引言

冰冻现象主要由雨凇、雾凇、湿雪冻结而成的天气状况^[1]。我国大部分地区冰冻天气以雨凇或雾凇为主。随着社会经济的发展，工农业生产及人民生活对冰冻天气也变得越来越敏感。随着电力、通讯网络的快速发展，冰冻作为一种重要气象灾害对我国社会经济的影响越来越大^[2]。2008年1月10日至2月2日，我国大部尤其南方地区连续遭受四次低温雨雪冰冻天气过程^[3-4]。据统计，这次低温雨雪冰冻灾害天气过程共造成1亿多人受灾，直接经济损失超过1100亿元。

中国年平均雨凇日数的分布特点是南方较北方多，潮湿地区较干旱地区多，山区比平原多；年平均雾凇日数的分布形式也是高山比平原多，湿润地区比干旱地区多，但北方雾凇日数比南方多^[5]。已有研究针对部分省(市)局地冰冻天气气候特征开展分析。湖南省的冰冻天气以雨凇为主，多冰区和少冰区的分布与湖南的山地走向一致，从20世纪70年代起冰冻天气的频次和强度都有减小的趋势^[6]。贵州省的冰冻日数从西向东，从中部向南北两侧递减，受地形影响较大^[7]。20世纪60年代末到20世纪80年代中期贵州冰冻天气较频繁，20世纪80年代中期开始下降^[8]。河南省东部平原的南部电线积冰发生频率高于北部，在西部山区，东部边缘丘陵区大于西部深山区；同纬度的西部山区电线积冰发生频率小于东部平原^[9]。地处鄂西和川东的三峡地区，是我国典型的雾凇覆冰区，以雾凇为主，海拔高度超过800 m的山垭口及风口，覆冰特别严重^[10]。

以往的研究主要关注局地冰冻天气的分布和气候变化特征^[11-14]，而对全国范围的冰冻天气的气候特征研究仍然不足。同时，在全球变暖的背景下，冰冻天气的频次和强度如何变化也值得关注。由于冰冻天气对交通运输、电力传输、通讯设施、农业及人民群众生活都会造成严重影响，研究全国范围冰冻天气的气候变化特征，将为工农业生产布局的规划提供气象依据，并为冰冻灾害的评估和预评估服务提供基础。

1 资料和方法

所用的资料包括1961—2008年全国603个站点的雨凇和雾凇天气现象观测资料，其中出现雨凇现象的站点385个，出现雾凇现象站点444个，既出现雨凇又出现雾凇现象的站点348个。1961—2008年全国603个站点的日平均风速、相对湿度和日平均气温资料。1961年以来全国623个站点的电线结冰观测资料，选取其中资料长度在30年以上的283个站点。电线结冰资料中包括南北和东西向的资料，选取两者中的最大值作为当日电线结冰重量。

利用经验正交分解方法(EOF)^[15]研究全国冰冻天气日数的空间变化特征和时间变化规律。由于电线结冰的密度在不同天气条件下有所不同，本文将实际冰厚折算为密度为0.9 g·cm^-3时的冰厚值^[16]，计算公式为：

${b_{0.9}} = \sqrt {\frac{{W \times {{10}^3}}}{{0.9\pi }} + \frac{{{d^2}}}{4}} - \frac{d}{2}$

(1)

其中，b_0.9表示密度为0.9 g·cm^-3时的标准冰厚(mm)；W为每米电线的覆冰质量(kg·m^-1); D为电线直径(mm)。

2 冰冻天气空间分布特征 2.1 雾凇和雨凇的空间分布

冰冻天气由雨凇和雾凇组成，但雨凇和雾凇日数的空间分布有所不同。雾凇主要出现在长江以北地区，东北、华北、黄淮、江淮西部、江南北部、西北大部以及内蒙古大部、四川南部、贵州西部、福建东南部等地一般有1~5天，其中，黑龙江西南部和北部、内蒙古东北部、北疆及部分高山区年雾凇日数在10天以上。北疆是我国雾凇日数最多的地区，部分地区超过30天。长江以南地区除了江南北部及贵州西部、福建东部外，大部分地区较少出现雾凇(图 1)。

雨凇主要分布在西北地区东南部、黄淮西部、江汉、江南中西部、西南地区东部等地，其中西南地区东部尤其是贵州中西部的年雨凇日数在5天以上(图 2)。年雨凇日数最多的台站是四川峨眉山气象站，平均每年出现134.6天，其次是湖南南岳站62.27天，第三位是贵州威宁站48.8天。北方地区的雨凇较少，干旱地区尤其少见。北方雨凇最多地方是甘肃通谓华家岭，多年平均25.7天。新疆西北部和吉林长白山区雨凇日数也相对较多。

2.2 冰冻日数的分布特征

我国大部分地区都有冰冻天气出现，东北中部、华北东部、西南地区东南部以及新疆北部、内蒙古东北部、甘肃南部、陕西中部、安徽南部等地年平均冰冻日数在10天以上。冰冻日数最多的台站是四川峨嵋山，平均每年出现148.0天，其次是吉林天池95.8天，第三位是山西五台山89.2天。

我国冰冻天气主要发生在11月至3月，1月的频数最大，12月次之。冬季(12—2月)的冰冻日数最多，全国大部分地区都有冰冻发生，新疆北部、内蒙古东部局地、四川南部局地冻日数有5~10天，新疆北部的部分地区在10天以上。春季和秋季冰冻天气发生频数相对较小。春季，冰冻天气主要发生在吉林东南部、山西北部。秋季，冰冻天气主要发生在山西北部和吉林东南部。夏季(6—8月)冰冻的发生频数最小，我国大部分地区没有冰冻发生，只有高海拔地区受地形影响有冰冻发生。

很多研究指出冰冻天气受气温、湿度和风速影响较大^[17-18]。利用全国603个站点的历史日平均气温、湿度和风速，发现有利于冰冻发生的日平均气温集中在-26~3 ℃之间，0 ℃最适宜冰冻生成。日平均风速集中在小于或等于6 m·s^-1范围内，冰冻发生频次最大的日平均风速为1.5 m·s^-1。日平均相对湿度集中在大于等于70%的范围内，冰冻发生频次最大的日均相对湿度为80%。可见，低气温、较小的风速和高湿条件有利于冰冻的生成。因此冰冻天气大多发生在高海拔和相对湿度较大地区，发生季节主要在冬季。

冰冻天气的危害程度与冰冻天气持续时间有关。最长持续冰冻日数在10天以上的区域位于东北中部以及新疆北部、内蒙古东部、陕西中部、四川南部、湖南。全国最长连续冰冻日数出现在高海拔地区，四川峨眉山从1969年11月11日至1970年4月6日共持续144天(图 3)。

冰冻天气受地形、地貌影响较大。一般而言，山区比平原多，高山最多。年冰冻日数30天以上的台站海拔高度都在500~3100 m。随着海拔高度的增加，冰冻日数也有增加趋势，最大冰冻日数出现在海拔3084.6 m的峨嵋山，但海拔3100 m高度以上站点出现冰冻天气日数不超过20天。雾凇受海拔高度影响比雨凇更为显著。

3 电线结冰厚度的气候分布

由于冰冻天气导致的电线结冰对电网的安全运行威胁很大，电线结冰厚度的空间分布规律尤其是重冰区的区划对输电线路的设计具有重要意义。电线结冰厚度较严重的区域主要位于东北东南部及山西北部、山东西部、安徽南部、重庆东部、湖北西部等地，其中重庆东部和湖北西部最为严重。

1961—2008年全国电线结冰最大厚度的空间分布与多年平均冰冻厚度、冰冻日数、最长持续冰冻日数的空间分布具有一致性(图 4)。最大厚度在20 mm以上的区域主要出现在东北东南部及内蒙古东北部、河北南部等地。全国最大冰冻厚度出现在2004年12月28日湖南南岳。影响电线结冰厚度的因素较多，如地形地貌、地理环境、海拔高度、风向、风速等^[19]。由于本文所用资料来自气象站点的电线结冰观测，而气象站点大多数位于人口居住地，海拔高度较低或受城市下垫面影响，不能完全反映我国冰冻强度的空间分布情况。

4 冰冻日数及电线结冰最大厚度的变化趋势

在全球变暖的气候背景下，冰冻天气的发生频次和强度的变化特征值得关注。对1961—2008年全国年冰冻日数做EOF分析，EOF第一模态方差贡献为46.0%，第二模态方差贡献为8.2%，第三模态方差贡献为6.3%。EOF第一模态的空间特征为全国大部分地区一致性变化，其中新疆北部、黑龙江、吉林、山西北部等地变化振幅较大。新疆、甘肃、辽宁南部、黄淮、西藏南部的部分地区有反位相的变化特征(图 5)。EOF第一模态对应的时间序列在20世纪80年代末从正位相转变为负位相，表明全国大部分地区年冰冻日数有减少的趋势。年冰冻日数最大值11.2天发生在1964年。

1961—2008年全国年最大结冰厚度的长期变化趋势分析表明，全国大部分地区年最大结冰厚度有增加趋势，尤其是东北南部以及贵州、湖南、安徽南部等地；但华北西部、黄淮西部、江淮西部等地的年最大结冰厚度有减小趋势(图 6)。

5 总结和讨论

本文利用1961—2008年全国雨凇、雾凇天气现象观测资料，研究了全国冰冻天气的气候特征和变化规律。此外，还利用全国电线结冰资料，研究冰冻天气对电线结冰的影响。结果表明：

全国冰冻天气主要出现在东北大部、华北、西南地区东南部、西北地区东南部以及新疆北部、内蒙古中东部；其中雾凇主要出现在北方地区，雨凇主要出现在南方。年冰冻日数随海拔高度增加而增加，但海拔3100 m高度以上冰冻日数不超过20天。

新疆北部、内蒙古东部、陕西中部、四川南部、贵州中部最长持续冰冻日数在10天以上。冰冻厚度较大的地区主要位于东北东南部、华北东部、西北东南部、西南地区东部、江南东北部。

1961—2008年全国大部分地区年冰冻日数有减少趋势，20世纪80年代末后尤其显著。但我国大部分地区年最大冰冻厚度有增加趋势。这表明，在全球气候变暖背景下，我国大部分地区冰冻天气发生频次减少，但强度增强。

由于现有的电线结冰观测点数量较少，并且大多位于低海拔地区，不能完全反映高海拔和地形复杂地区的冰冻天气情况。例如青海大部分地区气候干燥，覆冰较轻，但局地由于湖泊、地形等影响，形成局部湿润气候，也属于重覆冰区^[20]。已有研究表明冰冻天气的发生与日平均气温、相对湿度和风速有关^[21-22]，但冰冻厚度与日平均气温、相对湿度、风速的定量关系还不清楚。因此，有必要进一步根据气象要素和电线结冰厚度之间的关系建立电线结冰模型，从而更好地反映全国冰冻天气强度的空间分布。这对于输电线路、交通线路的规划设计等具有重要意义。