陈长胜
, 王盘兴
CHEN Chang-sheng, WANG Pan-xing
中图分类号: P429
文献标识码: A
文章编号: 1000-0690(2012)10-1275-07
收稿日期: 2012-01-5
修回日期: 2012-02-25
网络出版日期: 2012-10-20
版权声明: 2012 《地理科学》编辑部 本文是开放获取期刊文献，在以下情况下可以自由使用：学术研究、学术交流、科研教学等，但不允许用于商业目的.
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作者简介:
作者简介：陈长胜（1976-）,男,吉林磐石人,副研究员,主要从事天气气候诊断分析和预测技术研究。E-mail：chencs_iap@163.com
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摘要
应用近49 a东北地区200个气象站冬半年降水资料和相对应的NCEP/NCAR 2.5º×2.5º温度场再分析资料,提出了基于降水相态变化特征的东北地区暴雪天气划分的统计学方法,将东北地区暴雪分为纯雪型暴雪（Ⅰ型暴雪）和雨雪混合型暴雪（Ⅱ型暴雪）两大类,并根据影响范围将其划分为大范围暴雪、区域暴雪和局地暴雪3类。在此基础上分析了不同类型东北区暴雪的时空分布特征。结果发现：两型暴雪出现频次基本相当, Ⅱ型大范围暴雪明显多于Ⅰ型,局地暴雪则相反;东北地区暴雪的年际变化较大且具有明显的年代际特征,20世纪70年代后期至80年代中期Ⅰ型暴雪明显多于Ⅱ型, 21世纪初期Ⅱ型暴雪多于Ⅰ型,表明全球变暖在中国东北的区域响应显著;东北区暴雪主要集中在秋末和初春两季,但两型暴雪起止时间和峰值都不相同;两型暴雪出现频次都呈东多西少的分布,其中Ⅱ型暴雪频次自东南向西向北减小的梯度更大。从结果来看所提出的划分办法很好的反映了不同降水相态的东北地区暴雪的发生和变化规律具有很大差别,这种差异与以往东北地区暴雪个例的分析工作中反映的情况是一致的;证明了本划分方法是合理的,具有实际工作意义。
关键词：
Abstract
By using precipitation data of 200 stations in the winter half Year (from October to next May) in Northeast China and NCEP / NCAR temperature reanalysis data with a horizontal resolution of 2.5o×2.5o, a classification of snowstorm events in Northeast China is proposed based on phase features of water content in the precipitation . The snowstorm events can be grouped into two categories: one with only pure snowfall (Type I ) and the other with snow and rain mix ( Type II ). And each type can be further classified into three groups, namely, extensive, regional and local range according to the area affected. On this base, the spatial and temporal characteristics of different types of snowstorms in Northeast China are studied. It is showed that the two types bear basiclly the samef requency of occurrence, however, with respect to extensive-range events,the type II is much more frequent than the typeⅠ, while for local snowstorms the situation is reversed. There are substantial interannual variations of the snowstorm events in Northeast China , and the interdecadal characteristics are also obvious. The frequency of type Ⅰwas significantly higher than type Ⅱ during the late 1970’s to the mid 1980’s, and the reverse appeared in the beginning of 2000’s, which might imply the response of climate in Northeast China to the global warming. Snowstorms in Northeast China mainly occur in late autumn and early spring, but the timing of their beginning, ending and peak of activity are different for the two types . The frequency of snowstorm decreases from the west to the east for both types, but the decrease is even sharper from the northwest to southeast for the type II events. The results suggest the classification approach proposed well reflects the difference of two types of snowstorm process in Northest China in terms of their spatio-temporal variations . The results are also in agreement with previous case studies ,which may justify, to some extent, the rationality of the method proposed, and its usefulness for the coming practical works.
Keywords：
暴雪是常见的灾害性天气,与其伴随的寒潮、大风、以及冰冻等现象是成灾的主要因素。此外,由此造成的大范围积雪对生态[1]、环境[2~4]和地理[5]均产生重要影响,同时暴雪也是可以再利用的资源[6]。
一直以来气象工作者多从天气学角度对暴雪天气进行分析[7~10]。在国内,关于内蒙暴雪[11,12]、高原暴雪[13,14]、环渤黄海区域的回流暴雪[15]、南方暴雪[16,17]都有比较系统的研究工作,而东北暴雪的系统性研究较少,多是零散天气个例的分析[18~21]。关于暴雪气候特征的研究工作则少之又少,从仅有的几项工作[22~24]来看仍需进一步开展更为细致深入的研究工作。
通常一次降雪过程中会有雪、雨、雨夹雪等几种不同降水相态共存,而且不同相态下的暴雪天气过程动力热力结构也会有所不同[25]。天气学上定义一次暴雪过程除考虑总降水量,还综合考虑不同相态降水的量级以及积雪深度等要素。而气候分析中,可获得资料信息有限,如何应用常规气象资料来划分不同相态变化特征的降雪天气是对暴雪进行气候分析需首要解决问题。东北地区年降雪时段从10月到翌年5月,单纯按照季节(冬季3个月)内逐日降水量来选取会遗漏很大部分其他时段的暴雪天气,其中也会夹杂部分冬季以雨为主的降水天气[26]。
本文利用东北地区降水资料和高空温度场资料,给出对东北地区暴雪天气进行划分的统计方法,并在此基础上对其进行时空分布特征分析。
文中应用的降水资料为1961~2009年10月1日到翌年5月31日东北地区（包括东北三省和内蒙古自治区东部）200个站点20时~次日20时逐日降水资料（未区分降水相态）。考虑实际高空观测场空间分辨率较低（东北区18个高空观测站,且8个站位于边境线）,故高空温度场资料用NCEP/NCAR 提供的2.5º×2.5º温度场逐日再分析资料代替。
1.2.1 雨雪分界线标准
在预报业务和研究工作中,通常选择特征温度线作为雨雪分界线。Sun等[27]和董啸[24]等都以日平均气温≤0℃为标准划分雨雪天气。但康玲等[28]指出不同的区域雨雪所对应的地面温度有非常大的差异,而850 hPa温度和700 hPa温度随地域变化较小。此外,张立等[29]的统计结果反映了仅应用一个层次温度来判定降水相态的标准有所偏颇,需考虑对流层低层的温度场垂直结构。
东北地区预报员在常年预报工作中确定了850 hPa 的-2℃等温线和700 hPa的 -8℃等温线为中国东北地区雨雪的经验性分界线[30,31]。在此基础上本文定义：① 同时满足T850hPa<-2℃,T700hPa<-8℃的降水区域定义为雪区（图1中A区）;② 满足T850hPa<-2℃或T700hPa<-8℃条件之一的降水区域定义为雨雪混合区（图1中B区）;③T850hPa>-2℃且T700hPa>-8℃的降水区域定义为雨区（图1中C区）。
图1 东北地区雨雪分界线示意图（1990年4月13日）
Fig.1 Schematic diagram of the line between rain area and snow area (in April 13, 1990)
1.2.2 暴雪天气的划分标准
在上述基础上,给出了东北区两种不同相态暴雪——纯雪型暴雪（简称为Ⅰ型暴雪,下同）和雨雪混合型暴雪（简称为Ⅱ型暴雪,下同）的划分标准：
1） 纯雪型暴雪（满足下列两条件之一的降水天气）：① 雪区内有≥10 mm降水,雨区降水<2.5 mm。② 雪区内有≥10 mm降水,雨区存在>2.5 mm的降水,但雨区降水站数小于雪区站数,并且雨区降水站数<5站。
2） 雨雪混合型暴雪（满足下列两条件之一的降水天气）：① 雪区有≥10 mm降水,雨区存在>2.5 mm的降水,雨区降水站数大于等于雪区站数,或者雨区降水站数≥5站。② 雨雪混合区内有≥10 mm降水,雨区降水站数小于雪区站数,并且雨区降水站数<5站。
该标准将雪区和雨雪混合区的降水量级（≥10 mm）作为首要条件,之后根据雨区的降水量级以及覆盖范围进行了二次判别。
1.2.3 暴雪依影响范围划分
进一步按照暴雪的覆盖范围,根据郑秀雅等对东北暴雨的划分标准[32],将暴雪天气划分为：大范围暴雪（雪区和雨雪混合区内≥10 mm降水站数大于等于15站）;区域暴雪（雪区和雨雪混合区内≥10 mm降水站数小于15站且大于等于5站）;局地暴雪（雪区和雨雪混合区内≥10 mm降水站数小于5站）。
根据上述划分办法,对1961~2009年10月1日到翌年5月31日东北区暴雪进行了统计,结果见表1。49 a内暴雪案例共714次,年平均14.6次。其中,Ⅰ型暴雪和Ⅱ型暴雪出现频次基本相当,年平均分别达7.7次和6.9次,Ⅰ型暴雪出现频次略多。从影响范围来看,局地暴雪出现频次远远高于大范围暴雪和区域暴雪,占总暴雪天气的54.1%,其次是区域暴雪占25.2%。比较两型暴雪的影响范围,Ⅰ型暴雪中局地暴雪占接近2/3,大范围暴雪仅占10.6%;Ⅱ型暴雪中局地暴雪稍多,占41.2%,其次是大范围暴雪,占32%,区域暴雪最少;Ⅱ型暴雪中大范围暴雪,明显多于Ⅰ型暴雪,局地暴雪则明显少,不同相态的区域暴雪出现就频次相当。
表1 1961~2009年不同类型东北区暴雪频次（单位：次）
Table 1 The statistical results of different types of snowstorm in Northeast China in 1961-2009(units: times)
| Ⅰ型暴雪 | Ⅱ型暴雪 | 合计 | |
|---|---|---|---|
| 大范围暴雪 | 40 | 108 | 148 |
| 区域暴雪 | 90 | 90 | 180 |
| 局地暴雪 | 247 | 139 | 386 |
从天气学角度来看,东北地区暴雪,特别是大范围暴雪通常需要充足的热量条件、水汽条件以及冷空气的活动,导致冷暖空气在东北区交绥,形成强降水。而在降水过程中充足的湿热条件通常在不同区域或是在不同时段出现混合性相态的降水,因此大范围暴雪中Ⅱ型暴雪占绝大多数的比例。
从东北地区暴雪的年际变化来看（图2）,年际变化较大,出现次数最少的年份是1968年,最多则在2003年。此外,暴雪频次有明显的年代际特征,从1961年至20世纪70年代中期,暴雪频次明显偏少,90年代中后期是另一个暴雪偏少阶段;70年代后期至80年代中期以及2002年以来是暴雪的频发阶段。比较不同相态暴雪的年变化,发现在上述的两个暴雪多发阶段两型暴雪出现的频次都较高,但在第一个阶段Ⅰ型暴雪明显多于Ⅱ型暴雪,21世纪初期Ⅱ型暴雪多于Ⅰ型暴雪,近两年则Ⅰ型暴雪多于Ⅱ型暴雪。Ⅰ型暴雪出现最少的年份是1998年,最多的年份是2009年,Ⅱ型暴雪出现最少的年份是1968年和1996年,最多是2003年。两型暴雪频次差异最显著的年份是2009年。
对于大范围暴雪,Ⅰ型暴雪平均出现为0.81次/a,Ⅱ型暴雪年平均出现为2.2次/a（图3a）。在49 a中,有26 aⅠ型暴雪没有出现,占65%,但仅1980年就出现6次之多;Ⅱ型的大范围暴雪有6 a没有出现,出现最多的年份在2004年,也是6次。在49 a年中,只有6 aⅠ型的大范围暴雪比Ⅱ型的发生频次高。对于区域暴雪,两型暴雪出现频次都为1.84次/a,且49 a中两型区域暴雪都有8 a未发生,1981年Ⅱ型区域暴雪出现频次最高（6次）, Ⅰ型区域暴雪在2003年出现5次,为历史最多（图3b）。从年际变化来看,Ⅱ型区域暴雪的年际振荡更为明显。再看局地暴雪,多数年份Ⅰ型暴雪的发生频次都高于Ⅱ型暴雪,且在20世纪70年代至90年代初期两者差异显著（图3c）。Ⅰ型局地暴雪差不多每年都会发生,最多可达11次,Ⅱ型局地暴雪有5 a未出现,最多的年份是2003年的7次。
图2 东北地区暴雪频次的年际变化（a）未分型;Ⅰ型暴雪（b）;Ⅱ型暴雪（c）
Fig.2 The annual frequency distribution of unclassified snowstorm (a), type I snowstorm (b) and type II snowstorm (c) in Northeast China
图3 大范围（a）、区域（b）和局地（c）的Ⅰ型暴雪和Ⅱ型暴雪频次年际变化
Fig.3 The annual frequency distribution of type I snowstorm and type II snowstorm in Northeast China (a: large- range; b: regional; c: local)
由图4可以看出,东北区暴雪从10月上旬开始到翌年5月中旬都有发生,但主要集中在秋末和初春两季,其中Ⅰ型暴雪在3月下旬发生最多达41次(图4a),Ⅱ型暴雪则在4月下旬发生最多达48次（图4b）。在暮秋的第一个高峰期（≥15次,下同）, Ⅰ型暴雪出现在10月下旬至12月中旬,Ⅱ型暴雪出现在10月中旬至11月下旬;Ⅱ型暴雪比Ⅰ型暴雪开始早1旬,峰值期早1个月,结束也要早2旬。而在初春时节的第二个高峰期,Ⅰ型暴雪出现在2月下旬至4月上旬,Ⅱ型暴雪出现在3月下旬至4月下旬;Ⅱ型暴雪出现的要比Ⅰ型暴雪晚1个月,峰值期也晚1个月,结束要晚早2旬。2个高峰期Ⅱ型暴雪较Ⅰ型暴雪暴雪日数增加或减少的梯度大,峰值大。因为暮秋和初春时正值季节转换,在东北地区北方冷气团与南方暖气团势力相当且活动频繁,两股势力在东北地区交绥,造成2个暴雪高峰期的出现。而冷暖空气势力的微弱差异,也导致了不同相态暴雪在集中期时间上的差异。
图4 东北区Ⅰ型暴雪（a）和Ⅱ型暴雪（b）多年总频次逐旬分布（单位：次）
Fig.4 The ten-days distribution of type I snowstorm (a) and type II snowstorm ( b) in Northeast China (units: times)
进入隆冬时节,东北地区多数时间在大陆冷高压系统控制下,湿热条件较差,因此进入了暴雪的低潮期,其中Ⅱ型暴雪暴雪次数明显少于Ⅰ型暴雪,并且Ⅱ型暴雪低潮期较Ⅰ型暴雪时间长。
大范围暴雪、区域暴雪和局地暴雪季节内变化基本与东北地区Ⅰ型暴雪和Ⅱ型暴雪逐旬分布基本一致,但又具有不同的特点（图略）。其中,大范围暴雪中Ⅰ型暴雪主要出现在深秋季节,初春较少,而Ⅱ型暴雪在初春和暮秋都有集中发生,同时在隆冬季节两型暴雪都很少爆发;两型大范围暴雪出现频次最主要差异在4月和10月。区域暴雪中两型暴雪发生频次虽然相同,但Ⅰ型暴雪的集中期较与Ⅱ型暴雪更接近隆冬季节,且在隆冬季节有区域Ⅰ型暴雪发生,Ⅱ型暴雪则仍然很少。局地暴雪中,在深冬（12月中旬到翌年1月）Ⅱ型暴雪基本不出现,而Ⅰ型暴雪比较活跃。
从上述分析来看,本文所给出的划分办法很好的反映了不同降水相态的东北地区暴雪之间发生和变化规律具有很大的差别,这种差异与之前东北地区暴雪个例的分析工作中反映的情况是一致的[18~20]。也证明了提出的该划分方法是合理的,具有实际工作意义的。
在上述划分结果的基础上,分析不同类型暴雪发生频次的空间分布特征（图5）。之前提到充足的热量条件、水汽条件都是东北地区暴雪发生的重要因素。而冬半年湿热条件主要来源于沿东南部沿海,因此其空间分布也体现了这一特点。在东北区的东南部暴雪出现的频次最高,并逐渐向西递减。冬半年,欧亚大陆多受大尺度的干冷性高压控制,决定东北区暴雪分布的主要因素是暖湿空气进入东北区的路径,因此在图5 a中存在2个暴雪多发区。频次最大的高值中心位于124ºE以东41ºN以南的辽宁省东部和吉林省南部的部分地区,该区域位于暖湿气流的多发路径上,来自太平洋和渤海、黄海的水汽多由此路径进入东北区。值得一提的是,在辽东半岛因为暖湿空气占主导地位,冷空气势力偏弱,该区域暴雪发生相对较少。另一个大值中心位于吉林省东北角和黑龙江省东部,来自日本海的暖湿空气经偏东或东南气流在该区域进入东北区,著名的“雪乡”即位于此。
图5 东北地区暴雪发生频次的空间分布（单位：次）(a 未分型,b Ⅰ型暴雪,c Ⅱ型暴雪)
Fig.5 The spatial distribution of snowstorm occurrence frequency in Northeast China(units: times)
比较不同相态暴雪的空间分布形态,两型暴雪出现频次都基本呈东多西少的分布（图5b和图5c）,但其中Ⅱ型暴雪频次自东南向西向北减小的梯度更大,其出现频次主要集中在东北平原以东地带。东北西部和北部地区纯雪型暴雪出现的频次较高说明该地区相对缺少更多的热量和水汽条件。
大范围Ⅰ型暴雪和Ⅱ型暴雪均呈西西北至东东北向逐步增多的趋势,Ⅰ型暴雪集中区域在辽宁省中东部和吉林省东南部,Ⅱ型暴雪集中区域在辽宁省中东部和吉林省中东部以及黑龙江省东南部,内蒙古东部出现大范围暴雪最少,其次是吉林省中西部和黑龙江省西部;两型暴雪都有一条暴雪频发轴,分别为（40°N,123°E~43°N,128°E）和（40°N,122°E~45°N,128°E）。
区域和局地Ⅰ型暴雪和Ⅱ型暴雪也均呈西西北至东东南向逐步增多的趋势。区域暴雪频次多的集中带要偏东些,两型暴雪都有一条暴雪频发轴,分别为（40°N,124°E~46°N,133°E）和（40°N,123°E~45°N,132°E）,Ⅰ型暴雪具有2个中心地带,一个频发中心在辽宁省东部至吉林省东南角中朝边境附近,另一个位于吉林省东北角至黑龙江省东部;Ⅱ型暴雪只有一个频发地带在辽宁省东部至吉林省东南角中朝边境附近。局地两型暴雪空间分布特征基本一致,均无明显的集中区域,内蒙古东部地区明显偏少,在黑龙江省、吉林省和辽宁省东部国境线附近的出现两型暴雪日数偏多。
本文提出了东北地区暴雪统计划分办法。该办法依据雨雪的统计分界线,将降水场划分为雨区、雪区和雨夹雪区,将雨区和雪区的范围和量级作为暴雪天气的划分标准,并将暴雪划分为纯雪型暴雪（Ⅰ型暴雪）和雨雪混合型暴雪（Ⅱ型暴雪）两类。依据该办法统计了1961~2009年东北地区暴雪日历,分析其时空分布特征。结果发现：
1） 在统计的49 a内东北地区暴雪年平均14.6次。其中,Ⅰ型暴雪和Ⅱ型暴雪出现频次基本相当。从影响范围来看,局地暴雪出现频次远远高于大范围暴雪和区域暴雪,其中,Ⅱ型暴雪中大范围暴雪明显多于Ⅰ型暴雪,局地暴雪则明显少,不同相态的区域暴雪出现频次相当。
2） 东北地区暴雪的年际变化较大且具有明显的年代际特征。20世纪70年代后期至80年代中期以及2002年以来是暴雪的频发阶段,其中第一个阶段Ⅰ型暴雪明显多于Ⅱ型暴雪,21世纪初期Ⅱ型暴雪多于Ⅰ型暴雪,近两年则Ⅰ型暴雪多于Ⅱ型暴雪。
3） 东北区暴雪从10月上旬开始到翌年5月中旬都有发生,但主要集中在秋末和初春这两个季节。其中,在暮秋Ⅱ型暴雪比Ⅰ型暴雪开始早1旬,峰值期早1个月,结束也要早2旬;而在初春Ⅱ型暴雪出现的要比Ⅰ型暴雪晚1个月,峰值期晚1个月,结束时间要晚2旬。
4） 在东北区的东南部暴雪出现的频次最高,并逐渐向西递减,频次最大的高值中心位于124ºE以东、41ºN以南的辽宁省东部和吉林省南部的部分地区。而且两型暴雪出现频次都基本呈东多西少的分布,但其中Ⅱ型暴雪频次自东南向西向北减小的梯度更大,其出现频次主要集中在东北平原以东地带。
从结果来看,本文所给出的划分办法很好的反映了不同降水相态的东北地区暴雪之间发生和变化规律存在很大的差异,这种差异与之前东北区暴雪个例的分析工作中反映的情况是一致的。也证明了提出的该划分方法是合理的,具有实际工作意义的。
The authors have declared that no competing interests exist.
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