寒冷天气等级研究

赵广娜，吴 岩，齐 铎，关 铭，孙 琪

(黑龙江省气象台，黑龙江 哈尔滨150030)

1 引言

冬季低温寒冷是东北冬季的典型天气特征。冬季在极地大陆气团控制下，黑龙江省气候寒冷干燥，最近几年，黑龙江省极端气候事件频发，2010年冬季黑龙江省多地出现极端低温气候事件，2012年12月气温特低，为1961年以来历史第3位，是近10 a来最冷的12月。寒冷天气的频繁出现，对黑龙江省的农业、人民群众的健康和出行都带来很大的不便，因此做好关于寒冷天气等级的划分工作对气象公众服务和农业防灾减灾等方面都有重要意义。

祖雪梅[1]曾利用8项气候指标对黑龙江省5个寒冷气候区划分，王春林[2-3]以过程降温幅度和过程最低气温作为灾害指标，将广东省寒冷灾害分为2个等级5个亚类；辽宁省按照日最低气温来划分，制定了寒冷等级。黑龙江作为农业大省，多数学者主要研究生长季低温冷害对农作物影响[4-6]，但对于冬季黑龙江省寒冷天气等级、寒冷天气过程的评估等研究还有待进一步深入，为此本文从日最低气温着手，制定寒冷天气等级的寒冷强度指标、持续时间指标、覆盖范围指标三项分项评估指标，并对三项分项评估指标进行加权求和，即得寒冷天气的综合评估指标。

以此方法为基础的地方标准 《寒冷天气等级》(DB23T 2170-2018)[7]，已于 2018 年 9 月发布，10 月实施。

本文每年12月-次年2月，研究的寒冷天气是指当年12月-翌年2月，由于气温较低使城市交通、城市供暖、人民群众生产生活等受到明显影响的灾害天气。

2 寒冷天气时空分布

2.1 资料

利用黑龙江省气象局整编的黑龙江省站点逐日最低气温值（日最低气温指当日14时-次日14时的24 h内最低气温）资料。经质量控制后采用的站点数为77个（图1）。资料的时间长度为1981-2010年，共30 a。

图1 黑龙江省台站分布示意图（77站）

2.2 30 a黑龙江省冬季寒冷天气时空分布

30 a黑龙江省冬季平均最低气温年际波动很大（表1）。冬季平均最低气温年份最高值与最低值相差达7.31℃。冬季平均最低气温排名前三位是2000年、2009年和1985年，分别达－26.16℃、－24.29℃和－24.12℃；最后三位是1988年、2001年和2006年，分别达－20.55℃、－19.43℃和－18.85℃；其余年份冬季平均最低气温介于－24－(－20.5)℃之间。

表1 30 a黑龙江省冬季平均最低气温（℃）排序（1981-2010年）

30 a中黑龙江省冬季月平均最低气温第1位为－28.64℃，出现在2001年的1月份。最后一位为－16.44℃，出现在2002年的2月份。不同年份的冬季月平均最低气温最低的多出现在1月份。30 a中月平均最低气温低于－20℃的有68个月，占75.6%。（表 2）。

表2 30 a黑龙江省冬季月平均最低气温（℃）排序（1981-2010 年）（前 20）

1981－2010年黑龙江省冬季各旬平均最低气温差异较大（表略），前三位为2001年1月中旬、1990年1月下旬和2001年2月上旬，分别达－32.68℃、－32.49℃和－30.77℃；后三位为1990年12月上旬、1998年2月下旬和2002年2月下旬，分别达－13.29℃、－12.86℃和－10.68℃，旬平均最低气温差值达22℃，跨度较大。排序前50位中有33个在1月，占66%，与冬季1月气温最低相吻合。其中1月中旬有17个，占51.5%，上旬和下旬分别有9个和7个，说明1月中旬为冬季最冷时段。排序后50位中2月内的旬有31个占62%，剩下19个旬均在12月。其中2月下旬有20个，占66.7%，中旬和上旬分别有10个和1个，说明2月下旬平均最低温度为整个冬季最高。

30 a中黑龙江省冬季单日最低气温平均值差异较大（表略），最低值出现在2001年1月11日，为－36.81℃，最高值出现在2002年2月27日，为－5.17℃。最低气温低于－32℃日数为45 d，低于－34℃日数为10 d。

黑龙江省地域广阔，地形复杂，南北跨度大。黑龙江省冬季极端最低气温空间分布具有纬向分布特点，自南向北逐渐递减。30 a中黑龙江省冬季极端最低气温第1位出现在漠河站，达－48.1℃，最后一位出现在东宁站。77个站中极端最低气温均低于－30℃，其中极端最低气温在－40℃以下的有31个站，占40.3%。从各站的极端最低气温出现时间来看，多出现在1月份，其次是2月份，在12月份出现极端低温的站数很少(表3)。

3 寒冷天气等级研究

3.1 寒冷天气等级分项评估指标计算方法

寒冷天气的分项评估指标为寒冷强度指标、持续时间指标和覆盖范围指标。寒冷天气的分项评估指标的计算方法如下：

(1)寒冷强度指标按式（1）、（2）计算：

式中：

i—表示被评估天数，即第i天；

j—表示被评估站数，即第j个站点；

Item—为寒冷强度指标；

Itemi—为第i天寒冷强度指标；

表3 30 a黑龙江省77站极端最低气温及出现时间（1981-2010年）（℃）

Tij—表示第j个气象观测站点在被评估天气中的日最低气温的最小值，单位为摄氏度（℃）；

Tij—表示第j个气象观测站点在被评估天气中的日最低气温旬历史平均值或候历史平均值或任意天滑动历史平均值，单位为摄氏度（℃）；

ni—表示被评估区域内第i天达到寒冷天气标准的气象观测站点个数，单位为个；当时Tij-Tij≥0，则ni=ni+1。

（2）持续时间指标 Ilas按式（3）计算：

式中：

Ilas—为持续时间指标；

Ndi—第j个气象观测站点在被评估天气中的连续出现寒冷天气的最大天数，单位为天。

（3）覆盖范围指标 Icov按式（4）、（5）计算：

式中：

Icov—为覆盖范围指标；

n—被评估区域内达到寒冷天气标准的气象观测站点总个数，单位为个；

N—为被评估区域内气象观测站点总数，单位为个。

3.2 寒冷天气的综合评估指标计算方法

寒冷天气的综合评估指标Icold按式（6）计算：

3.3 寒冷天气等级划分

寒冷天气的综合评估指标所隶属的级别即为该寒冷天气的划分等级，详见表4和表5。

表4 寒冷天气等级的划分标准(被评估天数＞10 d，即＞10)

表5 寒冷天气等级的划分标准(被评估天数≤10 d，即≤10)

4 寒冷天气等级划分结果验证和分析

利用2011年、2012年、2013年冬季日最低气温资料，对本文评估方法进行验证和分析。

2011年冬季平均最低气温为－23.69℃，可在冬季平均最低气温排序（表1）中排在第6位；在冬季月平均最低气温排序中 （表2），2012年1月平均最低气温为－27.34℃，可排在第5位，2012年12月平均最低气温为－25.66℃，在可排第12位。

黑龙江省2011年冬季气候影响评价指出：冬季气温12、1月偏低，1月寒冷为近10 a极值。2011年冬季低温持续时间长，2012年1月1－4日，抚远持续降温4 d，最大连续降温幅度为22.0℃，为本站有历史记录以来第3位；7－13日，五大连池持续降温7 d，最大连续降温幅度为23.4℃，为本站有历史记录以来第3位。其中“1月寒冷为近10 a极值”与前面统计的2012年1月平均最低气温为－27.34℃，与在表2中排第5位的结果是一致。

表6 2012年1月1-4日寒冷天气评估结果

利用寒冷天气等级划分方法（表5），对2012年1月1－4日寒冷天气过程进行评估计算结果，如表6所示，2012年1月1－4日寒冷天气过程强度=1.04，属于Ⅳ级轻度寒冷等级。抚远站=1.4，为Ⅱ级重度寒冷等级。

对2012年1月7－13日寒冷天气过程进行评估计算结果，如表7所示，2012年1月7－13日寒冷天气过程强度Icold=1.12，属于Ⅲ级中度寒冷等级。五大连池站Icold=1.42，为Ⅱ级重度寒冷等级。

根据对2011－2012年冬季寒潮天气个例的验证分析，证明本项目制定的寒冷天气等级是实用、可行的。

表7 2012年1月7-13日寒冷天气评估结果

按照寒冷天气等级的划分标准（表4、5）对全省逐年冬季寒冷天气进行等级划分，结果如表8所示，最低气温距平在一定程度上可表征当年寒冷程度，所以按年平均最低气温距平进行排序，则发现寒冷天气等级与最低气温距平有很好的相关性，相关系数为 0.87。2000、2012年冬季最低气温距平＜（－3）℃，划分为Ⅰ级特重寒冷等级是合适的，最低气温距平＞0℃的年份，大部分被划分为Ⅳ级轻度寒冷等级，也是比较合适的。

对全省逐月寒冷天气进行等级划分，按月平均最低气温距平进行排序，前13位月最低气温距平＜（－3）℃，划分为Ⅱ级重度寒冷等级，其中2012年12月，由于低温持续时间长，划分为Ⅰ级特重，是较为客观和合适的。最低气温距平在－（0－2）℃的月份，大部分被划分为Ⅲ级中度寒冷等级。最低气温距平＞0℃的月份，大部分被划分为Ⅳ级轻度寒冷等级。最低气温距平＞1℃的月份，大部分被划分为无灾害。

对全省逐旬寒冷天气进行等级划分，按旬平均最低气温距平进行排序，前3位分别是2001年2月上旬、1990年1月下旬、2001年1月中旬，这三旬旬最低气温距平＜（－7）℃，划分为Ⅰ级特重寒冷等级。最低气温距平在－（3－7）℃的各旬，大部分被划分为Ⅱ级重度寒冷等级。最低气温距平在－（0－3）℃的各旬，大部分被划分为Ⅲ级中度寒冷等级。最低气温距平＞0℃的各旬，大部分被划分为Ⅳ级轻度寒冷等级。最低气温距平＞1℃的各旬，大部分被划分为无灾害。

根据最低气温距平来验证逐年、逐月、逐旬的寒冷天气等级，二者相关系数分别达到 0.87、0.85、0.87，相关性较好，说明本项目制定的寒冷天气等级的划分标准是比较客观的。

表8 黑龙江省逐年寒冷天气等级划分（1981-2013年）