吳幸毓,林毅,陳文鍵,何小寧

福建省氣象臺(tái),福建 福州 350001

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福建霜凍時(shí)空分布特征及環(huán)流背景分析

吳幸毓*,林毅,陳文鍵,何小寧

福建省氣象臺(tái),福建 福州 350001

2014-11-17收稿,2015-06-17接受

福建省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2014J01147);福建氣象局青年科技專項(xiàng)資助項(xiàng)目(2012q02)

摘要利用福建省內(nèi)68個(gè)地面測(cè)站1981—2011年1—4月、10—12月逐日觀測(cè)資料,結(jié)合最低地表溫度、天氣現(xiàn)象、最低氣溫作為福建霜凍判別指標(biāo),探討福建霜凍氣候特征及環(huán)流背景形勢(shì)。研究發(fā)現(xiàn):1)福建年平均霜凍天數(shù)、初(終)霜凍日、無霜凍期具有明顯地域差異,等值線基本呈東北—西南走向,與臺(tái)站海拔高度具有良好相關(guān)性。區(qū)域平均初霜凍日、終霜凍日、無霜凍期總體分別呈推遲、提前、延長的變化趨勢(shì)。2)全省大范圍霜凍天氣呈現(xiàn)發(fā)生頻率低、過程持續(xù)時(shí)間短、總體逐漸減少的特征。3)霜凍越強(qiáng),發(fā)生越晚,結(jié)束越早,且出現(xiàn)天數(shù)越少。4)隨著形勢(shì)場(chǎng)特征線略有南壓,霜凍逐漸增強(qiáng),反之減弱。

關(guān)鍵詞

霜凍判別指標(biāo)

初、終霜凍日

無霜凍期

氣候統(tǒng)計(jì)特征

環(huán)流背景形勢(shì)

霜凍,是指作物表面以及近地面空氣層的溫度迅速下降到作物生長的臨界溫度或以下時(shí)足以引起作物枯萎或死亡的現(xiàn)象,它是我國發(fā)生范圍廣、危害作物種類多、造成經(jīng)濟(jì)損失大的一種農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害,北至黑龍江,南至廣東、廣西均存在霜凍災(zāi)害(陳乾金和張永山,1995;吳國興等,2003;溫晶等,2010)。霜凍在我國有兩種情況,一是早、晚霜凍,發(fā)生在較溫暖時(shí)期;二是冷季霜凍,發(fā)生在溫暖地區(qū),出現(xiàn)頻率小(崔讀昌,1999)。福建屬于第二種情況,雖然總體上影響福建的冷空氣弱于北方,但因福建境內(nèi)的作物(熱帶、亞熱帶作物)對(duì)冷空氣的抵御能力較弱,較強(qiáng)的冷空氣活動(dòng)也會(huì)給農(nóng)作物帶來重大影響(宋德眾和蔡詩樹,2007)。葉殿秀和張勇(2008)采用577個(gè)測(cè)站資料分析我國1961—2007年霜凍變化特征,指出南方地區(qū)應(yīng)特別注意預(yù)防極端霜凍影響。比如1999年,福建大部遭受幾十年以來最為嚴(yán)重的霜凍災(zāi)害,全省農(nóng)作物受災(zāi)和成災(zāi)面積分別達(dá)26.0、22.1萬公頃,部分縣市經(jīng)濟(jì)損失超億元(陳曉華,2009)。

至今,針對(duì)福建霜凍的研究較少,多為基礎(chǔ)性研究工作(何小寧和吳幸毓,2012)。本文首先結(jié)合最低地表溫度、霜或結(jié)冰天氣現(xiàn)象、最低氣溫,給出福建霜凍判別指標(biāo),據(jù)此對(duì)福建霜凍氣候特征作細(xì)致、深入的分析,揭示其產(chǎn)生環(huán)流背景條件,并對(duì)適應(yīng)福建不同強(qiáng)度霜凍開始與結(jié)束的環(huán)流特征作了初步研究,有助于福建霜凍的預(yù)報(bào)預(yù)警和防災(zāi)減災(zāi)工作。

1　資料與統(tǒng)計(jì)說明

1.1資料

1)福建省內(nèi)68個(gè)地面測(cè)站1981—2011年1—4月、10—12月(共31 a、217個(gè)月)逐日觀測(cè)資料,選取其中最低地表溫度、天氣現(xiàn)象、最低氣溫三個(gè)要素,作為福建霜凍判別指標(biāo)。2)利用同期NCEP/NCAR一日四次再分析資料(格距2.5°×2.5°),分析霜凍天氣環(huán)流形勢(shì)。

1.2統(tǒng)計(jì)說明

由溫暖季節(jié)向寒冷季節(jié)過渡第一次出現(xiàn)霜凍的日期,為初霜凍日;反之,由寒冷季節(jié)向溫暖季節(jié)過渡最后一次出現(xiàn)霜凍的日期,為終霜凍日。全年僅一天出現(xiàn)霜凍,則該日既為初霜凍日,也是終霜凍日。為便于統(tǒng)計(jì)和表述,將初、終霜凍日分別進(jìn)行數(shù)值化,以日序表示,把6月1日定為1,6月2日定為2,以此類推,次年1月1日為215。將1—4月初霜凍日歸并為上一年冬季初霜凍記錄;同理,10—12月終霜凍日列入次年春季終霜凍記錄中。鄰近的終霜凍日與初霜凍日之間的日數(shù),稱為無霜凍期。

2　霜凍判別指標(biāo)

農(nóng)業(yè)氣象上,通常設(shè)定最低地表溫度≤0 ℃為判定霜凍的指標(biāo)(姜會(huì)飛,2008;李芬等,2012)。但是,受條件限制,最低地表溫度的歷史觀測(cè)資料多有缺失,部分學(xué)者改用最低氣溫進(jìn)行研究,比如Easterling(2002)、Scheifinger(2002)、李嬌等(2014)以逐日最低氣溫≤0 ℃判定霜凍日;葉殿秀和張勇(2008)、張旭暉等(2013)則以≤2 ℃作為霜凍的氣候指標(biāo)。最低氣溫與最低地表溫度之間沒有轉(zhuǎn)換公式,在最低溫度閾值的選取上,目前尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),本文通過大量統(tǒng)計(jì)確定適合福建的閾值,稍后給出詳細(xì)說明。

另外,“霜”,也稱“白霜”,是近地面空氣中水汽直接凝華在溫度低于0 ℃的地面上或近地面物體上的白色松脆冰晶(《大氣科學(xué)辭典》編委會(huì),1994)576,它是一種天氣現(xiàn)象。而“霜凍”是指植物生長季節(jié)里因土壤表面和植株體溫度降低到0 ℃或0 ℃以下而引起植物凍害,是一種農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害(《大氣科學(xué)辭典》編委會(huì),1994)576。霜和霜凍兩者既有區(qū)別,又有聯(lián)系。當(dāng)霜凍發(fā)生時(shí),不一定能觀測(cè)到“白霜”,這取決于空氣潮濕程度,農(nóng)民稱之為“黑霜”或“暗霜”。但有霜時(shí),卻經(jīng)常伴有程度不同的霜凍(馮玉香,1996)?！敖Y(jié)冰”是露天水面(包括蒸發(fā)皿中的水)在0 ℃以下凍結(jié)成冰的現(xiàn)象(《大氣科學(xué)辭典》編委會(huì),1994)331。霜和結(jié)冰同屬于地面氣象觀測(cè)內(nèi)容,也可作為評(píng)判地表溫度≤0 ℃的補(bǔ)充(林良勛等,2000)。

統(tǒng)計(jì)研究時(shí)段內(nèi)福建省地面觀測(cè)資料,發(fā)現(xiàn)當(dāng)最低地表溫度≤0 ℃時(shí),最低氣溫較最低地表溫度平均高出1.69 ℃;當(dāng)出現(xiàn)霜或結(jié)冰天氣現(xiàn)象時(shí),二者差值平均為1.47 ℃。另外,福建霜凍預(yù)警信號(hào)發(fā)布標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定:“當(dāng)24 h內(nèi)最低氣溫將要下降到4 ℃以下時(shí),發(fā)布霜凍藍(lán)色預(yù)警信號(hào)”。為選取最低氣溫的最佳閾值,針對(duì)最低氣溫≤2、3、4 ℃分別進(jìn)行如下統(tǒng)計(jì)(表1):

假設(shè)將最低氣溫作為最低地表溫度≤0 ℃的預(yù)報(bào)指標(biāo),由上表計(jì)算可得,以2、3、4 ℃作為臨界值的預(yù)報(bào)空?qǐng)?bào)率分別為29.25%、42.45%、54.56%;同法求得,2 ℃在對(duì)“白霜”及“黑霜”的預(yù)報(bào)中空?qǐng)?bào)率(計(jì)算公式=1-A-B)也最小(19.76%)。最低地表溫度或天氣現(xiàn)象達(dá)標(biāo)前提下,最低氣溫≤2 ℃的樣本比例分別達(dá)到87.30%、79.57%。權(quán)衡各項(xiàng)統(tǒng)計(jì)參數(shù),最低氣溫≤2 ℃較3或4 ℃表現(xiàn)出更好的預(yù)報(bào)效果,故2 ℃是最低氣溫閾值的最優(yōu)選擇。

由此,相比之前福建研究(何小寧和吳幸毓,2012)僅取最低地表溫度單一評(píng)判,將上述三個(gè)要素結(jié)合作為霜凍判定標(biāo)準(zhǔn)更為完善,即當(dāng)最低地表溫度≤0 ℃,或者地面觀測(cè)有霜或結(jié)冰現(xiàn)象,或者最低氣溫≤2 ℃時(shí),定義出現(xiàn)霜凍。這一判則表征了冷空氣的強(qiáng)度和降溫條件的共同作用。

3　霜凍氣候特征分析

3.1霜凍天數(shù)、初(終)霜凍日、無霜凍期空間分布特征

從1981—2011年福建年平均霜凍天數(shù)分布(圖1)可以看出,福建省霜凍天數(shù)具有明顯的地理分布特征,等值線基本呈東北—西南走向,自北向南遞減;疊加福建地形,發(fā)現(xiàn)霜凍天數(shù)與臺(tái)站海拔高度具有良好相關(guān)性(相關(guān)系數(shù)達(dá)0.829 3)。西部、北部地區(qū)及高海拔山區(qū),受冷空氣影響大,降溫較快,霜凍天氣容易出現(xiàn),年平均霜凍天數(shù)達(dá)25 d以上,其中以閩東北的鷲峰山及太姥山一帶(壽寧、周寧、屏南、柘榮平均海拔819 m)為最多(48～56 d)。沿海地區(qū)的丘陵地帶,更易受海洋氣候影響,31 a間極少出現(xiàn)霜凍,年均值在10 d以下,其中東山終年無霜凍。鷲峰山—戴云山—博平嶺與武夷山之間的閩中谷地及沿海地區(qū)內(nèi)陸縣市,霜凍天數(shù)介于上述二者之間。由此,將福建省9地市的68個(gè)測(cè)站分為三個(gè)區(qū)域,分別記為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區(qū)(如圖2所示),三個(gè)分區(qū)站點(diǎn)數(shù)分別為17、19、32。

表1最低氣溫與天氣現(xiàn)象(有霜或結(jié)冰)、最低地表溫度對(duì)應(yīng)的站次比例

Table 1Stations and times proportions with lowest temperature,weather phenomena(frost or ice),and lowest ground surface temperature%

前提條件最低地表溫度≤0℃有霜或結(jié)冰天氣現(xiàn)象(即“白霜”,記為A)無霜和結(jié)冰,最低地表溫度≤0℃(即“黑霜”,記為B)最低氣溫≤2℃≤3℃≤4℃≤2℃70.751)74.711)5.531)最低氣溫≤3℃57.5563.405.47≤4℃45.4452.174.63最低地表溫度≤0℃87.301)95.2398.27有霜或結(jié)冰天氣現(xiàn)象79.571)89.8896.26

注：1)代表最低氣溫≤2 ℃的對(duì)應(yīng)情況.

圖1　1981—2011年福建年平均霜凍天數(shù)(等值線;單位:d)的空間分布(陰影為福建地形,單位:m;粗點(diǎn)線表示福建主要山脈,A—E分別表示武夷山、鷲峰山、太姥山、戴云山、博平嶺)Fig.1　Spatial distribution of the mean number of frost injury days from 1981 to 2011(contours;units:d)[shading indicates the relief of Fujian,units:m;thick dotted lines from A to E indicate the main mountains in Fujian,such as Wuyi Mountain,Jiufeng Mountain,Taimu Mountain,Daiyun Mountain,and Bopingling Mountain]

圖2　福建省68個(gè)地面測(cè)站的霜凍分區(qū)示意圖Fig.2　Frost injury partitioning based on 68 meteorological stations in Fujian

分析年平均初(終)霜凍日、無霜凍期空間分布特征(圖略),可知,三者與年均霜凍天數(shù)相關(guān)性極高(相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值約為0.95),同樣具有明顯的地域差異,也按三個(gè)區(qū)域呈階梯狀排列(詳見表2)。初霜凍日與終霜凍日呈反相關(guān),即從西部、北部高海拔地區(qū)向東南部沿海,區(qū)域平均初霜凍日從11月下旬逐漸推遲至12月底;反之,終霜凍日從3月上旬旬末逐漸提前到1月底;鷲峰山脈附近為全省最早出現(xiàn)霜凍、最晚結(jié)束霜凍的區(qū)域。全省三個(gè)霜凍分區(qū)多年平均無霜凍期基本持續(xù)8個(gè)月以上,最小值同樣出現(xiàn)于鷲峰山脈區(qū)域(230.4 d);中南部臨海站點(diǎn)(平潭、秀嶼、崇武、廈門、東山)31 a間霜凍天數(shù)總計(jì)不足10 d,近乎全年無霜凍。表2同時(shí)給出各分區(qū)初(終)霜凍日歷年最早(晚)極值出現(xiàn)站點(diǎn)及日期,對(duì)比極值較年均值的提前(推遲)量,Ⅲ區(qū)比Ⅰ區(qū)提前(推遲)幅度大,Ⅱ區(qū)介于二者之間。綜上,福建霜凍天氣與福建地形及福建所處地理位置有緊密關(guān)系。

3.2初(終)霜凍日、無霜凍期的年際變化特征

對(duì)于Ⅲ區(qū),尤其是臨海站點(diǎn),霜凍樣本少,僅個(gè)別較冷年份才出現(xiàn),且初霜凍晚、終霜凍早。為保證樣本統(tǒng)一性,僅針對(duì)Ⅰ、Ⅱ區(qū)(共36站)分析平均初(終)霜凍日、無霜凍期的年際變化特征(如圖3所示)。

對(duì)比初、終霜凍日年際變化曲線(圖3a、b),可以看出,初霜凍日大體呈推遲變化趨勢(shì),終霜凍日緩慢提前,其氣候傾向率分別為0.358 5、-0.127 3 d·a-1,初霜凍日變化趨勢(shì)略大于終霜凍日,但二者均不顯著,僅初霜凍日通過0.1信度檢驗(yàn)。近30 a間,初(終)霜凍日年代均值(圖中橫虛線表示)略有起伏,80、90、00年代日序分別為179.4、187.7、185.5(273.8、269.4、270.8),前兩段時(shí)期變化相對(duì)較明顯,最大幅度為8.3 d·(10 a)-1。相應(yīng)的,無霜凍期大體呈延長趨勢(shì)(圖3c),氣候傾向率為0.494 5 d·a-1,同樣波動(dòng)大、趨勢(shì)不顯著(僅通過0.2信度檢驗(yàn)),極差達(dá)59.9 d(2000年最大,為312.1 d;1995年最小,為252.2 d)。Zhai and Pan(2003)、葉殿秀和張勇(2008)利用近50 a來我國577個(gè)測(cè)站逐日最低氣溫資料分析了我國霜凍的氣候變化特征,也得到類似結(jié)論。

表21981—2011年福建各霜凍分區(qū)初、終霜凍日及無霜凍期的統(tǒng)計(jì)特征

Table 2Statistical characteristics of the first date,last date and the number of days free of frost injury over Fujian from 1981 to 2011

區(qū)域初霜凍日終霜凍日多年區(qū)域平均(日期)歷史最早極值(站點(diǎn)/日期)多年區(qū)域平均(日期)歷史最晚極值(站點(diǎn)/日期)無霜凍期/dⅠ區(qū)11-23屏南/1992-10-1903-09壽寧、周寧、屏南、柘榮/1996-04-23230～270Ⅱ區(qū)12-09福安/1986-11-0202-17福鼎/1988-04-09270～330Ⅲ區(qū)12-29南靖/1992-11-1001-30霞浦/1987-03-26>330

圖3　1981—2011年福建Ⅰ、Ⅱ區(qū)平均初(a)、終(b)霜凍日日序及無霜凍期(c)的年際變化Fig.3　Interannual variation of the (a)first date,(b)last date and (c)the number of frost injury-free days of frost injury in Region I and II over Fujian from 1981 to 2011

3.3全省區(qū)域霜凍日的年際變化及持續(xù)性特征

以上對(duì)于霜凍時(shí)空分布特征的分析均基于站點(diǎn)出發(fā),而霜凍過程的討論要從面上著眼。引入?yún)^(qū)域霜凍日概念,當(dāng)區(qū)域內(nèi)≥1/3站點(diǎn)出現(xiàn)霜凍天氣,認(rèn)為該區(qū)域出現(xiàn)大范圍霜凍,此日即為該區(qū)域霜凍日。

1981—2011年,全省性霜凍日總計(jì)571 d,平均每年18.4 d,大范圍霜凍發(fā)生頻率較低;由圖4可知,1986年最多,達(dá)38 d,1998年最少,僅4 d。年際變化曲線總體呈下降趨勢(shì)。其中,20世紀(jì)80、90年代起伏大,年代均值分別為21.3、15.9 d;進(jìn)入21世紀(jì),變化較為平穩(wěn),基本穩(wěn)定在年代均值18.1 d附近振蕩。

圖4　1981—2011年全省區(qū)域霜凍日的年際變化Fig.4　Interannual variation of the number of frost injury days for the whole province from 1981 to 2011

統(tǒng)計(jì)分析全省區(qū)域霜凍過程的持續(xù)性特征(表3),36.79%的全省區(qū)域霜凍天氣僅1 d后便得到緩解,總計(jì)78次,為最多數(shù)情況;其次是維持2～3 d的過程,分別出現(xiàn)52、35次,占24.53%、16.51%;過程持續(xù)4 d及以上發(fā)生頻次大幅降低,合計(jì)僅48次,占樣本總數(shù)22.17%。由此可知,福建全省區(qū)域霜凍過程的持續(xù)時(shí)間普遍較短。31 a間,持續(xù)≥10 d的過程共4次,其中最長記錄為16 d(2001-12-22—2002-01-06)。

表31981—2011年全省區(qū)域霜凍過程統(tǒng)計(jì)

Table 3Frost injury statistics for the whole province from 1981 to 2011

過程持續(xù)天數(shù)/d出現(xiàn)次數(shù)/次出現(xiàn)率/%17836.7925224.5333516.514188.495104.72652.36720.94852.36931.421010.471220.941610.47

3.4霜凍強(qiáng)度的旬變化特征

普查研究時(shí)段內(nèi)(共計(jì)6 579 d)三個(gè)分區(qū)各自的區(qū)域霜凍日,發(fā)現(xiàn)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區(qū)分別有1 256、601、179 d。其中(除1996年2月4日外),其余樣本均顯示,Ⅲ區(qū)霜凍日同時(shí)也是Ⅰ、Ⅱ區(qū)霜凍日,此時(shí)Ⅰ、Ⅱ區(qū)霜凍站數(shù)分別為16～17站、13～19站,幾乎覆蓋全區(qū)范圍;Ⅱ區(qū)霜凍日時(shí),Ⅰ區(qū)必定也出現(xiàn)大范圍霜凍,出現(xiàn)站數(shù)≥8站。福建所處地理位置和地形特點(diǎn)決定福建霜凍過程必然是自北而南,從Ⅰ區(qū)逐漸擴(kuò)展到Ⅱ區(qū),再蔓延至Ⅲ區(qū)。另外,Ⅱ、Ⅲ區(qū)多種植亞熱帶、熱帶作物,對(duì)霜凍更為敏感;而對(duì)于Ⅰ區(qū),受氣候條件限制,所種植經(jīng)濟(jì)作物在霜凍季節(jié)基本已收成完畢,霜凍可能造成的危害較弱。由此,定義霜凍強(qiáng)度:以區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)大范圍霜凍(≥1/3站)為衡量標(biāo)準(zhǔn),僅Ⅰ區(qū)出現(xiàn)大范圍霜凍,為弱霜凍;大范圍霜凍擴(kuò)展至Ⅱ區(qū),為中等強(qiáng)度霜凍(簡稱中霜凍,下同);當(dāng)Ⅲ區(qū)也達(dá)到標(biāo)準(zhǔn),即全省大部均出現(xiàn)霜凍,稱為強(qiáng)霜凍。

表4給出霜凍強(qiáng)度的旬變化統(tǒng)計(jì),可見,霜凍越強(qiáng),發(fā)生越晚、結(jié)束越早,且出現(xiàn)天數(shù)越少。弱霜凍于10月下旬開始出現(xiàn),4月上旬仍偶有發(fā)生,平均每年發(fā)生21.10 d;主要集中于12月中旬至2月上旬爆發(fā),其中1月下旬最密集(年平均2.77 d);中霜凍從11月中旬開始,強(qiáng)霜凍更晚一旬,兩者最晚結(jié)束記錄均為3月中旬。中、強(qiáng)霜凍全年總天數(shù)的多年平均值分別達(dá)13.61、5.81 d。12月下旬為中、強(qiáng)霜凍相對(duì)高發(fā)期,多年平均出現(xiàn)天數(shù)分別為2.23、1.23 d,在此期間,中霜凍甚至較弱霜凍更易出現(xiàn)。

表4霜凍強(qiáng)度的旬變化統(tǒng)計(jì)特征

Table 4Ten-day variation statistics for frost injury intensity

旬弱霜凍中霜凍強(qiáng)霜凍總天數(shù)/d31a平均/(d·a-1)總天數(shù)/d31a平均/(d·a-1)總天數(shù)/d31a平均/(d·a-1)10月下旬10.0311月上旬70.2311月中旬270.8770.2311月下旬270.87190.6120.0612月上旬491.58642.0650.1612月中旬692.23461.48210.6812月下旬601.94692.23381.231月上旬642.06461.48290.941月中旬642.06501.61280.901月下旬862.77381.23260.842月上旬622.00381.23150.482月中旬421.35120.3980.262月下旬300.97140.4510.033月上旬461.48170.5560.193月中旬110.3520.0610.033月下旬60.194月上旬30.10總和65421.1042213.611805.81

4　環(huán)流背景形勢(shì)分析

利用同期NCEP/NCAR一日四次再分析資料,分三部分剖析福建霜凍天氣的環(huán)流特征。1)分析全省性霜凍日08時(shí)(北京時(shí)間,下同)平均形勢(shì)場(chǎng),了解福建霜凍天氣總體環(huán)流背景;2)對(duì)比分析不同霜凍強(qiáng)度開始日08時(shí)平均形勢(shì),旨在揭示霜凍爆發(fā)從無到有、從弱到強(qiáng)的形勢(shì)場(chǎng)指標(biāo),當(dāng)影響福建冷空氣達(dá)到相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)并將繼續(xù)增強(qiáng)或維持,分別相對(duì)應(yīng)的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區(qū)將開始出現(xiàn)大范圍霜凍;3)同理,分析不同霜凍強(qiáng)度結(jié)束日次日08時(shí)平均形勢(shì),找到過程減弱、甚至完全解除的形勢(shì)場(chǎng)指標(biāo),當(dāng)影響福建冷空氣達(dá)到相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)且將繼續(xù)減弱,預(yù)示對(duì)應(yīng)區(qū)域大范圍霜凍即將結(jié)束。

圖5　全省區(qū)域霜凍日08時(shí)(北京時(shí)間,下同)500 hPa(a;實(shí)線為高度,單位:dagpm,568 dagpm線加粗顯示;虛線為溫度,單位:℃;點(diǎn)劃線為東亞大槽)、850 hPa(b;實(shí)(虛)線為正(負(fù))溫度,單位:℃,0、4 ℃線加粗顯示;點(diǎn)劃線為溫度槽)和海平面(c;等值線為氣壓,單位:hPa)平均形勢(shì)場(chǎng)(G為標(biāo)記的高壓中心)Fig.5　Analysis of the weather situation mean-field at 0800 BST on frost injury days for the whole province(the position of the high pressure center is denoted by “G”):(a)500 hPa[height field shown by solid lines(units:dagpm,with 568 dagpm for thickening);temperature field indicated by dashed lines(units:°C);position of the East Asian trough indicated by the dashed-dotted line];(b)850 hPa [temperature field shown as solid lines for positive numbers and dashed lines for negative numbers(units:°C,with 0 °C and 4 °C for thickening);positions of the temperature trough indicated by the dashed-dotted line];(c)SLP field(solid lines;units:hPa)

4.1全省性霜凍環(huán)流形勢(shì)分析

圖5a、b、c分別給出福建全省區(qū)域霜凍日08時(shí)500、850 hPa和地面平均形勢(shì)場(chǎng)。

500 hPa(圖5a),東亞大槽位于125°E以東,槽底伸至30°N以南,568 dagpm線橫穿浙江南部,福建受偏西到西北氣流控制;低渦槽內(nèi)有-36 ℃冷區(qū)配合,-28 ℃線穿過山東半島,-12 ℃線南壓至福建中部;溫度槽落后于高度槽,冷平流明顯;環(huán)流經(jīng)向度大,槽后強(qiáng)盛的西北氣流引導(dǎo)冷空氣大舉南下,影響我國東部地區(qū),尤其是西路冷空氣,往往造成較大范圍急劇降溫。

850 hPa(圖5b),高壓中心一般位于湖南北部,福建為高壓前部偏北到東北氣流控制,風(fēng)速小;溫度場(chǎng)上,我國東部地區(qū)為冷槽控制,槽底位置較南,冷平流強(qiáng);0 ℃線已南壓臨近福建,4 ℃線壓至福建南部。

由平均海平面氣壓場(chǎng)(圖5c)可見,我國東部大部地區(qū)在冷高壓控制下,高壓主體位于長江以南(中心強(qiáng)度達(dá)1 029.5 hPa),高壓后部仍有冷空氣從西路或中偏西路不斷擴(kuò)散南下。根據(jù)預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn),冷高中心位于30～32°N之間時(shí),福建受其控制,以晴好天氣為主,夜間輻射降溫明顯,易造成霜凍。

4.2不同霜凍強(qiáng)度開始日天氣形勢(shì)對(duì)比分析

對(duì)比霜凍由無—弱、弱—中、中—強(qiáng)三個(gè)發(fā)展過程的開始日08時(shí)500、850 hPa和地面平均形勢(shì)場(chǎng)特征參數(shù)(表5),總體而言,霜凍強(qiáng)度與形勢(shì)場(chǎng)特征線位置有密切關(guān)系,特征線越偏南,霜凍越強(qiáng)。各特征參數(shù)大多在中—強(qiáng)過渡階段不如弱—中階段南壓明顯。這是因?yàn)榇蠓秶獌鰯U(kuò)展到Ⅱ區(qū)之后,冷空氣南襲勢(shì)頭往往減弱,冷高壓主體維持在長江中下游地區(qū),強(qiáng)度不再增強(qiáng),冷空氣從東南沿海擴(kuò)散南下,有利于Ⅲ區(qū)出現(xiàn)霜凍。其次,強(qiáng)霜凍基本僅維持1～2 d,很快在回暖形勢(shì)下緩解,地面溫度對(duì)高空的溫度變化存在滯后反應(yīng),當(dāng)高空特征溫度線已經(jīng)開始逐漸北抬時(shí),晴空輻射致使地面溫度在較低水平基礎(chǔ)上繼續(xù)下降,造成霜凍范圍擴(kuò)大。

表5不同霜凍強(qiáng)度開始日08時(shí)平均形勢(shì)場(chǎng)特征參數(shù)對(duì)比

Table 5Comparison of the weather situation mean-field at 0800 BST on the day of frost injury beginning with different intensity

霜凍強(qiáng)度500hPa特征參數(shù)850hPa特征參數(shù)地面特征參數(shù)東亞大槽位置東亞大槽槽底568dagpm線-28℃線-12℃線高壓中心0℃線4℃線風(fēng)場(chǎng)冷高壓1025hPa線弱約29.0°N1)29.0°N1)36.7°N1)27.0°N1)陜西南部28.0°N2)25.6°N2)26.0°N2)中大致穩(wěn)定維持于125°E以東約28.0°N1)28.0°N1)35.4°N1)26.4°N1)陜西南部27.0°N2)24.6°N2)風(fēng)向、風(fēng)速變化不明顯,華南地區(qū)為2～4m·s-1東北風(fēng)控制冷高壓控制,高壓中心位于31～29°N之間25.0°N2)強(qiáng)約27.0°N1)27.2°N1)34.7°N1)26.0°N1)湖南北部26.5°N2)23.7°N2)24.3°N2)

注：1)表示特征線與125°E相交的緯度;2)表示特征線與120°E相交的緯度.

4.3不同霜凍強(qiáng)度結(jié)束日天氣形勢(shì)對(duì)比分析

表6給出霜凍由強(qiáng)—中、中—弱、弱—無三個(gè)減弱過程的結(jié)束日次日08時(shí)500、850 hPa和地面平均形勢(shì)場(chǎng)特征參數(shù)對(duì)比情況。與初始日相反,隨著特征線逐漸北抬,霜凍由強(qiáng)到弱,直至完全解除。相較于初始日,500 hPa,東亞大槽東移約15個(gè)經(jīng)距,槽底北縮。850 hPa,冷高壓東移入海,西北地區(qū)到長江中上游一帶高壓中心消失,取而代之,臺(tái)灣島東北方向出現(xiàn)海上小高壓;華南地區(qū)轉(zhuǎn)為海上高壓后部偏南氣流控制,有弱的暖平流;等溫線平直,特征溫度線北抬明顯。地面場(chǎng)上,海平面氣壓梯度顯著減小。

5　結(jié)論

本文結(jié)合最低地表溫度、霜或結(jié)冰天氣現(xiàn)象、最低氣溫三者,給出更為完善的福建省霜凍判別標(biāo)準(zhǔn),并據(jù)此研究福建霜凍氣候態(tài)特征及環(huán)流背景形勢(shì),得到如下結(jié)論:

表6不同霜凍強(qiáng)度結(jié)束日次日08時(shí)平均形勢(shì)場(chǎng)特征參數(shù)對(duì)比

Table 6Comparison of the weather situation mean-field at 0800 BST on the next day of frost injury ending with different intensity

霜凍強(qiáng)度500hPa特征參數(shù)850hPa特征參數(shù)地面特征參數(shù)東亞大槽位置東亞大槽槽底568dagpm線-28℃線-12℃線高壓中心0℃線4℃線風(fēng)場(chǎng)冷高壓1025hPa線弱31.0°N1)38.9°N1)27.2°N1)33.3°N2)29.4°N2)29.6°N2)中大致穩(wěn)定維持于140°E以東槽底北縮,大致位于30°N以北30.2°N1)38.6°N1)26.9°N1)臺(tái)灣島東北方向的東海海面上出現(xiàn)小高壓32.6°N2)28.3°N2)風(fēng)向、風(fēng)速變化不明顯,華南地區(qū)為2～4m·s-1偏南風(fēng)控制冷高壓變性,減壓明顯27.8°N2)強(qiáng)29.6°N1)37.8°N1)26.7°N1)31.9°N2)27.6°N2)26.8°N2)

注：1)表示特征線與125°E相交的緯度;2)表示特征線與120°E相交的緯度.

1)福建年平均霜凍天數(shù)、初(終)霜凍日、無霜凍期具有明顯地域差異,等值線基本呈東北—西南走向,與臺(tái)站拔海高度具有良好相關(guān)性。據(jù)此,可將全省劃分三個(gè)霜凍區(qū)域,西部、北部地區(qū)及高海拔山區(qū)(Ⅰ區(qū))最易出現(xiàn)霜凍,且最早開始、最晚結(jié)束,無霜凍期最短;沿海地區(qū)的丘陵地帶(Ⅲ區(qū))極少出現(xiàn)霜凍。Ⅰ、Ⅱ區(qū)平均初霜凍日、終霜凍日、無霜凍期大體分別呈現(xiàn)推遲、提前、延長的變化趨勢(shì)。

2)福建全省大范圍霜凍天氣發(fā)生頻率低,平均每年18.4 d,總體呈減少趨勢(shì),20世紀(jì)80、90年代起伏大,進(jìn)入21世紀(jì)變化較平穩(wěn)。霜凍過程持續(xù)時(shí)間短。

3)以霜凍范圍大小定義其強(qiáng)弱程度,范圍越廣,則強(qiáng)度越強(qiáng),且發(fā)生越晚、結(jié)束越早、出現(xiàn)天數(shù)越少。強(qiáng)霜凍只出現(xiàn)在11月下旬至次年3月中旬。

4)500 hPa,環(huán)流經(jīng)向度大,568 dagpm線橫穿浙江南部,東亞大槽槽后有-36 ℃冷區(qū)配合,冷平流明顯;850 hPa,0 ℃溫度線南壓臨近福建;地面場(chǎng)上,我國東部大部地區(qū)受冷高壓控制,中心強(qiáng)度平均可達(dá)1 029 hPa。在這樣的環(huán)流背景下,福建以晴好天氣為主,夜間輻射降溫明顯,易造成霜凍。

5)霜凍強(qiáng)度與形勢(shì)場(chǎng)特征線位置有密切關(guān)系。隨著形勢(shì)場(chǎng)特征線略有南壓,霜凍逐漸增強(qiáng),特征線在霜凍中—強(qiáng)過渡階段不如弱—中階段南壓明顯。與之相反,隨著特征線逐漸北抬,霜凍由強(qiáng)到弱,直至完全解除。

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Frost injury has great influence for tropical and subtropical crops in Fujian.Such crops possess poor ability to resist cold air,and so studying their frost injury characteristics is extremely important for disaster prevention and reduction.

Firstly,based on daily meteorological observational data at 68 stations over Fujian from January to April and from October to December(1981—2011),an index of frost injury in Fujian is determined,by combining the lowest ground surface temperature,weather phenomena,and lowest temperature.Frost injury is defined by any one of these three conditions as follows:the lowest ground surface temperature is lower than or equal to 0 ℃;frost or freezing is found on the ground surface;and the lowest temperature is lower than or equal to 2 ℃.

The climatic characteristics are investigated and discussed.The basic conclusions are as follows:(1)The annual average number of frost injury days,the first and last frost injury date,and the number of frost injury-free days in Fujian demonstrate obvious regional differences,with northeast—southwest-trending contours that correlate well with metrological station elevations.The whole province of Fujian is divided into three frost injury regions.The western and northern regions and high elevation mountain area belong to region I,where frost injury occurs easily,begins earlier,ends later,and there are fewer frost injury-free days.Region III encompasses hilly landscapes in coastal areas,seldom effected by frost injury.The regional averages of the first and last frost injury date in regions I and II,respectively,show delayed and advanced trends,while the number of frost injury-free days increase.(2)Frost injury over most areas of Fujian with short duration is uncommon,and its occurrence frequency becomes lower and lower.(3)By comparison of frost injury with different intensity,it shows that the stronger frost injury takes more widespread damage,occurs later,and finishes earlier,with less number of frost injury days.

The circulation background leading to frost injury in Fujian is also discussed,based on NCEP/NCAR four-times-daily reanalysis data during the same period.It is found that the meridional circulation increases at the level of 500 hPa,the line of 568 dagpm goes through the south of Zhejiang Province,and the upper cold center intensity at -36 ℃ stays behind the East Asian trough,with strong cold advection.The line of 0 ℃ on the 850 hPa layer moves southwards close to Fujian Province.On the surface layer,most areas of East China are controlled by cold high pressure at 1 029 hPa.In this circulation background,the weather is relatively fine in Fujian,but then the temperature plummets owing to surface radiation at night,so frost injury occurs easily.Through analysis of the circulation characteristics at 0800 BT on the day of beginning and the next day of ending with different frost injury intensity,it is found that the position of the index lines,such as the lines of 568 dagpm(500 hPa),0 ℃(850 hPa),1 025 hPa(surface layer) and so on,is closely related to the frost injury intensity.Frost injury strengthens gradually along with the index lines moving southward,and vice versa.The index lines move less significantly in the period from medium-strength to high-strength,as compared to during the period from low-strength to medium-strength.

frost injury index;frost injury date;frost injury-free days;statistical climate characteristics;circulation background

(責(zé)任編輯：孫寧)

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20141117003

Temporal and spatial distribution characteristics of frost injury in Fujian and its circulation background

WU Xingyu,LIN Yi,CHEN Wenjian,HE Xiaoning

FujianMeteorologicalObservatory,Fuzhou350001,China

引用格式：吳幸毓,林毅,陳文鍵,等,2016.福建霜凍時(shí)空分布特征及環(huán)流背景分析[J].大氣科學(xué)學(xué)報(bào),39(4):501-509.

Wu X Y,Lin Y,Chen W J,et al.,2016.Temporal and spatial distribution characteristics of frost injury in Fujian and its circulation background[J].Trans Atmos Sci,39(4):501-509.doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20141117003.(in Chinese).

*聯(lián)系人，E-mail:omegawu@163.com