1961—2016年北疆冷空氣過程變化特征及其環流指數分析

張太西 ，江遠安 ，樊 靜 ，劉 精 ，余行杰

（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.新疆氣候中心，新疆 烏魯木齊830002；3.新疆氣象臺，新疆 烏魯木齊830002）

冷空氣過程（包括寒潮、強冷空氣和中等強度冷空氣）是影響我國最主要的災害性天氣，它不僅會導致人體免疫功能下降、引發呼吸疾病，同時對農業、牧業等造成破壞[1]。隨著中國地表面氣溫出現明顯的升高趨勢，尤其是冬季，冷空氣（或寒潮）活動發生了明顯變化[2-3]，全國大部分地區寒潮的頻次和強度呈減少趨勢[4-7]，但這些研究均具有明顯的區域性。

新疆寒潮具有降溫幅度大、影響范圍廣、受災程度大等特點，對林果安全越冬、春季棉花、林果生長影響較大[8-9]，因此寒潮天氣過程分析及預報研究一直是預報員持續關注的重點領域[10]。近些年來，針對新疆區域典型寒潮過程個例的研究較多，重點揭示寒潮天氣過程的形成機理及預報方法[11-14]。2017年中國氣象局發布了《冷空氣過程監測指標》（QX/393-2017），與之前《寒潮等級》（GB21987-2008）標準相比，區別有：①新標準將冷空氣過程分成3級，分別為中等強度冷空氣、強冷空氣和寒潮，擴大了降溫過程的監測范圍；②對全國和區域冷空氣過程的確定，新標準采用了統一臨界值（超過20%站點），舊標準對全國進行分區且不同區域采用不一樣的臨界值；③新標準根據不同等級冷空氣出現的站次計算區域冷空氣的等級，舊標準根據寒潮出現的站次對寒潮進行了分級。羅繼[15]、白松竹[16]用寒潮標準對新疆、阿勒泰地區的研究結果表明寒潮發生站次總體呈減少趨勢；劉精[17]用冷空氣過程監測標準分析了塔里木盆地寒潮過程，整體呈減少趨勢，單站寒潮的變化存在地區差異。

以往的冷空氣過程研究中，主要以寒潮為主，中等強度冷空氣或強冷空氣的不利影響雖然不如寒潮，但對農牧林業等造成的危害也不容忽視。江遠安[18]對全疆單站不同等級冷空氣過程分析結果表明，北疆冷空氣過程發生頻次明顯多于南疆，降溫幅度大于南疆。由于北疆地區是重要的農牧業生產基地，也是冷空氣高發區，每年秋季到來年的春季，頻繁活動的冷空氣引起強降溫、倒春寒、霜凍，對農牧業生產造成嚴重危害。因此，在全球氣候變暖背景下，采用《冷空氣過程監測指標》（QX/393-2017），分析北疆地區單站和區域不同等級冷空氣的時空分布特征及變化，并通過相關分析尋找不同時期控制和影響北疆地區冷空氣頻數的環流因子，可豐富預報預測技術思路并為防災減災提供科技支撐。

1 資料和方法

1.1 資料

根據地理位置和地形特征，選取新疆天山脊線以北的46個基本氣象站1961—2016年逐日最低氣溫和日平均氣溫資料。1961—2016年88個北半球大氣環流特征量資料由國家氣候中心氣候系統監測網站下載（https://cmdp.ncc-cma.net/cn/index.htm）。

1.2 冷空氣過程的標準

依據《冷空氣過程監測指標》（QX/393-2017），監測時段為全年除6—8月外的所有時段。單站冷空氣過程：依據單站降溫幅度和日最低氣溫確定單站冷空氣強度等級（表1）。

表1 單站冷空氣強度等級劃分

區域冷空氣過程：至少連續2 d且每日監測區內≥20%（9站）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。滿足區域冷空氣過程判定條件的首日為區域冷空氣過程開始日。依據某次區域冷空氣過程中達到不同強度等級的單站比率確定冷空氣過程的強度指數I：

其中，N1為單站出現中等強度冷空氣的站點數；N2為單站出現強冷空氣的站點數；N3為單站出現寒潮的站點數；依據某次區域冷空氣過程中的強度指數和站點比例確定其強度等級（表2）。

表2 區域冷空氣強度等級劃分

1.3 方法

按照冷空氣標準計算北疆單站和區域不同等級冷空氣過程頻次。區域平均值為區域內站點的算術平均；歷年平均值為1961—2016年的平均值。應用線性趨勢估計、小波分析、M-K突變分析等[20]方法，對北疆地區單站和區域不同等級冷空氣的變化特征進行分析，采用Person相關系數[20]法分析逐月寒潮頻數與88項環流指數的相關性。

2 結果分析

2.1 單站不同等級冷空氣過程變化特征

2.1.1 單站年均頻次空間分布特征

1961—2016 年北疆單站中等強度冷空氣發生頻次最多，年均9.1站次；寒潮次多，年均7.4站次；強冷空氣最少，年均4站次。單站不同等級冷空氣年均頻次空間分布如圖1。中等強度冷空氣在阿勒泰北部、伊犁河谷東部、烏魯木齊達坂城、哈密北部等地11站出現頻次較多，年均達到10次以上；伊犁河谷大部、博州東部、塔城、北疆沿天山一帶共22站出現頻次為8～10次，其余站點年均頻次為6～8次；其中，達坂城中等強度冷空氣出現頻次最多為14次/a，烏魯木齊最少為6.9次/a。強冷空氣在阿勒泰、塔城及北疆沿天山中段出現頻次較多，年均4～6次；伊犁河谷、博州、烏魯木齊周邊站點出現頻次較少，為2.9～4次；其中，淖毛湖頻次最多為5.6次/a，新源最少為2.9次/a。寒潮在阿勒泰、塔城北部、昌吉蔡家湖、哈密淖毛湖等地高發，年均頻次為10～16次；伊犁河谷、塔城南部、哈密北部、北疆沿天山部分地區為5～10次；博州、烏魯木齊周邊為2～5次；其中青河出現頻次最多為15.3次/a，阿拉山口最少為2.4次/a。

利用線性回歸方法討論單站不同等級冷空氣的年際變化趨勢，結果表明：56 a來北疆各站中等強度冷空氣、強冷空氣年頻次呈現增加趨勢和減少趨勢區域交替分布的格局，且變化趨勢達到0.05的顯著性水平檢驗的站點較少；寒潮多數站點呈減少趨勢，變化趨勢通過0.05的顯著性水平檢驗的站點明顯多于中等強度冷空氣、強冷空氣。其中，中等強度冷空氣有5站呈顯著減少趨勢，線性趨勢系數在0.37～0.62次/10 a之間，主要位于塔城地區、北疆沿天山局地；阿勒泰和克拉瑪依2站呈顯著增加趨勢，增加速率分別為0.25、0.28次/10 a；其余站點變化趨勢不顯著。強冷空氣僅莫索灣和克拉瑪依2站呈顯著減少趨勢，減少速率為0.40、0.48次/10 a；富蘊、吉木乃2站呈顯著增加趨勢，增加速率為0.28、0.46次/10 a。寒潮有24站（占52.2%）呈顯著減少趨勢，減少速率在0.30～1.29次/10 a之間，主要分布在阿勒泰地區、塔城地區、伊犁河谷、烏魯木齊周邊，寒潮沒有顯著增加的站點。

圖1 1961—2016年北疆單站中等強度冷空氣（a）、強冷空氣（b）、寒潮（c）年均頻次空間分布（單位：次）

2.1.2 單站不同等級冷空氣月頻次分布

北疆單站不同強度冷空氣月均頻次分布圖（圖2）可以看出，中等強度冷空氣和寒潮發生頻次明顯高于強冷空氣。單站中等強度冷空氣各月差距不明顯，9月發生頻次相對較高，達22.2站次，占總數的13.5%；其余月份發生頻次均在17.4～18.5站次之間。單站強冷空氣9月發生頻次最高，達11.8站次，占總數17%；其次是10月，出現9.5站次，居第二位；2月、3月最少，占比分別為7.9%、7.8%，其余月份差距不大。單站寒潮12月—次年2月發生站次最多，占比分別為15.5%、16.2%、15.9%；5月寒潮頻次最少，只有4.9站次，僅占3.9%。

從季節尺度看，寒潮主要集中出現在冬季（12月—次年2月），強冷空氣秋季（9—11月）出現的頻次明顯高于春季和冬季，中等強度冷空氣春季、秋季、冬季出現的頻次相當，無明顯季節差異。

圖2 1961—2016年北疆單站不同強度冷空氣月平均頻次的分布

2.2 北疆區域不同等級冷空氣過程變化

2.2.1 區域冷空氣頻次變化趨勢

北疆不同等級區域冷空氣過程年總頻次變化如圖3。區域寒潮發生頻次最多，年均11.9次，較單站寒潮多4.5次；中等強度冷空氣和強冷空氣發生頻次相當，多年平均頻次分別為4.0次、3.7次，其中區域中等強度冷空氣較單站減少5.1次。

1961年以來，區域中等強度冷空氣呈弱增加趨勢，增加速率為0.10次/10 a，未通過0.05的顯著性水平檢驗；區域強冷空氣無顯著變化趨勢；區域寒潮呈顯著下降趨勢，下降速率為0.58次/10 a，通過0.05的顯著性水平檢驗（圖3）。區域中等強度冷空氣偏少時段為1970—1976年，強冷空氣偏少時段為1993—1999年，寒潮偏少時段為1961—1965年、1988—1992年、2004—2009年；區域中等強度冷空氣偏多時段為1992—1995年，強冷空偏多時段為1987—1992年，寒潮偏多時段為1966—1978年、1996—2000年；各級冷空氣在2000年以后年際波動幅度明顯加大。1961—2016年，北疆區域中等強度冷空氣頻次最大值為8次，出現在1984年；最小值為 1 次，分別出現在 1974、1981、1982、1996、2013年。區域強冷空氣頻次最大值為8次，出現在2001年；最小值為0次，分別出現在1964、1994、1997年。區域寒潮頻次最大值為21次，出現在1966年；最少值為6次，分別出現在1992年和2007年。

2.2.3 區域冷空氣月頻次變化

北疆區域中等強度冷空氣主要出現在春末秋初，強冷空氣1月最多，寒潮冬季發生頻次較高（圖4）。中等強度冷空氣9月最多，占總數26%，其次是10月，占總數22%，1、2、3月發生次數較少，占比均不足4%。強冷空氣各月差異明顯，其中1月最多，占總數的16%，10、4、9月分居第二至第四位，占比分別為15%、13%、12%，其余月份占比均低于10%。寒潮12月出現次數最多，2月次之，1月第三，占比分別為18%、17%、16%；5月和9月次數較少，占比均不足5%。

2.2.3 區域冷空氣過程初、終日變化

冷空氣過程初日出現越早（終日越晚）對農牧業生產造成的影響就越大。北疆區域冷空氣初日無明顯變化趨勢（圖5），多年平均值是9月11日，最早出現在9月1日，最晚出現在10月8日。56 a來，北疆區域冷空氣過程初日主要出現在9月，9月上、中、下旬分別占55%、20%、22%，在10月僅出現1次（1982年10月8日）。

圖3 1961—2016年北疆不同等級區域冷空氣過程年總頻次年際變化

圖4 北疆不同強度區域冷空氣月平均頻次的分布

區域冷空氣終日多年平均是5月4日，最早出現在3月21日，最晚出現在5月31日，呈推后趨勢（圖5），推遲速率為1.5 d/10 a，未通過0.05的顯著性水平檢驗。終日時間跨度較大，主要出現在5月份，約占87%，出現在4月的占11%，出現在3月的僅1次（1964年3月21日）。區域冷空氣過程初日沒有因為氣候變暖而推遲，而終日呈現延后趨勢，表明低溫事件的影響并未隨氣候變暖而減小，未來春季冷空氣發生的時間可能會更晚，造成的影響可能會更大。

2.3 不同等級區域冷空氣過程周期和突變分析

2.3.1 周期

采用標準Morlet小波變換分析法[20]，對1961—2016年北疆不同等級區域冷空氣過程年頻次的周期變化（圖6）進行分析。

圖5 北疆區域冷空氣初、終日多年變化

北疆區域中等強度冷空氣過程存在8～9、2～4、17～18 a的變化周期（圖 6a）。8～9 a周期的變化信號一直存在，20世紀70年代、80年代信號最強，90年代后期信號開始減弱；2～4 a的周期在20世紀60年代、70年代中期以前以4 a周期為主，2000年以后以2 a的周期為主；17～18 a的高頻周期在20世紀90年代以前信號最強，之后逐漸減弱。如圖6b所示，區域強冷空氣存在 11～12 a、4～6 a、18～19 a的周期變化。11～12 a主周期一直存在且信號較強；4～6 a的短周期在1985年以前以4 a為主，1986—2005年以6 a為主，2006年以后以5 a為主；18～19 a的高頻周期一直存在，2010年以后信號開始減弱。圖 6c 表明，區域寒潮存在 25～26 a、13～14 a、8～9 a、5～6 a的周期。25～26 a的高頻主周期一直存在且信號較強；13～14 a的周期在20世紀70年代到2000年信號最強，2000年以后逐漸減弱；8～9 a的周期在2005年信號較強，之后信號減弱逐漸消失；5～6 a的周期在20世紀80年代到2000年信號最強，2000年以后信號減弱。

圖6 1961—2016年北疆不同等級區域冷空氣年頻次的小波變化

2.3.2 突變

采用Mann-Kendall法[20]對1961—2016年北疆不同等級區域冷空氣過程次數進行了檢驗（圖7）。從圖7a可以看出，1961—1976年北疆區域中等強度冷空氣年際變化幅度大，1977—2016年開始呈上升的趨勢，期間僅有1994年、1995年UF超過0.05的顯著性水平臨界線，其余年份均未超過；在±0.05的顯著性水平臨界線之間，中等強度冷空氣UF和UB在1965年和1967年出現相交，說明在1965—1967年期間出現突變。圖7b顯示1961—1977年北疆區域強冷空氣年際變化大，1978年后呈上升趨勢，1997年開始上升趨勢更加顯著，并在2010年UF超過0.05的顯著性水平臨界線；在±0.05的顯著水平臨界線之間，強冷空氣過程UF和UB在1977年出現相交，說明在1977年附近出現突變。北疆區域寒潮過程在1966—1982年上升趨勢明顯（圖7c），之后出現下降趨勢，UF未超過0.05的顯著性水平臨界線；在±0.05的顯著水平臨界線之間，寒潮過程UF和UB在2000年以后出現5次相交，且UF和UB均未超過0.05顯著性水平，說明寒潮未出現突變。

2.4 環流指數特征量

北疆地區冷空氣過程頻次的多少取決于大氣環流背景及其相互的配置，且這種配置存在季節差異。為了尋找控制北疆區域冷空氣的環流因子，將北疆區域冷空氣逐月（不包含6—8月）發生頻次與同期表征不同大氣環流系統的88項大氣環流特征量進行了相關分析。

圖7 1961—2016年北疆不同等級區域冷空氣過程年總頻次Mann-Kendall曲線

表3列出了與北疆區域各月冷空氣頻次顯著相關（通過0.05的顯著性水平檢驗）的同期大氣環流量。88個環流特征量中有27個與北疆區域不同月份冷空氣頻次顯著相關，且影響下半年（9—12月）冷空氣的環流特征量明顯多于上半年（1—5月）。其中，2月顯著相關的環流特征量最少，僅有2項；10月最多，達到9項；12月次多，為8項。27個顯著相關的環流特征量中，斯堪的納維亞遙相關型指數出現頻次最高為5次；亞洲區極渦面積指數出現4次；北大西洋—歐洲區極渦強度指數、北半球極渦面積指數、南極濤動指數均出現3次；北極濤動、西藏高原指數-1、歐亞緯向環流指數均出現2次，且不同時間與冷空氣過程的相關關系有正有負；其余環流特征量出現頻次均為1次，總體正相關居多。各顯著相關的大氣環流特征量與北疆區域冷空氣頻數密切相關，當呈現正相關的大氣環流特征量的值大于平均值或呈現負相關的大氣環流特征量的值小于平均值時，北疆區域冷空氣頻數出現增多的概率較大[16]。表3中斯堪的納維亞遙相關型指數對冷空氣的影響在時間上具有連續性，分別與 9、10、11、12、1月冷空氣頻次呈正相關，其中與1月相關性最高，相關系數達到0.56。陳穎[21]研究結果指出，斯堪的納維亞遙相關型指數正距平對新疆全區或者北部氣溫偏低較為有利。該指數與冷空氣過程顯著正相關也表明指數偏高時，北疆出現冷空氣的概率可能會增加。

已有研究結果表明極渦是冬半年北半球最大的系統，而且由于它的活動和演變對中高緯度天氣過程的發生發展產生直接的影響[22]，北半球極渦面積大時，歐亞大陸中高緯度氣溫偏低[23]。如表3所示，與北疆區域不同時段冷空氣顯著相關的環流特征量中，有7個與極渦相關且出現頻次高，分別為亞洲區極渦面積指數（4次）、北半球極渦面積指數（3次）、北大西洋—歐洲區極渦強度指數（3次）、亞洲區極渦強度指數（2次）、太平洋區極渦面積指數（2次）、太平洋區極渦強度指數（1次）、北半球極渦強度指數（1次）。除北大西洋—歐洲區極渦強度指數與冷空氣過程是負相關，其余均為正相關，說明亞洲區、北半球極渦相關指數偏大，新疆冬季氣溫一致偏低[21]，冷空氣發生概率增大，因此在北疆冷空氣過程監測預測業務中需要重點關注極渦相關環流特征量的變化。

南極濤動指數出現3次，分別與4、9、12月冷空氣過程呈負相關，相關系數在0.28～0.29之間，南極濤動強年不利于東亞冬春兩季冷空氣的活動[24]，因此南極濤動指數強年北疆地區冷空氣出現頻次可能會減少。

北極濤動（AO）、歐亞緯向環流指數、西藏高原指數等對新疆冬季氣溫變化都具有明顯指示意義[21]。其中，AO指數的正負位相和亞洲區極渦面積指數的大小不同易造成新疆冬季平均氣溫區域性變化，其絕對值越大，優勢影響越明顯；西藏高原指數偏高時，冬季平均氣溫易偏高；歐亞緯向環流指數偏大時，新疆西部、北部區域冬季平均氣溫易偏高。

表3 與北疆區域冷空氣過程顯著相關的大氣環流特征量（通過0.05的顯著性水平檢驗）

3 結論

（1）北疆單站中等強度冷空氣頻次最多，寒潮次之，強冷空氣最少；單站各級冷空氣都在北疆北部高發，其中寒潮空間差異最明顯且有24站減少趨勢顯著；單站寒潮冬季出現站次最高，秋季強冷空氣最多，中等強度冷空氣季節差異不明顯。

（2）北疆區域寒潮發生頻次最多，中等強度冷空氣、強冷空氣頻次相當；區域寒潮下降速率為0.58次/10 a，中等強度冷空氣增加速率為0.1次/10 a，強冷空氣無明顯變化趨勢。冷空氣過程初日無明顯變化趨勢，終日每10 a推后1.5 d，表明在氣候變暖背景下，北疆冷空氣過程初日并無變化，終日呈推后趨勢，未來春季低溫事件出現的時間可能會更晚，造成影響可能會更大。

（3）中等強度冷空氣過程存在 8～9 a、2～4 a、17～18 a的變化周期并在1965—1967年出現突變；強冷空氣存在 11～12 a、4～6 a、18～19 a的周期變化，在1977 年附近出現突變；寒潮存在 25～26 a、13～14 a、8～9 a、5～6 a的周期，未出現明顯突變。

（4）北疆各月冷空氣與同期27項大氣環流特征量存在顯著相關，斯堪的納維亞遙相關型指數出現頻次最高為5次，該指數偏高時北疆地區氣溫易偏低；與極渦相關的指數有7項，共出現16次，亞洲區、北半球極渦指數偏大時，新疆冬季氣溫偏低，冷空氣頻次增加；南極濤動指數與冷空氣過程呈負相關，其強年北疆地區冷空氣過程頻次減少。

北疆單站中等強度冷空氣頻次明顯高于區域中等強度冷空氣，單站各級冷空氣的空間差異明顯。現有的冷空氣過程監測業務主要針對區域冷空氣開展，可能會漏測局地性低溫事件。后續需要建立更加細致的業務規范，提升單站冷空氣過程的監測能力，尤其針對關鍵農事期開展局地冷空氣過程監測。

通過相關分析找出了影響北疆地區冷空氣過程的環流特征量，其中出現次數大于2次的環流因子與前人提出的對新疆低溫具有明顯指示意義的環流因子一致性較高，在今后的冷空氣監測預測業務中需要重點關注。但是對各環流特征量的相互配置及其相互間物理機制的研究尚未開展，后續有待跟進。