，采用修正后的冷湿指数计算公式(2)、式(3)和式(4)，对每天温度达到低温阈值4 ℃以下的所有站点的PT值进行计算，若连续4 d有5个(或以上)站点达到低温阈值条件(即日平均气温≤4 ℃)，且各天各站点PT值相加满足∑PT≥10，则认为发生了一次区域持续性低温雨雪事件；第5 d起连续2 d不满足站数要求或累积PT值要求，则事件结束。

在检测区域持续性低温雨雪事件时，出现以下情况，也视为发生一次事件：

(1)以下情况允许过程中单日累积PT值小于10。

①第1 d低温站数达5个以上而∑PT∈(8,10)，也计入连续事件(即开始日提前1 d)；②过程中1 d(或2 d)∑PT∈(8,10)；③结束日允许低温站数达5个以上而∑PT∈(8,10)。

(2)仅连续2 d或3 d的过程必须满足：这2 d或3 d累加∑PT≥50，也视为连续过程。

(3)过程中(非开始日结束日)允许存在少于5个低温站点的情况。

若在连续性区域低温冰冻雨雪事件中，满足以下条件之一则视为发生了一次严重区域持续性低温雨雪事件：

(1)过程中必须有4 d(或以上)各站PT值之和∑PT≥50；

(2)过程中必须有6 d(或以上)各站PT值之和∑PT≥40。

3.2 事件识别结果

根据以上条件，本文识别出广西区域持续性低温雨雪冰冻事件89例、严重区域持续性低温雨雪冰冻事件12例，表4给出区域持续性低温雨雪事件过程累积PT值排序前40例过程，表5给出了严重区域持续性低温雨雪事件12例的信息统计。这些过程和唐熠等[12]、陆虹等[21]用其他方法挑选的严重低温冷害事件有较高的重合率。从表5可以看出，严重区域持续低温雨雪事件一般持续影响一周以上，影响站数一般在30站以上，具有持续时间长、范围广、冷湿程度大等特点。

表4 区域持续性低温雨雪(冰冻)事件列表

区域性低温雨雪冰冻事件对广西电力、交通、农业、林业等行业及人民生产生活的各个方面有重大影响。从累积PT值排位看，冷湿程度最严重的是2008年1月13日至2月5日的持续性低温雨雪冰冻事件，过程累积PT值达1 458.16，影响时间持续24 d，影响范围最大达到61站，其中单日各站PT值之和≥50的严重冷湿日数最长持续达到9 d，导致持续出现冰冻、冻雨天气，共有230站日出现冰冻，104站日出现冻雨，冰冻、冻雨最长连续日数分别为22 d和21 d，是广西近60年来冻雨总站日最多、持续时间最长、影响最严重的一次过程。在此次过程中，单日各站PT值之和最大的是1月27日和28日，分别为149.08和160.02，这2 d冻雨站数也最多，各有16站。这次事件造成北部14个县严重覆冰，电线覆冰厚度达29 mm，电力、通讯设施遭到严重破坏，对电网、通讯网络运行造成灾难性影响。因路面结冰导致交通运输受阻，广西境内共有20多条国省干线公路中断交通，春运受到严重影响。持续冻雨和冰冻还导致大量林木被毁，蔬菜、水果、甘蔗及鱼类、牲畜等遭受冻害。全自治区受灾人口超过1 677万人，因灾造成直接经济损失321.8亿元，是新中国建国以来同类灾害造成损失最严重的一次过程。

表5 严重区域持续性低温雨雪(冰冻)事件列表

2011年1月2-11日是一次持续了10 d的冷湿过程，过程累积PT值为465.20，影响范围最大为52站，但逐日各站PT值之和≥50的严重冷湿天数只有3 d，即3-4日和11日，达不到严重区域持续性低温雨雪(冰冻)事件的条件。在此次过程中，广西共有101站日出现冰冻，58站日出现冻雨，冰冻、冻雨最长连续日数分别为7 d和5 d，单日各站PT值之和最大的是11日130.89，这天冻雨站数也最多，有11站。逐日各站PT值之和在3-4日分别达到80.13、76.88，这两天冻雨站数分别为4站和6站。这次事件造成桂北部分县(市)出现电线覆冰、道路结冰和积雪，以及农作物遭受冻害，全自治区受灾人口超过312万人，因灾造成直接经济损失16.3亿元。

通过对以上冷湿过程分析表明，过程累积PT值、持续的严重冷湿天数等指标，能对低温、降水作定量化衡量，综合这些指标可大致反映出冰冻、冻雨、降雪等冷湿天气出现的严重程度，甚至冷湿过程造成的灾害损失等。如2011年1月的冷湿事件与2008年初的严重冷湿事件相比，过程累积PT值小2倍多，过程持续时间少14 d，持续的严重冷湿天数少7 d，影响范围小9站，冰冻、冻雨站数分别少129站和46站，受灾人口少4倍，直接经济损失少18倍。可见，修订后的冷湿指数PT值，以及表征区域持续性低温雨雪(冰冻)事件、严重区域持续性低温雨雪(冰冻)事件的指标，能较准确反映华南广西区域冷湿天气过程的严重程度，可用于定量评估低温雨雪的冷湿程度。

4 结论和讨论

(1)本文根据ZHANG等[13]的研究，对其用于评估低温雨雪冷湿程度的冷湿指标PTi的计算方法，结合广西冬季温度、降水的气候特点，通过细分不同量级的降水量对冬季低温冷害程度的影响，提出一种适用于华南广西区域冬季的冷湿指数计算方法。修正后的计算公式通过改进大降水量对计算PT值的影响，使冷湿指数能更准确地表征包括冷干和冷湿情况在内的低温冷害程度，避免受大降水量干扰，从而能更准确、更合理地反映华南广西区域的低温雨雪冷害的严重程度。

(2)利用修正公式计算冷湿指数，以区域性低温雨雪冰冻事件为基础，同时兼顾低温雨雪冰冻事件的时间持续性，识别出一般区域性低温雨雪冰冻事件89例，严重区域性低温雨雪冰冻事件12例。区域性持续事件识别结果与实际发生冷害事件吻合度高，冷湿指数的大小较准确地反映了实际低温冷害情况。

(3)通过对几个广西区域性低温雨雪冰冻过程分析表明，过程累积PT值、持续的严重冷湿天数等指标，能对低温、降水作定量化衡量，综合这些指标可明确反映冰冻、冻雨、降雪等冷湿天气出现的时间、范围，甚至冷湿过程造成的灾害损失等。因此，修正后的冷湿指数能较准确反映华南广西区域冷湿天气过程的严重程度，可用于定量评估广西低温雨雪的冷湿程度。

区域性持续事件识别结果，由于能更好地从空间范围和实际低温冷湿程度上表征区域性低温雨雪冰冻事件的严重程度，因此该冷湿指数序列也可作为后续环流分型等研究的基础，以及南方低温冷害的建模预报对象等后续研究。