石河子地區(qū)終霜凍變化特征分析

（新疆石河子地區(qū)氣象局，石河子，832000） 劉 蘭 劉 莉

新疆天山北坡帶中部石河子墾區(qū)屬于干旱和半干旱地區(qū)，是全國主要優(yōu)質(zhì)棉生產(chǎn)基地。其中春季寒潮過后強降溫和大雪天氣將給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、電力、交通運輸和人民生命財產(chǎn)等帶來嚴重危害，造成巨大損失，春季寒潮天氣造成的終霜凍是本區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)關鍵期最嚴重的災害性天氣之一，因此做好終霜凍天氣預報和服務，對防災減災更有重要意義。

新疆北疆石河子屬溫帶大陸干旱性氣候，是新疆維吾爾自治區(qū)直轄市，終霜凍日出現(xiàn)日期也大不相同。每年春季最后一次出現(xiàn)的霜凍稱為終霜凍。春季是冬夏的過渡季節(jié)，冬夏環(huán)流特征兼而有之，冬季以極鋒環(huán)流為主，夏季以副熱帶鋒區(qū)環(huán)流為主，春溫極不穩(wěn)定，入春后的氣溫隨冷空氣的頻繁入侵而明顯降低，尤其是在晴朗無風的夜間或清晨，輻射散熱增多，每年春耕春播季節(jié)，棉花等農(nóng)作物播種后，地面和植株表面溫度迅速下降，當植株體溫降至0℃以下時，植株體內(nèi)細胞會脫水結冰，遭受霜凍危害農(nóng)業(yè)損失最大。

從沿天山一帶烏奎沿線一帶的平原地區(qū)，冷空氣從北方南下，一般能夠順利地從北向南推進，因而霜凍形成時大體也連成一片。終霜凍日期線基本上是平行的自北向南走向，終霜凍愈遲，無霜凍期越長；愈往南霜凍期就愈短。石河子墾區(qū)處于沿天山北坡帶中部，受冷空氣影響不是很大，北部炮臺、莫索灣和南部烏蘭烏蘇、石河子市出現(xiàn)終霜凍差異不明顯。

1 石河子地區(qū)霜凍的變化趨勢

根據(jù)近55年石河子地區(qū)4個站1961～2016年平均終霜凍日進行了統(tǒng)計（表1)，該地區(qū)平均終霜凍日為4月13日～4月22日，平均終霜凍日最早出現(xiàn)于烏蘭烏蘇位2 月29 日，最晚出現(xiàn)在石河子在5 月31 日。全地區(qū)初霜凍平均出現(xiàn)在9 月30 日～10 月5日，最早初霜凍日在9月4日～9月7日，最早出現(xiàn)在烏蘭烏蘇和炮臺為9 月4 日；最晚出現(xiàn)在莫索灣為11 月10 日。全地區(qū)無霜凍期平均161.5～175.9d，最長為206～235d，最短出現(xiàn)在烏蘭烏蘇；最長出現(xiàn)在莫索灣。從終霜日變幅來看，變幅最大值在炮臺為81d；最小值在莫索灣為56d。

表1 1961年～2016年石河子終霜凍的終、初日及無霜凍期

2 石河子市、烏蘭烏蘇終霜凍歷年距平變化特征

圖1 1954年～2016年石河子市歷年終霜凍距平線性趨勢圖

圖2 1964年～2016年烏蘭烏蘇歷年終霜凍距平線性趨勢圖

根據(jù)近55 年來終霜凍歷年距平變化特征分析石河子市和烏蘭烏蘇（圖2、圖3）80 年代后每三年偏晚后轉偏早一年，再連續(xù)偏晚三年后轉偏早三年的趨勢，推后趨勢明顯，90年代后偏早幅度加大，偏晚四年后轉偏早一年的趨勢，大部分時間終霜凍呈提前趨勢。其它時間一年早一年晚，呈越來越早趨勢。

2.1 炮臺、莫索灣終霜凍距平的變化趨勢

2.1.1 年際變化趨勢

根據(jù)近55 年石河子墾區(qū)炮臺和莫索灣站終霜日距平曲線變化趨勢（圖4～圖5），大部分時間終霜凍呈提前的趨勢，除1979、1989、2005、2006 年接近歷年平均值；2000 年后偏早兩年偏晚兩年，2010 年后期一年偏早然后接近歷年再偏晚一年，總體呈越來越早趨勢。

圖4 1955年～2016年炮臺歷年終霜凍距平線性趨勢圖

圖5 1959年～2016年莫索灣歷年終霜凍距平線性趨勢圖

2.1.2 石河子墾區(qū)終霜凍出現(xiàn)情況

從NCEP 資料統(tǒng)計石河子墾區(qū)各地從三月、四月、五月來看，三月、五月出現(xiàn)終霜凍幾率較低，4月出現(xiàn)頻次幾率最高分別38次，36次，44次，39次。

表2 1959年～2016年石河子墾區(qū)出現(xiàn)冬霜冬頻次情況表

2.2 年代際變化趨勢

從年代際變化來看（表2），對終霜凍而言，20世紀60年代大部分站的終霜日接近平均終霜凍日；20世紀70年代各站終霜日較平均值明顯推后，推后1～9d，石河子市推后最明顯；20 世紀80 年代各站終霜日較常年石河子市推后12d，其他地方提前幅度明顯小于70 年代，推后1～4d；20 世紀90 年代變化趨勢較復雜，石河子、烏蘭烏蘇推后3～8d，炮臺持平，莫索灣提前3d，21 世紀10 年代石河子、烏蘭烏蘇終霜日均明顯提前，提前1～8d。石河子地區(qū)終霜凍日期20世紀70年代、80年代呈明顯推后趨勢，21世紀10年代呈明顯提前趨勢。2011年到目前也是呈明顯提前趨勢。

表3 石河子地區(qū)終霜凍的年代際變化

3 石河子墾區(qū)終霜凍的天氣類型

從石河子墾區(qū)Ncep 歷年有終霜凍資料以來出現(xiàn)高空、地面環(huán)流形勢圖，在終霜凍出現(xiàn)前三到五天，歐亞中高緯度維持兩脊一槽型、一脊一槽型、西北氣流型，持續(xù)冷槽型或北支槽發(fā)展東南下型，且關鍵區(qū)內(nèi)的5個經(jīng)緯距內(nèi)有≥3根等高線和等溫線，降溫幅度與鋒區(qū)強度及持續(xù)時間呈正相關關系。

從1961～2016 年55 年里石河子墾區(qū)出現(xiàn)終霜凍常見環(huán)流形勢統(tǒng)計出現(xiàn)兩脊一槽型共有17次，一脊一槽（渦）型有16次，西北氣流型或北支槽發(fā)展東南下型有15次，持續(xù)冷槽型有5次。

圖6 兩脊一槽型

圖7 一脊一槽（渦）型

圖6 兩脊一槽型這種環(huán)流形勢經(jīng)向度大，里咸海、貝加爾湖分別為高壓脊，西西伯利亞至巴湖為低槽，冷空氣強度較強，配合高空鋒區(qū)強。冷空氣強度較強，從海平面氣壓場上可以看出冷空氣最先位于歐洲北部，逐漸東南下，屬于西北路徑，冷中心強度一直為1 032hpa，進入巴湖時達到1 036hpa，先南下再東移進入我區(qū)。這種環(huán)流形勢下造成我區(qū)終霜凍的影響系統(tǒng)是主要西西伯利亞低槽（渦）占16/17，里咸海低槽占1/17；這種環(huán)流下地面高壓中心最大范圍1 024～1 040hpa。

圖7 一脊一槽型這種環(huán)流形勢經(jīng)向度大，里咸海為高壓脊，高壓脊西西伯利亞至巴湖為低槽（渦），主槽偏北一些，冷空氣強度中強。從海平面氣壓場上可以看出冷空氣屬于西北路徑，冷中心強度為1 042hpa，進入巴湖時達到1 036hpa。這種環(huán)流形勢下造成我區(qū)終霜凍的影響系統(tǒng)大部分是西西伯利亞低槽（渦）占10/16，中亞低槽（渦）占3/16，里咸海低槽占2/16，北方橫槽1/16。這種環(huán)流下地面高壓中心最大范圍1 024～1 052hpa。

圖8 三西北氣流型

圖9 持續(xù)冷槽型

圖8西北氣流型：這種環(huán)流形勢經(jīng)向度大，里咸海及北歐為強大的高壓脊，脊前西西伯利亞至巴湖到新疆處于低槽底部的西北氣流上，主槽偏北一些，冷空氣強度中強。從海平面氣壓場上可以看出冷空氣屬于西北路徑，冷中心強度最早為1 032hpa，進入咸海至巴湖時達到1 028hpa，呈西北-東南向移向我區(qū)。這種環(huán)流形勢下造成我區(qū)終霜凍的影響系統(tǒng)主要是西西伯利亞低槽（渦）占14/15，里咸海低槽占1/15。這種環(huán)流下地面高壓中心最大范圍1 028～1 048hpa。

圖9持續(xù)冷槽型：這種環(huán)流形勢經(jīng)向度不大，以緯向環(huán)流為主，里咸海及黑海上多波動，新疆處于多短波低槽影響，冷空氣強度弱，但持續(xù)長時間低溫。從海平面氣壓場上可以看出冷中心強度為 1 028hpa位于里咸海，逐漸東移進入我區(qū)。這種環(huán)流形勢下造成我區(qū)終霜凍的影響系統(tǒng)主要是西西伯利亞低槽（渦）占14/15，里咸海低槽占1/15。這種環(huán)流下地面高壓中心最大范圍1 028～1 048hpa。

3.1 石河子墾區(qū)終霜凍天氣的高度場、溫度場的環(huán)流特征分析

根據(jù)終霜出現(xiàn)的日數(shù)，石河子墾區(qū)若有4 個站出現(xiàn)在同一天，則定義為一次區(qū)域性終霜日。通過分析55年的資料中，有7年為區(qū)域性終霜日。經(jīng)過查閱資料，可發(fā)現(xiàn)區(qū)域終霜日大多發(fā)生明顯冷空氣過境后的第二天，環(huán)流形勢一般為西北氣流型或北支槽東南下。其環(huán)流特征如下：這種環(huán)流形勢經(jīng)向度大，里咸海及北歐為強大的高壓脊，脊前西西伯利亞至巴湖到新疆處于低槽底部的西北氣流上，主槽偏北一些，冷空氣強度中強。石河子墾區(qū)處于脊前西北氣流控制，高空三層均為西北或偏北氣流，夜間輻射降溫，尤其是在高空濕度小，地面風速小的情況下，容易出現(xiàn)區(qū)域性終霜凍天氣。

3.2 單站終霜凍相關因子及回歸方程建立

普查三個站與終霜凍相關的因子，計算相關系數(shù)，經(jīng)過相關系數(shù)的顯著性檢驗，并建立多元線性回歸方程如下：

石河子：y=0.01x1+0.035x2，其中y 是終霜日的最低氣溫，x1:48 小時500hpa08h 溫度，x2:72 小時500高度20時。

炮臺：y=0.035x1+0.016x2，其中y 是終霜日的最低氣溫，x1:24小時08時氣壓，x2:24小時20h氣壓。

莫索灣：y=0.138x1+0.02x2+0.019x3+0.021x4，其中y是終霜日的最低氣溫，x1:24小時850hpa08時風速，x2:48 小時850hpa08 時溫度，x3:72 小時850hpa08時溫度，x4:72小時500溫度20h。

利用上述回歸方程，進行歷史擬合回歸計算，發(fā)現(xiàn)莫索灣站歷史擬合率較高為50%，可在業(yè)務中參考。回歸方程計算和歷史反算，擬合率均不到50%，擬合率很低，效果較差，應主要以經(jīng)驗指標為預報指標。

4 石河子墾區(qū)終霜凍預警預報指標

（1）在春季08 時850hpa 溫度小于0℃，可以考慮終霜凍預報，55年出現(xiàn)54次終霜凍。

（2）20時850hpa溫度達2℃以下時，可以考慮終霜凍預報，55年出現(xiàn)47次終霜凍。

（3）出現(xiàn)終霜凍08 時海平面氣壓至少要達到1 030hpa 以上，55 年出現(xiàn)30 次終霜凍；1 020hpa 出現(xiàn)終霜凍概率較小，55年出現(xiàn)3次終霜凍。

（4）出現(xiàn)終霜凍20 時海平面氣壓至少要達到1027.5hpa以上，55年出現(xiàn)34次終霜凍，可以考慮終霜凍預報。達到1 030hpa可能空報率多，55年出現(xiàn)30 次霜凍，達到1 025hpa 可能漏報率多，55 年出現(xiàn)42次終霜凍。

（5）中低層700hpa 相對濕度和850hpa 風速越小越有利于終霜凍出現(xiàn)。

5 結論

（1）石河子地區(qū)終霜日呈提前趨勢，故石河子地區(qū)終霜凍日期20 世紀70 年代、80 年代呈明顯推后趨勢；21世紀10年代呈明顯提前趨勢；2011年到目前也是呈明顯提前趨勢。

（2）石河子地區(qū)霜凍災害主要由終霜凍造成，而終霜凍災害在空間上主要分布于全墾區(qū)，時間上主要出現(xiàn)于20世紀90年代。

（3）運用預報指標檢驗1961～2016 年的終霜凍出現(xiàn)的準確率結果表明：全部滿足四個預報指標條件有32 年，有23 年部分條件滿足，準確率達58%。在今后的預報工作中不斷完善檢驗，有一定參考指 示作用。