河南省冬季连续低温天气的时空变化特征

第36卷第4期气象与环境科学Vol. 36 No.42013年11月Meteorological and Environmental SciencesNov. 2013河南省冬季连续低温天气的时空变化特征王纪军'，潘攀'，胡彩虹2(1.河南省气候中心,郑州450003; 2.郑州大学水利与环境学院,郑州450001)摘要:利用河南省分布相对均匀的49个台站1957-2008年12月-翌年2月的逐日气温资料,以最长连续低温日数及其强度为指标,采用线性趋势分析、小波分析等方法研究了河南省连续低温天气的时空变化特征,结果表明:多年平均的冬季连续低温日数全省为15.6d。低温日数的年际变化特征明显,1984年全省平均低温日数达34.2天,为历年最长;而1965 年,连续低温日数仅6.5d,为全省平均历年最短的年份。连续低温日数不同地区存在差异:在1977年,灵宝连续低温日数高达56d,固始48d,为历年来连续低温日数持续较长的时段;1965、1991、1995和2007年分别在灵宝、许昌、尉氏、襄城、淮阳、沈丘、永城等地连续低温日数仅为4d。在年代际的变化中,低温日数呈现略缩短的趋势,在6-12a的尺度上存在有显著的振荡周期。低温强度在空间上也存在差异,大值区主要分布在豫东和豫东南地区,豫西和豫西南一带相对较小。连续低温的强度年际变化明显,且随时间有减弱的趋势,在1964年低温强度有最大值,1995年有最小值。关键词:连续低温日数;低温强度;河南省;时空变化;小波分析.中團分类号: P468.0*21文献标识码:A文章编号:1673 -7148(2013)04 -0001 -05要的粮食生产基地,小麦产量为全国的1/6,在当前引言粮食安全核心区建设的大背景下,对河南省的低温冬季低温是地区气候的重要指标,冬季低温的研究尤显迫切。卫秀英等[4)以4个不同抗寒类型强弱与城市冬季采暖、输水管道防冻等关系密切,对冬小麦为材料,对黄淮地区越冬期、拔节期、孕穗期冬季设施及农业生产的整体规划和布局,以及果树、和抽穗期4个时期的抗寒生理指标进行了研究。除冬小麦等安全越冬密切相关,对越冬作物的引种有冬小麦外,淮南油菜、设施农业、大棚蔬菜等也会受参考和借鉴价值。在全球变暖的背景下,近几年,极到低温的影响。目前对冬季低温的研究大多只是考端低温、雨雪冰冻等极端冷事件发生较频繁,损失也虑了极端低温值,且大多运用了一个具体阈值来定越来越大。如2008年初中国南方地区发生了历史义低温。由于低温持续8数对农作物、人们日常生罕见的低温雨雪冰冻灾害,影响范围广,持续时间产、生活、交通运输、电力等有诸多影响,因此,本文长,强度大,受灾人口达1亿多人,直接经济损失两拟考虑对气候标准值提出新的指标，即连续低温日千多亿元1-21。近几年,北方冬季极端低温天气也数及其强度,用来分析河南省低温的时空分布特征。频繁出现,给交通、生活等带来不便3-4i。低温冻害是作物生长期内出现一个或多个低温资料与方法天气过程,使作物生长发育和产量遭受不良影响,导1.1资料致严重减产或品质降低的气象灾害。国内对低温冷害的研究较多,研究内容涉及评价指标、发生原因及利用河南省气候中心提供的1957-2008年分布分布规律、风险评估与区划、对策以及对农业的危害相对均匀的49个气象台站12月一翌年2月的逐日气机制、影响规律等[5-8。中国的低温冻害从地域上温资料。分为北方低温冷害和南方低温冷害。东北地区的低1.2方法温冷害时空分布规律研究较多9-13)。河南省是重将12月1日-翌年2月28日(闰年为29日)的收稿日期:2013 -05 -23;修订日期:2013-07-11中国煤化工基金项目:中国气象局气候变化专项( CSP2011-1);国家自然科学基金(51079131)资助CNMHG作者简介:王纪军(1970-),男.河南偃师人,高级工程师,博士,从事气候变化研究工作。E-MYCH气象与环境科学第36卷逐日气温进行排列作为一个年序列,T"，表示第k站其中,a 是尺度因子,1为平移因子,W,(a,l)称为小.(hk = 1,2,3,.. ,49)第i年(i= 1,2,3,..,51)第j日波系数。(j = 1,2,3,.. ,90)的气温值。按照世界气象组织规2结果与分析定,将每站1971- 2000年逐日的平均值作为气候值,计算逐站逐年逐日的距平值。2.1连续低温日数的时空变化特征把最长连续日气温为负距平的日数定义为年最经计算，每站每年的连续低温日数是不同的。长连续低温日数LT*,把连续低温日期间的平均距河南省连续低温日数年平均为15.6d。不同地区略平定义为连续低温强度,简称低温强度。有差异:最短的为4 d,占总样本的0.3% ,出现在小波分析[15]是- - 种信号的时间尺度(频率)分1965、1991 .1995和2007年的灵宝、许昌、尉氏、襄析方法,具有多分辨率分析的特点,在时频两域都具城、沈丘、濮阳和永城;最长的为56 d,仅出现1次;有表征信号局部特征的能力,可以对信号进行多尺次大值为固始的48 d。低温日数持续时间多在6~度细化分析,得到各个频率随时间的变化及不同频22d,其中以8d、12d最多，分别占样本总数的率之间的关系。8. 24%和8. 08%。小波函数的定义为,设φ(t)为一平方可积函各站51a中连续低温日数的平均值和最大值数,即φ(t)∈L'(R),若其傅立叶变换ψ(w)满足容分布见图1。由图1a可见,全省各地连续低温日数许条件:均在14d以上,最大值出现在太康,为17.4d。豫Cφ =ψ(w)dw<∞北的北部、中东部的部分地区、南阳、信阳、三门峡的局部地区平均连续低温日数大于16d,太康、安阳在则φ(t)称为一个基本小波或小波母函数。将小波函17 d以上。全省各地连续低温日最大的区域主要数φ(I)进行伸缩和平移,得到连续小波:在周口,而永城、宝丰、孟县、郑州等地相对较短。由o.,() =一(二)a,l∈R, a> 0.图1b可见,全省各站点最长的连续低温日数也有很大差别。49个站平均为37.7d,其中以35 ~39 d居对于任意函数f(t)∈L'(R) 的连续小波变换为多,连续低温37 d的占40%。最长的达56 d,出现Wwan= ()0.1)1 =于f(1)o(一二)du在1977年的灵宝;一般都在32 d以上。37°N37 r30363:343232744720南市13141511617ε310市121314115116 T17E(a)多年平均(b) 历年最长圉1冬季连续低温 日数的空间分布统计结果(图2)表明,低温日数的变化总体呈1972、1963 .1964、1983和2007年数值较大,即在这略减小的趋势,不同年份存在波动。在1964 .1984、几年全省不同地区持续低温8数的空间变率较大。2008年,全省平均持续低温日数都在30d以上,其对连续中国煤化工结果显示,在20中1984年为34.2 d。在标准差的历年变化中，世纪60年YHCNMHG数稍低,在1965第4期王纪军等:河南省冬季连续低温天气的时空变化特征.3年达到最低,仅为6.5 d;70 年代显著增加并达峰际变化中，呈增加一减弱一增加的趋势。其标准差值;80年代以后有所减少;90年代最少;而2000年也有相似的年代际变化。以后又有所增加。说明在全省平均低温8数的年代403020: 101958 1963 1968 1973 1978 1983 1988 1993 1998 2003 2008图21957-2008年全省平均连续低温日数持续时间及标准差由小波变化结果可以看到(图3),在6~12 a2.2连续低温强度的时空变化特征时间尺度上,周期振荡非常显著,年最长连续低温日由连续低温强度的空间分布(图4)可以看到，数经历了少-→多-→少- +多4个循环交替,且2008年低温强度的大值区主要分布在豫东和豫东南地区，后等值线未闭合,说明未来一段时间年最长连续低其次在中北部和豫南的部分地区。在其标准差的空温日数将继续增加;在2 ~4 a时间尺度上,经历了间分布中(图略),由东向西有所减弱,即在豫东和少- +多-→少- +多- +少- +多6个循环交替,目前正处豫东南的大部,低温强度年际变化较明显。历年各于最长连续低温日数偏多的时期。站低温强度的最大值空间如图4b所示,在豫西北、32-豫东和中南部的局部地区强度较大,低温强度历史最大值出现在1969年的伊川,强度为-8.0 C,在.16-豫东北、中东部和豫西山区的部分地区低温强度8略小。1957- 2008年的51 a间,低温强度呈现略减弱的变化趋势,其中在20世纪60年代中后期,连续低温强度较大,尤其在1964年,全省范围的低温强度都在-4.5 C以下,且省内不同站点间差异也最大;随1960 1965 1970 1975 1980 1985 1999 1995 2000 2005后,连续低温强度呈波动变化,省内不同站点间的差图31957- -2008年全 省平均连续低温日数异也变小(图5),1995年出现了最小值。持续时间小波变换图37°N37° Nj363534323.6-3.3 -3.031 110 11 112 - 113 14 115 116 117°E31101市 1i117°1(a)多年平均中国煤化工JYHCNMHG图41957-2008年低温强度的空间分布4气象与环境科学第36卷1958 1963 1968 1973 1978 1983 1988 1993 19982003 2008-8图51957-2008年全省平均低温强度及标准差冷害预报应用研究[J].应用气象学报，2003,14(5):616 - 625.3结论与讨论.[8]汪秀清马树庆,袭祝香,等.东北区夏季低温冷害的长期预报方法研究[J].灾害学,2005 ,20(1):36 -39.(1)冬季河南省各地出现最长连续低温的时间[9]李祎君,王春乙.基于多种预测模型的玉米低温冷害预测集成模多年平均在14d以上,但不同地区存在明显的空间型[J].灾害学,2006,21(4):2-7.变异性。在1957-2008年的51a间,连续低温出现的[10]矫江,许显滨,孟英.黑龙江省水稻低温冷害及对策研究[J].中次数随时间有减少的趋势。在6~12 a、2~4 a的时国农业气象,2004 ,25(2) :26 -28.间尺度上,全省平均的连续低温日数存在显著的周[11]马树庆,袭祝香,王琪.中国东北地区玉米低温冷害风险评估研究[J].自然灾害学报,2003 ,12(3):137-141.期振荡。(2)冬季河南省连续低温的强度存在明显的年[12]崔锦,李辑,张爱忠，等.东北夏季低温的研究进展[J].气象，2007 ,33(4):3-9.际变化,低温强度呈现略减弱的变化趋势。在低温[13]王艳秋,邢俊江,张丽娟,等.黑龙江省旱涝低温指标及其气候强度强的年份,各地区间差异也显著。同时低温强应用[J].自然灾害学报,2008 ,17(S5);142 - 146.[14]卫秀英,欧行奇,李新华,等.黄淮地区冬春季低温胁迫对小麦度的空间分布不均。生理特性的影响[J].湖北农业科学,2009 ,48(1):47 - 50;54.(3)在低温日数的空间分布中,在豫北的北部、[15]许月卿,李双成,蔡运龙.基于小波分析的河北平原降水变化规中东部和豫南的部分地区,平均连续低温日数较长。律研究[J].中国科学D辑,2004 ,34(12):1176 - 183.而在低温强度的空间分布中,大值区主要在豫东和[16]蓝俊倩,余健,王健疆.浙江2011 -01 - 20强降雪过程降雪带豫东南一带。南压成因的诊断分析[J].气象与环境科学, 2011,34(4):52 -58.低温8数和强度对不同地区的农业生产的影[17]李超,张庆云.冬季1月东北地区气温异常和前兆性信号[J].响,连续低温天气对人民的日常生活、出行、交通运科学通报,2012 ,57(31) :5467 -5472.输的影响,低温雨雪天气对输电线路等的影响，以及[18]韩丽娟,王梅，钱拴,等.2007/2008年度冬季气候对农业生产的冬季低温天气形成的原因等[16-341,将在今后的研究影响[J].中国农业气象,2008 ,29(2) :240 -241.中进-步探讨。[19]赵琳娜,马清云，杨贵明.等.2008年初我国低温雨雪冰冻对重点行业的影响及致灾成因分析[J].气候与环境研究,2008,13参考文献(4) :556 - 566.[1]廖玉芳,吴贤云，杜东升,等.2008年湖南低温雨雪冰冻天气分析[20]李兰,陈正洪,刘敏，等.2008年低温雨雪冰冻对武汉城市公共交通的影响评估[J].长江流域资源与环境, 2011,20(11):与数值模拟[J].自然灾害学报,2011 ,20(2):169 -176.1400 - 1404.[2]邵勰,张祖强,陶丽.2007/2008年冬季中国南方低温雨雪天气期[21]袁祥林,王永顺.辽宁省低温雨雪冰冻天气对交通的影响及防间大气准双周振荡作用分析[J].气象与环境科学,2011 ,34(3):御对策[J].现代农业科技,2010(11) :298.[22]陈正洪,史瑞琴,李兰.湖北省2008年初低温雨雪冰冻灾害特[3]许国宇.1951- 2009年冬季北京极端低温事件变化分析[J].气点及影响分析[J].长江流域资源与环境, 2008, 17(4):象与环境科学,2011 ,34(1):23 -26.639 -644.[4]李文亮,张丽娟,张冬有，等.黑龙江低温冷害时空分布规律与发[23]王东海，柳崇健,刘英,等.2008年1月中国南方低温雨雪冰冻生预测研究[J].干旱区资源与环境,2009 ,23(7):20 -24.天气特征及其天气动力学成因的初步分析[J].气象学报，[5]张养才,何维勋,李世奎.中国农业气象灾害[M].北京:气象出2008 ,66(3) :405 -422.版社,1991.[24]顾雷,魏科黄荣辉2008年1月我国严重低温雨雪冰冻灾害与[6]袭祝香,马树庆,王琪.东北区低温冷害风险评估及区划[J].自东亚季风中国煤化工研究208.13(4);:然灾害学报，2003 ,12(2) :98 - 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Henan Provincial Climate Center, Zhengzhou 450003 , China;2. School of W ater Conservancy and Environment of Zhengzhou University , Zhengzhou 450001, China)Abstract: Using the diurnal temperature observation data from 49 stations in winter during Decem-ber to February in 1957 - 2008， and the index of maximum continuous low temperature days and itsstrength, we analyze the spatial-temporal change characteristics with the method of linear trend and wave-let analysis. The main results are as follows. The mean of the continuous low temperature days is 15. 6 ofHenan province during 1957- 2008 and its interannual variability is evident, it's longest in 1984 with34.2 d and shortest in 1965 with 6.5 d. The spatial distribution of continuous low temperature is hetero-geneity: Lingbao and Gushi have the longest continuous low temperature with 56 and 48 days separatelyin 1977; Lingbao, Xuchang, Weishi, Xiangcheng， Huaiyang, Shenqiu and Yongcheng et al have theshortest continuous low temperature with only 4 days separately in the years of 1965, 1991，1995 and2007. In decadal scale , low temperature days show ltte shorten tendency, and the period of 6- -12 yearsis significant. The low temperature strength is also diference in spatial, and the larger values are in theeast and southeast part and weaker values are in the west and southwest part. The interannual change ofcontinuous low temperature strength is obvious and has a decreasing trend. The low temperature strengthhas maximum value in the year 1964 and minimum value in the year 1995.Key words: continuous low temperature days; low temperature strength; Henan province ; spatial-temporal change; wavelet analysis中国煤化工MYHCNMHG