贵州省单站凝冻过程的指标订正及特征分析

李忠燕，张东海，严小冬，任曼琳， 段 莹，周 涛

(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；3 贵州省生态气象和卫星遥感中心，贵阳 550002)

引言

凝冻，俗称桐油凝，是指当环境气温低于0℃时，过冷雨滴、雾滴在近地面物体表面凝附冻结而形成覆冰层的现象，其形成过程中一定有液态水向固态冰的转化，包括雨凇、雾凇、雪凇、雨雾及雨雪混合冻结覆冰等，其中以雨凇最为重要。贵州是我国凝冻灾害最重、发生频率最为频繁的省份，约占全国总数的84%[1]。持续的凝冻灾害对电力、通讯、交通、农林畜牧业均都有重大不利影响，其中2007年和2010年冬季影响最为严重[2-6]。贵州省多凝冻过程的发生与其特殊的地理位置、地形地貌以及气候条件等有关[7-8]，冬季冷暖空气易交汇在西南地区形成静止锋并长时间稳定，导致气温不断下降，形成低温阴雨天气过程，当平均气温低于0℃时易造成凝冻灾害的发生。学者们从中高纬度和副热带环流异常、静止锋、逆温层等角度对贵州凝冻形成的天气形势和垂直结构特征进行了不同的分析[9-11]，从海温异常、环流异常等角度对贵州凝冻形成的气候背景进行了分析[12-17]。

在实际业务中，国家标准冰冻天气等级(GB43/T 34297-2017)、地方标准贵州省凝冻灾害等级(DB52/T 652-2010)以及《贵州短期气候预测技术》中均对冬季单站凝冻过程进行定义。三个指标结合不同气象要素或天气现象对单站凝冻过程进行了定义，其中《贵州短期气候预测技术》是结合三种气象要素以及天气现象对凝冻过程进行了定义，由于该指标是结合了气温、降水等气象要素，可用于预测模型中预测指标的搭建，而地方标准和国家标准则是根据天气现象进行定义，较为客观。《贵州短期气候预测技术》和地方标准均对凝冻过程的初始条件进行定义，规定雨凇现象持续天数≥3天才算一次过程凝冻过程，同时两个定义中均对结束日进行了定义，定义中规定连续两天监测指标中断则标志着过程结束，但国家标准中未对初始条件和结束日进行明确定义，因此有必要根据客观地对单站凝冻过程和分级标准进行订正。本文利用1961～2019年贵州省85站逐日的雨凇、雾凇资料，通过对样本数据的统计分析以及三个现有指标的对比分析，订正了贵州省单站凝冻过程的指标和分级标准，以期为后期凝冻过程预测以及区域性凝冻过程研究提供参考。

1 资料

根据凝冻的定义，凝冻主要包括雨凇和雾凇，而1961～2019年间贵州雾凇共计出现1214站次，而雨凇共计出现31566站次，故雾凇占比较少。另一方面，雾凇非冰非雪，是由于雾中无数零摄氏度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，故雾凇的形成条件较特殊。因此本文只选取贵州省85站1961年1月～2020年4月逐日的雨凇观测资料作为样本数据。

2 单站凝冻过程指标确定及其时空特征

统计1961～2019年贵州省各月凝冻日数所占百分比(图1)发现，贵州省10月至翌年4月均发生过凝冻天气，但59a间10月共计出现过2站次凝冻天气，4月共计出现过25站次凝冻天气，而5～9月无凝冻发生。因此以当年11月至翌年3月逐日观测的雨凇资料作为研究该年冬季凝冻的基础数据。

2.1 单站凝冻过程的确定

为客观地对贵州单站凝冻过程的起始条件进行定义，统计了1981～2010年冬季(本文中冬季指当年11月至翌年3月)凝冻天气现象不同持续天数(无间断)的发生频率(图略)，统计结果表明贵州省凝冻持续天数为1～34天，随着持续天数的增加，发生频率呈指数下降。所谓过程，持续天数应该≥2天，而贵州持续天数为2天的发生频率为25.9%，凝冻持续天数2天以上的累积频率为61.3%，这样会造成样本数据过多，没有针对性。而持续天数为3天的发生频率为14.5%，凝冻持续天数3天以上的累积频率为35.4%，再结合《贵州短期气候预测技术》和地方标准的相关定义，因此，定义单个县(区)连续出现3天以上(含3天)凝冻日则为单站凝冻过程的起始条件，第一日定义为凝冻过程的开始日。

同时统计了1981～2010年贵州省凝冻过程中非凝冻日数的发生频率(图略)。统计结果表明：84.2%的贵州省凝冻过程中非凝冻日数为0，即凝冻过程中无凝冻现象的中断。12.5%的贵州省凝冻过程中非凝冻日数为1，即凝冻过程中出现凝冻现象中断天数为1天。因此将凝冻过程结束的判定标准定义为：当凝冻现象连续两天中断标志着凝冻过程的结束，凝冻消失的前一日即最后一个凝冻日定义为凝冻结束日。

按照新的定义，统计了1981～2010年冬季贵州省凝冻过程中不同持续天数的发生频率(图2)，统计结果表明贵州省凝冻过程的持续天数为3～39天，最长凝冻过程持续天数为39天，1981～2010年共计出现1次，同样地，随着凝冻过程持续天数的增加，发生频率呈指数下降。

2.2 单站凝冻过程的时空特征

图3(a)给出了贵州省凝冻过程开始初日多年平均(1981～2010年)空间分布，总体来看，贵州省凝冻过程最早出现在威宁县，再依次出现在大方、开阳、万山，然后从东北向南部逐渐发生凝冻过程，其中榕江县最晚出现凝冻过程，威宁和榕江的时间跨度约44天。图4a为1961～2019年贵州省全省平均凝冻过程开始初日时间序列，其中峰值(谷值)表征当年凝冻开始初日较晚(较早)。总体来看，1961～2000年没有明显的年代际变化特征，而在在2000s～2010s前期以偏早为主，2010s中期明显偏晚，而近2年明显偏早，尤其是2019年，平均偏早近39天。

图3(b)给出了贵州省凝冻过程结束终日的多年平均(1981～2010年)空间分布，总体来看，贵州省凝冻过程最早结束在沿河、思南，然后从东北向南部，东部向西部逐渐结束凝冻过程，开阳、大方、万山、威宁再依次结束，最早结束和最晚结束的时间跨度约60天。图4(b)为1961～2019年贵州省全省平均凝冻过程结束终日时间序列，其中峰值(谷值)表征当年凝冻结束终日较晚(较早)。总体来看，1961～2019年没有明显的年代际变化特征，年际振荡较大。与凝冻过程开始初日时间序列作相关发现，二者相关系数高达0.824，通过0.01显著性水平，表明在大多数年份，凝冻过程开始初日偏早/偏晚，结束终日也偏早/偏晚。

2.3 单站凝冻过程的分级标准及特征

根据贵州省凝冻过程不同持续天数的发生频率统计结果(图2)来看，若按《贵州短期气候预测技术》和地方标准贵州省凝冻灾害等级中持续天数的分级标准来划分，则轻级、中级、重级和特重级占比分别是36.1%、28.2%、18.9%、16.8%，该占比不符合分组百分位原则，因此采用百分位原则将单站凝冻过程进行新的等级划分，以第50百分位(中位数)、第75百分位(第三个四分位)、第90百分位为分界线进行划分。根据贵州省凝冻过程不同持续天数的发生频率统计结果来看，第50、75、 90百分位对应天数分别是4、7、12。因此规定凝冻过程持续天数3～4为轻级凝冻，持续5～7天为中级凝冻，持续8～12天为重级凝冻，持续天数≥13天为特重级凝冻。

按照新的单站凝冻过程分级标准对1961～2019年冬季贵州省各站不同等级凝冻过程年均次数和频率进行统计(图5)，总体来看，4个不同等级凝冻过程其年均次数和频率的空间分布特征基本一致。另外随着单站凝冻过程等级的升级，其范围在不断缩小，无论是哪种等级，大值区主要仍集中在26.5°～27.5°N，低值区仍在贵州省北部和南部地区。虽然威宁和大方站也呈减小的趋势，但其减小的幅度最小，其中威宁和大方站特重凝冻过程的发生频率分别为66.1%和52.5%。

图6给出了1961～2019年冬季贵州省不同等级单站凝冻过程的站次时间序列。可以看出， 4个不同等级单站凝冻过程的站次均呈缓慢减少趋势，其中随着等级的升高，减少趋势减弱，即轻级的减少趋势最明显，而特重级的减少趋势最弱。从特重级的序列来看，由于1967、1976、1983、2007年冬季特重级站次较多，其变化特征与其他三个等级的不太一致，比如2007年冬季特重级的站次甚至比轻级的站次更多。

2.4 典型站点凝冻过程的特征

威宁、大方、开阳和万山站是贵州省单站凝冻过程的四个中心，因此将这4个站作为单站凝冻过程的典型站进行分析。分别对4个典型站点年凝冻过程次数和天数时间序列(图7)、单次过程时间分布(图8)、各月(图略)和各旬(图略)的占比进行了统计分析(表2)。

威宁县平均海拔2200m，是贵州省面积最大、海拔最高的县，由于其特殊的地势条件，因此59a间出现单站凝冻过程最多、年平均凝冻过程次数也最多、平均天数最长、单次过程持续天数最长(表1)。4个典型站点的年凝冻过程次数与累积天数之间呈明显的正相关关系，均呈减少趋势。从各站点凝冻过程的具体时间分布来看，59a间4个典型站凝冻过程最早开始出现于11月中旬，最晚结束于3月下旬，凝冻过程主要集中出现在12月至翌年2月，其中1月占比最多，2月次之，而11月最少。从各旬占比来看，主要集中出现在1月中旬至2月上旬，11月上旬最少。4个典型站在时间上的统计特征表现基本一致，而在总次数等特征上存在一定的差异，造成这一现象的原因主要有两点，第一个原因是气候背景，11月至翌年3月，1月最冷，其中以1月下旬为最冷旬，而11月最高，其中11月上旬为最暖旬，因此4个典型站时间上的统计特征表现基本一致；第二原因是观测站的海拔高度，威宁(2236.2m)>大方(1704.0m)>开阳(1277.2m)>万山(883.4m)，随着海拔高度的上升，气温将有所下降，因此海拔差异是造成4个典型站凝冻次数等特征差异的主要原因。

表1 4个典型站凝冻过程统计表(注：万山站1962～1976年缺测)

3 结论

本文通过对1961～2019年冬季雨凇样本数据的统计分析以及三个现有指标的对比分析，重新确定了贵州省单站凝冻过程的指标和分级标准，并根据新的标准对其特征进行分析，得出以下主要结论：

(1)单个县(区)连续出现3天以上(含3天)凝冻日则为单站凝冻过程的起始条件，第一日定义为凝冻过程的开始日，当凝冻现象连续两天中断标志着凝冻过程的结束，凝冻消失的第一日定义为凝冻结束日。贵州省凝冻过程的持续天数为3～39天，随着凝冻过程持续天数的增加，发生频率呈指数下降。

(2)贵州省凝冻过程开始初日和结束终日之间存在凝冻过程开始初日偏早/偏晚，结束终日也偏早/偏晚的现象。

(3)根据百分位法对单站凝冻过程的分级标准进行了确定，规定凝冻过程持续天数3～4为轻级，持续5～7天为中级，持续8～12天为重级，持续天数≥13天为特重级。随着凝冻等级的升高，其影响范围在不断缩小，但大值区主要仍集中在26.5°～27.5°N，低值区仍在贵州省北部和南部地区。4个不同等级单站凝冻过程的站次均呈缓慢减少趋势。

(4)4个典型站点的年凝冻过程次数与累积天数均呈减少趋势。4个典型站的凝冻过程主要集中出现时间基本一致，主要出现在12月至翌年2月，其中均是1月占比最多，2月次之，而11月最少。从各旬占比来看，主要集中出现在1月中旬至2月上旬，11月上旬最少。