大興安嶺地區極寒天氣特征分析

許麗玲，康恒元，潘明溪，韓鳳岐，沈月釗，喻文兵，張秀紅

（1.漠河市氣象局，黑龍江 漠河 165399；2.哈爾濱市氣象局，黑龍江 哈爾濱 150001；3.呼蘭區氣象局，黑龍江 呼蘭 150025；4.五常市氣象局，黑龍江 五常 150200；5.重慶交通大學，重慶 400074）

0 引言

21 世紀以來，隨著北極地區的迅速升溫［1-3］，整個歐亞大陸和美國東部地區都出現了降溫趨勢［4-8］，北半球中高緯度大陸地區在冬季經歷了頻繁的、更嚴重的極端嚴寒天氣［2-4，9-11］。例如2009—2010年冬季北美和歐亞大陸的嚴寒、2013—2014 年冬季北美暴雪、2015—2016 年冬季中國霸王級寒潮［12-16］、2020—2021 年中國跨年寒潮［17］，2021 年初歐洲的大部分地區陷入低溫和冰雪狀態，造成至少24 人死亡，美國的很多洲都經歷了零下十幾度的極端天氣，給美國人民的生活帶來極大困難［18］。極端冷事件的頻發重新塑造了公眾對變暖背景下冬季的看法，極端冷暖事件頻發且強度增大已成為新常態（國家氣候中心）。關于極端冷事件變化的成因研究以及極端冷事件的發生離不開高緯度的冷空氣向南侵入中緯度地區［19-20］，而冷空氣的南侵又與中高緯度的環流異常息息相關，如中緯度地區的阻塞高壓（通常持續時間為幾日到幾周）的建立和崩潰控制冷空氣的活動［21-25］。具體來說，冬季烏拉爾山-西伯利亞地區的阻高可能促使東亞冬季風變得更強［26］，進而使得東亞發生更多的極端冷事件［27-28］。另一方面，歐亞遙相關型（EU）、斯堪的納維亞遙相關型（SCAND）、東大西洋-西俄羅斯遙相關型（EATL/ERUS），三種遙相關型對北半球冬季的變化影響比較大，1979 年之后SCAND 對北半球氣溫的影響有很大加強，主要表現為其正（負）位相引起的極區增溫范圍明顯擴大，歐亞大陸北部的溫度負（正）中心顯著向東南方向延伸，甚至可以影響到我國長江流域［29］，這些典型的異常環流型對于區域極端冷事件的發生有著至關重要的影響［30-31］。從動力學角度出發，基于自組織映射神經網絡方法對北半球中高緯度陸地的環流進行環流分型，發現該地區極端溫度事件的變化趨勢與其環流型的變化有關，使得近些年來中高緯度地區極端冷事件頻發［32］。大興安嶺地區位于中國最北，緯度最高，也是我國離極地最近的地區，每年冬季受極地冷空氣南下影響，給大興安嶺地區帶來寒潮、降溫，出現極寒天氣。2021 年1 月27 日—2 月1 日，大 興安嶺地區遭遇入冬以來最強寒潮，此次寒潮強度大、范圍廣、持續時間長。呼中站最低氣溫-47.0 ℃，為41 年來歷史同期最低，也是大興安嶺地區1974 年以來第12個極端最低溫，呼瑪站最低氣溫-45.0 ℃，為40 年以來歷史同期最低；漠河站-46.2 ℃，為20 年來歷史同期最低；新林、塔河最低氣溫分別為-45.6 ℃、-44.2 ℃，分別為建站以來最低氣溫第2位、第5位。極寒天氣常伴有冰霧現象出現，氣溫越低，能見度越低，是一種雙重危害的極惡劣天氣，這種氣溫極低惡劣的天氣環境，直接影響人們的正常生活和工作，已成為制約大興安嶺地區社會經濟發展的重要因素。

為減輕和防御極寒天氣的影響，首先就要做好災害預報預警工作，把保障公眾生命財產安全作為防災減災的首要任務。為更進一步研究大興安嶺地區極寒天氣特征，本文利用大興安嶺地區48 年（1974—2021 年）極寒觀測資料，分析極寒天氣時空分布和變化特征，以及影響極寒天氣的環流指數，為大興安嶺地區防災減災以及冷資源的利用提供科學依據。

1 研究區與數據

1.1 研究區概況

大興安嶺地區位于121°12′～127°00′ E，50°10′～53°33′ N（圖1），大興安嶺東與小興安嶺毗鄰，西以大興安嶺山脈為界與內蒙古自治區接壤，南瀕廣闊的松嫩平原，北以黑龍江主航道中心線與俄羅斯為鄰。面積8.46×104km2，海拔300～700 m。全區地勢呈西高東低，地形總勢呈東北—西南走向，屬淺山丘陵地帶，境內原始森林茂密，是我國重要的林地之一。大興安嶺地區屬寒溫帶大陸性季風氣候，冬季受西伯利亞冷空氣的影響，在極地大陸氣團和蒙古高壓控制下，冬季漫長嚴寒而干燥，晝短夜長。大興安嶺地區有6 個國家氣象觀測站，歷史上極端最低氣溫（圖1）：漠河-52.3 ℃（1969 年）、呼中-49.2 ℃（1979 年）、呼瑪-48.2 ℃（1956 年）、新林-46.9 ℃（1980 年）、塔河-45.8 ℃（1980 年）、加格達奇 -45.4 ℃（1980 年），冬季低溫寒冷是大興安嶺地區的典型天氣特征。

圖1 大興安嶺地區6個國家氣象觀測站歷史極端最低氣溫Fig.1 Historical extreme minimum temperature at 6 national meteorological stations in the Greater Khingan Mountains region

1.2 數據與方法

利用世界氣象組織（World Meteorological Organization，WMO）在氣候變化監測會議中所定義的極端氣溫指數，極端最低氣溫是年內各月日最低氣溫最低值［33］。選取大興安嶺地區6個國家地面觀測站冬季日最低氣溫（≤-40 ℃）數據，日最低氣溫≤-40 ℃的天氣為極寒天氣，所用最低氣溫數據來自黑龍江省氣象觀測站網，時間尺度為日，時間序列1974—2021 年，由于漠河本站建站較晚，漠河站使用北極村數據；環流指數選取冬季（1、2、12 月）月資料，源自國家氣候中心業務使用的88 個環流指數。

極端最低氣溫重現期的計算基于經驗頻率方法，極寒天氣突變分析使用Mann-Kendall 方法，周期分析使用Morlet 小波分析，相關顯著性使用P=0的臨界值檢驗［34］，通過對大氣環流指數與極寒日數（1、2、12 月）做相關性分析，找出主要影響大興安嶺地區冬季極寒天氣的環流因子。

2 結果與分析

2.1 極寒天氣分布

2.1.1 極寒日數空間分布

1974—2021年大興安嶺地區6個國家站逐日資料統計分析（表1），全區共出現極寒日數904 d（各站不重復日數）。極寒日數空間分布從西北向南減少十分明顯，西北部呼中出現極寒日數最多，共717 d，其次是漠河645 d，中部地區新林187 d、塔河156 d，東南部呼瑪148 d，南部加格達奇出現極寒日數最少是29 d，年平均極寒日數西北部比南部多13.6 d（表1），大興安嶺地區極寒日數存在明顯的空間差異。

表1 1974—2021年大興安嶺地區極寒日數Table 1 Number of extreme cold days in the Greater Khingan Mountains region from 1974 to 2021

2.1.2 極寒日數旬分布

1974—2021 年大興安嶺地區極寒天氣發生頻次最多月份是1 月，占46.7%，最少月份為3 月，占1.7%，從圖2 可以看出，大興安嶺地區自11 月中旬至次年3 月中旬均有極寒天氣出現，但主要集中在12 月上旬至2 月下旬，極寒天氣以1 月中旬出現最多，共154 d，1 月下旬次多，出現150 d，進入2 月份極寒天氣開始明顯減少，春季天氣回暖3 月中旬僅為2 d，11月中旬是極寒天氣初發期，僅出現1 d。

圖2 大興安嶺地區1974—2021年各旬極寒日數Fig.2 Distribution of extreme cold days in each ten-day period from 1974 to 2021 in the Greater Khingan Mountains region

2.1.3 極寒天氣時間分布

1974—2021 年大興安嶺地區極寒天氣出現最早的日期是2000年11月17日-40.3 ℃（漠河），結束最晚的日期是1985年3月12日-40.7 ℃（漠河）。在一日當中最早出現極寒天氣的時間是17：00（北京時，下同），最晚結束時間是次日12：00，主要出現在漠河站和呼中站。在一日17：00—23：00，00：00—12：00均有極寒天氣出現，僅13：00—16：00時段沒有出現，極寒天氣主要出現在03：00—09：00，以07：00出現頻率最多，08：00 出現頻率為次多，11：00—12：00 和17：00—20：00偶爾有極寒天氣出現，21：00—23：00是極寒天氣開始增多的時段。

2.2 極寒天氣變化特征

2.2.1 極寒日數年際變化

1974—2021 年大興安嶺地區極寒日數，發生的頻次存在著明顯的年代際變化（圖3），從20 世紀70年代中期至21 世紀20 年代初期是逐步呈遞減的趨勢，其傾向率為-2.88 d·（10a）-1（通過0.01顯著性檢驗），在20 世紀70 年代末之前冬季極寒天氣發生頻繁，之后極寒天氣呈減少趨勢。極寒日數年際變化率較大，1974 年為大興安嶺地區極寒天氣發生頻次最多的一年47 d，而1992 年沒有出現極寒天氣。48年中高于極寒天氣距平值（19 d）的年份占46%，2008—2014 年極寒天氣又有小幅增多，但小于1981年之前，極寒日數減少最為明顯是1988—1993 年，比年平均極寒日數偏少10 d，這和1988 年中國北方地區近50年來最低氣溫變暖突變相一致［35］。

圖3 大興安嶺地區極寒日數年際變化Fig.3 Interannual variation of extreme cold days in the Greater Khingan Mountains region

2.2.2 極端最低氣溫年際變化

年極端最低氣溫從20世紀70年代中期至21世紀20 年代初期是逐步呈上升趨勢（圖4），相對峰值升高趨勢比相對谷值升高趨勢明顯，其傾向率為0.55 ℃·（10a）-1（通過0.05 顯著性檢驗），從《東北區域氣候變化評估報告：2020決策者摘要》發布的數據顯示來看，和東北區域（1961—2017 年）極端最低氣溫以0.63 ℃·（10a）-1的速率升高趨勢一致，大興安嶺地區年極端最低氣溫升高趨勢明顯。48年平均極端最低氣溫-45.2 ℃，低于年平均極端最低氣溫年份占50%，年極端最低氣溫-49.6 ℃，出現在1979年漠河站，除了1992年極端最低氣溫-39.7 ℃之外，其他47年極端最低氣溫均達到極寒天氣。48年中年極端最低氣溫極值57%出現在呼中，其次是漠河，占43%。年極端最低氣溫升高最明顯是1992年，比1979年偏高10 ℃。在全球氣候變暖背景下，大興安嶺地區2018—2021 年中有兩年極端最低氣溫≤-47.0 ℃，可見極端低溫天氣氣候事件發生頻率明顯。

圖4 大興安嶺地區極端最低氣溫年際變化Fig.4 Interannual variation of extreme minimum temperature in the Greater Khingan Mountains region

2.2.3 極端最低氣溫旬變化

從1974—2021 年11—3 月旬極端最低氣溫（圖5），大興安嶺地區極寒天氣從11月中旬開始，3月中旬結束。極端最低氣溫-49.6 ℃，出現在1 月上旬和1月下旬，其次是1月中旬-49.2次。11月中旬至1月上旬極端最低氣溫逐漸遞減趨勢，1月中旬極端最低氣溫略高于上旬和下旬，1月下旬至3月中旬極端最低氣溫逐漸上升趨勢（除2 月中旬略高2 月下旬），年極端最低氣溫多出現在12 月下旬和1 月下旬，占48 年19%，2 月下旬最少，占4%，年極端最低氣溫幾乎不出現在3月和11月。

圖5 大興安嶺地區極端最低氣溫旬變化Fig.5 Ten-day variation of extreme minimum temperature in the Greater Khingan Mountains region

2.3 極端最低氣溫重現期

根據大興安嶺地區1974—2021 年各站資料，統計每年出現的極端最低氣溫，計算出極端最低氣溫的重現期（表2），6 個國家站中有5 個站兩年一遇極寒天氣，只有加格達奇站-38.71 ℃沒有出現極寒天氣；6 個站中兩年一遇、五年一遇、十年一遇極端最低氣溫分別為-45.11 ℃、-46.96 ℃、-47.95 ℃，都出現在呼中；二十年一遇、五十年一遇、百年一遇極端最低氣溫分別為-48.89 ℃、-49.63 ℃、-49.89 ℃，都出現在漠河。

表2 大興安嶺地區各站極端最低氣溫（℃）重現期Table 2 Return period of extreme minimum temperature（℃）at each station in the Greater Khingan Mountains region

2.4 Mann-Kendall檢驗

2.4.1 極寒日數突變性檢驗

從1974—2021 年極寒天氣日數Mann-Kendall檢驗曲線［圖6（a）］，UF 和UB 兩條曲線出現交點，并且僅有一個交點落在95%置信區間內，可以判斷是突變點，突變時間在1979 年，說明大興安嶺地區在1979年之前極寒天氣日數是偏多，之后極寒天氣日數開始減少，減少最明顯是1989—2000 年，這和極寒日數年際變化相符。突變后年極寒日數比突變前減少14.2 d。

圖6 大興安嶺地區極寒日數和極端最低氣溫Mann-Kendal檢驗Fig.6 Extreme cold days（a）and extreme minimum temperature（b）Mann-Kendal test in the Greater Khingan Mountains region

2.4.2 極端最低氣溫突變性檢驗

從極端最低氣溫Mann-Kendall 檢驗［圖6（b）］，在1990年UF和UB兩條曲線出現交點，說明大興安嶺地區在1990年之前極端最低氣溫偏低，之后極端最低氣溫開始上升，上升趨勢最顯著是2005—2009年和2015—2021 年，大興安嶺地區有明顯增暖趨勢，但2021年極端最低氣溫在突變后增暖的趨勢上呈下降趨勢。

2.5 Morlet小波分析

2.5.1 極寒日數周期性特征分析

1974—2021 年大興安嶺地區極寒日數頻次小波功率譜［圖7（a）］，圖中小波功率越大，等值線越密集，倒錐形線為影響錐，該錐線以下表明該部分小波功率譜受到邊緣效應的影響，表現出的周期特征存在較大的不確定性。在圖中對應周期特征為2～4 年，分別出現在1974—1978 年和1984—2019年，表明這兩個時間段內，年極寒天氣波動以2～4年周期為主。圖7（a）為對小波譜進行顯著性檢驗的小波全譜圖?？梢钥闯?，當虛線小于功率譜曲線時，表明該區段對應的周期特征達到了0.05水平顯著性檢驗，因此，從圖中可以看出，通過顯著性檢驗的周期為2～4年。

圖7 極寒日數、極端最低氣溫小波功率譜和小波全譜圖（曲線）及0.05顯著性水平線（虛線）Fig.7 Extreme cold days（a），extreme minimum temperature（b）wavelet power spectrum and wavelet full spectrum（curve）and 0.05 significance horizontal line（dotted line）

2.5.2 極端最低氣溫周期性特征分析

大興安嶺地區48 年極端最低氣溫小波功率譜分析［圖7（b）］。在圖中對應周期特征為4～5 年，分別出現在1974—2007 年、2014—2021 年，表明這兩個時間段內，年極端低溫波動以4～5 年周期為主。圖7（b）為對小波譜進行顯著性檢驗的小波全譜圖，虛線小于功率譜曲線時，表明該區段對應的周期特征達到了0.05 水平顯著性檢驗，因此，通過顯著性檢驗的周期為4～5年。

2.6 影響極寒天氣的環流指數

大氣環流是全球氣候異常的主要因子，其氣候系統的變化會對中高緯地區天氣形勢和氣候特征產生影響［36］，大興安嶺地區是中國緯度最高地區，影響冬季極端冷事件的主要因子與中高緯度的位勢高度異常場有關［37］，為了探討大興安嶺地區極寒天氣變化的影響環流因子，通過分析大氣環流指數與極寒日數的相關性，篩選出與48 年冬季1 月、2月、12月極寒日數相關性好的大氣環流因子（表3），均通過0.01 顯著性檢驗。結果表明：（1）大興安嶺地區1月極寒天氣變化與斯堪的納維亞遙相關型指數（SCAND）、北半球極渦面積指數（NHPVAI）、亞洲區極渦面積指數（APVAI）呈顯著的正相關，相關系數分別為0.683、0.478、0.377，說明SCAND、NHPVA、APVAII 在1 月份是正向增長的環流模態，極寒天氣偏多偏強；與極地-歐亞遙相關型指數（POL）、北大西洋濤動指數（NAO）、東亞槽強度指數（EATII）、北大西洋-歐洲區極渦強度指數（A-EPVII）、歐亞緯向環流指數（EZCI）、東大西洋-西俄羅斯遙相關型指數（EATL/ERUS）、北極濤動指數（AO）呈顯著的負相關，相關系數分別為-0.523、-0.461、-0.456、-0.435、-0.421、-0.421、-0.383。說 明POL、NAO、EATII、A-EPVII、EZCI、EATL/ERUS、AO 在1 月份北半球高緯度反向增長的環流模態，其中NAO、EATII、EZCI、AO 主要通過影響東亞大槽、西伯利亞高壓等區域性的大氣環流，東亞大槽和西伯利亞高壓增強（減弱），使侵入中國北方的冷空氣次數增多（減少），影響大興安嶺地區極寒天氣，這與喬雪梅等［38］研究EATII、AO 環流指數是影響中國北方寒潮頻次變化重要的因素相一致。（2）大興安嶺地區2 月極寒天氣變化與SCAND 和NHPVAI 呈顯著的正相關，相關系數為0.423 和0.388，說明SCAND 和NHPVAI 是主要影響2 月份極寒天氣變化的環流因子，呈正向增長的環流模態。（3）大興安嶺地區12月極寒天氣變化與SCAND呈顯著的正相關，相關系數為0.447；與北半球副高北界位置指數（NHSHNBPI）、北太平洋副高北界位置指數（PSHNBPI）、南極濤動指數（AAO）、北半球副高脊線位置指數（NHSHRPI）、北太平洋副高脊線位置指數（PSHRPI）、西太平洋副高北界位置指數（WPSHNBPI）呈顯著的負相關，相關系數分別為 -0.442、-0.441、-0.438、-0.431、-0.428、-0.382。說明只有SCAND一項環流因子在12月份呈正向增長的環 流模態，NHSHNBPI、PSHNBPI、AAO、NHSHRPI、PSHRPI、WPSHNBPI 以反向增長的環流模態，AAO 減弱，使大興安嶺地區12 月份極寒天氣的頻次和強度增強，符合范可等［39］研究冬季南極濤動強弱影響中國北方地區氣溫增高（降低）；NHSHNBPI、PSHNBPI、NHSHRPI、PSHRPI、WPSHNBPI位置的變化，對大興安嶺地區12月份極寒天氣的頻次和強度變化也有很好的指示意義?；谝陨涎芯?，顯著影響大興安嶺地區冬季1 月、2 月、12 月極寒天氣最主要的因子是SCAND，這和劉毓赟［29］研究的SCAND 遙相關型對北半球氣溫的影響有很大加強，主要表現為其正（負）位相引起的極區增溫范圍明顯擴大，歐亞大陸北部的溫度負（正）中心顯著向東南方向延伸，影響到我國北方地區，這一結論相一致。與1 月和2 月極寒天氣正相關性好的環流因子是SCAND 和NHPVAI（北半球極渦面積指數），極渦是極區大尺度冷性環流系統，大規模強冷空氣的表征，極渦位置移動、面積大小、強度的變化都可以對中高緯地區天氣形勢產生影響［40］，亞洲極渦面積擴大（縮?。?，北方寒潮頻次偏多（少）［38］。

表3 冬季（1、2、12月）極寒日數與大氣環流指數相關系數Table 3 Correlation coefficient between extreme cold days and atmospheric general circulation index in winter（January，February and December）

3 結論

本文利用1974—2021 年大興安嶺地區6 個國家地面觀測站冬季日最低氣溫≤-40 ℃的極寒日數和極端最低氣溫資料，通過采用氣候變化趨勢和變化率分析、經驗頻率計算方法、Mann-Kendall 檢驗、小波功率譜和小波全譜分析方法，以及影響極寒天氣的大氣環流指數和極寒日數做相關性分析，得到如下結論：

（1）1974—2021 年大興安嶺地區冬季極寒日數共904 d（各站不重復），極寒日數呈減少趨勢，其傾向率為-2.88 d·（10a）-1（通過0.01 顯著性檢驗），極寒日數最多在1974年47 d，而1992年沒有出現極寒天氣（≤-40 ℃）；極寒日數最多是呼中717 d，其次是漠河645 d，最少是加格達奇29 d，空間分布從西北向南減少十分明顯；極寒天氣發生頻次最多月份是1月，占46.7%，最少月份為3月，占1.7%；極寒日數在1979 年發生突變現象，突變后比突變前減少14.2 d，極寒日數存在2～4年顯著周期。

（2）大興安嶺地區冬季48年平均極端最低氣溫-45.2 ℃，極端最低氣溫呈上升趨勢，其傾向率為0.55 ℃·（10a）-1（通過0.05 顯著性檢驗），極端最低氣溫極值，出現在1979 年漠河站-49.6 ℃，只有1992 年（-39.7 ℃）極端最低氣溫沒有達到-40 ℃，其他47 年極端最低氣溫均達到極寒天氣。在48 年中，年極端最低氣溫極值57%出現在呼中，43%出現在漠河。極端最低氣溫在1990年發生突變，顯著周期是4～5 年，極端最低氣溫升高最明顯是1992年，比1979年偏高10 ℃。

（3）重現期計算出大興安嶺地區6 個國家站中有5 個站兩年一遇極寒天氣，只有加格達奇站 -38.71 ℃沒有出現極寒天氣；6個站中兩年一遇、五年一遇、十年一遇的最低氣溫極值都出現在呼中；二十年一遇、五十年一遇、百年一遇的最低氣溫極值都出現在漠河。

（4）影響大興安嶺地區冬季（1、2、12 月）極寒天氣最主要的環流指數是斯堪的納維亞遙相關型指數，呈正向增長的環流模態，斯堪的納維亞遙相關型指數對大興安嶺地區冬季的氣溫變化影響較大，主要表現為其正位相引起的極區增溫范圍明顯擴大，歐亞大陸北部的溫度負中心顯著向東南方向延伸，影響到我國北部大興安嶺地區冬季的極寒天氣變化。