谢 莉 韩作强

（黄河水利委员会水文局信息中心，郑州 450004）

黄河内蒙古河段位于黄河流域最北端，河段全长843 km，受大陆性季风气候影响，冬季寒冷干燥，日平均气温在0 ℃以下的时间可持续4～5 个月[1]。气温的高低直接决定了河道的冰量和冰质[2]，而冷空气的强度及频次是影响黄河内蒙古河段流凌、封河发展的主要因子[3-5]。近年来对冷空气的研究以寒潮为主，冷空气的年际变化主要反映在寒潮和强冷空气所代表的强降温过程[6-7]。1990 年以后，黄河流域经历了明显的暖冬气候，黄河内蒙古河段流凌、封河日期随之推迟[8]。但不同地区和季节冷空气的频次、强度变化趋势不完全相同，因此，开展内蒙古河段冷空气活动规律的研究，对提高内蒙古凌汛期天气气候的预测预报水平、及时有效发布降温预报预警、黄河防凌减灾及安全度汛具有重要现实意义。

11 月上中旬黄河内蒙古河段气温骤降，11 月下旬至12 月上旬河段出现流凌、封河。冷空气入侵的强度、频次直接决定了流凌、封河出现的具体时间和位置。而在稳封期，冷空气活动又是影响封冻长度、冰凌硬度、冰盖厚度的关键因子。2011—2020 年，黄河内蒙古河段首凌平均日期为11月25日，首封平均日期为12月6日，即通常所说的“小雪（节气）流凌，大雪（节气）封河”。其中首封地点有4 年出现在包头水文站断面，有4年出现在什四份子险工附近，剩余2 年出现在三湖河口水文站断面，各站点地理位置如图1 所示。基于包头气象站独特的地理位置及其对黄河内蒙古河段流凌、封河具有重要的预报指导意义，本文利用包头气象站1959—2020年凌汛期逐日平均气温、日最低气温数据，分析了包头气象站凌汛期气温、不同强度冷空气的趋势变化，以及拉尼娜事件对黄河内蒙古河段凌汛气温、冷空气活动的影响，旨在提高冷空气活动的预报预测精度，以期为提升内蒙古河段防凌防灾的风险管控能力提供技术支撑。

图1 主要站点分布图

1 资料与方法

数据来自包头气象站逐日气温观测资料，统计时间长度为1959年11月1日至2021年3月31日。采用一元线性回归、Mann-Kendall（M-K）检验方法分析凌汛期（当年11月至翌年3月）冷空气变化趋势和不同强度冷空气的突变趋势。采用拉尼娜事件于1959—2020 年的数据研究拉尼娜事件发展年（即拉尼娜事件开始至本年9月之前）、持续年（即前一年冬季至本年秋季已为一次拉尼娜事件，且持续发展至明年春季）、衰减年（即前一年冬季拉尼娜事件已达到峰值并持续到本年春季，同时本年秋冬季不是暖事件开始年）对黄河内蒙古河段凌汛期气温及冷空气影响。

2 冷空气等级划分

冷空气等级划分参考中国气象局政策法规司编制的冷空气等级（GB∕T 20484—2006）[9]，划分标准见表1。按照标准采用日最低气温和日最低气温下降幅度2 个指标来判定冷空气类别及出现次数。考虑到日最低气温不受太阳辐射影响，能较好地反映降温的相对幅度[10]，对流凌、封河预报更具有实际的业务需求。结合黄河内蒙古河段凌汛期气温业务预报和冷空气对气温强弱程度的影响，将冷空气分为4 个等级：弱冷空气、中等强度冷空气、强冷空气和寒潮（表2）。由于凌汛期气温是由冷空气过程的强弱直接决定的，因此本文在讨论不同等级冷空气变化的同时分析了不同冷空气与凌汛期气温的相关关系。

表1 不同等级冷空气划分标准

表2 不同等级冷空气划分

3 结果分析

3.1 凌汛期冷空气频次变化

黄河内蒙古河段包头站冷空气频次的年际变化如图2 所示。1959—2020 年，凌汛期平均冷空气频次为36.5 次。其中1959—1983 年，凌汛期平均冷空气频次为36.1次，整体呈下降趋势，降幅为2.5次∕10 a；1984—1995年，凌汛期平均冷空气频次为37.3次，较1959—1983年度偏多1.2次，整体也呈下降趋势，降幅为3.2 次∕10 a；1996—2020 年，凌汛期平均冷空气频次为36.6 次，整体呈上升趋势，增幅为2.2 次∕10 a。弱冷空气频次的年际变化与冷空气总频次变化基本一致，但阶段性变化较冷空气总频次变化更为复杂。统计得出，1959—2020年，凌汛期平均弱冷空气的频次为21.6次，占冷空气总频次的59.1%。

图2 凌汛期冷空气频次年际变化趋势

3.2 不同等级冷空气频次突变检验

M-K 检验法是一种气候诊断与预测技术。应用M-K检验法可以判断气候序列中是否存在气候突变，如果存在，可以确定突变发生的时间[11]。黄河内蒙古河段不同等级冷空气频次的M-K检验结果如图3所示。

图3 不同等级冷空气频次的M-K统计量曲线

当统计量UF 值>0 时，说明冷空气频次呈持续增长趋势；UF 在0.05 显著性水平线以上，为通过0.05 显著性检验。如果UF 和统计量UB 曲线的交点在置信水平区间[-1.96 1.96]内，那么交点对应的时刻便是突变开始的时间。弱冷空气频次在1964 年之前呈上升趋势，之后呈下降趋势，1984年下降趋势明显，之后略有回升，但整体呈下降趋势，2010 年前后发生突变；中等强度冷空气频次在1959—2020 年呈下降趋势，在1989—2018 年呈明显下降趋势；强冷空气频次在1963—1970 年呈上升趋势，1964 年发生突变后至1966 年呈显著上升趋势，1971 年之后呈下降趋势，2007 年后呈明显下降趋势；寒潮频次在1976 年之前呈上升趋势，之后呈不显著下降趋势。

3.3 不同等级冷空气对凌汛期气温的影响

对包头气象站凌汛期气温与不同等级冷空气频次的相关性分析，结果表明包头气象站凌汛期气温与弱冷空气的频次变化呈显著正相关关系，相关系数为0.26，且通过α=0.05显著性检验，这一结果与之前的研究[3]基本一致，2000—2019年内蒙古河段凌汛期平均气温呈现出西增东降态势，包头站凌汛期平均气温倾向率为-0.56℃∕10 a。包头气象站凌汛期气温与中等强度冷空气、强冷空气和寒潮频次呈负相关关系，相关系数分别为-0.1、-0.15 和-0.04，其中凌汛期气温与寒潮频次的相关性最差。结果表明，寒潮频次本身偏少及带来的阶段性降温对于凌汛期整体气温的影响并不显著。强冷空气频次偏多，对于凌汛期整体气温的偏低起到重要作用。

3.4 拉尼娜事件对凌汛期气温的影响

在1951—2019 年的14 次拉尼娜事件中，双峰型拉尼娜事件（拉尼娜事件第2年的下半年继续发生拉尼娜事件）有5次；发展为厄尔尼诺事件有3次；维持中性状态有6 次。通常而言，受拉尼娜事件影响的冬季，北半球极端冷事件发生频率会增加，因此我国中东部大部地区，气温偏低的概率较高。拉尼娜事件不同年份对包头站凌汛期气温的影响如图4 所示。拉尼娜发展年，12 月上旬至翌年3 月下旬，凌汛期气温均较多年均值（1981—2020年）偏低；拉尼娜持续年，12月上旬至翌年2月下旬，凌汛期气温较多年均值偏低，3月略有波动，整体以偏低为主；拉尼娜衰减年，11月上旬至翌年2月上旬，凌汛期气温较多年均值明显偏低，3 月气温回升速度较拉尼娜发展年和持续年明显加快。整体来看，拉尼娜发展年、持续年及衰减年，凌汛期气温整体较多年均值偏低。

图4 拉尼娜事件不同年份对包头站凌汛期气温的影响

3.5 拉尼娜事件对冷空气强度的影响

表3 为拉尼娜不同年份不同等级冷空气频次距平百分比，多年均值采用1959—2020 年。

表3 拉尼娜不同年份不同等级冷空气频次距平百分比分析%

拉尼娜发展年，11—12月影响包头气象站冷空气频次较多年均值整体偏少，尤其是强冷空气分别偏少44%和29%。1—2 月影响包头气象站强冷空气及寒潮频次较多年均值整体偏多，尤其是2 月份强冷空气及寒潮的频次较常年同期分别偏多16%和13%。由于拉尼娜发展年定义为9 月之前进入拉尼娜状态，凌汛期前期主要受夏季暖—中性海温影响，气温较多年均值整体偏高，凌汛封河期1—2 月，受冷海温影响，强冷空气及寒潮频次较多年均值偏多，导致凌汛封河期气温较多年均值偏低。

拉尼娜持续年，由于受前期冷海温持续影响，11 月强冷空气频次明显偏多，较多年均值偏多54%；12 月中等强度冷空气频次较常年同期偏多29%。1 月强冷空气及寒潮频次较多年均值分别偏多19%和82%，这对于封河长度的发展起到重要的作用。

拉尼娜衰减年，11 月中等强度及弱冷空气频次较多年均值偏多，强冷空气及寒潮频次分别较多年均值偏少33%和52%。12 月至翌年3 月，冷空气总的频次较多年均值偏少，导致凌汛期气温回升明显，较常年同期偏高。

4 结 语

本文利用1959—2020 年内蒙古河段包头气象站逐日平均气温和日最低温，以及拉尼娜事件数据资料，分析了凌汛期包头气象站的冷空气变化特征，主要结论如下。

（1）1959—2020年，影响内蒙古河段冷空气的多年平均频次为36.1次，弱冷空气频次占冷空气总频次的59.1%，且弱冷空气频次与包头气象站凌汛期气温呈显著正相关，而强冷空气频次与包头站凌汛期气温呈负相关关系。

（2）拉尼娜不同年份，凌汛期气温整体以偏低为主。拉尼娜发展年，11—12月影响包头气象站冷空气频次较多年均值整体偏少，尤其是强冷空气频次分别偏少44%和29%。1—2 月影响包头气象站强冷空气及寒潮频次较多年均值整体偏多，尤其是2 月分别偏多16%和13%；拉尼娜持续年，1 月强冷空气及寒潮频次较多年均值分别偏多19%和82%；拉尼娜衰减年，11 月中等及弱冷空气频次较多年均值偏多，强冷空气及寒潮频次分别较多年均值偏少33%和52%。

（3）本文仅分析了包头气象站冷空气频次的变化，但冷空气受中高纬度影响明显，对于拉尼娜相似年只做了定性分析讨论，具体预报还需结合中高纬度预测因子[3]。同时，根据分析，不同路径冷空气形成的降温幅度差别很大，具体问题有待进一步深入研究。