2000年以來中國冰凍天氣評估研究

李坤玉，趙魯強，王 鑄

(1.中國氣象局 國家氣象中心，北京100081；2.中國氣象局 公共氣象服務中心，北京100081)

冰凍天氣，也叫凝凍天氣，是一種氣象災害。研究表明局部性冰凍天氣易造成農(nóng)業(yè)凍害、電線覆冰等次生災害[1]。區(qū)域性大范圍的冰凍天氣，會形成冰凍災害鏈，對交通、電力、通訊、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、畜牧業(yè)及城市運行、群眾生活等方面產(chǎn)生極大影響。凍雨(即雨凇、凝凍)是中國冰凍災害的主要成災因子，本研究中的冰凍天氣主要是指凍雨天氣。2000年以來中國發(fā)生過多次較大范圍的區(qū)域性冰凍天氣，尤其是云南、貴州、湖南和江西等地極易出現(xiàn)冰凍災害。2008年南方地區(qū)出現(xiàn)歷史罕見低溫雨雪冰凍天氣，1億多人受災，直接經(jīng)濟損失超過1 100億元。2011年1月，南方地區(qū)又連續(xù)遭遇多次較強的低溫冰凍天氣侵襲，約1 800萬人受災。因此，對冰凍天氣的影響程度做出客觀、科學的評估，可以提高此類天氣的防御能力，達到防災減災目的。

近年來，學者們對冰凍天氣災害評估進行了大量的研究，如顧婷婷等[2]從致災因子、承災體和歷史高速公路交通事故特征3方面，對浙江省高速公路低溫雨雪冰凍災害進行評估；楊靜等[3]基于冰凍持續(xù)時間、降水持續(xù)時間、日平均降水量和日平均氣溫4個因子，采用灰色關(guān)聯(lián)度方法構(gòu)建了一種影響公路交通的冰凍強度綜合指標；萬素琴等[4]使用連續(xù)雨雪日數(shù)、雨雪總量、日平均氣溫小于等于0.5 ℃的連續(xù)日數(shù)、過程平均氣溫和極端最低氣溫5個要素，建立了湖北省低溫雨雪冰凍綜合過程指數(shù)計算模型；毛淑君等[5]采用日最高氣溫、日最低氣溫、相對濕度和日照時數(shù)4種氣象要素，給出中國南方地區(qū)低溫雨雪冰凍的風險區(qū)劃；萬錦栓等[6]從致災因子危險性、孕災環(huán)境敏感性、承災體易損性和抗災能力4個方面，構(gòu)建了湖南省冰凍災害風險區(qū)劃綜合評估模型；梁釗揚等[7]根據(jù)過程降溫幅度、低溫持續(xù)時間、最低氣溫等因子評估了粵中西部低溫雨雪冰凍天氣。

綜上，現(xiàn)有成果的研究區(qū)域局限在部分地區(qū)或個別省(市)，研究對象也主要針對區(qū)域性冰凍天氣過程。筆者在考慮氣象業(yè)務實施的前提下，基于氣溫、持續(xù)時間和范圍3個要素構(gòu)建中國區(qū)域的冰凍評估模型，對區(qū)域性冰凍天氣過程和某一日的冰凍天氣影響程度均可進行評估研究，以期為更好地開展冰凍天氣災害防御提供依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料來源

氣象資料來源于2000—2019年國家級氣象觀測站(簡稱國家站)的地面天氣實況觀測資料，氣候背景資料為20世紀70年代至90年代國家氣象信息中心整編的國家站日平均氣溫觀測資料的30年氣候平均值。國家站包括國家基準氣候站、國家基本氣象站和國家一般氣象站，研究范圍為中國區(qū)域。

1.2 研究方法

冰凍天氣評估分為區(qū)域性冰凍天氣過程(簡稱冰凍天氣過程)評估和某一日的冰凍天氣(簡稱單日冰凍天氣)評估2個方面。借鑒文獻[8]的研究成果和相關(guān)歷史資料，在某一天氣過程影響時，若同一時段內(nèi)有5個或5個以上相鄰的國家站出現(xiàn)冰凍天氣，則定義為一次冰凍事件；若一次冰凍天氣事件的持續(xù)時間為2天及以上，則定義為一次冰凍天氣過程；若一天內(nèi)有5個或5個以上相鄰的國家站出現(xiàn)冰凍天氣，則定義為一個冰凍日。對于某國家站，與其距離小于200 km的國家站，則定義為相鄰站。筆者基于上述冰凍天氣過程和冰凍日的定義，開展冰凍天氣評估分析。

李坤玉等[9]研究了冰凍天氣氣象條件和災害損失的相關(guān)關(guān)系，指出冰凍天氣災害對平均氣溫最敏感，平均氣溫越低，低溫持續(xù)時間越長，影響范圍越廣，冰凍天氣災害損失越大。葉成志等[10]研究指出日平均氣溫對于冰凍強度具有重要影響。因此，筆者選取日平均氣溫、持續(xù)時間和影響范圍作為冰凍天氣的強度指標。由于冰凍天氣評估各指標的量綱不同，為消除各指標間的量綱差異，采用式(1)對各指標數(shù)據(jù)進行標準化處理，將所有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為標準化的無量綱指標數(shù)據(jù)X′。

(1)

2 冰凍天氣過程評估

2.1 冰凍天氣過程綜合強度指數(shù)和等級劃分原則

冰凍天氣過程綜合強度評估主要包括持續(xù)時間、影響范圍和強度(平均強度和峰值強度)3個評價指標，選用日平均氣溫作為強度指標。冰凍天氣過程綜合強度指數(shù)(comprehensive strength index of freezing weather process，CSIFWP)的定義如式(2)所示，是對過程持續(xù)時間(N)、過程影響范圍(A)、過程極端氣溫強度(TQ)、過程平均氣溫強度(TL)進行標準化處理后，再加權(quán)求和。

CSIFWP=N+A+TQ+TL

(2)

(3)

(4)

其中，TK為過程第K天的日平均氣溫。

由于氣象資料樣本長度有限，限制了統(tǒng)計量的代表性，故引入百分位等級劃分原則。即將一組數(shù)據(jù)排序，計算相應的百分位，再按照所處百分位區(qū)間來對應其相應的等級。根據(jù)冰凍天氣過程綜合強度指數(shù)，將冰凍天氣過程由強至弱按比例劃分為4個等級：極端冰凍天氣過程(占10%)、重度冰凍天氣過程(占20%)、中等強度冰凍天氣過程(占40%)和輕度冰凍天氣過程(占30%)。

2.2 冰凍天氣過程綜合強度等級劃分標準

經(jīng)過識別，2000—2019年中國共出現(xiàn)66次冰凍天氣過程，其發(fā)生頻次逐年變化情況如圖1所示。根據(jù)等級劃分原則，2000—2019年共包括7次極端冰凍天氣過程、13次重度冰凍天氣過程、26次中等強度冰凍天氣過程和20次輕度冰凍天氣過程。冰凍天氣過程等級劃分如表1所示。

圖1 2000—2019年中國冰凍天氣過程頻次的逐年變化圖

表1 2000—2019年中國冰凍天氣過程及等級劃分

續(xù)表1

因此，冰凍天氣過程綜合強度指數(shù)閾值劃分標準為：極端冰凍天氣過程(CSIFWP≥2.43)；重度冰凍天氣過程(0.53≤CSIFWP<2.43)；中等強度冰凍天氣過程(0.53≤CSIFWP<2.43)；輕度冰凍天氣過程(CSIFWP<-1.13)。

3 單日冰凍天氣評估

3.1 單日冰凍天氣綜合強度指數(shù)和等級劃分原則

單日冰凍天氣綜合強度評估主要包括影響范圍和強度2個評價指標，選用日平均氣溫作為強度指標。單日冰凍天氣綜合強度指數(shù)(comprehensive strength index of freezing day,CSIFD)的定義如式(5)所示，是對單日影響范圍(AK)和單日氣溫強度(TK)進行標準化處理后，再加權(quán)求和。

CSIFD=AK+TK

(5)

式中：AK為第K天冰凍天氣影響面積；TK為第K天的日平均氣溫。

同樣引入百分位等級劃分原則，根據(jù)單日冰凍天氣綜合強度指數(shù)，將單日冰凍天氣由強至弱按比例劃分為4個等級：特強冰凍日(占10%)、強冰凍日(占20%)、中等強度冰凍日(占40%)和弱冰凍日(占30%)。

3.2 單日冰凍天氣綜合強度等級劃分標準

經(jīng)過識別，2000—2019年中國共出現(xiàn)358個冰凍日。根據(jù)等級劃分原則，共包括36個特強冰凍日、72個強冰凍日、143個中等冰凍日和107個弱冰凍日。單日冰凍天氣等級劃分如表2所示。因此，單日冰凍天氣綜合強度指數(shù)閾值劃分標準為：特強冰凍日(CSIFD≥1.909 4)；強冰凍日(0.508 0≤CSIFD<1.909 4)；中等強度冰凍日(-0.809 7≤CSIFD<0.508 0)；弱冰凍日(CSIFD<-0.809 7)。

4 評估結(jié)果分析

4.1 冰凍天氣過程對應天氣事件

根據(jù)冰凍天氣過程等級劃分原則，識別出的極端冰凍天氣過程、影響范圍較大的重度和中等強度冰凍天氣過程均有相對應的天氣事件。

在極端冰凍天氣過程中，綜合強度排名第1的是2008年1月中旬至2月中旬“歷史罕見低溫雨雪冰凍災害肆虐南方”，排名第2的是2011年1月中下旬南方多地遭受低溫雨雪冰凍災害，排名第3的是2011年1月上旬南方多地遭受低溫雨雪冰凍災害，排名第4的是2014年2月4日至中旬南方大部地區(qū)出現(xiàn)持續(xù)低溫雨雪冰凍天氣，排名第5的是2013年1月上旬南方持續(xù)低溫陰雨雪天氣，排名第6的是2010年2月中旬受寒潮影響中東部地區(qū)出現(xiàn)的多雨雪天氣，排名第7的是2012年1月18日至下旬南方地區(qū)多陰雨雪天氣，貴州、云南、湖南等地出現(xiàn)凍雨。

表2 2000—2019年中國冰凍日及等級劃分

在影響范圍較大的重度冰凍天氣過程中，排名第8的是2009年11月15日至20日南方地區(qū)低溫雨雪天氣，排名第9的是2009年11月9日至12日華北、黃淮等地出現(xiàn)歷史罕見暴雪冰凍，排名第10的是2005年2月中上旬受冷空氣影響貴州、湖南、湖北、安徽和河南等地出現(xiàn)凍雨天氣，排名第11的是2018年1月下旬受較強冷空氣影響中東部地區(qū)出現(xiàn)的雨雪冰凍天氣。

在影響范圍較大的中等強度冰凍天氣過程中，排名第22的是2013年2月6日至9日全國寒潮天氣，排名第38的是2010年1月2日至6日中東部寒潮導致湖南、江西出現(xiàn)大范圍凍雨。

然而，研究并沒有識別出2010年2月24日至25日東北地區(qū)雨雪冰凍天氣，這可能是因為24日東北地區(qū)有8個相鄰站出現(xiàn)冰凍天氣，但25日相鄰站小于5個，由于持續(xù)時間小于2天，因此不被識別為1次冰凍天氣過程。

4.2 冰凍日對應天氣事件

根據(jù)冰凍日等級劃分原則，識別出的特強冰凍日和強冰凍日也均有相對應的天氣事件。在特強冰凍日中，綜合排名前5的18個特強冰凍日對應于2008年1月中旬至2月中旬“歷史罕見低溫雨雪冰凍災害肆虐南方”，2個對應于2009年11月9日至12日華北、黃淮等地出現(xiàn)歷史罕見暴雪冰凍，2個對應于2009年11月15日至20日南方地區(qū)低溫雨雪天氣，3個對應于2011年1月上旬南方多地遭受低溫雨雪冰凍災害，4個對應于2013年1月上旬南方持續(xù)低溫陰雨雪天氣。

在強冰凍日中，4個強冰凍日對應于2005年2月中上旬受冷空氣影響貴州、湖南、湖北、安徽和河南等地出現(xiàn)凍雨天氣，6個對應于2008年1月中旬至2月中旬“歷史罕見低溫雨雪冰凍災害肆虐南方”，3個對應于2009年11月15日至20日南方地區(qū)低溫雨雪天氣，5個對應于2010年2月中旬受寒潮影響中東部地區(qū)出現(xiàn)的多雨雪天氣，7個對應于2011年1月上旬南方多地遭受低溫雨雪冰凍災害，8個對應于2011年1月中下旬南方多地遭受低溫雨雪冰凍災害，5個對應于2014年2月4日至中旬南方大部分地區(qū)出現(xiàn)持續(xù)低溫雨雪冰凍天氣。

5 結(jié)論

(1)利用2000—2019年國家站的地面天氣實況觀測資料和20世紀70年代至90年代整編的國家級氣象觀測站日平均氣溫地面觀測資料的30年氣候平均值，選用日平均氣溫、持續(xù)時間和影響范圍3個評價指標，采用標準化加權(quán)求和方法，引入百分位等級劃分原則，對冰凍天氣評估展開研究，并定量評價了2000—2019年中國出現(xiàn)的66次冰凍天氣過程和358個冰凍日。

(2)冰凍天氣過程綜合強度指數(shù)閾值劃分標準為：極端冰凍天氣過程(CSIFWP≥2.43)；重度冰凍天氣過程(0.53≤CSIFWP<2.43)；中等強度冰凍天氣過程(0.53≤CSIFWP<2.43)；輕度冰凍天氣過程(CSIFWP<-1.13)。單日冰凍天氣綜合強度指數(shù)閾值劃分標準為：特強冰凍日(CSIFD≥1.909 4)；強冰凍日(0.508≤CSIFD<1.909 4)；中等強度冰凍日(-0.809 7≤CSIFD<0.508)；弱冰凍日(CSIFD<-0.8097)。

(3)識別出的極端冰凍天氣過程、影響范圍較大的重度和中等強度冰凍天氣過程以及特強冰凍日、強冰凍日均有相對應的天氣事件，與實際相符合。冰凍天氣過程綜合強度指數(shù)等級劃分標準和單日冰凍天氣綜合強度指數(shù)等級劃分標準對冰凍天氣過程和冰凍日有較強的評估能力。

(4)根據(jù)冰凍天氣過程綜合強度指數(shù)和單日冰凍天氣綜合強度指數(shù)，可以定量評價任何一次冰凍天氣過程和單日冰凍天氣的強度，有助于更好地開展冰凍天氣的評估和服務工作，提高氣象服務水平，為政府防災減災提供科學依據(jù)。

(5)由于國家站點分布相對稀少，樣本資料有限，未考慮最低氣溫、降水量、日照時數(shù)和電線覆冰厚度等致災氣象因子。未來可考慮更多的致災氣象因子以及地形、海拔等孕災環(huán)境和人口、經(jīng)濟等承災體，構(gòu)建針對敏感行業(yè)或重點地區(qū)的冰凍天氣災害定量化風險評估模型，并基于氣象實時監(jiān)測和精細化預報產(chǎn)品發(fā)展風險動態(tài)評估技術(shù)。