塔里木盆地區域寒潮的氣候變化特征及大氣環流異常分析

劉 精，樊 靜，江遠安，余行杰

（1.新疆氣候中心，新疆 烏魯木齊 830002；2.新疆農業氣象臺，新疆 烏魯木齊830002）

寒潮是新疆冬春秋三季常發生的災害性天氣，往往伴隨著劇烈降溫、大風、雨雪、霜凍等情況，對林果越冬、春播春種、畜牧轉場等農業、畜牧業、林果業生產活動造成巨大損失[1]，而農業、畜牧業、林果業是新疆主導經濟產業，對新疆的經濟發展起到重要作用，因此寒潮天氣發生發展、氣候特征等備受當地政府及相關從業者重視。關于寒潮的研究很關闊，丁一匯、張培忠等[2-3]研究總結侵入我國的冷空氣源地主要有3個，侵入路徑主要有4類；陳豫英、丁一匯等[4-8]針對某一時刻的寒潮災害性天氣過程進行診斷分析，揭示出單次寒潮過程的傳播途徑、爆發機制及環流特征等特點；近些年，許多學者就地區性與全國性寒潮天氣的氣候變化特征及影響因子進行了研究，如李向紅、江遠安等[9-14]對地方性的寒潮的氣候變化特征進行了研究，結果表明不同地區的寒潮頻次、強度的變化趨勢不全相同，為地區預報預測、氣象服務豐富氣候背景及依據，衛俊宏、魏鳳英等[15-18]以全國性寒潮為研究對象，指出近幾十年間全國冬春季寒潮事件存在減少趨勢，其與北極濤動（AO）位相增強、冬季增溫、西伯利亞高壓減弱、冬季風強度減弱等因素有密切聯系。新疆區域性寒潮過程研究豐富，但多針對新疆北部及天山山區等地[19-21]且采用的寒潮標準多按照《寒潮等級GB/T 21987-2008》，由于目前在冷空氣（寒潮）過程監測預測業務中皆執行最新行標（QX/T 393-2017）的規范標準，且鑒于塔里木盆地幅員遼闊、自然環境惡劣、生態修復能力弱，其特色支柱產業主要為棉花產業、特色林果等[22-24]，因此在新標準及業務要求下，探討研究基礎薄弱的塔里木盆地區域寒潮的氣候變化特征及其環流異常特點是滿足業務發展、監測評估、預報服務的必然需求，且對提升寒潮過程防災減災能力有重要意義。

1 資料與方法

1.1 資料

美國國家環境預報中心和國家大氣研究中心（NCEP/NCAR）提供的1961—2016年高度場的逐日再分析資料，水平分辨率為2.5°×2.5°。

根據地理位置、地形特征及研究目的，選取新疆天山脊線以南的43個基本氣象站1961—2016年逐日最低氣溫和日平均氣溫資料（圖1）。

圖1 塔里木盆地氣象站點分布

1.2 寒潮過程標準

QX/T 393-2017文件中冷空氣過程監測指標為：

單站冷空氣等級：依據單站降溫幅度和日最低氣溫確定該站的冷空氣強度等級（表1）。

區域性冷空氣過程判定：至少連續2 d且每日監測區內≥170個監測站點（用于國家級）或監測區域內≥20% （用于區域或省級）的監測站點出現中等及其以上強度的單站冷空氣，則為一次區域性冷空氣過程。滿足區域性冷空氣過程判定條件的首日為區域性冷空氣過程開始日，不滿足區域性冷空氣過程判定條件的首日為區域性冷空氣過程結束日。

2 氣候變化特征

2.1 單站寒潮頻次時空分布特點

通過統計塔里木盆地43站的年均寒潮頻次（圖2a）可知，年均寒潮頻次在空間分布上存在顯著差異，多表現為北部多于南部、山區，山區多于平原，其中烏恰（5.2次）、紅柳河（6.5次）、庫米什（6.9次）、吐爾尕特（7.4次）、塔什庫爾干（7.8次）、巴音布魯克（11.8次）6站年均寒潮頻次在5次以上，其余各站年均寒潮頻次均不足4次。

表1 單站冷空氣強度等級劃分

利用線性回歸方法計算各站近56 a的寒潮頻次變化趨勢（圖2b）可知，巴侖臺、阿合奇、阿瓦提、岳普湖、莎車、葉城、澤普、皮山、和田、紅柳河等10站寒潮頻次無明顯變化；烏什、庫車、阿拉爾、塔什庫爾干、哈密、鐵干里克、若羌、和碩、巴音布魯克等9站寒潮頻次存在增加趨勢，趨勢系數為0.01～0.07次/a，其中巴音布魯克、和碩的增加趨勢明顯，趨勢系數通過0.05的顯著性檢驗；其余24站寒潮頻次存在減少趨勢，趨勢系數為-0.13～-0.01次/a，其中吐魯番市、巴州北部平原、和田地區東部、喀什地區北部及克州西部山區共13站的減少趨勢顯著，通過0.05的顯著性水平檢驗。

圖2 塔里木盆地單站年均寒潮頻次（a）與單站寒潮頻次線性變化趨勢（b）

應用EOF分析對塔里木盆地近56 a的寒潮頻次進行時空分解，根據第一模態特征向量空間分布可知（圖3a），特征向量在全區均為正值，說明塔里木盆地寒潮頻次具有一致的變化趨勢，即各站全年寒潮頻次要么一致偏多，要么一致偏少，其中特征向量的高值區（≥20）在東部和西部邊緣，表明該區域的寒潮頻次變率較大，此類分布型與新疆地形有密切聯系，由于天山山脈及帕米爾高原的阻擋，侵入塔里木盆地的冷空氣很少能直接越山進入盆地，只有小股冷空氣通過西部邊緣的山口進入盆地，冷空氣主力通常從河西走廊西部由東向西灌入盆地[1]。

根據EOF第一模態的時間系數逐年變化（圖3b）可知，寒潮頻次在20世紀80年代之前以偏多為主，1966年出現寒潮頻次的極大值，80年代后以偏少為主，1997年出現寒潮頻次極小值，線性擬合趨勢表明，年寒潮頻次整體存在顯著下降趨勢，趨勢系數為-0.16，通過0.05的顯著性檢驗；結合其M-K突變檢驗（圖3c）中UF曲線可知，自80年代以來，這種減少趨勢超過顯著性水平0.05的臨界線，減少趨勢十分明顯，且根據UF和UB曲線交點位置可知，年寒潮頻次由偏多轉為偏少的突變現象自1980年左右開始，進一步采用滑動t檢驗（圖3d）進行驗證可知，時間系數的t統計量在70年代后期至80年代初期超過0.05顯著性水平，表現為負值，說明塔里木盆地年寒潮頻次在70年代后期至80年代初期經歷了一次由偏多到偏少的明顯轉變。

2.2 區域性寒潮過程統計分析

2.2.1 寒潮過程頻次

1961—2016年，塔里木盆地共發生區域性寒潮過程125次，平均每年發生2.2次，呈弱的減少趨勢，趨勢系數為-0.01次/a，未通過0.05顯著性檢驗；寒潮過程頻次年際分布不均（圖4a），主要在1～4次之間波動，且只在20世紀80年代以前有3 a超過4次，即1966年（5次）、1974年（5次）和1976年（6次），80年代以后年寒潮過程頻次再未出現多于4次的情況；1970年、1984年、1985年、1992年、1997年及2007年未出現寒潮過程。

寒潮過程頻次在各月的分布顯示出（圖4b），區域性寒潮過程在一年中6—8月以外的9個月中均有發生，月際分布存在3個明顯峰值區，即4月寒潮過程頻次最多，達22次，占總頻次的17.6% ，其次為2月、10月，均為21次，均占總頻次的16.8% ；5月、9月最少，分別為4次、6次，分別占比3.2% 、4.8% 。

進一步采用標準Morlet小波變換分析近56 a塔里木盆地區域性寒潮過程年頻次的周期變化（圖5），塔里木盆地區域性寒潮年頻次存在14～16、7～9、4 a左右的周期變化。長周期在20世紀60年代主要表現為12 a，自70年代開始穩定表現為14～16 a，且隨著時間的推移，周期呈現增大趨勢；中長周期自70年代后期開始，在2000年前主要表現為7～8 a，在2000年后主要表現為8～9 a；4 a左右的短周期在整個研究時段穩定存在，在60年代后期至70年代前期、2005年后主要表現為2-3 a，在其余時段均表現為4 a。

圖3 寒潮頻次EOF第一模態（a）對應的時間系數（b）及其突變檢驗（c,d）

圖4 塔里木盆地區域性寒潮過程頻次年際變化（a）及月際變化（b）

圖5 塔里木盆地區域性寒潮過程年頻次的小波變化

2.2.2 寒潮過程持續日數

塔里木盆地125次區域性寒潮過程持續日數在2～5 d（1962年1月14—18日、1969年1月26—30日、2012年1月18—22日3場寒潮過程的持續日數達5 d），平均單次寒潮過程持續2.4 d。持續日數在2 d的寒潮過程最多，占寒潮過程總數的68.8% ，達86次；其次為持續3 d的寒潮過程，占比25.6% ，共32次；持續日數在4、5 d的寒潮過程分別有4次、3次，占比均不足4% （表2）。

表2 不同持續日數下的區域性寒潮過程頻數及其占比

進一步統計各月區域性寒潮過程的平均持續日數，結果表明：冬季后2個月的寒潮過程平均持續時間普遍偏長，其中1月持續時間最長，為3 d，12月次之，為2.8 d；3月、9月持續時間最短，均為2 d；其余各月均為2.3 d（表3）。

表3 各月區域性寒潮過程的平均持續日數

2.2.3 寒潮范圍

本文以每次區域性寒潮過程中出現中等及以上強度冷空氣的站數表示該次寒潮范圍，統計可知，塔里木盆地125次區域性寒潮過程范圍在13～42站（1975年12月8—11日、1994年4月30日—5月2日、2014年10月10—12日寒潮范圍達42站），平均單次寒潮范圍為26站，占總站數的60.5% 。計算各月平均寒潮范圍可知，5月寒潮范圍最大，為33站，占總站數的76.7% ；2月最小，為22站，占總站數的51.2% ；其余各月均為24～29站，占總站數的55.8% ～67.4% （表4）。

表4 各月區域性寒潮過程的平均范圍及其占比

進一步將寒潮范圍劃分為8個等級，并分別統計各等級內的寒潮過程頻數，知寒潮范圍大于等于總站數的40% 且小于50% 的寒潮過程最多，共有33次，占總頻數的26.4% ；其次為寒潮范圍大于等于70% 且小于80% 的寒潮過程，共有23次，占比18.4% ；寒潮范圍在30% 以內的寒潮過程未出現；其他等級內的寒潮過程在11～17次，占比在8.8% ～13.6% 。總體而言，塔里木盆地易發生寒潮范圍在50% 及以上的區域性寒潮過程，此類寒潮過程共達77次，占寒潮過程總數的61.6% （表5）。

在此需說明的是在寒潮過程中，沒有達到中等及以上強度冷空氣標準的站點也有或多或少的降溫，因此“寒潮范圍”與“寒潮影響范圍”是2個不同的概念。

表5 不同寒潮范圍等級內的寒潮過程頻數及其占比

3 塔里木盆地區域性寒潮過程對應的500 hPa高度距平場特征

對塔里木盆地125次區域性寒潮過程對應的500 hPa高度場進行合成分析，由圖6可知，亞洲環流場呈“一脊一槽”型分布，脊區位于烏拉爾山一帶，槽區呈東北—西南走向，位于貝加爾湖—新疆東部一帶，新疆處在脊前西北氣流控制下；與相應時間的500 hPa氣候平均高度場做距平差值可以看出，烏拉爾山存在顯著正變高中心，貝加爾湖—新疆東部存在顯著負變高中心，說明在塔里木盆地發生區域性寒潮時，常常有烏拉爾山脊發展，其引導脊前高緯度地區的冷空氣向下游低槽中匯集，促使新疆東部低槽發展，造成冷空氣通過翻山、東灌等方式影響塔里木盆地，致使盆地出現區域性寒潮過程。

各月區域性寒潮過程的500 hPa高度距平場基本上均在烏拉爾山—新疆東部呈現出正—負的距平分布特點，烏拉爾山脊的位置、強度等對脊前北風帶影響顯著，從而影響新疆寒潮爆發時間、強度等[1]。

圖6 區域性寒潮過程的500 hPa高度場（實線，單位：gpm）與距平場（陰影，單位：gpm）

烏拉爾山平均正變高中心經度為67.5°E，緯度為55.0°N，統計烏拉爾山正變高中心經緯度的月際變化可知，3月、9月、10月及12月的正變高中心經度較平均正變高中心經度偏東2.5°～7.5°，其余5個月偏西5°以上，其中5月、11月偏西幅度在20°以上，分別為22.5°、25°；1月、4月、11月正變高中心緯度與平均正變高中心緯度重合，2月、10月偏南2.5°、5°，3月、5月、9月、12月偏北2.5°～5°。結果表明寒潮發生頻數偏多的月份（1月、2月、4月與10月），烏拉爾山正變高中心經度接近平均正變高中心或偏南（圖7a），利于區域性寒潮過程的發生。

烏拉爾山平均正變高中心強度為72.1 gpm，統計烏拉爾山正變高中心強度的月際變化可知，2月、10月的正變高中心強度分別為57.1 gpm、31.4 gpm，弱于平均正變高中心強度，其余7個月均偏強，偏強幅度在8.6～88.2 gpm；結合各月寒潮范圍距平可知，烏拉爾山正變高中心強度距平與寒潮范圍距平的變化具有良好的一致性，一致率達到77.8% （圖7b），即烏拉爾山正變高中心強度偏強時，利于出現寒潮范圍偏大的區域性寒潮過程。

4 結論

圖7 各月烏拉爾山正變高中心位置（a）及強度距平（b）的分布

（1）由于地形特點，塔里木盆地單站年均寒潮頻次有北部多于南部、山區，山區多于平原的分布特征，絕大部分站點的年均寒潮頻次在4次以下；半數以上站點的寒潮活動在近56 a有減少趨勢，尤其是吐魯番市、巴州北部平原、和田地區東部、喀什地區北部及克州西部山區，通過0.05的顯著性檢驗；各站的寒潮活動主要表現為一致多發（少發）的同步變化特征，且在1980年左右經歷了由偏多到偏少的明顯轉變。

（2）近56 a，塔里木盆地區域性寒潮過程共計125次，平均每年發生2.2次，多在4月、2月、10月發生，整體呈弱的減少趨勢，且有14～16、7～9、4a左右的明顯振蕩。塔里木盆地最易發生持續日數在2d、寒潮范圍達半數以上站點的區域性寒潮過程，其中1月寒潮過程持續時間最長、3月與9月最短，5月寒潮范圍最大、2月最小。

（3）塔里木盆地發生區域性寒潮時，亞洲500 hPa環流場呈“一脊一槽”型，高度距平場在烏拉爾山—新疆東部穩定存在顯著的正—負分布中心，其中烏拉爾山平均正變高中心經度為67.5°E，緯度為55.0°N，強度為72.1 gpm。烏拉爾山正變高中心位置接近平均正變高中心位置或偏南時，利于區域性寒潮的爆發；正變高中心強度距平與寒潮范圍距平的變化具有良好的一致性。