汪 麗 , 李淑君 , 甘薇薇 , 高 潔 , 郭善云

（1. 四川省氣象臺(tái), 成都 610072；2. 高原與盆地暴雨旱澇災(zāi)害四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 成都 610072；3. 四川省氣候中心, 成都 610072）

引言

寒潮是冬半年影響中國(guó)的重大災(zāi)害性天氣之一。強(qiáng)冷空氣影響四川時(shí)，氣溫急劇下降并伴有雨雪冰凍天氣，給農(nóng)林畜牧業(yè)、交通運(yùn)輸、能源供應(yīng)、人民生產(chǎn)生活及健康等造成影響，尤其是川西高原（阿壩州、甘孜州）、攀西地區(qū)（涼山州和攀枝花市）和盆地周邊高寒山區(qū)大雪、冰凍天氣的危害更為嚴(yán)重。

1950年以來(lái), 我國(guó)的寒潮研究各有側(cè)重，如陶詩(shī)言[1]把45°~65°N、70°~90°E 范圍劃為寒潮關(guān)鍵區(qū)，張淮等[2]分析了東亞反氣旋活動(dòng)規(guī)律。這些工作對(duì)早期了解我國(guó)寒潮活動(dòng)規(guī)律和建立預(yù)報(bào)方法有重要價(jià)值。20世紀(jì)80年代，氣象工作者對(duì)寒潮展開了大規(guī)模的研究，主要分析了寒潮中期過(guò)程的基本物理事實(shí)，同時(shí)對(duì)寒潮中期預(yù)報(bào)方法進(jìn)行了一系列探索。21世紀(jì)以來(lái)，科學(xué)家更側(cè)重于研究寒潮天氣的氣候變化及其可能原因?？抵久鞯萚3]分析了1951~2006年我國(guó)寒潮活動(dòng)特征，發(fā)現(xiàn)我國(guó)寒潮逐年活動(dòng)的頻次呈明顯下降趨勢(shì)，目前處于不活躍階段。王遵婭等[4]提出西伯利亞高壓和冬季風(fēng)強(qiáng)度的減弱、西伯利亞低層冷堆溫度和中國(guó)地表溫度的顯著升高是中國(guó)寒潮及其伴隨大風(fēng)頻次減少的可能原因。錢維宏等[5]分析寒潮時(shí)空變化與冬季增暖的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)西風(fēng)帶天氣尺度斜壓波動(dòng)減弱導(dǎo)致了我國(guó)中高緯度寒潮事件減少。同時(shí)，中國(guó)地域遼闊，南北方冷空氣活動(dòng)差異極大，各省采用的寒潮標(biāo)準(zhǔn)也不盡相同[6-19]，如福建省采用日最低氣溫降幅衡量，吉林省采用日平均氣溫降幅衡量，或者兩種氣溫皆用，2018年還實(shí)施了修訂版GB/T 21987-2017《寒潮等級(jí)》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[20]。雖然對(duì)于四川盆地的強(qiáng)降溫過(guò)程和寒潮氣候特征已做過(guò)一些分析研究[21-24]，但對(duì)全省性、川西高原和攀西地區(qū)強(qiáng)降溫過(guò)程天氣氣候特征的揭示還不夠全面細(xì)致，也缺乏基于不同要素和標(biāo)準(zhǔn)對(duì)強(qiáng)降溫過(guò)程的深入探討。因此，本文擬采用日最低氣溫和日平均氣溫對(duì)四川全省、攀西、川西高原地區(qū)強(qiáng)降溫過(guò)程和強(qiáng)降溫氣候特征進(jìn)行研究，探尋基于日平均氣溫與日最低氣溫衡量的四川省強(qiáng)降溫過(guò)程差異，加深對(duì)四川省區(qū)域強(qiáng)降溫過(guò)程的認(rèn)識(shí)，為各級(jí)氣象部門強(qiáng)降溫預(yù)警預(yù)報(bào)提供參考依據(jù)，更好地做好防災(zāi)減災(zāi)、農(nóng)林畜牧業(yè)、公共服務(wù)、交通能源等產(chǎn)業(yè)氣象服務(wù)。

1 資料、方法與劃分標(biāo)準(zhǔn)

四川省地跨青藏高原、橫斷山脈、云貴高原、秦巴山地和四川盆地等幾大地貌單元，最高點(diǎn)是西部的大雪山主峰貢嘎山（海拔7556 m），最低處在東部廣安市鄰水縣的御臨河（海拔184 m）[25]。如圖1所示，周邊大地形總體表現(xiàn)為西高東低，山地環(huán)抱，地形類型、地勢(shì)高低、山脈分布與走向、迎風(fēng)坡與背風(fēng)坡等都對(duì)四川省天氣氣候產(chǎn)生了重要影響。本文研究地區(qū)主要是四川全省、四川盆地、攀西地區(qū)和川西高原。

圖1 四川省地形分布

依據(jù)資料的連續(xù)性及完整性，經(jīng)嚴(yán)格質(zhì)量控制后，本文選取四川省156縣（市）站1960年10月~2016年4月共56 a秋冬春3季的日平均氣溫、日最低氣溫資料。依據(jù)表1中單站不同強(qiáng)降溫標(biāo)準(zhǔn)，區(qū)域內(nèi)50%以上站點(diǎn)達(dá)標(biāo)即視為一次區(qū)域性強(qiáng)降溫過(guò)程。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用多項(xiàng)式回歸、EOF、差值合成T檢驗(yàn)、M-K檢驗(yàn)等方法研究四川全省、盆地、攀西地區(qū)、川西高原強(qiáng)降溫發(fā)生頻次的異同及其時(shí)空特征。

需要特別指出，夏季高空槽冷平流、暴雨云團(tuán)等影響，四川也會(huì)產(chǎn)生8℃的降溫，而這時(shí)日最低氣溫少有低于10℃的，不屬于強(qiáng)冷空氣活動(dòng)。因此，強(qiáng)降溫標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)有最低氣溫的要求，這樣可排除夏季的強(qiáng)降溫現(xiàn)象。

2 四川強(qiáng)降溫過(guò)程特征分析

2.1 不同標(biāo)準(zhǔn)下強(qiáng)降溫頻次的異同

以日平均氣溫1、2級(jí)(表1)合計(jì)，近56a盆地代表站區(qū)域性強(qiáng)降溫179次，平均每年出現(xiàn)約3.3次。其中1級(jí)區(qū)域性強(qiáng)降溫96次，年均發(fā)生1.7次；2級(jí)區(qū)域性強(qiáng)降溫83次，年均發(fā)生1.5次。強(qiáng)降溫過(guò)程的持續(xù)時(shí)間是盆地偏長(zhǎng)（1~4 d），川西高原（1~3 d）、攀西（1~3 d，偶有4 d）稍短。

以日平均氣溫2級(jí)對(duì)比中央臺(tái)≥8℃全國(guó)性和中國(guó)南方強(qiáng)降溫天氣過(guò)程，發(fā)現(xiàn)四川盆地的強(qiáng)降溫過(guò)程較全國(guó)性過(guò)程偏少52%，表明入侵盆地的冷空氣遠(yuǎn)不及全國(guó)性強(qiáng)降溫頻次多。如僅與中國(guó)南方地區(qū)強(qiáng)降溫頻次對(duì)比，則盆地與我國(guó)南方地區(qū)相差無(wú)幾。實(shí)際上，盆地的地形特點(diǎn)導(dǎo)致冷空氣進(jìn)入盆地后易發(fā)生堆積，氣層不易變性，其降溫幅度與中國(guó)南方地區(qū)相當(dāng)，有時(shí)甚至更大，持續(xù)時(shí)間也更長(zhǎng)。

按照2017新版寒潮國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（表1中日最低氣溫3~5級(jí)），盆地近56 a僅發(fā)生4次區(qū)域性寒潮過(guò)程，1次區(qū)域性強(qiáng)寒潮過(guò)程，區(qū)域性超強(qiáng)寒潮未發(fā)生。通過(guò)降溫?cái)?shù)據(jù)的變化分析，發(fā)現(xiàn)盆地寒潮過(guò)程太少的主要原因是標(biāo)準(zhǔn)要求的降溫幅度大，尤其是日最低氣溫限制太強(qiáng)，有時(shí)即使降溫幅度達(dá)標(biāo)，但日最低氣溫未能降至標(biāo)準(zhǔn)要求的數(shù)值以下，從而不能判定發(fā)生寒潮。

表1 單站強(qiáng)降溫標(biāo)準(zhǔn)

基于上述原因，用日最低氣溫1~2級(jí)分析盆地代表站強(qiáng)降溫過(guò)程（文中均以此定義），則近56 a區(qū)域性強(qiáng)降溫共發(fā)生182次，其中1級(jí)147次，2級(jí)35次，加上5次寒潮和強(qiáng)寒潮，盆地年均發(fā)生區(qū)域性強(qiáng)降溫3.4次。強(qiáng)降溫過(guò)程的持續(xù)時(shí)間也是盆地偏長(zhǎng)（1~3 d，最長(zhǎng)4 d），攀西和川西高原較短（多為1~2 d，偶有3 d）。

2.2 強(qiáng)降溫過(guò)程年際變化

由多項(xiàng)式回歸曲線看到，20世紀(jì)60年代~21世紀(jì)，四川省日平均氣溫和日最低氣溫強(qiáng)降溫頻次距平逐年時(shí)間序列呈大致相同的“增加-減少”年代際變化特征，但年際波動(dòng)較大，整體呈弱減少趨勢(shì)（圖2a、b）。其中，20世紀(jì)60年代初~80年代末期為顯著的強(qiáng)降溫頻次偏多期，90年代為強(qiáng)降溫頻次偏少期，21世紀(jì)00年代為弱偏多或持平期，此后又逐漸轉(zhuǎn)為偏少期。以±1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差為基準(zhǔn)確定異常偏多（少）年份，則研究時(shí)段內(nèi)主要有11年（1962、1965、1969、1971、1972、1976、1977、1978、1979、1986、2000年）為降溫頻次異常偏多的年份，有4年（1983、1996、2006、2014年）為異常偏少的年份。

運(yùn)用Mann-Kendall方法對(duì)單站日均溫、日最低溫強(qiáng)降溫頻次時(shí)間序列進(jìn)行突變檢驗(yàn)（圖2c、d），可確定強(qiáng)降溫頻次的突變點(diǎn)均在1990年。由UF曲線變化可知，在2005年以后這種減弱趨勢(shì)均超過(guò)了0.05臨界線，表明2005年后無(wú)論是日平均氣溫還是日最低氣溫單站強(qiáng)降溫頻次的減少是十分顯著的。

圖2 四川強(qiáng)降溫頻次年際變化及M-K檢驗(yàn)（a、c. 日平均氣溫，b、d. 日最低氣溫）

由單站日平均氣溫強(qiáng)降溫頻次異常偏多年與偏少年的差值合成T檢驗(yàn)結(jié)果可知，全省強(qiáng)降溫頻次偏多年的主要貢獻(xiàn)來(lái)自于盆地和川西高原南部的局部地區(qū)，且通過(guò)了95%的顯著性檢驗(yàn)（圖3a）。日最低氣溫強(qiáng)降溫頻次差值T檢驗(yàn)則顯示全省降溫頻次偏多年的主要貢獻(xiàn)來(lái)自于盆地、阿壩州、甘孜州北部、攀西地區(qū)東部，同樣通過(guò)了95%的顯著性檢驗(yàn)（圖3b）。

圖3 強(qiáng)降溫頻次差值合成 T 檢驗(yàn)（a. 日平均氣溫，b. 日最低氣溫）

2.3 單站強(qiáng)降溫過(guò)程的時(shí)空分布

本節(jié)分析了四川省單站日平均氣溫、日最低氣溫強(qiáng)降溫頻次的EOF分解第一模態(tài)特征向量空間分布及其時(shí)間系數(shù)的演變。由第一模態(tài)的特征向量空間場(chǎng)（圖4a、b）可知，強(qiáng)降溫年際頻次變化趨勢(shì)主要呈現(xiàn)為全區(qū)一致型分布，其方差貢獻(xiàn)率分別為 32.5%、32.7%，表明四川省強(qiáng)降溫頻次的變化趨勢(shì)較為一致，其中盆地腹地一致性最高，然后向盆北、盆周及川西高原、攀西地區(qū)減小，四川省西南部邊緣地區(qū)一致性最差。對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)（圖4c、d）反映了第一模態(tài)的年際變化特征，其正（負(fù)）位相對(duì)應(yīng)強(qiáng)降溫頻次全省偏多（少）的分布。由圖可見，兩種標(biāo)準(zhǔn)的年際變化總趨勢(shì)相似，略有差異，其中20世紀(jì)60年代中期~70年代初期差異較大。

圖4 日平均氣溫（左）、日最低氣溫（右）強(qiáng)降溫頻次EOF分解第一模態(tài)特征向量空間分布（a、b）及其時(shí)間系數(shù)（c、d）

由圖5a可知，單站日平均氣溫強(qiáng)降溫頻次全省平均每年發(fā)生4.4次，平均降溫幅度8.4℃。甘孜州北部、阿壩州西北部、涼山州中東部發(fā)生頻次最多，盆地西北部、阿壩州南部發(fā)生頻次最少。

如圖5b所示，單站日最低氣溫強(qiáng)降溫頻次全省平均每年發(fā)生6.7次，平均降溫幅度8.1℃。甘孜州、阿壩州北部發(fā)生頻次最多，然后自西北向東南減少，宜賓、瀘州、攀枝花市、涼山州南部等地發(fā)生頻次最少。隨著判定標(biāo)準(zhǔn)中日最低氣溫的升高以及部分條件的剔除，盆地東北部、中部、西南部、攀西中部、南部等地發(fā)生頻次顯著增多，而海拔高、氣溫低的甘孜州和阿壩州大部無(wú)甚變化。

如圖5c所示，若將日平均氣溫替換為日最低氣溫來(lái)衡量強(qiáng)降溫過(guò)程，則阿壩州西部和北部、甘孜州中部和西部以及廣元市頻次增多，涼山州中東部、攀枝花、樂(lè)山、宜賓、瀘州、自貢、內(nèi)江、眉山、雅安、廣安、達(dá)州、資陽(yáng)等地頻次減少，涼山州寧南縣減少最多，近56 a達(dá)284次。

圖5 近56 a單站強(qiáng)降溫頻次空間分布（a. 日平均氣溫，b. 日最低氣溫，c. 差值）

另外，造成上述川西高原單站強(qiáng)降溫頻次多的主要原因還是區(qū)域小氣候的不同。由代表站的各月平均氣溫日較差（表2）可見，單站氣溫的日較差在川西高原和攀西地區(qū)大，而盆地小。結(jié)合降溫及天氣實(shí)況分析，僅天氣日變化，即可能造成川西高原和攀西部分地區(qū)單站或局地強(qiáng)降溫，全省東部、南部單站強(qiáng)降溫頻次的減少則與天氣影響系統(tǒng)、氣溫等因素相關(guān)。

表2 代表站各月氣溫平均日較差

2.4 盆地、攀西地區(qū)、川西高原強(qiáng)降溫過(guò)程的異同

將盆地、川西高原、攀西地區(qū)、盆地17個(gè)代表站和全省按各區(qū)域50%以上站點(diǎn)同一天達(dá)標(biāo)視為一次區(qū)域性強(qiáng)降溫過(guò)程，分別討論各區(qū)不同標(biāo)準(zhǔn)下區(qū)域性強(qiáng)降溫頻次的差異。

由表3知，不同強(qiáng)降溫標(biāo)準(zhǔn)下，不同區(qū)域強(qiáng)降溫發(fā)生頻次差距較大，但盆地始終多于全省、攀西地區(qū)和川西高原，而由于攀西地區(qū)和川西高原區(qū)域性強(qiáng)降溫頻次偏少的緣故，全省區(qū)域性強(qiáng)降溫頻次始終少于盆地。用日平均氣溫和日最低氣溫分別衡量強(qiáng)降溫發(fā)生頻次時(shí)，攀西與川西高原的強(qiáng)降溫頻次變化截然相反，呈“一增一減”特征。

表3 不同區(qū)域強(qiáng)降溫頻次

在相同降溫幅度下，川西高原以日最低氣溫衡量的強(qiáng)降溫頻次較以日平均氣溫衡量的強(qiáng)降溫頻次偏多約130%，攀西地區(qū)以日最低氣溫衡量的強(qiáng)降溫頻次較以日平均氣溫衡量的強(qiáng)降溫頻次偏少約65%。

如果僅以日最低氣溫降幅衡量，剔除日最低氣溫必須降至多少度的限制，則由于攀西地區(qū)和川西高原強(qiáng)降溫頻次明顯增多，全省強(qiáng)降溫頻次也明顯升至120次（表略）。

2.4.1 盆地、攀西地區(qū)、川西高原強(qiáng)降溫過(guò)程發(fā)生時(shí)間的異同

將盆地、攀西地區(qū)和川西高原三區(qū)各自達(dá)標(biāo)且時(shí)間連續(xù)的強(qiáng)降溫視為同一次過(guò)程進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果表明：三區(qū)同步的日最低氣溫強(qiáng)降溫過(guò)程僅3次，攀西地區(qū)與盆地同步有10次，川西高原與盆地同步有4次，川西高原與攀西地區(qū)同步有3次；而三區(qū)同步的日平均氣溫強(qiáng)降溫過(guò)程達(dá)11次，攀西地區(qū)與盆地同步有46次，川西高原與盆地同步有2次，川西高原與攀西地區(qū)同步有3次；其余強(qiáng)降溫過(guò)程均是各區(qū)域各自達(dá)標(biāo)。這種盆地、川西高原、攀西地區(qū)區(qū)域性強(qiáng)降溫過(guò)程發(fā)生時(shí)間不同步的現(xiàn)象也間接證實(shí)了表3中全省性強(qiáng)降溫頻次偏少的原因。

根據(jù)已有研究，造成三區(qū)這種時(shí)間不同步現(xiàn)象的原因可能有兩個(gè)。一是與冷空氣影響路徑密切相關(guān)，冷空氣入侵四川有3條主要路徑：（1）經(jīng)河套后，翻越秦嶺、大巴山從正北方向進(jìn)入四川，是最多一類；（2）經(jīng)內(nèi)蒙、華北一帶的冷空氣主體從東部南下，冷高壓后部冷空氣從四川盆地東北部入侵，再擴(kuò)展到其余地區(qū)；（3）冷空氣翻越天山進(jìn)入南疆，經(jīng)青海爬上青藏高原，再進(jìn)入四川。二是與天氣影響系統(tǒng)相關(guān)，不同的天氣影響系統(tǒng)以及系統(tǒng)影響時(shí)間和范圍的不同均可能導(dǎo)致強(qiáng)降溫發(fā)生的時(shí)間和區(qū)域不同。

2.4.2 盆地、攀西地區(qū)、川西高原強(qiáng)降溫頻次的月際變化

圖6給出了不同標(biāo)準(zhǔn)下四川盆地、攀西地區(qū)和川西高原強(qiáng)降溫頻次月際變化。如圖6a所示，日平均氣溫強(qiáng)降溫過(guò)程盆地以3、4、5月最多，10、11月次之，隆冬最少；攀西地區(qū)以3、4、5月最多，11、12月最少；川西高原全年都少，1、2、3、4、5、11、12月有發(fā)生，9、10月無(wú)發(fā)生。如圖6b所示，日最低氣溫強(qiáng)降溫過(guò)程盆地以3、11、12月最多，1、2月次之，4、10月最少，5、9月無(wú)發(fā)生；攀西地區(qū)以11、12、1、3月最多，2、4、10月最少，5、9月無(wú)發(fā)生；川西高原以9、10、11月最多，3、4、12月次之，1、2、5月最少。

圖6 不同標(biāo)準(zhǔn)下四川盆地、攀西地區(qū)和川西高原強(qiáng)降溫頻次月際變化（a. 日平均氣溫，b. 日最低氣溫）

由上述雙標(biāo)月際對(duì)比分析可知，盆地、攀西地區(qū)日最低氣溫強(qiáng)降溫頻次在4、10月最少，是由于強(qiáng)冷空氣影響后日最低氣溫必須低于限制溫度的標(biāo)準(zhǔn)過(guò)低，導(dǎo)致在春秋兩季冷空氣活躍時(shí)期出現(xiàn)強(qiáng)降溫過(guò)程最少（含5、9月）。若將日最低氣溫限制提高，則盆地和攀西地區(qū)春秋季強(qiáng)降溫頻次增多。

2.4.3 不同范圍區(qū)域性強(qiáng)降溫頻次的異同

四川省面積約49.2萬(wàn) km2，其中，攀西地區(qū)6.75萬(wàn) km2、川西高原23.72萬(wàn) km2、盆地18.13萬(wàn) km2。攀西地區(qū)和川西高原約占全省土地總面積的60%，但氣象站卻較盆地偏少50%，其站點(diǎn)分布密度是盆地>攀西>高原。本節(jié)降低強(qiáng)降溫過(guò)程的區(qū)域劃分標(biāo)準(zhǔn)，分別按各區(qū)域有1/3或1/4站點(diǎn)同一天達(dá)到強(qiáng)降溫標(biāo)準(zhǔn)即視為一次區(qū)域性強(qiáng)降溫過(guò)程進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，則區(qū)域性強(qiáng)降溫頻次明顯上升（圖7）。其中，川西高原上升最多，攀西地區(qū)次之，盆地最少。以日平均氣溫衡量降溫幅度（圖7a）可知，攀西地區(qū)發(fā)生頻次多于川西高原，但隨著達(dá)標(biāo)范圍縮小至1/4站點(diǎn)時(shí)，反轉(zhuǎn)發(fā)生，川西高原發(fā)生頻次反超攀西地區(qū)。以日最低氣溫衡量降溫幅度（圖7b）可知，川西高原始終多于攀西地區(qū)，可能與川西高原特殊地形、氣候特征相關(guān)。

圖7 不同范圍區(qū)域性強(qiáng)降溫頻次（a. 日平均氣溫，b. 日最低氣溫）

3 結(jié)論與討論

本文采用1960年10月~2016年4月四川省156縣（市）逐日平均氣溫和最低氣溫資料，按照不同的強(qiáng)降溫標(biāo)準(zhǔn)，研究四川強(qiáng)降溫過(guò)程的時(shí)空分布和區(qū)域特征，得出如下主要結(jié)論：

（1）四川強(qiáng)降溫頻次逐年時(shí)間序列基本呈“增加-減少”的年代際變化特征，但年際波動(dòng)較大，整體呈弱減少趨勢(shì)。

（2）四川強(qiáng)降溫頻次的突變點(diǎn)在1990年，自2005年后，單站強(qiáng)降溫頻次的減少十分顯著。

（3）由于冷空氣路徑和天氣影響系統(tǒng)的不同，以及四川特殊地形和氣候特征的差異，導(dǎo)致了盆地、攀西地區(qū)、川西高原區(qū)域性強(qiáng)降溫過(guò)程發(fā)生時(shí)間存在不同步性。

（4）以日平均氣溫和日最低氣溫衡量四川省區(qū)域性強(qiáng)降溫頻次，均是盆地最多，攀西地區(qū)和川西高原少；單站強(qiáng)降溫頻次川西高原北部最多。僅以日最低氣溫降幅、無(wú)日最低氣溫必須低至一定值衡量時(shí)，三區(qū)域強(qiáng)降溫頻次差距最小。

（5）在強(qiáng)降溫標(biāo)準(zhǔn)中增加最低氣溫指標(biāo)，可排除夏季的強(qiáng)降溫天氣。如果按站點(diǎn)與區(qū)域面積的比例達(dá)標(biāo)劃分區(qū)域性強(qiáng)降溫過(guò)程，則區(qū)域性強(qiáng)降溫過(guò)程可能更合理。

由于篇幅所限，本文未能對(duì)強(qiáng)降溫事件的空間分布差異、各區(qū)域發(fā)生時(shí)間的不同步性、單站頻次分布差異等進(jìn)行深入探討，有待于在今后工作中進(jìn)一步研究。