1971—2016年新疆南部冷空氣過程頻數變化特征

謝 芳，劉海濤，張向軍，劉海紅，李建剛

（1.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆 烏魯木齊 830002；2.新疆維吾爾自治區氣象局，新疆 烏魯木齊 830002；3.和田市氣象局，新疆 和田 848000；4.民豐縣農業廣播電視學校，新疆 民豐 848500）

冷空氣特別是強冷空氣和寒潮是我國重大的災害性天氣之一，它具有發生頻率高、持續時間長、影響范圍廣、致災嚴重等特點。冷空氣過程的頻繁發生不僅會造成我國國民經濟、特別是農業生產的巨大損失，而且還會對環境及人們的生活、健康造成嚴重的影響和危害[1]。因此，加強對其發生規律的認識，并進一步作出較為準確的預報和預警，對防災抗災救災及減少國民經濟的損失有著重要的意義。

早期，陶詩言[2]對東亞冬季冷空氣活動做了研究，確定了影響我國的冷空氣源地。20世紀70年代，陳佑淑[3]對冷空氣標準進行討論并將冷空氣分為寒潮、強冷空氣、中等強度冷空氣及弱冷空氣4個等級，90年代，楊松[4]等發現東亞地區冬季冷空氣活動存在明顯的單周和準40 d活動的振蕩周期，仇永康[5]等使用1951—1989年冬半年的冷空氣活動資料按候、月、年統計分析了寒潮、強冷空氣、弱冷空氣的特征，指出全國寒潮以11月和3月最多，2月最少，寒潮和強冷空氣總和的強冷空氣過程的年頻數不僅有2～5 a的年際變動，而且有約為20 a的氣候變動，1970年以后冷空氣強冷空氣過程總的趨勢是逐漸減少的。任金聲[6]等以數值預報產品為基礎，結合預報經驗、運用天氣學、統計學、能量與診斷、人工智能和延伸預報等多種技術手段，通過綜合決策制作冷空氣過程中期預報。近年來，國內有許多研究者對不同區域的冷空氣特征做過研究[7-13]，黃煥卿[14]利用中國194站1951年1月1日—2003年5月31日逐日氣溫資料，發現全國大部中強冷空氣和寒潮年發生次數呈減少趨勢，但少部分地區出現中強冷空氣年發生次數增多趨勢，季節上冬季冷空氣發生次數同比秋、春兩季減少明顯。周琳[15-16]等利用1960—2010年我國384站逐日溫度資料研究指出我國單站冷空氣呈北多南少、北強南弱的分布特征，全國性冷空氣活動頻數在20世紀60年代和90年代顯著減少，而北方冷空氣活動頻數的年代際變化不大。

新疆南部行政上隸屬于新疆維吾爾自治區，系指天山主分水嶺以南的所轄地域，地理坐標界于73°40′～96°23′E 和 34°22′～45°05′N，占地面積131.895×104km2，它三面環山，中部形成塔里木盆地，盆地中有廣袤無垠的塔克拉瑪干大沙漠[17-19]，由于特殊的地形結構和地理位置，形成嚴酷的荒漠環境，氣候干旱，植被稀少，生態系統脆弱。新疆南部主要為林果、糧食、設施農業、多熟高效種植等相互融合發展的農業產業結構，冷空氣過程的科學預防對農業生產和經濟社會的發展極為重要。當前，在大力發展新疆經濟的歷史難得時期，有必要對新疆南部的冷空氣過程特征進行研究，總結掌握其發生規律，為準確預報、科學決策和防災減災提供參考依據。

1 資料與方法

1.1 資料

本文選取新疆南部資料連續且完整的50個國家級氣象觀測代表站（圖1），站點海拔高度在-48.7～3 556.3 m，研究范圍包括塔里木盆地及其東部的吐鄯托和哈密、紅柳河區域。從新疆氣象局氣象信息中心提取上述代表站1971年1月1日—2016年12月31日的逐日最低氣溫值，依據冷空氣國家標準[1]等級劃分原則將冷空氣過程分為弱冷空氣、中等強度冷空氣、較強冷空氣、強冷空氣和寒潮5個等級，各等級劃分指標見表1。同時，借鑒毛煒嶧等[20，21]研究烏魯木齊單站降溫過程、寒潮過程時提出的基本概念：降溫日、降溫過程初日、降溫過程終日、降溫過程、降溫持續日數、過程降溫幅度、過程最大24 h降溫、過程最大48 h降溫、過程最大72 h降溫、過程最低氣溫、過程最低氣溫距平。從一次冷空氣過程中的最大24、48 h和72 h降溫幅度以及過程最低氣溫等指標來判識冷空氣過程等級。

圖1 新疆南部50個國家級氣象觀測代表站分布

表1 冷空氣過程等級劃分指標

1.2 方法

統計得出新疆南部50個代表站46 a各等級的年、季、月發生頻數數據，利用克里格插值、趨勢、周期、突變等方法對其進行空間、時間變化分析。文中冷空氣過程年、季、月發生頻數為5個等級年、季、月數據的總合，新疆南部以50個單站數據的算術平均來代表，春、夏、秋、冬四季分別為3—5月、6—8月、9—11月、12—次年2月。空間分布基于50個單站年數據，使用SURFER軟件繪制等值線圖，趨勢分析采用線性傾向估計[22]，顯著性使用相關系數法判別，周期分析采用Morlet小波變換方法[23-24]，突變分析綜合使用Mann-kendall、滑動平均和累計距平法[25]聯合檢測，Mann-kendall、滑動平均顯著性用t檢驗法判定，累計距平顯著突變性結合信噪比法[26]判定。

2 結果分析

2.1 空間分布特征

1971—2016年新疆南部單站冷空氣過程（圖2a）年平均出現97～109次，自西向東南、自北向南、由東向西南逐漸增加，民豐—若羌一帶最多，巴侖臺、吐魯番最少，哈密-紅柳河在98～101次之間，阿圖什—喀什—莎車—皮山一線在101～104次范圍內，策勒—于田—民豐—若羌一帶冷空氣過程多達105～109次，民豐、若羌出現2個高值中心，中心值分別為107.4和108.3。弱冷空氣過程（圖2b）年平均65～97次，自西向東逐漸減少，克州、喀什、和田及阿克蘇區域內頻數最多，達86～97次，兩個高值中心分別是阿克蘇（中心值94.8）和葉城（中心值96.8），巴州、吐魯番、哈密地區逐漸減少，哈密地區最少（64～76次），其余較大范圍在76～86次之間。中等強度冷空氣過程（圖2c）年平均5～17次，阿克蘇、克州、喀什、和田4地區大致在5～12次，巴州、吐魯番較大范圍內在8～16次，巴音布魯克、托克遜、尉犁為局部高中心，中心值分別為16.1、14.6、14.3次，哈密地區在13～17次。較強冷空氣過程（圖2d）年平均0.4～16.1次，大多在1～5次，有8個站不足1次，由西向中、由東向中逐漸增加，3個高發中心依次為巴音布魯克、吐爾尕特和托克遜，中心值分別為16.1、12.5、8。強冷空氣過程（圖 2e）年平均0.8～5.2次，溫宿、葉城、澤普3站不足1次，46個站在1～5次，巴音布魯克為高中心，中心值5.2。寒潮（圖2f）發生頻數跨度較大，年均0.4～12.9次，喀什、阿克蘇、和田區域多在1～2次，巴州、吐魯番地區絕大多數站在2～4次，吐爾尕特—烏恰—塔什庫爾干以西和東部的哈密地帶在5～8次，巴音布魯克出現高值中心，中心值為12.9。

2.2 線性傾向率

圖2 1971—2016年新疆南部冷空氣過程年均發生頻數

1971—2016年新疆南部單站冷空氣過程年頻數傾向率（圖3a）總體為負值，呈下降趨勢，皮山、若羌形成負值高中心，中心值分別為-1.09次/10 a、-1.26次/10 a，若羌通過99%顯著性檢驗，其余站傾向率值＜1.0次/10 a，顯著性不明顯。弱冷空氣過程傾向率變化（圖3b）有差異，烏恰、民豐、吐魯番一帶傾向率為正值增加外，其余絕大部分站為減少趨勢，烏恰傾向率為2.84次/10 a，通過99.9%的顯著性檢驗，巴音布魯克、和碩、鐵干里克減少趨勢明顯，減少率分別為-2.03、-1.50、-1.49 次/10 a，均通過 95%以上顯著性水平檢驗。中等強度冷空氣過程（圖3c）除庫車、阿瓦提顯著增加外（0.877次/10 a和1.018次/10 a），其余絕大多數站為減少趨勢，尤以烏恰、皮山最為明顯，減少率分別為-1.516、-0.966次/10 a，均通過99%的顯著性水平檢驗。較強冷空氣過程（圖3d）巴音布魯克、巴侖臺、鐵干里克3站顯著增加，增加率分別為0.887、0.128、0.545次/10 a，吐魯番、托克遜、尉犁三站顯著減少，減少率分別為-0.702、-0.818、-0.771次/10 a，其余站變化趨勢不明顯。強冷空氣過程（圖3e）吐魯番、托克遜、尉犁、烏恰、策勒5站呈顯著下降趨勢，均通過95%顯著性檢驗，東坎、庫車、阿拉爾3站顯著增加，增加率分別為0.428、0.462、0.399次/10 a，均通過 95%顯著性檢驗。寒潮過程（圖3f）總體為負值、減少趨勢，烏恰、尉犁、民豐、吐魯番、鄯善、托克遜6站減少趨勢顯著，減少率分別為-1.332、-0.776、-0.63、-0.236、-0.423、-0.307次/10 a，均通過 99%顯著性檢驗，巴音布魯克線性增加，增加率為1.0次/10 a，通過95%顯著性檢驗，皮山線性增加率為8.0次/10 a，但未通過顯著性檢驗。

2.3 時間變化特征

2.3.1 持續日數頻率變化

由新疆南部冷空氣過程持續日數頻率變化（表2）看出，各等級冷空氣過程持續1～3 d的頻率較高，3 d以上隨著持續時間的增加頻率明顯下降。冷空氣過程、弱冷空氣過程持續1 d的頻率最高，分別達56.3%和62.1%，持續2 d的頻率分別為27.2%和24.1%，3 d的頻率分別下降到10.9%和9.2%，5 d以上不足1%。中等強度冷空氣過程持續2 d的頻率最高，占到40.3%，其次是1 d，占30.3%，持續3 d的頻率占到19.1%，6～7 d只有1%。較強冷空氣過程持續2 d的頻率最高（占55.1%），其次是1 d（占21.3%），持續3 d的頻率為16.7%，持續4～5 d頻率合計占5.7%，持續6～7 d的頻率為1.2%。強冷空氣過程持續2 d的頻率占到53.4%，持續3 d的頻率占到24.1%，1 d、4 d的占比分別為10.0%和8.3%。寒潮持續2 d的頻率略高于1 d，分別占34.8%和33.5%，合計占到68.3%，持續3 d的頻率為19.1%,持續4 d的頻率占到7.6%,5～6 d的頻率合計占到4.1%,7 d的頻率僅0.9%。

表2 新疆南部冷空氣過程持續日數頻率變化%

2.3.2 冷空氣過程的季節變化

新疆南部冷空氣過程年月頻數統計結果（表3）顯示,年內各等級冷空氣過程達103.2次,各月發生次數相當（8.5次）；弱冷空氣每年平均86.3次,占冷空氣過程總次數的83.6%,各月在6～8次之間,12月最多（7.8次）,4月最少（6.4次）；中等強度冷空氣過程年均10.4次,占冷空氣總次數的10.1%,4—9月月均1次,其余月不足1次；較強、強、寒潮三種等級冷空氣過程年均分別為2.5、2.3、2.2次,合計占冷空氣過程總次數的6.8%,較強冷空氣過程主要發生在5—8月,強冷空主要發生在4—5、9—10月,寒潮除5—9月少有外其余月合計占全年的75%。冷空氣過程、弱冷空氣春、夏、秋、冬四季出現頻率相接近（各占25%左右）,中等強度冷空氣過程夏季頻率最高（30.1%）,其次為春季（27.8%）,秋冬兩季分別為24.5%、17.9%,較強冷空氣夏季發生頻率高達57.9%,春秋冬三季依次為21.7%、14.9%、6.5%,強冷空氣過程春、秋兩季發生頻率較高,分別為40.1%、31.9%,夏季較少（5.4%）,冬季占到 20.6%,寒潮夏季發生頻率最少（僅0.8%）,冬季發生頻率最高（38.9%）,其次是春季（31.4%）,秋季占到全年的28.1%。

表3 新疆南部各月冷空氣過程出現頻數 次

2.3.3 年際變化

新疆南部冷空氣過程（圖4a）年際變化呈減少趨勢,減少速率為0.19次/10a,自20世紀90年代初期開始,冷空氣過程頻數發生由多到少的轉變,1983年最多（106.9次），其次是1986年，2011年最少（100.1次）；弱冷空氣過程（圖4b）呈略增加趨勢，增加速率為0.05次/10 a，1983年出現最多（91.5次），1974年最少，20世紀80年代初期由少向多轉變，90年代初期由多向少轉變；中等強度冷空氣過程（圖4c）呈略減趨勢，減少速率為0.05次/10 a，20世紀80年代中期至90年代中期偏多，1993年最多（12次），1996年最少；較強冷空氣過程（圖4d）增加趨勢不明顯，經歷多—少—多的變化，20世紀80年代末期至90年代末期偏少，1975年最多（3.6次），1989年最少；強冷空氣過程（圖4e）減少趨勢不明顯，2003年之前處于偏多階段，經歷多—少—多的變化，1994年最多（3.1次），2005年最少；寒潮（圖4f）呈顯著下降趨勢，減少速率為0.19次/10 a（通過95%顯著性水平檢驗），1996年之前偏多，之后偏少，最多年份出現在1974年（3.8次），2007年最少（1.2次）。

2.3.4 年代際變化

新疆南部各等級冷空氣過程年代際變化幅度不明顯（表4），冷空氣過程20世紀80年代最多，20世紀90年代、21世紀10年代（2001—2010年）小幅逐漸減少，2001—2010年最少，2011—2016年略有增加；弱冷空氣過程在20世紀70年代最少，80年代增加到最多，90年代起回落且基本穩定；中等強度冷空氣過程20世紀70、80年代持平，90年代略有下降，2001—2010年降至最少，2011—2016年增至最高；較強冷空氣過程20世紀70年代最多，80年代有所回落，2001—2010年有所增加并維持到2011—2016年；強冷空氣過程20世紀70年代最多，2001—2010年最少，2011—2016年略有增加；寒潮20世紀70年代最多，之后逐年代下降，至2001—2010年最少，2011—2016年維持不變。

2.3.5 周期變化

新疆南部冷空氣過程小波系數實部（圖5a）年代際振蕩貫穿整個低頻段，30a周期明顯，呈現出“偏少（未閉合）—偏多—偏少—偏多（未閉合）”的特點，該周期尺度段對應模值（圖5b）較大，周期信號強烈，年際尺度上1995年起準10 a、準5 a振蕩周期一直維持，2005年以后準10 a的周期信號較強烈。弱冷空氣過程小波系數實部（圖略）23a的準周期在年代際尺度上自始至終維持，時期上呈現出“偏少（未閉合）—偏多—偏少—偏多—偏少（未閉合）的”特點，1980年以前周期信號十分強烈，年際尺度上準10 a、準5 a的2個振蕩周期維持到2005年，此后逐漸合并為一個9～10 a的周期。中等強度冷空氣過程20 a的年代際準周期明顯且貫穿始終，呈現出“偏多（未閉合）—偏少—偏多—偏少—偏多（未閉合）”特點，1995年以前的周期信號較為強烈，年際尺度上準10 a年的周期1995年后縮短至8 a。較強冷空氣過程年代際尺度上1995年后表現出明顯的準25 a周期，15 a的振蕩周期則貫穿始終，年際尺度上1995年以前準10 a的周期明顯，準5 a的周期則貫穿始終，2000年以后8 a左右的周期信號十分強烈。強冷空氣過程小波系數實部（圖5c）年代際尺度上，1995年以前準33 a的周期較明顯，準17～20 a左右的周期自始至終存在，表現為3個偏多和3個偏少期，整個周期信號十分強烈（圖5d），年際尺度上1971—1985年間4～6 a的周期逐漸拉長為穩定的8 a周期。寒潮小波系數實部（圖5e）年代際尺度上，準23 a的周期十分清晰，年際尺度上1980年以前準10 a的周期信號十分強烈（圖5f），之后準7～8 a的周期持續到2016年，期間1988—1998年間準7 a的振蕩周期也較明顯。

表4 新疆南部冷空氣過程頻數年代際變化 次

2.3.6 突變變化

分別應用Mann-kendall、滑動平均和累積距平方法對1971—2016年新疆南部不同等級冷空氣過程進行突變檢測，Mann-kendall結果顯示：各等級下UF、UB曲線均在臨界線內有交點，冷空氣過程UF曲線在下降趨勢狀態下與UB曲線相交于1994年；弱冷空氣過程UF、UB曲線有2個交點，UF曲線在上升趨勢中與UB曲線相交于1975年，下降趨勢下與UB曲線在2008年相交；中等強度冷空氣過程UF曲線在下降趨勢中交點出現在1976年；較強冷空氣過程曲線兩次相交，UF曲線分別在下降、上升兩種趨勢下與UB曲線相交于1976年和2005年；強冷空氣過程UF曲線在下降狀態下與UB曲線相交于1999年；寒潮（圖6a）兩條曲線交點出現在1979年，相交時UF曲線呈下降趨勢?；瑒悠骄鶛z驗結果顯示：冷空氣、弱冷空氣、中等強度冷空氣、較強冷空氣、強冷空氣過程，在滑動步長n取3、5、7、10時，統計量t值均不顯著，寒潮（圖6b，曲線以Mtt表示）等級時，在步長n=3、5、7時，統計量t值最大點都出現在1979年，均通過99.9%的顯著性水平檢驗。累計距平檢驗結果顯示，除寒潮（圖6c）曲線峰點在1979年的信噪比Rsn=1.136（＞1.0）顯著性較明顯外，其余等級的峰（谷）值信噪比均不顯著。

圖5 1971—2016年新疆南部冷空氣過程Morlet小波系數實部和模值變化

圖6 1971—2016年新疆南部寒潮等級突變檢測

3 結論

（1）新疆南部特殊的地形作用決定著不同等級冷空氣過程的多寡，塔里木盆地南緣的策勒—于田—民豐—若羌一帶為冷空氣過程高發地，喀什—阿克蘇—和田的平原地帶為弱冷空氣過程的高發區域，吐爾尕特、塔什庫爾干高原站、巴音布魯克山區站和哈密、紅柳河風口站是中等及以上等級冷空氣過程的高發地帶。

（2）新疆南部冷空氣過程年均103.2次，隨著冷空氣過程等級的提高，頻數明顯減少，弱冷空氣過程86.3次占83.6%，中等強度冷空氣過程10.4次占10.1%，較強、強、寒潮分別為 2.5、2.3、2.2 次，合計占冷空氣過程總次數的6.8%。冷空氣過程、寒潮減少趨勢顯著，遞減率均為0.19次/10a，弱、中等、較強及強冷空氣過程增減趨勢不明顯。

（3）各等級冷空氣過程持續1～3 d的頻率高達87.4～95.4%，弱冷空氣過程持續1 d的頻率最高，達62.2%，中等強度、較強、強、寒潮持續2 d的頻率最高，分別達 40.3%、55.1%、53.4%、34.8%，3 d及以上的頻率隨著持續時間的增加明顯下降。

（4）新疆南部1970年代較強、強及寒潮出現最多，分別為2.8、2.4、2.9次，1980年代冷空氣過程、弱冷空氣過程最多，分別為103.8、86.6次，2001—2010年中等強度及強冷空氣過程、寒潮發生最少，近6 a（2011—2016年）中等強度冷空氣過程最多，10.8次。弱冷空氣過程四季發生頻數各約25%，中等、較強冷空氣夏季頻率最高，分別占30.1%和57.9%，冬季最少，強冷空氣過程春季最高（40.1%）、秋季次之（31.9%），夏季最少，寒潮冬季最高（38.9%）、春季次之（31.4%）、夏季最少。

（5）總體上冷空氣過程具有30 a和10 a的年代際、年際周期，弱冷空氣過程、寒潮年代際上有準23 a的周期，年際上有8～10 a的周期，中等強度冷空氣過程有準20 a和8～10 a的周期，較強冷空氣過程15、5 a周期貫穿始終之外還有25 a、8～10 a的周期，強冷空氣過程年代際上有準17～20 a的周期，年際上4～6 a的周期轉變為8 a?；瑒悠骄⒗塾嬀嗥椒▽θ?、中等、強、較強等級冷空氣過程的突變檢測顯著性不明顯，三種突變方法共同檢測出寒潮在1979年出現顯著的減少突變。