1991-2020年河北省倒春寒时空特征及气象指标分析.pdf
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1、第39 卷第4期2023 年8 月童俊,孟旭芹,赵亮,等.1 991 2 0 2 0 年河北省倒春寒时空特征及气象指标分析J.气象与环境学报,2 0 2 3,39(4):1 6 2-1 6 8.TONG Jun,MENG Xuqin,ZHAO Liang,et al.Spatial and temporal distribution characteristics of late spring coldness and its meteorologi-cal indexes in Hebei province during 1991-2020J.Journal of Meteorology a
2、nd Environment,2023,39(4):162-168.1991一2 0 2 0 年河北省倒春寒时空特征及气象指标分析气象与环境学报JOURNAL OF METEOROLOGY AND ENVIRONMENTVol.39 No.4August 2023童俊!孟旭芹!赵亮?张晓辉1彭九慧李婷2(1.承德市气象局,河北承德0 6 7 0 0 0;2.河北省气象灾害防御和环境气象中心,河北石家庄0 50 0 2 1)摘要:选用1 991 2 0 2 0 年河北省7 6 个国家气象站35月日气温数据,应用Mann-Kendall检验、空间插值和线性回归等方法,分析河北省倒春寒时空分布特征。
3、结果表明:倒春寒气象指标筛选倒春寒过程的准确率为6 3.6%,适用性较好。1991一2 0 2 0 年河北省共发生倒春寒2 0 94次,其中轻度次数最多,中度次之,重度最少;空间分布为轻度由南向北递增,中一重度从中部向南北两端递增,北部高原和山区最多。倒春寒发生次数年际变化为下降趋势,河北中部降幅最明显。轻度倒春寒总持续天数从东北向西南递减,中一重度从北部高原、燕山山区、太行山区向平原递减;河北南部和中部倒春寒总持续天数年际变化为下降趋势。日最低气温由南向北呈阶梯式下降,河北北部远低于南部和中部。日最大降温幅度3月和5月由南向北呈阶梯式下降。河北中部4月9一1 2 日发生中一重度倒春寒次数较多
4、,河北北部5月上旬倒春寒总次数和中一重度次数均较多。关键词:气温;持续天数;最低气温;降温幅度中图分类号:S426引言全球气候变暖导致极端天气事件频发1-3,如不同地区春季气温异常波动的频率增加、幅度增大4-6 。春季是耕种和农作物生长的关键时期7 ,该时段的冷暖空气交替易导致倒春寒发生。倒春寒是指春季出现前期暖后期冷,且后期气温明显低于正常年份的天气现象,是危害春季农业生产的气象灾害8 ,极易对农作物生长造成严重影响,导致作物减产9-1 0)。分析倒春寒的发生特征和变化规律,对指导春季农业生产具有重要意义。国内开展了很多关于倒春寒天气的研究,李勇等 分析贵州省倒春寒发生次数和持续时间表明,贵
5、州省倒春寒存在明显的周期波动特征。高操等1 2 对山东省倒春寒时空分布分析表明,倒春寒发生强度指数与北半球极涡中心经向位置指数呈负相关。尤红等1 3 和宋军芳等1 4 分别总结云南省和山西省晋城市倒春寒天气过程个例,分析倒春寒发生时的主要天气形势特征。赵刚等1 5 和马德栗等1 6 结合主成分分析法构建倒春寒评估模型,分别探讨了江苏省和湖北省倒春寒发生和影响程度。张乐乐等1 7 和高艳等1 8 分析了倒春寒对冬小麦生长和产量的影响。桑婧和郝璐1 9 通过EOF函数研究农业气象灾害分布表明,中国北方低温冻害(包括倒春寒)受灾收稿日期:2 0 2 2-0 9-2 6;修订日期:2 0 2 2-1
6、1-0 4。资助项目:河北省气象局科研项目(1 9ky24)和承德市基础研究项目(2 0 2 2 0 5B065)共同资助。作者简介:童俊,男,1 98 9年生,工程师,主要从事气象服务与气象灾害防御研究,E-mail:。通信作者:彭九慧,女,高级工程师,E-mail:。文献标识码:Adoi:10.3969/j.issn.1673-503X.2023.04.020寒灾害防范提供参考。1资料与方法1.1数据来源气象资料来源于河北省气象局共享平台,选取19612020年河北省7 6 个国家气象站35月逐日日平均气温和日最低气温资料,所用资料均经过质量控制。倒春寒灾情资料来源于中国气象灾害大典。1.
7、2矿研究方法1.2.1研究区划分根据河北省气象地理区划规范,将河北省(简称冀)划分为冀北、冀中、冀南3个区域。冀北包括张程度高于南方,且极易造成农作物减产。倒春寒研究取得较多进展,但各地区采用的倒春寒标准大多不同,结论可比性较差。河北省地处华北平原,是中国粮油集中产区之一,耕地面积和粮食产量均位居全国前列2 0 ,张璐云等2 1 通过分析倒春寒与北方冬小麦生育期时空关联特征表明,河北省是小麦关键生育期倒春寒多发区。目前,针对河北省倒春寒的研究相对较少。本文参照国家标准倒春寒气象指标2 2 ,运用Mann-Kendall 检验(简称MK检验)、GIS空间分析、线性回归和Pearson相关性分析等
8、方法,从倒春寒发生频次、强度和持续天数等方面,分析河北省倒春寒发生规律和时空演变,结合实际灾情个例进行验证,以期为该地区倒春第4期家口市、承德市、唐山市部分地区、秦皇岛市部分地区,冀南包括沧州市大部、衡水市大部、邢台市、邯郸市,冀中为除冀北和冀南以外的地区(图1)。42N40N38N36NF图1 河北省7 6 个国家气象站分布Fig.1 Distribution of 76 national meteorologicalstations in Hebei province1.2.2倒春寒气象指标的确立倒春寒气象指标用K值表示,分为三级,计算公式为K=ST,/4-8T,/2+L/10式(1)中,
9、ST,为某时段气温较常年偏低时,此前连续10d平均气温距平,表征前期偏暖程度;T,为平均气温较常年同期偏冷程度最大的连续1 0 d平均气温距平,表征后期偏冷程度;L为过程持续时间。K值越大表示倒春寒强度越强,K3为轻度,3 K5为中度,K5为重度。倒春寒起始和结束日期、L具体定义和确定方法均参考倒春寒气象指标2 2】,起始日期确定为前期气温偏暖条件下,以此日为中点的连续5d平均气温较气候平均值的差值-1,且持续3d以上为倒春寒。1.2.3研究方法将1 96 1 1 990 年共30 a的气温平均值设定为第一个气候值,筛选得到1 991 一2 0 2 0 年河北省7 6 个国家站3一5月发生的倒
10、春寒过程,根据式(1)计算每次倒春寒过程的气象指标K。应用ArcGIS 反距离权重(简称GISID W)进行插值,分析倒春寒发生次数和持续天数等空间分布特征。应用线性趋势回归和M-K检验,分析19912020年冀南、冀中和冀北倒春寒年际变化特征及突变情况。贡献率为不同等级的倒春寒发生次数(持续天数)占总次数(总天数)的百分比。各地站点历年的倒春寒日最低气温和日最大降温幅度平均值,即为该地区该年的日最低气温和日最大降温幅度,因个别年份未发生倒春寒,缺省值应童俊等:1 991 2 0 2 0 年河北省倒春寒时空特征及气象指标分析冀北冀中冀中冀南115E163用趋势拟合法插补,通过TREND函数构建
11、多元线性回归方程计算。根据河北省两次倒春寒各地实际灾情,对照K值计算结果,验证倒春寒气象指标的适用性。2结果分析2.1倒春寒气象指标验证及适用性2005年和2 0 1 3年河北省两次倒春寒各地实际灾情与倒春寒气象指标对比见表1。由表1 可知,11个站点中有4个漏选,倒春寒气象过程基本符合表1 2 0 0 5年和2 0 1 3年河北省两次倒春寒灾情等级与气象指标对比Table 1 Comparison between the disaster grade and themeteorological index of two late spring coldnessinHebei province
12、 in 2005 and 2013国家气象站站点年份时间段灾情等级气象指标验证结果117E119E蔚县20055月上旬中度滦平20055月上旬中度轻度基本符合隆化20055月上旬轻度轻度完全符合围场20055月上旬轻度轻度完全符合平泉20055月上旬轻度轻度完全符合武安20134月中旬中度中度完全符合(1)平山20134月中旬轻度巨鹿20134月中旬轻度南宫20134月中旬轻度内丘20134月中旬中度轻度基本符合柏乡20134月中旬轻度中度基本符合注:检验规则为倒春寒气象指标与实际灾情等级无级差认为完全符合;1 级级差为基本符合;2 级级差或未发现倒春寒气象过程为不符合。和完全符合的准确率为6
13、 3.6%,适用性较好。2005 年除蔚县漏检外,其他地区验证结果较好,均为基本符合或完全符合。蔚县漏检的原因主要是连续5d平均气温差值-1,未达到起始日期要求的持续3d以上而被剔除。蔚县5月91 0 日天气实况分别符合起始日期前期气温偏暖和后期偏冷的条件,但后期偏冷的天数只有5月1 0 日符合连续5d气温差值-1,因此漏选。2 0 1 3年有3个站点漏检,3个站点均符合5d气温差值-1 且持续3d以上的条件,但8 T(前期偏暖指标)为-0.1,未达到0 以上,导致此次过程被漏选。综合倒春寒气象过程漏选原因,一是气温偏暖或偏冷程度只考虑日平均气温而未考虑日最低气温;二是5d平均气温差值须持续3
14、d以上。2.2倒春寒发生频次2.2.1空间分布19912020年河北省7 6 个国家站共发生2 0 9 4次无不符合无不符合无不符合无不符合164倒春寒,K值为0.44 7.8 3,轻度倒春寒最多,为1674次,占7 9.9%,中度为40 1 次,占1 9.1%,重度仅为1 9次。对各地轻、中一重度倒春寒发生频次进(a)42N40N百家座定州半衡水沧州38N邢台邯郸36N115E图2 1 991 2 0 2 0 年河北省倒春寒轻度频次(a)和中一重度频次(b)空间分布Fig.2 Spatial distribution of mild frequency(a)and moderate-seve
15、re frequency(b)of late springcoldness in Hebei province from 1991 to 2020度则从中部向南北两端递增,其中北部高原和山区更多。轻度倒春寒发生频次高值区主要分布在承德市、秦皇岛市大部、张家口市和唐山市部分地区,其中发生频次最多的是承德市中部以及张家口市北部,均为31 次。张家口市中北部和承德市东部为中一重度倒春寒易发区,需注意的是邯郸市峰峰矿区、涉县和邢台市内丘县倒春寒发生总频次虽少,但中一重度贡献率超过30%。而承德市承德县、平泉市、围场满族蒙古族自治县和张家口市崇礼区、保定市阜平县以及石家庄市井阴县等地不仅发生总频次3r(
16、a)2119911995199920032007201120152019图31 991 2 0 2 0 年河北省倒春寒冀南(a)、冀中(b)和冀北地区(c)年际发生频次M-K检验Fig.3 MK test on the inter-annual occurrence frequency of late spring coldness in the south(a),middle(b)南、冀中和冀北变化趋势基本一致,均呈下降趋势,且均通过置信度为0.0 5的显著性检验,冀中和冀北通过置信度为0.0 1 的显著性检验,下降趋势十分显著。各地区均多次发生突变,其中冀南、冀中和冀北分别在1 998 年
17、、1 993年和1 991 年发生下降趋势较显著的突变。2.3倒春寒持续天数2.3.1空间分布倒春寒期间日降温幅度越大、日最低气温越低、持续天数越长,倒春寒越严重1 6 。统计1 991 一气象与环境学报行GIS-IDW插值计算,经自然断点分级后,不同等级倒春寒发生频次空间分布见图2。由图2 可知,轻度倒春寒发生频次由河北南部向北部递增,中一重(b)42N承德张家口秦皇岛唐山廊坊保定117E3.(b).210-2319911995199920032007201120152019年份UB-UF;-0.05显著水平.0 1 显著水平and north(c)of Hebei province fro
18、m 1991 to 2020第39卷承德张家口40N保定定州石家庄38N幸集衡水发生总次数次邢台15.019.019.029.022.025.027.027.527.531.0119E秦皇岛唐山廊坊沧州发生总次数/次1.03.73.75.6邯郸5.67.37.39.036N9.012.0115E117E较多,均超过了2 8 次,且中一重度倒春寒贡献率也较高。2.2.2年际变化由线性回归拟合1 991 2 0 2 0 年冀南、冀中和冀北倒春寒发生频次年际变化可知(图略),近30 a各地区变化趋势一致,呈单峰型,1 991 年最多,均为下降趋势,气候倾向率分别为6.7 次(1 0 a)-1、-8.
19、0次(1 0 a)-1 和-1.8 次(1 0 a)-1,其中冀中降幅最显著且通过信度90%显著性检验。由年际发生频次M-K检验结果表明(图3),1 991 2 0 2 0 年冀3.5(c)2.51.50.50.5-1.5-2.5-3.519911995199920032007201120152019年份2020年河北省7 6 个国家站的轻、中一重度倒春寒总持续天数,经GIS-IDW插值计算分级后得到各等级倒春寒总持续天数空间分布见图4。由图4可知,承德市和秦皇岛市轻度倒春寒总持续天数最多,均超过2 0 0 d,邢台市内丘县持续天数最少,仅为8 2 d。轻度倒春寒持续天数高值区主要位于秦皇岛市
20、、承德市大部和唐山市中北部,变化趋势大致为由东北向西南递减。中一重度倒春寒持续天数高值区主要位于承德市东部、秦皇岛市小部分地区以及张家口119E年份第4期市部分地区,极大值分布在承德市围场满族蒙古族自治县,为2 0 1 d,总体呈由北部高原、燕山山区、太行山区向平原递减趋势。其中邯郸市涉县和峰峰矿区及邢台市内丘县倒春寒总持续天数虽较少,但(a)42N40N38N36N图41 991 一2 0 2 0 年河北省倒春寒轻度总持续天数(a)和中一重度总持续天数(b)空间分布Fig.4 Spatial distribution of total duration days of mild(a)and
21、moderate-severe(b)late spring coldness2.3.2年际变化由1 991 2 0 2 0 年冀南、冀中和冀北倒春寒总持续天数年际变化可知(图略),冀南和冀中为双峰型,呈下降趋势,气候倾向率分别为-6.8 d(1 0 a)-1 和-6.2d(1 0 a)-1,分别通过置信度为0.0 1 和0.1 03.5r(a)2.51510.50.51.5-2.5-3.519911995199920032007201120152019图51 991 2 0 2 0 年河北省倒春寒冀南(a)、冀中(b)和冀北地区(c)年际总持续天数M-K检验Fig.5 MK test on t
22、he total inter-annual duration days of late spring coldness in the south(a),middle(b)多次发生突变,其中冀中和冀北分别在1 997 年和1991 年发生下降趋势较明显的突变,冀北地区通过了 0.0 1 显著性检验。2.4倒春寒期间日最低气温和日最大降温幅度2.4.1空间分布由1 991 2 0 2 0 年河北省7 6 个国家站各月倒春寒日最低气温和日最大降温幅度的平均值,即该站该月倒春寒期间日最低气温和日最大降温幅度分布表明(图略),3一5月逐月的日最低气温变化均由南向北呈阶梯式下降,西北部略高于东北部,3一5
23、月逐月最大值与最小值的差值分别为1 7.1、1 4.2 和15.7,冀北地区远低于冀南和冀中地区。3月和5月日最大降温幅度与日最低气温变化特征一致,也由南向北呈阶梯式下降。4月无明显变化,极大值主童俊等:1 991 2 0 2 0 年河北省倒春寒时空特征及气象指标分析承德承德张家口张家口秦皇岛唐山廊坊保定定州石家庄辛集衡水邢台郸115E年份165中一重度贡献率较高,均超过50%。而承德市承德县、围场满族蒙古族自治县、平泉市以及张家口市崇礼区不仅总持续天数较多,且中一重度持续天数贡献率均超过50%,这些地区极易遭受倒春寒灾害。(b)42N40N沧州38N总持续天数/d82.0121.3121.3
24、138.9138.9157.0157.0175.1175.1223.0117E119Ein Hebei province from 1991 to 20203.5 (b)2.51.50.50.5-1.5-2.5-3.519911995199920032007201120152019UB-UF;-0.05显著水平.01显著水平and north(c)of Hebei province from 1991 to 20202.4.2年际变化19912020年河北省倒春寒日最低气温和日最大降温幅度年际变化见图6。由图6 a可知,各地区倒春寒日最低气温均为单谷型,冀中和冀北地区谷值在1 994年,冀南地
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