山東省“倒春寒”時(shí)空分布特征

高操 邢麗珠 張方敏

摘要：選取1962—2018年山東省17個(gè)氣象站點(diǎn)的日平均氣溫?cái)?shù)據(jù)，對(duì)山東省“倒春寒”的時(shí)空特征進(jìn)行評(píng)估。結(jié)果表明：各站點(diǎn)“倒春寒”發(fā)生次數(shù)和持續(xù)時(shí)間表現(xiàn)出明顯的年際變化，57年整體上“倒春寒”發(fā)生次數(shù)和持續(xù)時(shí)間均呈下降趨勢(shì)，但是空間差異較大，不同年代的發(fā)生次數(shù)和持續(xù)時(shí)間在空間上均表現(xiàn)為東高西低的特點(diǎn)。研究期間，山東省的輕級(jí)“倒春寒”從2000年開(kāi)始出現(xiàn)但發(fā)生頻率并不高;中級(jí)和重級(jí)“倒春寒”發(fā)生站次比1970s相對(duì)變大，然后在1990s變小，2000s又開(kāi)始增大;特重級(jí)“倒春寒”發(fā)生的站次比總體上和中級(jí)、重級(jí)的變化特征相反。輕級(jí)、中級(jí)、重級(jí)“倒春寒”頻率在空間分布上均表現(xiàn)為西高東低的特征，特重級(jí)“倒春寒”則表現(xiàn)為東高西低的特征。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，“倒春寒”發(fā)生強(qiáng)度指數(shù)和國(guó)家氣候中心的88種環(huán)流指數(shù)中有6種有相關(guān)性，其中和北半球極渦中心經(jīng)向位置指數(shù)呈負(fù)相關(guān)。

關(guān)鍵詞：山東省;“倒春寒”;發(fā)生次數(shù);持續(xù)時(shí)間;強(qiáng)度;時(shí)空分布特征;環(huán)流指數(shù)

極端天氣事件的發(fā)生對(duì)人類的生產(chǎn)和生活產(chǎn)生了許多不利影響。隨著全國(guó)年平均地面氣溫的升高，過(guò)去半個(gè)世紀(jì)以來(lái)熱浪強(qiáng)度和頻率總體上都有所增加[1]?！暗勾汉弊鳛闃O端天氣的重要類型之一，對(duì)公共健康與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成了不利影響[2-3]，比如使作物減產(chǎn)[4-5]、影響樹木生長(zhǎng)[6]。因此，研究“倒春寒”的發(fā)生特征和規(guī)律，可以為制定防御措施、減少危害提供科學(xué)依據(jù)[7]。

近年來(lái)，許多學(xué)者研究了我國(guó)“倒春寒”的特征及發(fā)展過(guò)程。吳增福等利用預(yù)報(bào)區(qū)域的春季逐日氣象資料，建立了短期預(yù)報(bào)回歸方程，使“倒春寒”的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率提高了20%[8]。楊文剛等根據(jù)平均氣溫距平和持續(xù)時(shí)間對(duì)“倒春寒”氣象指標(biāo)和等級(jí)進(jìn)行了劃分[9]。韓超等利用日觀測(cè)資料及MICAPS的歷史資料，分析了衢州市“倒春寒”的天氣氣候特征[10]。馬德栗等利用主成分分析方法構(gòu)建了“倒春寒”評(píng)估模型，探討了湖北省“倒春寒”發(fā)生的影響程度[11]。趙剛等對(duì)江蘇省“倒春寒”發(fā)生程度進(jìn)行了評(píng)估[2]。徐巖巖等基于EEMD方法對(duì)河南省“倒春寒”時(shí)空分布進(jìn)行了分析[12]。尤紅等利用NCEP再分析資料分析了云南省“倒春寒”天氣過(guò)程[13]。李搖勇等從氣候突變、周期變化等方面，研究了氣候變化背景下貴州省“倒春寒”災(zāi)害時(shí)空演變特征[14]。劉海濤等結(jié)合北京地區(qū)氣候特點(diǎn)，制定了北京地區(qū)“倒春寒”標(biāo)準(zhǔn)，研究了北京地區(qū)“倒春寒”測(cè)站總數(shù)的年際變化[15]。韓海輝等對(duì)黃土高原地區(qū)3—5月“倒春寒”氣候特征進(jìn)行了研究討論[16]。Zhu等對(duì)華北地區(qū)“倒春寒”發(fā)生特點(diǎn)及發(fā)展過(guò)程進(jìn)行了研究[17]。

山東省是我國(guó)小麥的主要種植區(qū)之一，掌握“倒春寒”的時(shí)空分布特征，對(duì)合理安排農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有非常重要的意義。本研究對(duì)1962—2018年間山東省“倒春寒”特征進(jìn)行評(píng)估，希望對(duì)山東省農(nóng)業(yè)防災(zāi)減災(zāi)策略提供相關(guān)的依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料來(lái)源

本研究所用氣溫?cái)?shù)據(jù)為1962—2018年山東省17個(gè)氣象站點(diǎn)的日平均氣溫?cái)?shù)據(jù)，來(lái)自中國(guó)氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)（http：//data.cma.cn/）。環(huán)流指數(shù)為1962—2018年三四月的數(shù)據(jù)，來(lái)自國(guó)家氣候中心氣候系統(tǒng)診斷預(yù)測(cè)室。將研究階段劃分為不同年代，即定義1962—1969年、1970—1979年、1980—1989年、1990—1999年、2000—2009年、2010—2018年分別為1960s、1970s、1980s、1990s、2000s、2010s。

根據(jù)山東省自然地理以及平均溫度的分布情況，可將山東省劃分為魯東、魯中、魯西3個(gè)區(qū)域（圖1）。其中，魯東地區(qū)氣象站點(diǎn)包括龍口、福山、成山頭、海陽(yáng)、青島、日照、莒縣;魯中地區(qū)氣象站點(diǎn)包括濟(jì)南、泰山、沂源、濰坊、費(fèi)縣;魯西地區(qū)氣象站點(diǎn)包括陵縣、惠民縣、朝陽(yáng)、定陶、兗州[18]。由于氣象站點(diǎn)分布較為均勻且數(shù)據(jù)區(qū)分度不大，因此本研究利用反距離加權(quán)法（IDW插值法）[19]進(jìn)行空間分析。

1.2 “倒春寒”定義

“倒春寒”是指春季（3—5月）出現(xiàn)的前期暖后期冷，且后期氣溫明顯低于正常年份的現(xiàn)象。由于各省地理位置有差異，氣候環(huán)境復(fù)雜多樣，因此部分省份制定了適用于當(dāng)?shù)氐摹暗勾汉倍x指標(biāo)[12，20-21]。目前，山東省還沒(méi)有統(tǒng)一的“倒春寒”定義指標(biāo)。河南省氣象局發(fā)布的“倒春寒”指標(biāo)為：在每年的3月1日至4月30日期間，日平均氣溫或最低氣溫24 h降幅首次達(dá)到3 ℃的日期即視為“倒春寒”的開(kāi)始，日平均氣溫穩(wěn)定回升到當(dāng)日所在滑動(dòng)候的平均氣溫氣候標(biāo)準(zhǔn)值的日期即視為“倒春寒”的結(jié)束[12]。本研究首先選取河南省標(biāo)準(zhǔn)來(lái)計(jì)算山東省各地發(fā)生“倒春寒”總次數(shù)（表1），但這與山東省“倒春寒”發(fā)生的實(shí)際情況并不相符。因此，本研究采用貴州省“倒春寒”指標(biāo)，即3月21日至4月30日的日平均氣溫≤10 ℃并持續(xù)3 d以上，為“倒春寒”天氣過(guò)程[21]。

1.3 “倒春寒”強(qiáng)度（Ki）

單站年度“倒春寒”強(qiáng)度（Ki）的計(jì)算公式為[22]：的持續(xù)時(shí)間，d，若Ni>15，則只取值15;Ti表示當(dāng)年3月21日至4月20日任意滑動(dòng)10 d平均氣溫距平的最低值，℃;Hi表示當(dāng)年“倒春寒”總時(shí)間，d，若 Hi>20 d，則只取值20 d[5]。單站年度“倒春寒”等級(jí)劃分指標(biāo)如表2所示。

1.4 各強(qiáng)度“倒春寒”的發(fā)生頻率（Fi）

式中：下標(biāo)s表示“倒春寒”等級(jí);N為某站氣象資料的年數(shù);ns為發(fā)生相應(yīng)等級(jí)“倒春寒”的總時(shí)間，年[22]。

1.5 各強(qiáng)度“倒春寒”發(fā)生的站次比（Pi）

式中：下標(biāo)s表示“倒春寒”等級(jí);M為該區(qū)域內(nèi)氣象站點(diǎn)總數(shù)，個(gè);m為發(fā)生相應(yīng)等級(jí)“倒春寒”的總氣象站點(diǎn)數(shù)，個(gè)[22]。

2 結(jié)果與分析

2.1 “倒春寒”發(fā)生次數(shù)的時(shí)空變化特征

分析山東省17個(gè)氣象站點(diǎn)在1962—2018年“倒春寒”發(fā)生次數(shù)及其氣候傾向率，由表3、圖2可知，龍口“倒春寒”發(fā)生次數(shù)最多，為136次;定陶“倒春寒”發(fā)生次數(shù)最少，僅為69次。根據(jù)氣候傾向率可知，除成山頭和泰山氣候傾向率為正（0.09和0.17），青島、莒縣氣候傾向率為0.00外，其余站點(diǎn)氣候傾向率均為負(fù)值。由此可知，1962—2018年山東省整體“倒春寒”發(fā)生次數(shù)呈下降趨勢(shì)，其中魯東地區(qū)“倒春寒”發(fā)生次數(shù)最多，魯中地區(qū)次之，魯西地區(qū)“倒春寒”發(fā)生次數(shù)最少。

從年代際尺度上（圖3）來(lái)看，1970s“倒春寒”發(fā)生次數(shù)最多，2000s發(fā)生次數(shù)最少，其中陵縣、惠民縣、朝陽(yáng)、濟(jì)南、沂源、濰坊、定陶等11個(gè)站點(diǎn)發(fā)生次數(shù)明顯減少，并達(dá)到最低值。在2010—2018年，“倒春寒”發(fā)生次數(shù)出現(xiàn)了小幅回升。從空間尺度上（圖4）來(lái)看，“倒春寒”發(fā)生次數(shù)總體表現(xiàn)為西低東高。1960s和1970s龍口發(fā)生“倒春寒”次數(shù)最多;1960s定陶“倒春寒”發(fā)生次數(shù)最少。1970s濟(jì)南、兗州“倒春寒”發(fā)生次數(shù)最少。1980s成山頭發(fā)生“倒春寒”次數(shù)最多，定陶和濟(jì)南“倒春寒”發(fā)生次數(shù)最少。1990s成山頭、日照“倒春寒”發(fā)生次數(shù)最多，濟(jì)南、費(fèi)縣“倒春寒”發(fā)生次數(shù)最少。2000s泰山“倒春寒”發(fā)生次數(shù)最多，定陶“倒春寒”發(fā)生次數(shù)最少。2010s泰山“倒春寒”發(fā)生次數(shù)最多，定陶、費(fèi)縣和濟(jì)南“倒春寒”發(fā)生次數(shù)最少。

2.2 “倒春寒”持續(xù)時(shí)間的時(shí)空變化特征

由圖5可知，魯東地區(qū)“倒春寒”持續(xù)時(shí)間始終最長(zhǎng)，魯中地區(qū)次之，魯西地區(qū)“倒春寒”持續(xù)時(shí)間最短，但3個(gè)區(qū)域變化趨勢(shì)較為相似。1962—2018年，山東省各氣象站點(diǎn)“倒春寒”持續(xù)時(shí)間差異較大，泰山發(fā)生“倒春寒”總時(shí)間最長(zhǎng)，濟(jì)南發(fā)生“倒春寒”總時(shí)間最短（表4）。由圖6可知，山東省1990s“倒春寒”持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)，2000s“倒春寒”持續(xù)時(shí)間最短，在2010s，除泰山、龍口、成山頭、海陽(yáng)站點(diǎn)外，

2.3 “倒春寒”最長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間的時(shí)空變化特征

由表5可知，大部分站點(diǎn)“倒春寒”最長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間出現(xiàn)在1976、1996年。成山頭“倒春寒”持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)，出現(xiàn)在1964年，為38 d。濟(jì)南“倒春寒”最長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間最短，出現(xiàn)在1991年，為 12 d。1962—2018年山東省“倒春寒”最長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間除泰山站點(diǎn)外，整體呈現(xiàn)西低東高的特征（圖8）。

2.4 “倒春寒”發(fā)生強(qiáng)度的時(shí)空變化特征

由圖9可知，1962—2018年間，山東省的輕級(jí)“倒春寒”從2000年開(kāi)始出現(xiàn)但發(fā)生頻率并不高;中級(jí)和重級(jí)“倒春寒”發(fā)生的站次比在1970s相對(duì)變大，在1990s變小，2000s又開(kāi)始增大;特重級(jí)“倒春寒”發(fā)生的站次比在1970s相對(duì)變小，在1990s變大，在2000s又開(kāi)始明顯下降，總體和其他3級(jí)“倒春寒”的變化特征相反。由表6、圖10可知，山東省輕級(jí)、中級(jí)、重級(jí)“倒春寒”發(fā)生頻率均由西南向東北遞減，特重級(jí)“倒春寒”發(fā)生頻率呈現(xiàn)由西南向東北遞增，發(fā)生頻率最高的站點(diǎn)是成山頭、泰山，最低的站點(diǎn)是兗州。

由表7可知，“倒春寒”強(qiáng)度年際變化最大的站點(diǎn)為日照，成山頭與泰山“倒春寒”強(qiáng)度年際變化較小。2000年以前所有站點(diǎn)“倒春寒”強(qiáng)度指數(shù)均高于57年平均值，2000年以后的所有站點(diǎn)“倒春寒”強(qiáng)度均低于平均值。

2.5 “倒春寒”強(qiáng)度指數(shù)與大氣環(huán)流指數(shù)的相關(guān)性分析

利用SPSS 16.0對(duì)“倒春寒”強(qiáng)度指數(shù)與88項(xiàng)環(huán)流因子進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析，得到與“倒春寒”強(qiáng)度指數(shù)相關(guān)性最大的前6項(xiàng)，分別為東太平洋副高脊線位置指數(shù)、北半球極渦中心經(jīng)向位置指數(shù)、歐亞緯向環(huán)流指數(shù)、亞洲緯向環(huán)流指數(shù)、南極濤動(dòng)指數(shù)（AAO）、東大西洋遙相關(guān)型指數(shù)（EA）（表8）。

3 結(jié)論

本研究從“倒春寒”發(fā)生次數(shù)、“倒春寒”持續(xù)時(shí)間、“倒春寒”最長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間、“倒春寒”強(qiáng)度等方面分析了1962—2018年山東“倒春寒”的時(shí)空分布特征，并對(duì)“倒春寒”發(fā)生次數(shù)與大氣環(huán)流指數(shù)進(jìn)行了相關(guān)性分析，得到如下結(jié)論：山東省各站點(diǎn)“倒春寒”發(fā)生次數(shù)和總時(shí)間有明顯的年際變化，整體呈下降趨勢(shì);空間分布總體表現(xiàn)為西低東高的特征?！暗勾汉弊铋L(zhǎng)持續(xù)時(shí)間表現(xiàn)為除泰山站點(diǎn)外，整體呈現(xiàn)西低東高的特征。不同等級(jí)“倒春寒”發(fā)生的站次比也有明顯變化。57年間，山東省輕級(jí)“倒春寒”從2000年開(kāi)始出現(xiàn)但發(fā)生頻率并不高;中級(jí)和重級(jí)“倒春寒”發(fā)生的站次比在1970s相對(duì)較大，然后在1990s較小，2000s又開(kāi)始增大，在空間上3級(jí)“倒春寒”的發(fā)生頻率均由西南向東北遞減;特重級(jí)“倒春寒”發(fā)生站次比在1970s相對(duì)變小，然后在1990s變大，在2000s開(kāi)始又明顯下降，總體和中級(jí)、重級(jí)“倒春寒”站次比的變化特征相反，特重級(jí)“倒春寒”發(fā)生頻率在空間上也和其他3級(jí)呈現(xiàn)相反的趨勢(shì)，即由西南向東北遞增。

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