增暖背景下新疆冷冬與極端低溫事件的聯系

陳 穎，楊智敏，張 旭

（1.新疆氣候中心，新疆 烏魯木齊 830002；2.烏魯木齊氣象衛星地面站，新疆 烏魯木齊 830011）

20世紀以來，全球氣候變暖加劇，致使氣候系統變化的幅度加大。自1850年以來，過去40 a中的每10 a都連續比之前任何10 a更暖[1]。西北干旱區氣候呈現“暖濕化”特征，位于其西部的新疆變化更加明顯[2]。新疆氣溫變化趨勢較全球氣溫上升的趨勢更加顯著，1961—2017年的冬季升溫趨勢（0.40℃/10 a）高于年平均氣溫升溫趨勢（0.31℃/10 a），也高于全球升溫趨勢[3]。同時，極端氣候事件的出現頻次和強度也發生著劇烈的變化[4]。20世紀80年代以來，新疆出現多個氣溫明顯偏低的冬季，如1984年冬季、2007年冬季[5]、2010年冬季[6]等。新疆冬季氣候的變化和極端氣候事件的特征變化，對當地農林畜牧等產業安全越冬影響很大。

描述冬季寒冷程度的定義很多，大致分為基于冬季平均氣溫的平均氣溫狀況描述和基于日最低氣溫的極端氣溫狀況描述。近50 a來，中國區域極端氣候趨勢較平均氣候趨勢變化顯著，有些站點極端氣候則顯示出與平均氣候迥然不同的趨勢，主要表現在平均氣溫變化與極端氣溫反相變化顯著[7]。對平均狀況的描述有單站（區域）冷冬（強冷冬）[8]、冬季異常低溫等定義，通過對西北區域冷冬的識別，陳倩雯等[9]認為青藏高原區域冷冬事件主要發生在20世紀60—80年代，與陜西的冷冬事件變化趨勢大致相似[10]。對極端低溫的描述有單站極端低溫事件、區域極端低溫事件以及區域性持續極端低溫事件等定義，對于單站極端低溫事件的研究，大多都是通過絕對閾值（給出某一具體溫度指標[11]）或者相對閾值（例如百分位法[12-13]）識別。基于單站極端低溫事件的識別，我國北方日最低氣溫＜0℃的低溫日數呈十分明顯的減少趨勢[13]；北方地區極端氣溫指數變化最大，而且對應氣候突變的時段，極端氣溫也有了顯著變化[14]。

近年來，許多學者聚焦于區域性極端低溫事件的研究，龔志強等[15]、Peng等[16]均對區域性極端低溫事件給出了空間范圍和時間尺度上的定義；王曉娟等[17]認為，1960—2009年中國低溫事件的發生頻次、強度和最大覆蓋面積等總體呈減弱趨勢，在20世紀80年代后期存在顯著的轉折，90年代后期變化逐漸趨于平緩，且這種變化主要是由占總數10%的持續時間長和空間范圍廣的低溫事件作用的結果。楊蓮梅等[18]研究了北疆持續性低溫事件的時空分布特征和大尺度環流背景。

以上研究都是通過單一指標的識別來分析冬季寒冷的基本特征，本文擬從對冬季平均氣候和極端氣候事件的識別出發，重點分析氣候變暖以來（1981—2020年）季節尺度（冷冬）—極端低溫事件以及單站極端低溫事件—區域持續性極端低溫事件各自的變化特征及它們之間的聯系，以期為新疆冬季低溫和季節內極端低溫事件過程提供細致的識別指標。

1 資料與方法

1.1 資料說明

新疆105個國家氣象觀測站中，1981年以后因遷站等造成歷史資料不連續的有6站，因此本文采用新疆99個國家氣象觀測站1961—2020年逐日最低氣溫和日平均氣溫，及1981—2020年ERA5逐日最低氣溫再分析資料（空間分辨率為0.1°×0.1°）。冬季為當年12月—次年2月，多年平均為1981—2020年平均。

1.2 方法說明

1.2.1 冷冬

應用《冷冬等級》（GB/T33675—2017）[7]來識別1961—2020年新疆單站冷冬及區域冷冬，為了與本文其他定義保持一致，便于分析，冷冬計算中，冬季平均氣溫采用當年12月—次年2月平均氣溫計算。為了進一步分析氣候變暖背景下的冷冬事件，頻次分析選取1981—2020年40 a資料來統計。

單站冬季平均氣溫距平（ΔT）小于或等于冷冬閾值，定義為單站冷冬。單站冷冬指標和等級劃分見表1。

表1 單站冷冬指標和等級劃分

區域范圍內冷冬站數超過站點總數的50%，定義為區域冷冬，在區域冷冬年，強冷冬站數與冷冬站數之比≥50%，定義為區域強冷冬。

1.2.2 單站極端低溫事件

采用百分位法[11-12，18]來識別單站極端低溫事件。基于新疆99個國家氣象觀測站1961—2020年冬季逐日最低氣溫，將各站逐日最低氣溫的第10分位作為單站極端低溫事件的閾值，低于閾值則記為1個單站極端低溫事件。

1.2.3 區域性持續極端低溫事件

關于區域性持續極端低溫事件的識別，主要參考Peng等[16]提出的方法，考慮到插值方案的科學性和精準度，采用1981—2020年冬季ERA5逐日最低氣溫再分析資料對新疆區域內的格點進行逐個計算。本文所計算區域性持續極端低溫事件的界定過程分為4個部分：（1）界定新疆區域內的格點；（2）利用百分位法按照第10分位計算新疆區域內各格點極端低溫閾值；（3）每日新疆區域內超過極端低溫閾值的格點數若超過總格點數的15%，則認為該日發生了區域性極端低溫事件；（4）當區域性極端低溫事件維持8 d及以上，則認為發生了一次區域性持續極端低溫事件。將一次事件中極端低溫格點最多的日期稱為峰值日期，該日極端低溫格點與總格點數的比值稱為峰值日覆蓋率。

2 冷冬的識別及氣候特征

1981—2020年，新疆冬季平均氣溫為-8.1℃，較1961—1980年冬季平均氣溫（-9.5℃）升高了1.4℃，近40 a升溫速率為0.17℃/10 a。在變暖背景下，1983、1984、1994、2007、2010、2011年冬季新疆區域平均氣溫較多年平均值偏低了1個標準差以上，為異常偏冷的冬季（圖1）。

1981—2020年，新疆出現單站冷冬共計764站次，出現單站強冷冬204站次，平均每年冬季出現單站冷冬19.1站、單站強冷冬5.1站。出現單站冷冬頻次較高的時段分別是1983—1984、2004—2007、2010—2012和2017—2018年，出現單站強冷冬頻次較高的年份分別是1984、2007、2010、2011、2012和2018年；1986—1993年和1997—2000年沒有出現過單站冷冬（圖1）。從年代際變化來看，20世紀80年代、90年代、21世紀00年代和10年代單站出現冷冬的頻次分別是1.8、0.6、2.5和2.9次/站，出現強冷冬的頻次分別是0.5、0.0、0.7和0.8次/站（圖1）。

圖1 1981—2020年新疆冷冬、強冷冬站數及平均氣溫

1981—2020年，新疆絕大多數測站單站冷冬出現頻次為4～13次，奇臺、達坂城、巴音布魯克出現頻次均為13次，富蘊、特克斯、吐魯番、溫宿、沙雅、阿圖什、莎車僅出現4次。從區域分布來看，冷冬出現頻次10次以上的區域在天山兩側和新疆西北部區域，新疆西南部大部分測站在7次以下（圖2a）。同樣的，新疆絕大多數單站強冷冬出現頻次為0～6次，烏魯木齊等9站未出現強冷冬。從區域分布來看，強冷冬出現4次以上的測站分布在新疆北部、天山南麓和東疆一帶（圖2b）。因此，新疆西北部雖然冷冬出現頻次較高，但出現強冷冬年的頻次較低，天山南麓和新疆東部雖然出現冷冬的頻次不高，但達到強冷冬的頻次相對較高。

圖2 1981—2020年新疆冷冬（a）及強冷冬（b）頻次空間分布

1981—2020年新疆出現區域冷冬的年份為1983、1984、2007、2010、2011、2012、2018年，以上年份區域內分別有60、95、75、54、89、61、57站達到冷冬標準，有6、43、35、12、49、11、14站達到了強冷冬標準，根據區域強冷冬的定義，僅2011年為區域性強冷冬。

3 極端低溫事件的氣候特征

3.1 單站極端低溫事件

1981—2020年，新疆冬季單站極端低溫事件平均每年出現11.2次，其中12、1和2月分別為4.2、3.9和3.1次。冬季單站極端低溫事件總體呈減少趨勢，其減少速率為-0.93次/10 a。12和2月總體呈減少趨勢，其減少速率分別為-0.69、-0.45次/10 a；1月總體呈增加趨勢，其增加速率為0.21次/10 a。12、2月出現單站極端低溫事件頻次最高的年數均為15 a，1月出現頻次最高的年數為10 a（圖3）。單站極端低溫事件頻次較多的區域基本位于天山山區及兩側和南疆西部（圖4），各月單站極端低溫事件頻次空間分布與整個冬季類似。

圖3 1981—2020年新疆冬季及各月單站極端低溫事件頻次變化

圖4 1981—2020年冬季單站極端低溫事件頻次空間分布

3.2 區域性持續極端低溫事件

1981—2020年，新疆冬季出現區域性持續極端低溫事件53次，其中，20世紀80年代17次，90年代13次，21世紀00年代12次，10年代11次。從年際特征來看，1982年出現最多，達4次，1983、1987、1993年次之，為3次。1993年之后，新疆每年冬季出現區域性持續極端低溫事件的次數在2次或以下，1989、2000、2006、2008、2016、2019、2020年 冬 季 未出現區域性持續極端低溫事件（圖5）。新疆53次冬季區域性持續極端低溫事件中，24次出現在12月，15次出現在1月，14次出現在2月。20世紀80年代和21世紀10年代12月出現頻次明顯多于1和2月，20世紀90年代和21世紀00年代12月出現頻次接近1月。

1981—2020年，新疆冬季區域性持續極端低溫事件年平均持續天數為12.5 d，最長持續天數為33 d（1984年）。年最長持續天數下降趨勢較弱，下降速率為-0.95 d/10 a。最長持續天數20世紀80年代為0～33 d，90年代為0～27 d，21世紀00年代為0～30 d，10年代為0～26 d（圖5）。

1981—2020年，新疆冬季區域性持續極端低溫事件的累積天數年平均為17.5 d，累積天數最多為49 d（1983年）。年累積日數總體呈下降趨勢，下降速率為-2.9 d/10 a。年累積天數20世紀80年代為0～49 d，90年代為0～29 d，21世紀00年代為0～38 d，10年代為0～38 d（圖5）。

圖5 1981—2020年新疆冬季區域性持續極端低溫事件頻次及持續天數

總體來說，除20世紀80年代前期新疆冬季區域性持續極端低溫事件頻次較高，1994年開始，大部分年份出現頻次在1～2次，持續天數的變化趨勢不明顯，累積天數的下降趨勢明顯強于持續天數，說明新疆冬季區域性持續極端低溫事件發生的累積天數與頻次相聯系，頻次減少，累積天數隨之減少，但單個區域性持續極端低溫事件持續的天數并沒有明顯的減少。

根據新疆冬季區域性持續極端低溫事件出現峰值日的空間分布特征，依據低溫事件間的歐式距離，通過聚類分析將53次事件分為4種類型：全疆型（30次）、山區型（5次）、北疆型（10次）和南疆型（8次）。從各月的發生頻次來看，12月出現頻次最高，1和2月頻次接近（表2）。從持續時間來看，全疆型和南疆型出現頻次最多的是持續10～15 d的事件，山區型出現頻次最多的是持續10～20 d的事件，北疆型出現頻次最多的是持續8～15 d的事件（表3）。

表2 1981—2020年新疆冬季各月區域性持續極端低溫事件頻次 次

表3 1981—2020年新疆冬季區域性不同持續時間極端低溫事件的頻次 次

新疆區域性持續極端低溫事件發生頻次存在明顯的年代際特征（表4）。20世紀80年代出現頻次最多，全疆型和部分地區出現概率都比較大；20世紀90年代起全疆型出現的概率明顯大于其他類型。說明在氣候變暖的背景下，單次區域性極端低溫事件的發生范圍從部分區域擴展到全區域，范圍不斷擴大，這一點有待于進一步研究。

表4 1981—2020年新疆冬季區域性持續極端低溫事件年代際頻次特征 次

4 新疆冷冬與區域性持續極端低溫事件的聯系

描述單站冬季寒冷的定義有單站冷冬和單站極端低溫事件，描述區域寒冷的定義有區域冷冬和區域性持續極端低溫事件。根據冬季平均氣溫偏低一個標準差篩選出的冬季氣溫異常偏低年為1983、1984、1995、2007、2010、2011年，出現區域冷冬年為1983、1984、2007、2010、2011、2012年，出現30 d以上的區域性持續極端低溫事件年為1982、1983、1984、1987、2001、2007、2012年，出現持續天數在20 d以上的區域性持續極端低溫事件年為1983、1984、1994、2001、2007、2010、2012年。

雖然4種指標均識別出1983、1984年，但仍有其他年份的識別有所不同。以平均氣溫為元數據計算出的冬季氣溫異常偏低年和區域冷冬年均識別出1983、1984、2010、2011年，但1995、2007、2012年存在差異；以日最低氣溫為元數據計算出的區域性持續極端低溫事件的累積天數和持續天數分別篩選出的年份里，均識別出1983、1984、2001、2007、2012年，存在差異的年份為1982、1987、1994、2010年。

4.1 以平均氣溫為元數據識別

以平均氣溫為元數據識別出1983、1984、2010、2011年為冬季氣溫異常偏低年和區域冷冬年，而1995年冬季平均氣溫偏低幅度達到了冬季氣溫異常偏低年的閾值，但并未達到區域冷冬年的閾值；2012年則剛好相反。

1995年冬季區域平均氣溫為-9.7℃，較多年平均值偏低1.5℃（異常偏低年的閾值為1.2℃）；96站冬季平均氣溫偏低，達到冷冬閾值的站數為30站，其中1站達到強冷冬閾值。2012年冬季區域平均氣溫為-9.2℃，較多年平均值偏低1.0℃（異常偏低年的閾值為1.2℃）；76站冬季平均氣溫偏低，達到冷冬閾值的站數為61站，其中11站達到強冷冬閾值。因此，1995年新疆冬季氣溫偏低的范圍比2012年大，但偏低幅度小于2012年。

4.2 以日最低氣溫為元數據識別

以日最低氣溫為元數據計算得出的區域性持續極端低溫事件的累積天數（＞30 d）和最長持續天數（＞20 d）分別篩選出的年份里，均識別出1983、1984、2001、2007、2012年，1982、1987、1994、2010年存在差異。

1982、1987年區域性持續極端低溫事件分別出現了4、3次，累積天數分別為42、34 d，但最長持續天數為12、15 d。1994、2010年區域性持續極端低溫事件均出現了1次，累積天數和最長持續天數均為27、25 d。因此，1982、1987年區域性持續極端低溫事件出現頻次高于1994、2010年，其累積天數多于1994、2010年，但單次最長持續天數少于1994、2010年。

綜上所述，新疆冬季偏冷有以下幾類特征：

A類：異常偏冷且極端低溫事件累積持續時間長。冬季區域平均氣溫偏低幅度大（偏低幅度超過1℃），平均氣溫偏低的面積大（超過80站），有60%以上的測站達到冷冬標準，區域性持續極端低溫事件出現頻次多（超過2次），累積日數長（超過30 d），單次低溫事件持續日數長（超過20 d），如1983、1984、2007、2012年。

B類：異常偏冷且極端低溫事件累積持續時間較長。冬季區域平均氣溫偏低幅度大（偏低幅度超過1℃），平均氣溫偏低的面積大（超過80站），有50%以上的測站達到冷冬標準，區域性持續極端低溫事件出現頻次較多（超過1次），累積日數較長（超過20 d），單次低溫事件持續日數較長（超過10 d），如1995、2010、2011年。

C類：偏冷且極端低溫事件累積時間長。冬季區域平均氣溫偏低（偏低幅度＜1℃），平均氣溫偏低的面積大（超過70站），但僅有個別臺站達到冷冬標準，區域性持續極端低溫事件出現頻次多（超過2次），累積日數長（超過30 d），單次低溫事件持續日數較長（超過10 d），如1987年。

D類：不偏冷但階段性低溫持續時間長。冬季區域平均氣溫接近常年或偏高，平均氣溫偏低的面積接近全區域的一半左右，僅有個別臺站達到冷冬標準，區域性持續極端低溫事件出現頻次低（超過1次），累積日數長（超過30 d）或單次低溫事件持續日數長（超過20 d），如1982、1994、2001年。

A類和B類反映了強的冬季持續性區域極端低溫事件影響整個冬季區域氣溫的情況，C類和D類反映了弱的冬季持續性區域極端低溫事件存在但不足以影響整個冬季區域氣溫的情況。

5 結論與討論

5.1 結論

（1）1981—2020年，新疆區域冬季平均氣溫異常偏低年與新疆區域冷冬年有差異，新疆西北部雖然區域冷冬年出現頻次較高，但出現強冷冬年的頻次較低；天山南麓和新疆東部出現冷冬時，達到強冷冬指標的概率較大。

（2）1981—2020年，新疆冬季單站極端低溫事件總體呈減少趨勢。12、2月的出現頻次高于1月，12月減少速率大于2月，1月總體呈增加趨勢。天山山區及兩側和南疆西部是出現冬季單站極端低溫事件頻次較多的區域。

（3）1981—2020年，新疆共出現53次冬季區域性持續極端低溫事件，其中12月出現頻次遠高于1、2月。全疆型冬季區域性持續極端低溫事件出現頻次最高，北疆型次之，南疆型為第三，山區型最少。冬季區域性持續極端低溫事件出現頻次最多的是持續10～15 d的事件。新疆冬季區域性持續極端低溫事件發生頻次減少，累積天數隨之減少，但單次事件持續時間并沒有明顯的減少，而且單次區域型持續極端低溫事件的發生范圍在擴大。

（4）描述平均狀況和描述極端狀況的指標相結合，能更加清楚地識別出新疆冬季偏冷的特征：當冬季極端低溫事件出現頻次高、持續時間長時，50%以上的范圍出現冷冬（強冷冬），區域內冬季平均氣溫一致偏低的概率較大；當冬季極端低溫事件出現頻次低、持續時間在10 d以內時，出現冷冬的范圍很小或基本不出現，冬季平均氣溫一致偏低的概率較小。

5.2 討論

當前描述冬季寒冷的指標主要通過兩個層面，一是描述平均狀況，二是描述極端狀況。平均狀況的描述可通過冬季平均氣溫和基于冬季平均氣溫計算得出的指標，如單站冷冬、區域冷冬等；極端狀況的描述可通過冬季極端最低氣溫和基于冬季極端最低氣溫計算得出的指標，如單站極端低溫事件、區域性持續極端低溫事件等。某些年份其平均狀況與極端狀況能一致反映冬季的寒冷程度，而有些年份則不能一致反映。因此，關注冬季寒冷程度不僅僅需要判識冷冬這樣描述平均狀況的指標，更需要了解極端低溫事件的發生發展狀況，特別需要著重在持續時間較長、對整個冬季氣候影響較大的新疆冬季區域性持續極端低溫事件前期環流特征和影響因子方面開展具體研究。