引言

冷流降雪是山东半岛东北部沿海地区冬季常见的一种特殊的地方性天气，产生在西北冷平流和渤海暖海面背景下。冷流降雪有时持续几日，常常给交通运输、工农业生产和人民生活带来重大影响和损失。如2005年12月3—22日，山东半岛地区发生了历史罕见的持续性冷流降雪，出现了17个降雪日，威海市累计降雪量达到了98.5mm，烟台市达到80.3 mm，最大积雪厚度39cm。由于降雪持续时间长、强度大、积雪深，导致两地学校停课6天、陆上交通瘫痪、高速公路关闭、航班延误、客运航线停航等，给当地生产和生活造成严重影响，经济损失5亿元以上。山东半岛的冷流降雪因此引起人们的格外关注。过去国内对冷流降雪的研究多集中于以单站观测事实为基础的成因分析^[1-4]，李洪业^[1]分析了烟台的冷流降雪，认为适宜的环流形势、低层稳定度、低层风切变等是冷流降雪产生的主要原因；郑丽娜等的研究^[2]表明渤海的特殊地形对山东境内沿渤海地区的冬季冷流降雪有很大贡献；也有研究^[3]认为冷流降雪与海气感热传输有关。利用长时间序列资料从整体上以及从海温场的角度研究山东半岛冷流降雪的文献较少见。由于对海温在冷流降雪中所起的作用认识不够，预报员在日常冷流降雪的预报中，往往只关注环流形势和气温场而忽视了海温场背景。因此，本文除了分析山东半岛冷流降雪的时空分布特征及其变化规律等基本特征外，还初步研究了渤海海温和冷流降雪的关系，试图寻找海温的指示信号，为冷流降雪的预报预测提供有益参考。

1 资料和方法

资料包括山东省114个气象观测站1965—2005年共41年冬季(12月至次年2月，某年冬季中的年份指12月所在的年份)的逐日降水观测资料和天气图资料，美国国家环境预报中心提供的1981—2005年历年11月的海温再分析资料，分辨率为1°×1°。采用小波分析方法分析冷流降雪的周期特征及用其它数理统计方法诊断分析其时空分布特征和变化规律。

根据冷流降雪产生在西北气流背景下且仅限于山东半岛(对于山东省范围来说)的特点确定冷流降雪日。确定方法是：取山东半岛的所有观测站共21站，其它93站为内陆站，若半岛某站某降水日满足以下3个条件则为一个冷流降雪日：(1)半岛站有降水而所有内陆站均无降水，(2)当日该站平均气温低于0℃，(3)该日700hPa和850hPa天气图上山东半岛为西北气流控制。

2 冷流降雪的空间分布特征

图 1a为山东半岛冬季冷流降雪量多年平均分布图。从图中可以看出山东半岛冬季冷流降雪分布具有显著的地域性特征。降雪主要集中在半岛东北部的烟台、牟平、威海、文登和荣城(因此下文将取该5站作为山东半岛冷流降雪的代表站)，多年平均降雪量在6~10mm之间，威海最多为10.0mm，自东北向西南地区降雪量急剧减少，乳山、海阳等地不足1mm。山东半岛冷流降雪的这种分布特点和低山丘陵地形有很大关系，丘陵地带成为降雪量明显的分水岭。山东半岛地形的分布特点为，37.2°N附近即为东西方向的低山丘陵地带，11座低山海拔高度均在500m以上，其中最高峰为昆嵛山，海拔922.8m(图 1b)。地形的抬升造成近地面层丘陵以北地区产生辐合上升运动，而丘陵以南地区则辐散下沉。当渤海海面的暖湿空气由西北气流输送到山东半岛北部沿海时，由于受到东西向丘陵的阻挡而抬升，从而使上升水汽达到凝结高度产生降雪。这就造成了较大降雪量位于低山丘陵的北部地区，而丘陵以南地区降雪量减少。低山丘陵地形因此成为低云降雪的触发条件。

3 冷流降雪的时间变化特征 3.1 年际变化

取多年平均降雪量排在前5位的烟台、牟平、威海、文登和荣成5个站点作为代表站，并将该5站的降雪量平均值作为山东半岛冷流降雪量。图 2给出了1965—2005年历年冬季各站降雪量平均值。山东半岛各站冬季冷流降雪量多年平均值为8.4mm，降雪量在10mm以下的年份占67%，20mm以上的只占10%。从图 2中可以看出，山东省冬季冷流降雪年际变化较大。1960年代至1980年代，各年降雪量变化相对平稳。1991—1994年连续4年冬季没有出现冷流降雪。值得注意的是，进入1990年代中期以后，冷流降雪量变化幅度增大起来，1997年的降雪量猛增为27.2mm，到2005年，降雪量则达到了53.0mm，成为41年来的最高值。

从冷流降雪的日数来看(图略)，半岛各代表站冬季平均为5.8天，最多的年份为1967年，13.8天，而降雪量最多的年份2005年的降雪日数为11.6天。

3.2 月变化

山东半岛12月的冷流降雪量占整个冬季的66%，降雪日数占47%；从降雪量级来看，大雪以上降雪12月占80%，1月占15%。可见，冬季的冷流降雪量主要集中在12月，且12月的降雪强度是最强的。其次是1月，降雪量占24%，降雪日数占37%，大雪以上降雪占15%。研究表明^[1-2]，海面向大气输送感热的多少与海气温差和海面上风速呈正比，进入12月，冷空气势力增强，气温迅速下降，而海温下降速度缓慢且滞后，海气温差在一年中达到最大，因此12月的冷流降雪量多且强度大。

3.3 周期变化

利用Morlet小波分析方法分析冷流降雪的周期特征。经过小波变化后，可以看出山东半岛冬季冷流降雪的多尺度时间周期变化特征及其在时间域中的分布情况(图 3a)。其实线代表正值，对应着降雪量偏多期，虚线代表负值，对应着降雪量偏少期。结果显示较明显的周期为4年左右、7年左右和17年左右。不同阶段存在不同时间尺度的周期：41年间主要表现出17年左右的振荡周期，1980年代以前则呈现出4年左右的周期，从1990年代中期开始7年左右的周期比较明显。小波系数等值线的疏密程度反映了降雪量的变化强度，降雪量越大，则实线等值线越密集。从图中可以看出，1985年、1997年和2005年都对应着较大的正值中心，说明这些年份降雪量比较大。从1990年代中期以来的等值线非常密集，以2005年的振荡最为强烈，表明这期间降雪多，变化幅度大。其它年代振幅相对较小，说明降雪少且年际变化小。小波系数反映出来的降雪变化程度和实际时间序列年际变化表现出来的是一致的，这也进一步证明了小波分析对信号的强分析能力。

小波方差图反映了波动能量随时间尺度的分布，可以用来反映一个时间序列中各种尺度扰动的相对强度，对应峰值处的时间尺度为该时间序列的主周期，因此小波方差是确定时间序列主要周期的有效客观方法。图 3b给出了冷流降雪的小波方差图。从图中可以看出，有3个峰值分别对应着周期为4年、7年和17年，可见半岛的冷流降雪存在着4年、7年和17年的周期振荡，其中以7年和17年的周期振荡更为明显一些，为主要周期。与前面的小波系数图对比，冷流降雪的特征时间尺度和主要周期是一致的。

4 冷流降雪强度特征

按照小雪、中雪、大雪和暴雪4个量级来统计分析各站冷流降雪的强度特征。表 1给出的是各代表站冬季41年不同强度冷流降雪总日数及所占百分比。从表中可见，4个量级中，从小雪至暴雪，降雪日数随着量级的增大而减小。小雪日数占绝对优势，41年总日数在166~211天之间，占总降雪日数的81%~86.8%，全省平均为83%。大雪日数占总日数的5.7%。暴雪日数在3~6天之间，全省平均仅占1.7%。

规定山东半岛只要有1个站出现暴雪就算1个冷流暴雪日。41年间，共出现了13个冷流暴雪日(表 2)。从暴雪出现的时间上看，除了1个暴雪日出现在1月外(1988年1月23日出现在牟平)外，其它12个暴雪日均出现在12月，12月的暴雪日数占冬季的92%。从降雪量来看，日降雪量在15mm以上的都出现在离海边最近的地区——威海和烟台，其中威海2005年12月7日的日降雪量达到了24.4mm，为冷流降雪的历史极值。暴雪的分布沿着西北气流自西北向东南分为两条线，烟台—牟平—文登为一线，威海—荣成为一线，从暴雪日数上看，相邻站牟平—文登一线的暴雪日数明显多于其它站，但是其降雪强度不如威海和烟台大。从范围上看，一天中至多有2个测站同时出现冷流暴雪，41年间的13个暴雪日中有6天只有1个站出现，另外7个为同时有2个站点出现暴雪，而且同时出现暴雪的2个站点在地理位置上都是相邻的，这些站点每2个站点之间的距离都在50km以内，可见在空间分布上强冷流降雪局地性较强，具有显著的中尺度特征。在冷流暴雪的精细化预报中，冷流暴雪的这种中尺度分布特征值得注意。

5 冷流降雪异常与海温的关系

研究表明^[3]，山东半岛的冷流降雪与渤海海面向大气底层输送的感热输送有密切关系，感热越大降雪的几率越大，而海面向大气输送感热的多少，与海气温差呈正比。由此可以推断，在冷空气强度不变的背景条件下，海面的温度越高，则海气温差越大，越有利于产生冷流降雪，反之则不利。从前面的分析可以看到，冷流降雪年际变化十分显著，那么海温的变化是否也有差别？在11月，当气温已经剧烈下降时，海面仍然保持相对较高的温度。与气温相比，海温的变化较为缓慢。11月的气温变化将直接影响到12月的降雪，既然冬季的冷流降雪主要集中在12月，因此如果我们能够从冬季前期11月的海温场识别出异常年份的信号，则可为冬季冷流降雪量的预测提供有益的依据。

首先找出多雪年和定义标准化距平大于1.0的年份为冬季多雪年，而小于-1.0的年份为少雪年。标准化距平的计算公式为：，其中x_i(i=1, n)为历年冬季降雪量, x为多年冬季平均降雪量，n为样本长度，σ为标准差。由此计算得到，1965—2005年间，多雪年有7年：1967、1980、1982、1985、1988、1997、2005年；少雪年有6年，1981、1986、1991、1992、1993、1994年。根据WMO的规定，把标准化距平达到2的事件称为异常。按照这个标准，则1985、1997和2005年都达到了冷流降雪异常多的程度，其中以2005年最为严重，标准化距平高达6.82，可谓历史罕见。

对多雪年和少雪年的11月平均海温进行分析。图 4给出了山东半岛冬季冷流降雪异常多年和无冷流降雪年的11月海温距平图。发现5个多雪年中(其中1967、1980两年海温资料缺)，有1982、1985、1988和2005年4个年份降雪前期11月渤海至渤海海峡的海温均为正距平，占多雪年的80%，表明前期11月渤海海温偏高时，冬季冷流降雪偏多。2005年11月，渤海北部的海温距平中心值达到了1.4℃，成为历年11月海温偏高最大的年份，这可能是2005年冬季冷流降雪异常偏多的原因之一。只有1997年为负距平，负距平中心为-0.2℃。6个少雪年中，1981、1986、1991和1992年4个年份11月渤海至渤海海峡的海温均为负距平，占少雪年的67%，表明海温偏低时，冷流降雪偏少。

由上面的分析可见，在多数情况下，渤海海温偏高的年份，海气温差增大，从而使得冷流降雪偏多，反之，在渤海海温偏低的年份，海气温差减小，冷流降雪偏少。因此，11月渤海的海表温度对山东半岛冬季冷流降雪量有一定的指示意义。当然，除了海温以外，气温也是海气温差的影响因素之一。如果冷空气足够强，造成气温足够低，则即使在海温变化不利于降雪的情况下，同样也可以使得海气温差达到一定强度，从而产生冷流降雪；反之，既使海温偏高，但冷空气很弱时会导致海气温差低，达不到冷流降雪的条件，降雪将偏少。这可能是1997年渤海的海温偏低但冬季冷流降雪却异常偏多以及1993、1994年海温偏高而降雪偏少的原因。

6 结论

(1) 山东半岛冷流降雪的分布与丘陵地形密切相关，主要集中在半岛丘陵的东北部，自东北向西南地区降雪量急剧减少；每次冷流暴雪仅局限于两个县级站之间，这种显著的中尺度分布特征在冷流暴雪的精细化预报中值得注意。

(2) 在过去41年中，降雪年际变化较大，1990年代中期以后降雪强度显著增强。一年中以12月的降雪量最多且强度最大，冷流暴雪几乎都出现在12月。

(3) 小波分析表明了冷流降雪的多尺度时间变化特征，主要周期为4年、7年和17年左右，以7年和17年最为显著。

(4) 11月的渤海海温可作为山东半岛冬季冷流降雪量预报的前兆信号。当海温偏高时，降雪偏多的可能性较大，反之，则偏少。