趙廣娜，吳 巖，齊 鐸，關(guān) 銘，孫 琪

(黑龍江省氣象臺(tái)，黑龍江 哈爾濱150030)

1 引言

冬季低溫寒冷是東北冬季的典型天氣特征。冬季在極地大陸氣團(tuán)控制下，黑龍江省氣候寒冷干燥，最近幾年，黑龍江省極端氣候事件頻發(fā)，2010年冬季黑龍江省多地出現(xiàn)極端低溫氣候事件，2012年12月氣溫特低，為1961年以來歷史第3位，是近10 a來最冷的12月。寒冷天氣的頻繁出現(xiàn)，對(duì)黑龍江省的農(nóng)業(yè)、人民群眾的健康和出行都帶來很大的不便，因此做好關(guān)于寒冷天氣等級(jí)的劃分工作對(duì)氣象公眾服務(wù)和農(nóng)業(yè)防災(zāi)減災(zāi)等方面都有重要意義。

祖雪梅[1]曾利用8項(xiàng)氣候指標(biāo)對(duì)黑龍江省5個(gè)寒冷氣候區(qū)劃分，王春林[2-3]以過程降溫幅度和過程最低氣溫作為災(zāi)害指標(biāo)，將廣東省寒冷災(zāi)害分為2個(gè)等級(jí)5個(gè)亞類；遼寧省按照日最低氣溫來劃分，制定了寒冷等級(jí)。黑龍江作為農(nóng)業(yè)大省，多數(shù)學(xué)者主要研究生長季低溫冷害對(duì)農(nóng)作物影響[4-6]，但對(duì)于冬季黑龍江省寒冷天氣等級(jí)、寒冷天氣過程的評(píng)估等研究還有待進(jìn)一步深入，為此本文從日最低氣溫著手，制定寒冷天氣等級(jí)的寒冷強(qiáng)度指標(biāo)、持續(xù)時(shí)間指標(biāo)、覆蓋范圍指標(biāo)三項(xiàng)分項(xiàng)評(píng)估指標(biāo)，并對(duì)三項(xiàng)分項(xiàng)評(píng)估指標(biāo)進(jìn)行加權(quán)求和，即得寒冷天氣的綜合評(píng)估指標(biāo)。

以此方法為基礎(chǔ)的地方標(biāo)準(zhǔn) 《寒冷天氣等級(jí)》(DB23T 2170-2018)[7]，已于 2018 年 9 月發(fā)布，10 月實(shí)施。

本文每年12月-次年2月，研究的寒冷天氣是指當(dāng)年12月-翌年2月，由于氣溫較低使城市交通、城市供暖、人民群眾生產(chǎn)生活等受到明顯影響的災(zāi)害天氣。

2 寒冷天氣時(shí)空分布

2.1 資料

利用黑龍江省氣象局整編的黑龍江省站點(diǎn)逐日最低氣溫值（日最低氣溫指當(dāng)日14時(shí)-次日14時(shí)的24 h內(nèi)最低氣溫）資料。經(jīng)質(zhì)量控制后采用的站點(diǎn)數(shù)為77個(gè)（圖1）。資料的時(shí)間長度為1981-2010年，共30 a。

圖1 黑龍江省臺(tái)站分布示意圖（77站）

2.2 30 a黑龍江省冬季寒冷天氣時(shí)空分布

30 a黑龍江省冬季平均最低氣溫年際波動(dòng)很大（表1）。冬季平均最低氣溫年份最高值與最低值相差達(dá)7.31℃。冬季平均最低氣溫排名前三位是2000年、2009年和1985年，分別達(dá)－26.16℃、－24.29℃和－24.12℃；最后三位是1988年、2001年和2006年，分別達(dá)－20.55℃、－19.43℃和－18.85℃；其余年份冬季平均最低氣溫介于－24－(－20.5)℃之間。

表1 30 a黑龍江省冬季平均最低氣溫（℃）排序（1981-2010年）

30 a中黑龍江省冬季月平均最低氣溫第1位為－28.64℃，出現(xiàn)在2001年的1月份。最后一位為－16.44℃，出現(xiàn)在2002年的2月份。不同年份的冬季月平均最低氣溫最低的多出現(xiàn)在1月份。30 a中月平均最低氣溫低于－20℃的有68個(gè)月，占75.6%。（表 2）。

表2 30 a黑龍江省冬季月平均最低氣溫（℃）排序（1981-2010 年）（前 20）

1981－2010年黑龍江省冬季各旬平均最低氣溫差異較大（表略），前三位為2001年1月中旬、1990年1月下旬和2001年2月上旬，分別達(dá)－32.68℃、－32.49℃和－30.77℃；后三位為1990年12月上旬、1998年2月下旬和2002年2月下旬，分別達(dá)－13.29℃、－12.86℃和－10.68℃，旬平均最低氣溫差值達(dá)22℃，跨度較大。排序前50位中有33個(gè)在1月，占66%，與冬季1月氣溫最低相吻合。其中1月中旬有17個(gè)，占51.5%，上旬和下旬分別有9個(gè)和7個(gè)，說明1月中旬為冬季最冷時(shí)段。排序后50位中2月內(nèi)的旬有31個(gè)占62%，剩下19個(gè)旬均在12月。其中2月下旬有20個(gè)，占66.7%，中旬和上旬分別有10個(gè)和1個(gè)，說明2月下旬平均最低溫度為整個(gè)冬季最高。

30 a中黑龍江省冬季單日最低氣溫平均值差異較大（表略），最低值出現(xiàn)在2001年1月11日，為－36.81℃，最高值出現(xiàn)在2002年2月27日，為－5.17℃。最低氣溫低于－32℃日數(shù)為45 d，低于－34℃日數(shù)為10 d。

黑龍江省地域廣闊，地形復(fù)雜，南北跨度大。黑龍江省冬季極端最低氣溫空間分布具有緯向分布特點(diǎn)，自南向北逐漸遞減。30 a中黑龍江省冬季極端最低氣溫第1位出現(xiàn)在漠河站，達(dá)－48.1℃，最后一位出現(xiàn)在東寧站。77個(gè)站中極端最低氣溫均低于－30℃，其中極端最低氣溫在－40℃以下的有31個(gè)站，占40.3%。從各站的極端最低氣溫出現(xiàn)時(shí)間來看，多出現(xiàn)在1月份，其次是2月份，在12月份出現(xiàn)極端低溫的站數(shù)很少(表3)。

3 寒冷天氣等級(jí)研究

3.1 寒冷天氣等級(jí)分項(xiàng)評(píng)估指標(biāo)計(jì)算方法

寒冷天氣的分項(xiàng)評(píng)估指標(biāo)為寒冷強(qiáng)度指標(biāo)、持續(xù)時(shí)間指標(biāo)和覆蓋范圍指標(biāo)。寒冷天氣的分項(xiàng)評(píng)估指標(biāo)的計(jì)算方法如下：

(1)寒冷強(qiáng)度指標(biāo)按式（1）、（2）計(jì)算：

式中：

i—表示被評(píng)估天數(shù)，即第i天；

j—表示被評(píng)估站數(shù)，即第j個(gè)站點(diǎn)；

Item—為寒冷強(qiáng)度指標(biāo)；

Itemi—為第i天寒冷強(qiáng)度指標(biāo)；

表3 30 a黑龍江省77站極端最低氣溫及出現(xiàn)時(shí)間（1981-2010年）（℃）

Tij—表示第j個(gè)氣象觀測(cè)站點(diǎn)在被評(píng)估天氣中的日最低氣溫的最小值，單位為攝氏度（℃）；

Tij—表示第j個(gè)氣象觀測(cè)站點(diǎn)在被評(píng)估天氣中的日最低氣溫旬歷史平均值或候歷史平均值或任意天滑動(dòng)歷史平均值，單位為攝氏度（℃）；

ni—表示被評(píng)估區(qū)域內(nèi)第i天達(dá)到寒冷天氣標(biāo)準(zhǔn)的氣象觀測(cè)站點(diǎn)個(gè)數(shù)，單位為個(gè)；當(dāng)時(shí)Tij-Tij≥0，則ni=ni+1。

（2）持續(xù)時(shí)間指標(biāo) Ilas按式（3）計(jì)算：

式中：

Ilas—為持續(xù)時(shí)間指標(biāo)；

Ndi—第j個(gè)氣象觀測(cè)站點(diǎn)在被評(píng)估天氣中的連續(xù)出現(xiàn)寒冷天氣的最大天數(shù)，單位為天。

（3）覆蓋范圍指標(biāo) Icov按式（4）、（5）計(jì)算：

式中：

Icov—為覆蓋范圍指標(biāo)；

n—被評(píng)估區(qū)域內(nèi)達(dá)到寒冷天氣標(biāo)準(zhǔn)的氣象觀測(cè)站點(diǎn)總個(gè)數(shù)，單位為個(gè)；

N—為被評(píng)估區(qū)域內(nèi)氣象觀測(cè)站點(diǎn)總數(shù)，單位為個(gè)。

3.2 寒冷天氣的綜合評(píng)估指標(biāo)計(jì)算方法

寒冷天氣的綜合評(píng)估指標(biāo)Icold按式（6）計(jì)算：

3.3 寒冷天氣等級(jí)劃分

寒冷天氣的綜合評(píng)估指標(biāo)所隸屬的級(jí)別即為該寒冷天氣的劃分等級(jí)，詳見表4和表5。

表4 寒冷天氣等級(jí)的劃分標(biāo)準(zhǔn)(被評(píng)估天數(shù)＞10 d，即＞10)

表5 寒冷天氣等級(jí)的劃分標(biāo)準(zhǔn)(被評(píng)估天數(shù)≤10 d，即≤10)

4 寒冷天氣等級(jí)劃分結(jié)果驗(yàn)證和分析

利用2011年、2012年、2013年冬季日最低氣溫資料，對(duì)本文評(píng)估方法進(jìn)行驗(yàn)證和分析。

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

黑龍江省2011年冬季氣候影響評(píng)價(jià)指出：冬季氣溫12、1月偏低，1月寒冷為近10 a極值。2011年冬季低溫持續(xù)時(shí)間長，2012年1月1－4日，撫遠(yuǎn)持續(xù)降溫4 d，最大連續(xù)降溫幅度為22.0℃，為本站有歷史記錄以來第3位；7－13日，五大連池持續(xù)降溫7 d，最大連續(xù)降溫幅度為23.4℃，為本站有歷史記錄以來第3位。其中“1月寒冷為近10 a極值”與前面統(tǒng)計(jì)的2012年1月平均最低氣溫為－27.34℃，與在表2中排第5位的結(jié)果是一致。

表6 2012年1月1-4日寒冷天氣評(píng)估結(jié)果

利用寒冷天氣等級(jí)劃分方法（表5），對(duì)2012年1月1－4日寒冷天氣過程進(jìn)行評(píng)估計(jì)算結(jié)果，如表6所示，2012年1月1－4日寒冷天氣過程強(qiáng)度=1.04，屬于Ⅳ級(jí)輕度寒冷等級(jí)。撫遠(yuǎn)站=1.4，為Ⅱ級(jí)重度寒冷等級(jí)。

對(duì)2012年1月7－13日寒冷天氣過程進(jìn)行評(píng)估計(jì)算結(jié)果，如表7所示，2012年1月7－13日寒冷天氣過程強(qiáng)度Icold=1.12，屬于Ⅲ級(jí)中度寒冷等級(jí)。五大連池站Icold=1.42，為Ⅱ級(jí)重度寒冷等級(jí)。

根據(jù)對(duì)2011－2012年冬季寒潮天氣個(gè)例的驗(yàn)證分析，證明本項(xiàng)目制定的寒冷天氣等級(jí)是實(shí)用、可行的。

表7 2012年1月7-13日寒冷天氣評(píng)估結(jié)果

按照寒冷天氣等級(jí)的劃分標(biāo)準(zhǔn)（表4、5）對(duì)全省逐年冬季寒冷天氣進(jìn)行等級(jí)劃分，結(jié)果如表8所示，最低氣溫距平在一定程度上可表征當(dāng)年寒冷程度，所以按年平均最低氣溫距平進(jìn)行排序，則發(fā)現(xiàn)寒冷天氣等級(jí)與最低氣溫距平有很好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為 0.87。2000、2012年冬季最低氣溫距平＜（－3）℃，劃分為Ⅰ級(jí)特重寒冷等級(jí)是合適的，最低氣溫距平＞0℃的年份，大部分被劃分為Ⅳ級(jí)輕度寒冷等級(jí)，也是比較合適的。

對(duì)全省逐月寒冷天氣進(jìn)行等級(jí)劃分，按月平均最低氣溫距平進(jìn)行排序，前13位月最低氣溫距平＜（－3）℃，劃分為Ⅱ級(jí)重度寒冷等級(jí)，其中2012年12月，由于低溫持續(xù)時(shí)間長，劃分為Ⅰ級(jí)特重，是較為客觀和合適的。最低氣溫距平在－（0－2）℃的月份，大部分被劃分為Ⅲ級(jí)中度寒冷等級(jí)。最低氣溫距平＞0℃的月份，大部分被劃分為Ⅳ級(jí)輕度寒冷等級(jí)。最低氣溫距平＞1℃的月份，大部分被劃分為無災(zāi)害。

對(duì)全省逐旬寒冷天氣進(jìn)行等級(jí)劃分，按旬平均最低氣溫距平進(jìn)行排序，前3位分別是2001年2月上旬、1990年1月下旬、2001年1月中旬，這三旬旬最低氣溫距平＜（－7）℃，劃分為Ⅰ級(jí)特重寒冷等級(jí)。最低氣溫距平在－（3－7）℃的各旬，大部分被劃分為Ⅱ級(jí)重度寒冷等級(jí)。最低氣溫距平在－（0－3）℃的各旬，大部分被劃分為Ⅲ級(jí)中度寒冷等級(jí)。最低氣溫距平＞0℃的各旬，大部分被劃分為Ⅳ級(jí)輕度寒冷等級(jí)。最低氣溫距平＞1℃的各旬，大部分被劃分為無災(zāi)害。

根據(jù)最低氣溫距平來驗(yàn)證逐年、逐月、逐旬的寒冷天氣等級(jí)，二者相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到 0.87、0.85、0.87，相關(guān)性較好，說明本項(xiàng)目制定的寒冷天氣等級(jí)的劃分標(biāo)準(zhǔn)是比較客觀的。

表8 黑龍江省逐年寒冷天氣等級(jí)劃分（1981-2013年）