盧 堯 沈 陽(yáng) 楊瓊瓊 姜 麟

(1、蕪湖氣象局，安徽 蕪湖 241000 2、江蘇省氣象臺(tái)，江蘇 南京 210008)

“倒春寒”是一種冷空氣引發(fā)的春季低溫凍害[1-2]。相關(guān)研究表明，春季持續(xù)低溫可對(duì)多種農(nóng)作物生長(zhǎng)，甚至人體健康造成嚴(yán)重影響[3-15]。鑒于倒春寒的破壞作用，相關(guān)研究基于溫度距平和最低氣溫提出了多種監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)[16-18]。倒春寒作為一種春季異常低溫現(xiàn)象，每次過(guò)程持續(xù)時(shí)間和最低溫度的數(shù)值各不相同，因此嚴(yán)重程度有所區(qū)別。百分位數(shù)[19]在研究氣象災(zāi)害嚴(yán)重性方面有著廣泛的應(yīng)用，但現(xiàn)有成果主要涉及極端天氣氣候事件[20-26]，鮮有針對(duì)倒春寒的研究。鑒于目前江蘇省氣象部門無(wú)業(yè)務(wù)化的倒春寒氣象指標(biāo)，研發(fā)基于百分位數(shù)的，適用于江蘇地區(qū)的倒春寒指標(biāo)，對(duì)于監(jiān)測(cè)春季低溫凍害，做好防災(zāi)減災(zāi)工作，具有重要意義。

1 資料和方法

1.1 資料和倒春寒定義

本文選取了江蘇13 市(南京、徐州、連云港、宿遷、鹽城、淮安、泰州、揚(yáng)州、鎮(zhèn)江、常州、無(wú)錫、蘇州和南通)氣象觀測(cè)站，1981-2020 年(共40 年)2-5 月日最低氣溫(20 時(shí)-20 時(shí))和日平均氣溫(20 時(shí)-20 時(shí))記錄。

參考已有研究[27-28]，本文對(duì)倒春寒的定義為：每年入春至4月30 日，至少連續(xù)3 天日平均氣溫＜10℃時(shí)，則第1 天為倒春寒起始日；由于4 月日平均溫度較3 月有顯著上升，故4 月倒春寒開(kāi)始條件放寬為至少連續(xù)2 天日平均氣溫＜10℃時(shí)，則第1天為倒春寒起始日；無(wú)論在3 月還是4 月，至少連續(xù)3 天日平均氣溫≥10℃時(shí)，則第1 天為倒春寒結(jié)束日。其中入春日期的判定參照《氣候季節(jié)劃分》[29]。

1.2 分析方法

根據(jù)倒春寒起始日期，定義起始日至結(jié)束日的持續(xù)天數(shù)為過(guò)程“持續(xù)日數(shù)D”(單位：日)。由于結(jié)束日當(dāng)天日平均溫度通常有一定程度回升，故定義倒春寒起始日至結(jié)束日前1 天日最低溫度的平均值為“過(guò)程平均最低溫度Tmin”(單位：℃)。例如：某次倒春寒過(guò)程自3 月15 日開(kāi)始，至3 月20 日結(jié)束，則持續(xù)日數(shù)D為6 日，平均最低溫度Tmin等于15-19 日每日最低氣溫的算術(shù)平均。

將統(tǒng)計(jì)后得到的各測(cè)站D 按升序排列，Tmin按降序排列，各取2 個(gè)百分位數(shù)作為閾值，將D 序列和Tmin序列各自劃分為輕度、中度和重度3 個(gè)區(qū)間，根據(jù)D 和Tmin兩個(gè)因子的嚴(yán)重程度，綜合判定倒春寒等級(jí)，判定方法詳見(jiàn)表1。

表1 倒春寒等級(jí)判定

2 結(jié)果與分析

2.1 入春日期

如前文所述，倒春寒是發(fā)生于春季的異常低溫事件。故統(tǒng)計(jì)倒春寒事件的首要步驟，是確定入春日期。參照《氣候季節(jié)劃分》[29]，1980-2020 年江蘇13 市最早入春日期大多位于3 月2 候，個(gè)別地區(qū)可提前至2 月4 候(南京、蘇州)；最晚入春日期大多位于4 月2 候，個(gè)別地區(qū)可推遲至4 月4 候(連云港、鹽城)。平均而言，長(zhǎng)江以南地區(qū)入春日期為3 月4-5 候，長(zhǎng)江以北地區(qū)入春日期為3 月5-6 候。

2.2 倒春寒起始時(shí)間

將全省13 市劃分為淮北(徐州、連云港、宿遷和淮安)、江淮之間(鹽城、泰州、揚(yáng)州和南通)和江南(南京、鎮(zhèn)江、常州、無(wú)錫和蘇州)三個(gè)地區(qū)。以候?yàn)闀r(shí)間跨度，3-4 月全省分區(qū)倒春寒起始時(shí)間分布各有其特點(diǎn)(圖略)?；幢钡貐^(qū)和江淮之間地區(qū)呈現(xiàn)單峰結(jié)構(gòu)，兩個(gè)地區(qū)倒春寒均在4 月1 候出現(xiàn)最為頻繁，分別達(dá)34 次和31 次；而江南地區(qū)呈現(xiàn)雙峰結(jié)構(gòu)，倒春寒在3 月5 候和4 月1 候出現(xiàn)最為頻繁，兩個(gè)峰值分別為33 次和35 次，極為接近。需要注意的是，4 月5-6 候從未發(fā)生過(guò)倒春寒，因?yàn)樵摃r(shí)段冷空氣強(qiáng)度和活動(dòng)顯著減弱，日平均氣溫難以維持2 天以上低于10℃狀態(tài)；這也是1.1 節(jié)將倒春寒時(shí)段限定為“3-4”月的重要原因。

2.3 倒春寒時(shí)空分布特征

2.3.1 總體分布

由圖1a 可知，1981-2020 年，倒春寒多發(fā)生于江南地區(qū)，鎮(zhèn)江、常州和無(wú)錫各存在一個(gè)大值中心；緯度較高的淮北地區(qū)反而倒春寒頻次較少。全省13 市中，揚(yáng)州倒春寒總頻次最少，40年間僅23 次；鎮(zhèn)江最多，達(dá)34 次。就全省平均狀況而言，各市年均發(fā)生倒春寒0.7 次，泰州、鎮(zhèn)江、常州和無(wú)錫共4 市年均頻次高于全省平均值圖1b。

圖1 江蘇1981-2020 年倒春寒累計(jì)頻次(a)和年均頻次(b)

分區(qū)平均后，淮北地區(qū)倒春寒年均頻次為0.7 次，江淮之間地區(qū)為0.6 次，江南地區(qū)最高，達(dá)0.8 次。由上文可知倒春寒年均頻次高于全省平均值的4 市中，有3 個(gè)位于江南地區(qū),故倒春寒在江南地區(qū)最為頻繁。

全省逐年倒春寒總頻次(圖2)表明，1981-2020 年，年總頻次最高為28 次(2013 年)，最低為0 次(1986、1991、1992、2002、2007、2012 年)，年均頻次為9 次。40 年中，有19(18)年總頻次高(低)于平均值，如圖2。

圖2 江蘇逐年倒春寒總頻次和年均頻次

從年總頻次的峰值看，1981-2003 年期間，峰值均小于15次，最多為14 次(1981 年、1990 年)；而2004-2020 年期間，峰值均大于等于15 次，其中有4 次峰值達(dá)20 次以上(2004、2010、2013、2018 年)，最多為28 次(2013 年)，是2004 年之前的2 倍。綜上，全省各年倒春寒總頻次的峰值，自2004 年起發(fā)生了顯著增長(zhǎng)的現(xiàn)象，其中原因有待進(jìn)一步研究。

2.3.2 百分位數(shù)閾值的確定

如1.2 節(jié)所述，本文使用“持續(xù)日數(shù)D”(單位：日)和“過(guò)程平均最低溫度Tmin”(單位：℃)作為判定倒春寒天氣過(guò)程強(qiáng)度的2個(gè)因子。參照相關(guān)研究所用方法[17-23]，選定第80 百分位數(shù)和第50 百分位數(shù)作為閾值，將上述2 個(gè)指標(biāo)劃分為輕、中、重三個(gè)區(qū)間。由于相同百分位數(shù)對(duì)應(yīng)不同站點(diǎn)的數(shù)值亦不相同，為統(tǒng)一監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，本文采用平均值方案，全省平均和區(qū)域平均的對(duì)比結(jié)果如表2 所示。

因子D 的80%分位數(shù)均值為6，標(biāo)準(zhǔn)差為0.6，占均值比例10。00%；50%分位數(shù)均值為4，標(biāo)準(zhǔn)差為0。因子Tmin的80%分位數(shù)均值為3.9，標(biāo)準(zhǔn)差為0.5，占均值比例12.82%；50%分位數(shù)均值為4.8，標(biāo)準(zhǔn)差為0.4，占均值比例8.33%。

結(jié)合其他百分位數(shù)(表略)可知，因子D 和因子Tmin的標(biāo)準(zhǔn)差均隨百分位的增加呈上升趨勢(shì)，其中因子D 的標(biāo)準(zhǔn)差增幅更為顯著。說(shuō)明百分位數(shù)越高，各地區(qū)對(duì)應(yīng)的數(shù)值分布愈加混亂，故不宜采用全省均值方案。

若采用分區(qū)方案，因子D 的80%分位數(shù)中，淮北地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)差和全省標(biāo)準(zhǔn)差均為0.6，但淮北地區(qū)均值升為7，標(biāo)準(zhǔn)差和均值比例降為8.57%；江淮之間地區(qū)、江南地區(qū)和全省均值均為6，但2 個(gè)分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)差降均降至0.5，標(biāo)準(zhǔn)差和均值比例亦降為8.33%。因子D 的50%分位數(shù)中，各分區(qū)和全省相比無(wú)變化，均值(標(biāo)準(zhǔn)差)均為4.0(0.0)。

因子Tmin的80%分位數(shù)中，淮北、江淮之間和江南地區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)差(0.3、0.3、0.4)較全省標(biāo)準(zhǔn)差(0.5)均明顯下降；淮北地區(qū)均值(3.3)較全省(3.9)減小，其他2 個(gè)分區(qū)(4.0、4.3)則上升；計(jì)算結(jié)果表明，分區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)差和均值比例(9.10%、7.50%、9.30%)較全省(12.82%)顯著降低。因子Tmin的50%分位數(shù)分區(qū)均值較全省均值的變化與80%分位數(shù)完全一致，3 個(gè)分區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)差和均值比例(4.55%、6.12%、5.88%)亦較全省(8.33%)顯著降低。

綜上，從標(biāo)準(zhǔn)差和均值之比看，采用分區(qū)均值方案確定百分位數(shù)作為倒春寒強(qiáng)度劃分閾值，相較采用全省均值方案更為合理。故本文最終確定的江蘇省分區(qū)倒春寒因子D 和因子Tmin的強(qiáng)度閾值如表3 所示。

2.3.3 不同強(qiáng)度倒春寒時(shí)間分布

圖3 表明，1981-2020 年期間，輕度倒春寒年頻次隨時(shí)間波動(dòng)較大，3 個(gè)峰值分別出現(xiàn)在1981 年(12 次)、1997 年(12 次)和2013 年(16 次)。中度倒春寒年頻次在1988-1990 年出現(xiàn)一組峰值(8 次)后，呈現(xiàn)逐年下降的趨勢(shì)；自2009 年至2013 年，峰值又迅速增長(zhǎng)至12 次，之后再次逐年下降。中度倒春寒年頻次波動(dòng)較為劇烈，相鄰年份頻次差值最大可達(dá)12 次(2012 年和2013年)。重度倒春寒在1992 年之前較為少發(fā)，年頻次最多僅1 次；1993-1995 年頻次開(kāi)始增多，之后至2000 年不再發(fā)生；2001 年之后雖然亦存在連續(xù)數(shù)年不發(fā)生的情況，但總體上進(jìn)入多發(fā)期，年頻次峰值出現(xiàn)在2018 年(9 次)。

圖3 江蘇逐年倒春寒分級(jí)頻次統(tǒng)計(jì)

表2“持續(xù)日數(shù)D”(單位：日)和“過(guò)程平均最低溫度Tmin”(單位：℃)百分位數(shù)分布

表3“D”(單位：日)和“Tmin”(單位：℃)分區(qū)分級(jí)閾值

三種程度的倒春寒事件年頻次變化趨勢(shì)各有其特點(diǎn)。如1993-1999 年，輕度倒春寒年頻次呈現(xiàn)逐年增長(zhǎng)趨勢(shì)，但中度和重度倒春寒年頻次則逐年下降。又如2010 年之后，中度倒春寒年頻次呈逐年下降趨勢(shì)，但重度倒春寒則呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。從服務(wù)角度而言，應(yīng)更多關(guān)注重度倒春寒頻次的未來(lái)演變。

2.3.4 不同強(qiáng)度倒春寒空間分布

1981-2020 年輕度倒春寒累計(jì)頻次(圖略)分布表明，輕度倒春寒頻發(fā)區(qū)位于南通(17 次)、常州(20 次)、無(wú)錫(17 次)和蘇州(21 次)一帶，淮北地區(qū)中連云港(17 次)和淮安(17 次)最為頻發(fā)，其他地區(qū)頻次則相對(duì)較少。

中度倒春寒(圖4a)高發(fā)區(qū)則位于揚(yáng)州(13 次)、常州(13 次)和無(wú)錫(11 次)地區(qū)，連云港(7 次)、淮安(6 次)、鹽城(6 次)和南通(5 次)地區(qū)最為少發(fā)。重度倒春寒(圖4b)分布亦有顯著變化，高發(fā)區(qū)位于江蘇西部地區(qū)和無(wú)錫(5 次)、蘇州(4 次)一帶，南京頻次最多(7 次)，常州頻次最少(1 次)。

綜上，輕度倒春寒中心位于江蘇東南部地區(qū)，中度倒春寒中心向江蘇中部轉(zhuǎn)移，而重度倒春寒中心則位于江蘇西部地區(qū)。隨著倒春寒嚴(yán)重程度加深，其頻發(fā)區(qū)向西、向北轉(zhuǎn)移的特征十分顯著，如圖4。

圖4 江蘇1981-2020 年中度(a)和重度(b)倒春寒累計(jì)頻次

不同等級(jí)倒春寒的區(qū)域平均頻次(表4)表明，江南地區(qū)平均頻次在所有等級(jí)上均高于其他地區(qū)，與圖1 結(jié)論一致；輕度和重度倒春寒中淮北地區(qū)平均頻次高于江淮之間地區(qū)；而中度倒春寒則是江淮之間地區(qū)平均頻次高于淮北地區(qū)。

以重度倒春寒事件為例，淮北地區(qū)平均頻次為0.10 次/(站年)，江淮之間地區(qū)平均頻次為0.08 次/(站年)，江南之間地區(qū)平均頻次為0.11 次/(站年)。由表1 可知，若達(dá)到重度倒春寒，則因子D 和因子Tmin中至少有一個(gè)達(dá)到重度等級(jí)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)(表略)，淮北地區(qū)16 次重度倒春寒事件中，重度D 和Tmin分別為12 次和7 次；江淮之間地區(qū)12 次重度倒春寒事件中，重度D 和Tmin分別為5 次和7 次；江南地區(qū)22 次重度倒春寒事件中，重度D 和Tmin分別為10 次和15 次，如表4。

表4 江蘇分級(jí)倒春寒區(qū)域平均頻次(單位：次/(站年))

而對(duì)于中度倒春寒事件而言，淮北、江淮之間和江南地區(qū)平均頻次分別為0.20、0.21 和0.25 次/(站年)。類似的，由表1 可知因子D 和因子Tmin中至少有一個(gè)達(dá)到中度及以上等級(jí)時(shí)，方可達(dá)成中度倒春寒事件。統(tǒng)計(jì)結(jié)果(表略)表明，淮北、江淮之間和江南地區(qū)中度倒春寒頻次分別達(dá)32、34 和50 次，其中符合要求的因子D頻次分別為17、22 和27 次，而因子Tmin頻次分別為26、21和37 次。綜上，在影響重度倒春寒的2 個(gè)因子中，淮北地區(qū)因子D作用更大，而江淮之間和江南地區(qū)則是因子Tmin更為重要。對(duì)中度倒春寒而言，淮北和江南地區(qū)因子Tmin作用更大，江淮之間地區(qū)則是兩者作用相當(dāng)?？梢?jiàn)，造成不同等級(jí)倒春寒事件的2 個(gè)因子相對(duì)重要性存在地區(qū)差異；江南地區(qū)一致性最高，中度和重度倒春寒均需要重點(diǎn)關(guān)注因子Tmin能否達(dá)到所需等級(jí)。

3 歷史事件檢驗(yàn)

《中國(guó)氣象災(zāi)害大典(江蘇卷)》[3(0]以下簡(jiǎn)稱《大典》)中記錄了2000 年之前發(fā)生的影響較為嚴(yán)重的低溫凍害事件，考慮到本文所述倒春寒指“入春”之后的低溫天氣，故《大典》中記載的發(fā)生于1994 年和1995 年的2 場(chǎng)入春后全省范圍低溫事件可用來(lái)檢驗(yàn)前文所述倒春寒指標(biāo)的適用性。這兩場(chǎng)倒春寒事件發(fā)生時(shí)，連云港、宿遷、淮安、鹽城、泰州和南通尚未入春，其他地區(qū)統(tǒng)計(jì)結(jié)果詳見(jiàn)表5。

由表5 可知，在兩場(chǎng)全省范圍倒春寒天氣過(guò)程中，有效記錄站點(diǎn)均為7。其中1994 年個(gè)例中，D等級(jí)均為中度及以上，Tmin等級(jí)有3 站為中度及以上，綜合判定4 站發(fā)生中度及以上倒春寒。其中徐州1 站達(dá)重度倒春寒?！洞蟮洹分兄徊樵兊叫熘莸貐^(qū)受災(zāi)情況，說(shuō)明徐州災(zāi)情最為嚴(yán)重，這與文中指標(biāo)判定結(jié)果完全一致。1995 年個(gè)例中，D等級(jí)中度及以上有2 站，Tmin等級(jí)重度則高達(dá)5 站，綜合判定5 站發(fā)生中度及以上倒春寒。其中無(wú)錫1 站達(dá)重度倒春寒。《大典》中亦只記錄了無(wú)錫地區(qū)受災(zāi)情況，從側(cè)面說(shuō)明無(wú)錫災(zāi)情最為嚴(yán)重，這亦與文中指標(biāo)判定結(jié)果完全一致。綜上，以《大典》記錄的倒春寒天氣過(guò)程為參考依據(jù)，本文所設(shè)計(jì)的倒春寒指標(biāo)從范圍和強(qiáng)度兩方面均能很好地反映真實(shí)情況，充分證明了該指標(biāo)在江蘇地區(qū)具備完善的合理性和可用性。

表5 倒春寒歷史事件檢驗(yàn)

4 結(jié)論

本文利用1981-2020 年3-4 月日平均溫度和日最低溫度，設(shè)計(jì)了一套基于百分位數(shù)的江蘇分區(qū)倒春寒指標(biāo)，研究結(jié)論如下：

4.1 現(xiàn)有倒春寒國(guó)標(biāo)在江蘇地區(qū)應(yīng)用結(jié)果存在事件頻次過(guò)高的現(xiàn)象，而根據(jù)文中提出的指標(biāo)方案，江蘇各市倒春寒頻次更具合理性；1981-2020 年，揚(yáng)州倒春寒總頻次最少，鎮(zhèn)江最多；泰州、鎮(zhèn)江、常州和無(wú)錫共4 個(gè)地區(qū)年均倒春寒頻次高于全省平均值；江南地區(qū)倒春寒最為頻繁。

4.2 采用“持續(xù)日數(shù)D”和“過(guò)程平均最低溫度Tmin”2 個(gè)因子的第50、80 百分位數(shù)，將倒春寒分為輕、中、重3 級(jí)；隨著其嚴(yán)重程度加深，相應(yīng)等級(jí)倒春寒頻發(fā)區(qū)自江蘇東南部地區(qū)向西、向北轉(zhuǎn)移的特征十分顯著；江南地區(qū)所有等級(jí)倒春寒頻次均顯著高于其他地區(qū)，影響不同地區(qū)不同等級(jí)倒春寒的因子相對(duì)重要性存在差別，未來(lái)應(yīng)更多關(guān)注重度倒春寒頻次的演變趨勢(shì)。

4.3 本文所設(shè)計(jì)的分區(qū)倒春寒指標(biāo)判定的事件范圍和等級(jí)，尤其是重度倒春寒地區(qū)，與《大典》記錄的倒春寒事件完全一致，充分證明了該指標(biāo)在江蘇地區(qū)具備完善的合理性和可用性。

受篇幅所限，文中一些問(wèn)題未得到充分討論，如2004 年后全省倒春寒頻次顯著增多原因，倒春寒前期信號(hào)及預(yù)報(bào)關(guān)鍵點(diǎn)等，這些問(wèn)題有待進(jìn)一步研究。