新疆阿勒泰地區(qū)冬季嚴(yán)寒天氣的氣候變化特征分析

樊 磊，郭玉琳，趙 勇，王天竺

（1.鐵干里克氣象站，新疆 庫爾勒841000；2.阿勒泰地區(qū)氣象局，新疆 阿勒泰836500；3.成都信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，四川 成都610225）

隨著全球范圍內(nèi)極端天氣氣候事件發(fā)生頻率及強(qiáng)度的加劇[1]，氣候變化問題受到各國(guó)學(xué)者的關(guān)注。在全球氣候變暖背景下，近百年來，我國(guó)氣候明顯變暖，氣溫上升了0.5 ℃左右[2-6]。干旱區(qū)是氣候變化的敏感區(qū)，我國(guó)西北干旱區(qū)近30 a 的氣候，也發(fā)生了顯著變化。施雅風(fēng)等[7-11]研究指出；1987 年以來，我國(guó)西北干旱區(qū)氣候從“暖干”向“暖濕”轉(zhuǎn)型。薛燕等[12]指出自20 世紀(jì)80 年代后期，新疆降水量明顯增加，有濕潤(rùn)化趨勢(shì)，同時(shí)氣溫也呈上升趨勢(shì)，平均增幅為0.27 ℃/10 a。楊金虎等[13]通過對(duì)冬季年極端低溫事件發(fā)生的頻次及強(qiáng)度研究表明，指出了近45 a來西北地區(qū)冬季極端低溫事件發(fā)生頻次增加，但強(qiáng)度在減弱。李景林等[14]的研究表明，1961—2010 年新疆年平均氣溫顯著升高，其中冬季氣溫升高幅度大于其它各季，氣候變暖十分明顯。

阿勒泰地區(qū)屬于溫帶大陸性氣候，位于新疆最北部，冬季嚴(yán)寒漫長(zhǎng)，長(zhǎng)達(dá)5 個(gè)月。冬季嚴(yán)寒天氣日數(shù)與城市采暖、輸水管道防凍及農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)關(guān)系密切，對(duì)冬季設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的整體規(guī)劃和布局，以及畜牧業(yè)的安全越冬等有重要意義。莊曉翠等[15]利用阿勒泰地區(qū)7 個(gè)氣象站1961—2006 年的地面觀測(cè)資料，概括出該地區(qū)寒潮天氣的氣候特征，并建立了該地區(qū)寒潮天氣的預(yù)報(bào)指標(biāo)。白松竹等[16]對(duì)氣候變暖背景下阿勒泰地區(qū)寒潮活動(dòng)變化特征進(jìn)行研究，指出11 月—翌年2 月是阿勒泰地區(qū)寒潮高發(fā)期，近52 a來寒潮頻數(shù)呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，并存在明顯的年代際尺度變化特征。齊貴英[17]指出1962—2008 年阿勒泰地區(qū)冬季最高和最低氣溫呈顯著上升趨勢(shì)，且最低溫度的上升趨勢(shì)高于最高溫度。張林梅等[18]指出阿勒泰冬季的低溫事件呈減少趨勢(shì)，強(qiáng)度呈減弱趨勢(shì)。已有較多針對(duì)阿勒泰地區(qū)嚴(yán)寒天氣日數(shù)時(shí)空特征的研究，但是針對(duì)不同極端嚴(yán)寒天氣日數(shù)的持續(xù)性變化特征的研究還較少，后者對(duì)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人類活動(dòng)具有更為重要的影響。本文基于阿勒泰地區(qū)7 站冬季日最低溫度資料，給出了嚴(yán)寒天氣日數(shù)的持續(xù)性變化特征。

1 資料與方法

本文所用資料為新疆氣象信息中心提供的阿勒泰地區(qū)7 個(gè)氣象站（吉木乃、哈巴河、布爾津、阿勒泰、福海、富蘊(yùn)、青河站）1961—2017 年冬季（11月—翌年3 月）[18]逐日最低氣溫資料。資料在選取時(shí)，進(jìn)行了簡(jiǎn)單的質(zhì)量控制，剔除在研究時(shí)間段內(nèi)任意一年數(shù)據(jù)缺測(cè)超過5%的站點(diǎn)。

本文以最低氣溫定義嚴(yán)寒天氣，分析了兩種不同程度的嚴(yán)寒天氣頻數(shù)變化，第一種，-30 ℃＜最低氣溫≤-20 ℃；第二種，最低氣溫≤-30 ℃。在此基礎(chǔ)上，尤其分析了第二種情況的持續(xù)性特征。

2 結(jié)果分析

2.1 阿勒泰地區(qū)冬季極端最低氣溫的空間分布

圖1 1962—2017 年阿勒泰地區(qū)各站冬季歷史最低氣溫

區(qū)，如富蘊(yùn)和青河縣[15]；（2）積雪深度。積雪深度同最低氣溫呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，即積雪深度越深，最低氣溫越低，富蘊(yùn)和青河冬季積雪相對(duì)較深，因此冬季相對(duì)要更冷一些，吉木乃積雪較淺，因而更暖一些[19-20]；（3）最低氣溫還與各站的地形和海拔高度有關(guān)。山地和峽谷地形站點(diǎn)相對(duì)于盆地站點(diǎn)，冬季要更暖些，受積雪輻射降溫影響，大氣邊界層呈逆溫分布，海拔高度低的站點(diǎn)，氣溫要更低一些，反之，氣溫更高一些[21]。

2.2 阿勒泰地區(qū)冬季平均最低氣溫變化趨勢(shì)

圖2 給出了1962—2017 年阿勒泰地區(qū)平均的冬季最低溫度變化趨勢(shì)。阿勒泰地區(qū)冬季呈增暖趨勢(shì)，平均最低溫度的增溫幅度為0.7 ℃/10 a，通過了95%的信度檢驗(yàn)。20 世紀(jì)60 年代是阿勒泰地區(qū)最為寒冷的時(shí)期，其次為20 世紀(jì)70 年代。80 年代至90 年代中期，是阿勒泰地區(qū)最為溫暖的時(shí)期。表1給出了阿勒泰地區(qū)7 站冬季最低氣溫的趨勢(shì)變化和方差貢獻(xiàn)，7 個(gè)站均呈增暖趨勢(shì)，增暖幅度最小為吉木乃站，為0.4 ℃/10 a，增溫幅度最大是富蘊(yùn)站為1.2 ℃/10 a，其余各站增溫幅度在0.5～0.9 ℃/10 a，都通過95%的信度檢驗(yàn)，富蘊(yùn)和青河站可以通過99%的信度檢驗(yàn)。

圖2 1962—2017 年阿勒泰地區(qū)冬季年平均最低溫度變化趨勢(shì)

表1 阿勒泰地區(qū)7 個(gè)氣象站冬季最低氣溫線性傾向率和方差貢獻(xiàn)

2.3 阿勒泰地區(qū)冬季年最低氣溫的趨勢(shì)變化

圖3 給出了1962—2017 年阿勒泰地區(qū)平均的冬季年最低氣溫趨勢(shì)變化。冬季年最低氣溫可以用來表征一個(gè)區(qū)域極端寒冷事件強(qiáng)度。由圖3 可見，阿勒泰地區(qū)極端寒冷事件的強(qiáng)度整體呈減弱趨勢(shì)，對(duì)應(yīng)年最低氣溫升高，幅度為0.6 ℃/10 a，但這種變化未能通過95%的信度檢驗(yàn)。與冬季平均的最低氣溫線性變化相似，20 世紀(jì)60 年代，是阿勒泰地區(qū)最為寒冷的時(shí)期，年最低氣溫低于-40 ℃，20 世紀(jì)70 年代后期至2000 年，是阿勒泰地區(qū)極端嚴(yán)寒天氣事件強(qiáng)度較弱時(shí)期，在-35 ℃左右，21 世紀(jì)前10 a，該地區(qū)極端嚴(yán)寒天氣強(qiáng)度增大，僅次于20 世紀(jì)60 年代。

圖3 1962—2017 年阿勒泰地區(qū)冬季年最低溫度趨勢(shì)變化

表2 給出了阿勒泰地區(qū)7 個(gè)站年最低氣溫線性傾向率和方差貢獻(xiàn)。阿勒泰地區(qū)7 個(gè)站年最低氣溫均呈增加趨勢(shì)，表明極端嚴(yán)寒天氣事件強(qiáng)度在減弱，其中富蘊(yùn)減弱程度最明顯，對(duì)應(yīng)年最低氣溫增加幅度為1.1 ℃/10 a，其次為青河，為0.8 ℃/10 a，且這兩個(gè)站的增暖是顯著的，可以通過95%的信度檢驗(yàn)。其余各站的極端嚴(yán)寒天氣事件強(qiáng)度也在減弱，但并不顯著，未能通過95%的信度檢驗(yàn)。

表2 阿勒泰地區(qū)7 個(gè)氣象站冬季年最低氣溫線性傾向率和方差貢獻(xiàn)

2.4 阿勒泰地區(qū)冬季嚴(yán)寒天氣日數(shù)趨勢(shì)變化

圖4 給出了阿勒泰地區(qū)7 個(gè)站冬季嚴(yán)寒天氣（-30 ℃＜最低氣溫≤-20 ℃）的日數(shù)變化。阿勒泰站位于該區(qū)間的嚴(yán)寒天氣頻數(shù)呈減少趨勢(shì)，變化幅度為2.1 次/10 a，且這種變化趨勢(shì)是顯著的，可以通過99%的信度檢驗(yàn)。20 世紀(jì)60—80 年代中前期，是位于該區(qū)間嚴(yán)寒天氣頻數(shù)最多的時(shí)期，其中1965 年超過60 次，再次為近10 a，超過40 次，20 世紀(jì)80 年代中后期至21 世紀(jì)前5 a，是位于該區(qū)間嚴(yán)寒天氣頻數(shù)最少的時(shí)期。布爾津站位于該區(qū)間的嚴(yán)寒天氣頻數(shù)也呈減少趨勢(shì)，變化幅度為2.5 d/10 a，且這種變化趨勢(shì)是顯著的，可以通過99%的信度檢驗(yàn)。20世紀(jì)60—80 年代中前期，是位于該區(qū)間嚴(yán)寒天氣頻數(shù)最多的時(shí)期，其中1986 年超過50 次，再次為近10 a，可達(dá)40 次左右，20 世紀(jì)80 年代至21 世紀(jì)前期，是位于該區(qū)間嚴(yán)寒天氣頻數(shù)最少時(shí)期。福海站位于該區(qū)間的嚴(yán)寒天氣頻數(shù)也呈減少趨勢(shì)，但變化并不明顯。富蘊(yùn)站位于該區(qū)間的寒冷天氣頻數(shù)呈微弱的增加趨勢(shì)。哈巴河站位于該區(qū)間的嚴(yán)寒天氣頻數(shù)呈減少趨勢(shì)，變化幅度為2.7 次/10 a，且這種變化趨勢(shì)是顯著的，可以通過99%的信度檢驗(yàn)。20 世紀(jì)60—80 年代中前期，是位于該區(qū)間嚴(yán)寒天氣頻數(shù)最多的時(shí)期，其中1977 年超過40 次，再次為近10 a，超過30 次，20 世紀(jì)80 年代至21 世紀(jì)前期，是最少時(shí)期。吉木乃站位于該區(qū)間嚴(yán)寒的天氣頻數(shù)也呈減少趨勢(shì)，但并不顯著。青河站位于該區(qū)間的嚴(yán)寒天氣日數(shù)呈增加趨勢(shì)，但未能通過0.05 的顯著性檢驗(yàn)。

圖4 1962—2017 年冬季嚴(yán)寒天氣（-30 ℃＜最低氣溫≤-20 ℃）的頻數(shù)變化

圖5 給出了阿勒泰地區(qū)7 個(gè)站冬季嚴(yán)寒天氣（最低氣溫≤-30 ℃）的日數(shù)變化。7 個(gè)站位于該區(qū)間的嚴(yán)寒天氣日數(shù)均呈減少趨勢(shì)變化，除了富蘊(yùn)站和青河站，其余5 站，并不是每年都能發(fā)生低于-30 ℃的嚴(yán)寒天氣，20 世紀(jì)60 年代，是位于該區(qū)間嚴(yán)寒天氣發(fā)生最集中的時(shí)期。富蘊(yùn)站位于該區(qū)間的嚴(yán)寒天氣日數(shù)以5 d/10 a 的幅度減少，青河站以4.6 d/10 a的幅度減少，均通過0.01 的顯著性檢驗(yàn)。從上述分析可知，嚴(yán)寒天氣日數(shù)的減少，是導(dǎo)致各站冬季增暖的重要因素，其中富蘊(yùn)站和青河站，主要由極端嚴(yán)寒天氣（最低氣溫≤-30 ℃）頻數(shù)減少貢獻(xiàn)，其余各站則對(duì)不同區(qū)間嚴(yán)寒天氣頻數(shù)減少均有貢獻(xiàn)。

2.5 阿勒泰地區(qū)冬季持續(xù)性嚴(yán)寒天氣日數(shù)趨勢(shì)變化

圖5 1962—2017 年 冬季嚴(yán)寒天氣（最低氣溫≤-30 ℃）的頻數(shù)變化

圖6 1962—2017 年阿勒泰地區(qū)冬季2 天持續(xù)性嚴(yán)寒天氣（最低氣溫≤-30 ℃）發(fā)生頻數(shù)變化

圖6～8 給出了1962—2017 年阿勒泰地區(qū)各站冬季2、3 和5 d 持續(xù)性嚴(yán)寒天氣（最低氣溫≤-30 ℃）的發(fā)生頻數(shù)。各站冬季2 d 持續(xù)性嚴(yán)寒天氣頻數(shù)除哈巴河站（圖6）外，均表現(xiàn)出減少的趨勢(shì)，但減少趨勢(shì)均不顯著，均不超過0.12 次/10 a 。阿勒泰站（圖6a）、布爾津站（圖6b）、哈巴河站（圖6e）和吉木乃站（圖6f）均表現(xiàn)出在20 世紀(jì)90 年代2 d 持續(xù)性嚴(yán)寒天氣頻數(shù)發(fā)生較少的特征，而福海站（圖6c）、富蘊(yùn)站（圖6d）和青河站（圖6g）年際差異較大。各站冬季3 d 持續(xù)性嚴(yán)寒天氣發(fā)生頻數(shù)均表現(xiàn)出減少的趨勢(shì)，尤以福海站（圖7c）和富蘊(yùn)站（圖7d）減少趨勢(shì)較為顯著，分別為0.19 次/10 a 和0.15 次/10 a。除富蘊(yùn)站和青河站（圖7g）外，其余5 站冬季3 d 持續(xù)性嚴(yán)寒天氣發(fā)生頻數(shù)均表現(xiàn)出在20 世紀(jì)80 年代中期到90 年代末期極少的特征，富蘊(yùn)站在2012 年發(fā)生頻數(shù)最多，為5 次。各站冬季5 d 持續(xù)性嚴(yán)寒天氣發(fā)生頻數(shù)均表現(xiàn)出減少的趨勢(shì)，其中尤以富蘊(yùn)站（圖8d）和青河站（圖8g）減少趨勢(shì)最為顯著，分別為0.47 次/10 a 和0.34 次/10 a，其余各站減少趨勢(shì)均不超過0.14 次/10 a。同樣的，除福海站（圖8c）、富蘊(yùn)站和青河站外，其余4 站冬季5 d 持續(xù)性嚴(yán)寒天氣發(fā)生頻數(shù)均表現(xiàn)出在20 世紀(jì)80 年代中期到90 年代末期極少的特征，富蘊(yùn)站在1969 年發(fā)生頻數(shù)最多，為6 次。與李?；ǖ萚19]的研究一致。

3 結(jié)論

本文基于1961—2017 年阿勒泰地區(qū)7 個(gè)氣象站逐日觀測(cè)的最低氣溫資料，使用一元線性回歸等方法，分析阿勒泰地區(qū)冬季（11 月—翌年3 月）最低氣溫的趨勢(shì)變化趨勢(shì)和不同強(qiáng)度嚴(yán)寒天氣事件的頻數(shù)變化以及持續(xù)性變化的特征。主要結(jié)論如下：

圖7 1962—2017 年阿勒泰地區(qū)冬季3 d 持續(xù)性嚴(yán)寒天氣（最低氣溫≤-30 ℃）發(fā)生頻數(shù)變化

圖8 1962—2017 年阿勒泰地區(qū)冬季5 d 持續(xù)性嚴(yán)寒天氣（最低氣溫≤-30 ℃）發(fā)生頻數(shù)變化

圖9 1962—2017 年阿勒泰地區(qū)冬季持續(xù)性嚴(yán)寒天氣（最低氣溫≤-30 ℃）的最長(zhǎng)日數(shù)變化

（1）近56 a 來，阿勒泰地區(qū)整體呈增暖趨勢(shì)，增暖幅度為0.7 ℃/10 a，可通過0.05 的顯著性檢驗(yàn)，青河站和富蘊(yùn)站增暖更為突出，增暖幅度達(dá)1.2 ℃/10 a和0.9 ℃/10 a，可通過0.01 的顯著性檢驗(yàn)。阿勒泰地區(qū)冬季極端嚴(yán)寒天氣的強(qiáng)度呈減弱趨勢(shì)，對(duì)應(yīng)年最低氣溫以0.6 ℃/10 a 的趨勢(shì)升高，最高值出現(xiàn)在1982 年，為-25 ℃，最低值出現(xiàn)在1969 年，為-43 ℃，富蘊(yùn)站和青河站升高趨勢(shì)最為突出，增暖幅度為1.1 ℃/10 a 和0.8 ℃/10 a。

（2）分析了兩種強(qiáng)度嚴(yán)寒天氣頻數(shù)變化特征，第一類，最低氣溫處于-30～-20 ℃，富蘊(yùn)站和青河站冬季位于該區(qū)間嚴(yán)寒天氣發(fā)生的頻數(shù)較多，最高頻數(shù)均接近70 次，其余各站該類型嚴(yán)寒天氣頻數(shù)呈減少趨勢(shì)，尤以哈巴河站和布爾津站減少趨勢(shì)最為顯著，分別為2.7 次/10 a 和2.5 次/10 a，通過0.05 的顯著性檢驗(yàn)。第二類，最低氣溫低于-30 ℃，富蘊(yùn)站和青河站的減少趨勢(shì)可達(dá)5 次/10 a 和4.6 次/10 a，通過95%的信度檢驗(yàn)。

（3）阿勒泰地區(qū)冬季各站2 d 持續(xù)性嚴(yán)寒天氣發(fā)生頻數(shù)均表現(xiàn)出減少的趨勢(shì)，但未能通過0.05 的顯著性檢驗(yàn)。各站冬季3 d 和5 d 的持續(xù)性嚴(yán)寒天氣發(fā)生頻數(shù)均呈現(xiàn)出減少的趨勢(shì)，尤其福海站和富蘊(yùn)站，分別為0.19 次/10 a（0.47 次/10 a）和0.15 次/10 a（0.34 次/10 a），其余各站的減少趨勢(shì)均不超過-0.14 次/10 a。各站冬季持續(xù)性嚴(yán)寒天氣（低于-30 ℃）最長(zhǎng)日數(shù)均表現(xiàn)出減少的趨勢(shì)，其中以富蘊(yùn)站和青河站減少幅度最為突出，達(dá)1.2 d/10 a，通過95%的信度檢驗(yàn)。