近60年中國冷空氣過程的氣候變率分析*

朱萬林 李清泉 王遵婭 沈新勇

1 南京信息工程大學氣象災害預報預警與評估協同創新中心，南京 210044 2 國家氣候中心,中國氣象局氣候研究開放實驗室，北京 100081 3 南方海洋科學與工程廣東省實驗室(珠海)，珠海 519082

提 要： 使用1960—2019年中國2 400個氣象站逐日觀測氣溫，系統地分析了中國各類冷空氣過程的氣候學特征。結果表明：中國的寒潮和冷空氣過程主要發生在秋季和冬季，頻數和強度有明顯的月際和季節差異，區域型寒潮在秋季發生頻數最多，全國型寒潮、區域型冷空氣和全國型冷空氣在冬季發生頻數最多；區域型冷空氣總體過程(寒潮與冷空氣過程之和)平均強度在2月最大，全國型冷空氣總體過程平均強度在11月最大。近60年中國冬季氣溫可以分為兩個時期，即冷期(1960—1986年)和暖期(1987—2019年)。冷期，冬季全國型寒潮頻數呈顯著減少趨勢[-0.57次·(10 a)-1]，區域型冷空氣、全部型(全國型與區域型之和)冷空氣過程頻數呈顯著上升趨勢[分別為1.37 次·(10 a)-1、1.28次·(10 a)-1]；暖期，1月全國型寒潮頻數呈顯著下降趨勢[-0.17次·(10 a)-1]，而區域型冷空氣頻數呈顯著上升趨勢[0.53次·(10 a)-1]。

引 言

在全球氣候變化背景下，我國極端災害事件頻發。冷空氣過程特別是強冷空氣過程和寒潮過程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，而且會對環境及人們對生活、健康造成嚴重的危害和影響。

陶詩言(1955)對東亞冷空氣活動進行了研究，并確定了影響我國的冷空氣源地和路徑。20世紀70年代，陳佑淑等(1974)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。國家氣象中心氣候應用室(1996)根據過程總降溫把冷空氣過程分為區域型寒潮、全國型寒潮、強冷空氣、一般冷空氣。王遵婭和丁一匯(2006)認為最低溫度不受太陽輻射的影響，可以較好地反映降溫的相對幅度，進而用最低氣溫計算降溫幅度，并對寒潮及冷空氣過程進行了更加細致的分類。王遵婭和丁一匯(2006)還利用1951—2004年中國740個站逐日溫度資料, 對中國寒潮頻次的氣候特征及其變化進行了分析， 并在此基礎之上討論了中國寒潮頻次減少的可能原因，其結果表明，西伯利亞高壓和冬季風強度的減弱使冬季中國地表溫度持續升高，而溫度的這種變化與中國寒潮頻次減少有密切的聯系。Ding(1990)、張培忠和陳光明(1999)在20世紀末分析了影響中國的寒潮冷高壓的活動情況，指出冷高壓中心強度的發展增強對寒潮爆發具有重要意義。徐瑋平等(2020)通過研究20世紀90年代以后華北地區初春低溫增強的原因，表明歐亞大陸大氣環流異常會導致我國華北地區氣旋性增強和經向環流加大，從而引起寒潮等極端低溫事件增多。

在全球升溫和未來持續升溫的大背景下，對中國極端溫度和極端溫度事件的研究已成為中國氣候變化領域的重要問題(胡宜昌等，2007；李金潔等，2019)。丁一匯等(2009)研究發現，上述變暖背景下的中國寒潮發生的頻數和強度也出現了明顯變化。姚永明等(2011)統計分析表明，從20世紀50—80年代，中國各類寒潮的發生頻次呈減少趨勢且強度減弱。黃煥卿和韓雪(2014)利用中國194個站1951年1月1日至2003年5月31日逐日氣溫資料，發現全國大部地區中強冷空氣和寒潮每年發生次數呈減少趨勢，但少部分地區出現的中強冷空氣每年發生次數呈增多趨勢；冬季冷空氣發生次數同比秋、春兩季減少明顯。周琳和孫照渤(2015)利用1960—2010年我國384個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，全國型冷空氣活動頻數在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。

仇永康等(1992)、曹曉初等(2001)、紀忠萍等(2007)、劉向文等(2009)、岳艷霞等(2009)、王宗明等(2011)、閻琦等(2016)、朱晨玉等(2014)、毛煒嶧等(2016)、唐熠等(2019)等大量研究對不同區域冷空氣特征進行統計分析。還有學者對寒潮及冷空氣預報進行研究，如任金聲等(1996)以數值預報為基礎，結合預報經驗，并運用能量與診斷、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；陶亦為等(2017)利用集合預報天氣預報指數(EFI)對2016年1月寒潮個例的預報進行分析和檢驗。

綜上所述，目前的研究大都針對不同地區冬季冷空氣過程，其結果具有很明顯的區域型和季節性；而且，很多研究是早期用有限的資料開展的，很少有人系統地研究中國寒潮和冷空氣的氣候學變化特征，特別是近年來寒潮和冷空氣活動的新特征。因此，本研究的目的是使用最新的1960—2019年中國2 400 個國家級氣象站計算得到的冷空氣過程監測資料，系統地分析中國各個季節寒潮及冷空氣過程頻數和強度的變化特征和規律，以便于全面認識我國冷空氣過程的氣候特征，為極端天氣氣候預測提供參考依據。

1 資料和方法

1.1 資 料

本文使用了國家氣象信息中心提供的2 400個臺站逐日平均氣溫和日最低氣溫資料，以及國家氣候中心提供的中國冷空氣過程監測指數，時間范圍是1960年1月1日至2019年6月30日。氣溫資料經過國家氣象信息中心質量控制，沒有做均一化處理。Wang et al(2012)研究指出，采用均一化和非均一化的逐日最低氣溫數據不會改變極端氣溫的分析結果。此外，本文對冷空氣過程的判定是采用降溫幅度，也就是用本臺站的某個高溫值減去某個低溫值，已經去掉了數據整體的系統誤差，因而資料均一性問題不會對冷空氣的分析產生較大的影響。

1.2 各類冷空氣過程的定義

根據中華人民共和國氣象行業標準《冷空氣過程監測指標》(中國氣象局，2017)，定義冷空氣過程為冷空氣發生、發展、結束的天氣過程。采用中國2 400 個國家級氣象觀測站日最低氣溫(Tmin)資料，依據單站降溫幅度和日最低氣溫確定該單站的冷空氣強度等級，將強度劃分為中等強度冷空氣、強冷空氣和寒潮3級，劃分方法為：①單站中等強度冷空氣：8℃>單站ΔT48≥ 6℃的冷空氣；②單站強冷空氣：單站ΔT48≥8℃的冷空氣；③單站寒潮：單站ΔT24≥8℃或單站ΔT48≥10℃或單站ΔT72≥12℃，且Tmin≤4℃的天氣過程(其中48 h、72 h內的日最低氣溫必須是連續下降的)。

每日監測區域內有20%及以上且少于55%觀測站單站出現中等及其以上冷空氣過程，且持續兩日及以上，判定為出現一次區域型冷空氣過程；每日監測區域有超過55%觀測站單站出現中等及其以上冷空氣過程且持續兩日及以上，判定為一次全國型冷空氣過程。依據某次區域型(全國型)冷空氣中達到不同強度等級的單站比率確定該次冷空氣過程的強度指數(I)，計算公式為

(1)

式中：N3為監測區域內出現寒潮的站點數；N2為監測區域內出現強冷空氣的站點數；N1為監測區域內出現中等強度冷空氣的站點數。

依據I確定其強度等級，劃分為冷空氣過程(1≤I<1.95)和寒潮過程(1.95≤I<3)，并根據上述方法定義區域型寒潮過程、全國型寒潮過程、區域型冷空氣過程和全國型冷空氣過程。

本文把區域型寒潮(冷空氣)過程與全國型寒潮(冷空氣)過程之和稱為全部型寒潮(冷空氣)過程，寒潮過程與冷空氣過程之和稱為冷空氣總體過程。

在對寒潮過程和冷空氣過程頻數的變化特征進行研究時，采用了線性回歸的方法，并利用時間和變量之間的相關系數對變化趨勢進行顯著性水平檢驗。梁蘇潔等(2014)指出對于較短的時間序列，傳統的Mann-Kendall(M-K)和滑動t檢驗無法有效檢測時間序列后期的突變點，而Rodionov(2016)提出的基于t檢驗的循序算法STARS(sequentialt-test analysis of regime shift)更為嚴謹，能夠檢測出位于時間序列后期的突變。因此本文采用STARS檢驗方法并結合11年滑動平均曲線的變化趨勢對中國冬季的溫度進行分析和研究。

2 各類冷空氣過程頻數的特征

本文的統計分析結果表明，近60年來，全部型(區域型與全國型之和)寒潮共發生344次，其中全國型175次，區域型寒潮169次，全國型比區域型略偏多；全部型冷空氣共發生1 384次，約是全部型寒潮的4倍，其中區域型冷空氣發生1 256 次，全國型冷空氣則為128次，區域型冷空氣是全國型冷空氣的9.8倍；冷空氣總體過程(寒潮過程與冷空氣過程之和)共發生1 728次，其中區域型冷空氣總體過程發生1 425 次，全國型冷空氣總體過程發生303次，區域型是全國型的4.7倍(圖略)。由此可見，冷空氣過程發生的次數遠比寒潮過程發生的次數多；區域型冷空氣過程發生的次數遠比全國型冷空氣過程發生的次數多，但是全國型寒潮與區域型寒潮發生的次數接近。下面我們將系統地分析各類事件的月、季節、年代、長期變化趨勢特征。

2.1 不同月和季節的各類冷空氣過程頻數特征

首先，我們對每個月和季節各類冷空氣總體過程的累積頻數進行分析。如圖1所示，冷空氣過程主要發生在除夏季(6—8月)以外的其他三個季節，其中11月累積頻數最多，9月累積頻數最少。區域型和全國型寒潮分別在10月和11月發生最多，區域型和全國型冷空氣過程分別在11月和12月發生次數最多。全部型寒潮、冷空氣、冷空氣總體過程累積頻數在各月特征基本相同，即10—12月的累積頻數明顯多于其他月份，尤其是11月最多。

1、3、4、11、12月全國型寒潮比區域型寒潮多，其中11月最多；2、5、9、10月區域型寒潮比全國型寒潮多，其中10月最多。對于全部型寒潮，冬季，12月和2月發生的寒潮比1月略偏多；春季，3月最多，其次是4月；秋季，11月最多，其次是10月。

圖2是各類冷空氣過程在冬、春、秋三個季節累積頻數。由圖2可見，對寒潮過程來說，秋季是區域型寒潮最為頻發的季節，冬季次之，春季最少；與之相反，秋季是全國型寒潮發生次數最少的季節；秋季和冬季是全部型寒潮頻發的季節，春季最少。冬季是區域型冷空氣(冷空氣總體過程)最為頻發的季節，秋季次之，春季最少；冬季也是全國型冷空氣(冷空氣總體過程)最為頻發的季節，春季次之，秋季最少。全部型冷空氣(冷空氣總體過程)在各個季節的累積頻數特征與冷空氣(冷空氣總體過程)過程的區域型季節特征一樣。

對于寒潮，全國型寒潮年總次數是區域型寒潮年總次數的1.3倍。全國型與區域型寒潮相比較，冬季一樣多，春季多37%，秋季少18%。全國型寒潮在冬季和春季一樣多，比秋季多10%；區域型寒潮在秋季最多，冬季次之，春季最少，秋季和冬季分別比春季多51%和37%。全部型寒潮在冬季和秋季一樣多，都比春季多16%。對于冷空氣過程，全國型在冬季發生最多，秋季最少；區域型和全部型在冬季最多，春季最少；區域型冷空氣年總次數是全國型冷空氣年總次數的10.2倍，全國型寒潮年總次數的7.5倍，區域型寒潮年總次數的7.6倍。對于冷空氣總體過程，全國型在冬季最多，秋季最少；區域型和全部型在冬季最多，春季最少；區域型冷空氣總體過程年總次數是全國型冷空氣總體過程年總次數的5倍。

圖1 1960—2019年各類冷空氣過程在不同月份的累計發生頻數(a1)區域型寒潮,(a2)全國型寒潮，(a3)全部型寒潮，(b1)區域型冷空氣,(b2)全國型冷空氣，(b3)全部型冷空氣，(c1)區域型冷空氣總體過程,(c2)全國型冷空氣總體過程，(c3)全部型冷空氣總體過程Fig.1 The cumulative occurrence frequency of various cold air processes in different months from 1960 to 2019 (a1) regional cold wave, (a2) national cold wave, (a3) all cold wave， (b1) regional cold air, (b2) national cold air, (b3) all cold air， (c1) regional cold air overall process, (c2) national cold air overall process, (c3) all cold air overall process

圖2 同圖1，但為冬季、春季和秋季Fig.2 Same as Fig.1, but for winter, spring and autumn

2.2 各類寒潮頻數的年代際變化趨勢

圖3給出了不同季節三類寒潮過程在每個年代(10年)累計發生次數。由圖3可見，在冬季，每個年代發生全部型寒潮12～28次，其中區域型6～13次，全國型6～18次；區域型寒潮經歷了增加、減少、增加、減少的年代際變化，全國型和全部型寒潮經歷了減少、增加、減少的年代際變化。區域型寒潮在20世紀70年代、90年代偏多，其他年代偏少；全國型寒潮在20世紀60年代發生的次數明顯多于其他年代，20世紀80年代以前，呈現明顯的下降趨勢，隨后平緩增加，21世紀后減少。全部型寒潮在冬季的年代際變化特征較為明顯，1960—1989年期間，呈現較明顯的下降趨勢，20世紀90年代作為過渡時期，隨后緩慢減少。

春季，每個年代發生全部型寒潮12～25次，其中區域型3～12次，全國型5～13次；區域型寒潮經歷了減少、增加的年代際變化；全國型寒潮則呈減少、增加、減少的年代際變化；全部型寒潮則經歷減少、增加、減少、增加、減少的年代際變化。區域型寒潮在20世紀60年代和70年代發生次數較多，到了80年代和90年代，發生次數較少，21世紀后有所增加。圖3b1～3b3很好地反映區域型寒潮在春季發生頻數的年代際差異，即1960—2000年，每10年發生的次數呈遞減趨勢，21世紀后，區域型寒潮發生頻數明顯增加。全國型寒潮發生次數在20世紀60年代和21世紀初較多，在20世紀70年代和最近10年較少，總體而言，21世紀前全國型寒潮每10年的累積頻數呈現先減少后增加的年代際特征，21世紀后為減少。全部型寒潮頻數在20世紀60年代和21世紀初累積頻數明顯多于其他年代，1970—2000年期間沒有明顯的年代際變化，該期間每10年發生的累積頻數基本一致，近10年發生的頻數最少。

秋季，每個年代發生全部型寒潮14～24次，其中區域型6～13次，全國型4～13次；區域型寒潮經歷了增加、減少、增加、減少、增加的年代際變化，全國型寒潮則呈增加、減少的年代際變化，全部型寒潮則經歷減少、增加、減少、增加的年代際變化。秋季寒潮頻數的年代際變化沒有春季明顯，20世紀80年代區域型寒潮次數偏少，只發生了6次，在其他年代發生的次數沒有明顯差異。全國型寒潮在20世紀60年代、90年代發生次數較多，70年代、80年代為一過渡時期， 21世紀后，全國型寒潮發生的次數偏少且呈現出遞減的變化趨勢。全部型寒潮在20世紀60、70和90年代偏多，在80年代及21世紀后偏少。

圖3 1960—2019年各季節寒潮每10年累積發生頻數(a1)冬季區域型寒潮,(a2)冬季全國型寒潮，(a3)冬季全部型寒潮，(b1)春季區域型寒潮,(b2)春季全國型寒潮，(b3)春季全部型寒潮，(c1)秋季區域型寒潮,(c2)秋季全國型寒潮，(c3)秋季全部型寒潮Fig.3 The cumulative frequency of cold waves in each season from 1960 to 2019 (a1) regional cold wave in winter, (a2) national cold wave in winter, (a3) all cold wave in winter， (b1) regional cold wave in spring, (b2) national cold wave in spring, (b3) all cold wave in spring， (c1) regional cold wave in autumn, (c2) national cold wave in autumn, (c3) all cold wave in autumn

統計三類(全國型、區域型、全部型)寒潮頻數在各個季節的變化趨勢(圖4)發現，除秋季的區域型寒潮表現為增加趨勢外，其他季節均表現為減少，其中全國型寒潮頻數在冬季和秋季的減少趨勢[分別為-0.17次·(10 a)-1、-0.14次·(10 a)-1]都通過了0.05顯著性水平檢驗，全部型寒潮頻數在冬季的減少趨勢[-0.21次·(10 a)-1]通過0.10顯著性水平檢驗。分析每個月寒潮頻數變化趨勢(圖略)發現，冬季1月的全國型寒潮和全部型寒潮的減少趨勢分別通過0.05和0.10的顯著性水平檢驗。雖然秋季各類寒潮的變化趨勢沒有通過顯著性水平檢驗，但是秋季10月和11月全國型寒潮頻數的下降趨勢通過0.10顯著性水平檢驗。

3 各類冷空氣過程的強度特征

3.1 不同月和季節的各類冷空氣過程強度特征

每個月各類冷空氣過程累積強度(圖略)的特征與其累積頻數(圖1)特征基本一致。區域型寒潮在10月的累積強度最大，全國型冷空氣過程在12月的累積強度最大，其他過程(全國型寒潮和區域型冷空氣)在11月累積強度最大。值得注意的是三類全部型天氣過程(全部型寒潮、全部型冷空氣過程、全部型冷空氣總體過程)的累積強度在各月份呈現出相同特征，即10—12月的累積強度明顯大于其他月份，其中11月累積強度最大。9月各類冷空氣總體過程的累積強度最小。

下面分析不同月和季節各類冷空氣總體過程平均強度(定義為累積強度除以累積頻數)的特征。由圖5可見，區域型、全國型和全部型冷空氣過程都在2月平均強度最大，區域型寒潮和全國型寒潮分別在5月和11月平均強度最大。因為9月沒有發生全國型寒潮(圖1)，其強度為零(圖5a2)。在除了9月以外的其他月份，全國型寒潮平均強度(為2.10～2.21)均大于區域型寒潮平均強度(2.01～2.11)，其中2月兩者平均強度的懸殊最大。對于全部型寒潮(區域型與全國型之和)來說，冬季，12月和2月發生的寒潮平均強度比1月略大；春季，3月和4月的平均強度比5月的略大；秋季，11月的平均強度則明顯大于9月和10月。

圖4 1960—2019年冬季(a)、春季(b)、秋季(c)區域型寒潮(淺藍柱)、全國型寒潮(深藍柱)和全部型寒潮(黑框)累積頻數及其線性趨勢(相應顏色的虛線)Fig.4 The cumulative frequency of regional cold waves (light blue column), national cold waves (dark blue column) and all types of cold waves (black box) and their linear trends (corresponding color dotted line) in winter (a), spring (b), and autumn (c) from 1960 to 2019

圖6是各類冷空氣過程在冬、春、秋三個季節的平均強度，由圖6可見，每個季節寒潮平均強度(>2.0)大于冷空氣平均強度(<1.8)，全國型寒潮(冷空氣)平均強度大于區域型寒潮(冷空氣)強度。全國型寒潮平均強度(2.15～2.17)均大于區域型寒潮平均強度(2.03～2.09)，全國型冷空氣平均強度(1.74～1.78)明顯大于區域型冷空氣的平均強度(1.60～1.64)；全國型冷空氣總體過程平均強度(1.97～2.01)明顯大于區域型冷空氣總體過程的平均強度(1.66～1.69)。在冬季、春季、秋季，全國型寒潮平均強度大小分別是區域型寒潮平均強度的1.05、1.03、1.06倍，全國型冷空氣的平均強度大小分別是區域型冷空氣平均強度的1.06、1.10、1.11倍。對比三個季節，全國型寒潮(冷空氣)在春季和秋季的平均強度相當，略大于冬季；區域型和全部型寒潮平均強度在春季最大，秋季次之，冬季最小；區域型冷空氣、全部型冷空氣在冬季、春季、秋季的平均強度依次減少。

3.2 寒潮強度長期變化趨勢

由圖7可見，1960—2019年，區域型寒潮和全部型的平均強度在春季最強，大小分別為2.09和2.14，全國型寒潮的平均強度(2.18)在秋季最強。除了區域型寒潮的平均強度在秋季和冬季的變化趨勢表現為上升外，其他類型寒潮的平均強度在各個季節的變化趨勢均為下降，全國型寒潮平均強度在秋季和冬季呈顯著下降趨勢，分別為-0.17 (10 a)-1和-0.14 (10 a)-1，分別通過0.05和0.10顯著性水平檢驗，其中全國型寒潮的平均強度在11月和2月的下降趨勢超過0.10顯著性水平檢驗(圖略)；雖然全部型寒潮的平均強度在冬季的下降趨勢不顯著，但是在12月的下降趨勢超過0.10顯著性水平檢驗(圖略)。

圖5 同圖1，但為平均強度Fig.5 Same as Fig.1, but for the average intensity

圖6 同圖1，但為冬季、春季和秋季的平均強度Fig.6 Same as Fig.1, but for the average intensity in winter, spring and autumn

圖7 同圖4，但為平均強度及其線性趨勢Fig.7 Same as Fig.4, but for the average intensity and linear trend

4 變暖背景下冬季各類冷空氣過程的變化特征

4.1 冬季氣溫的變化

為了詳細地分析我國冬季的寒潮及冷空氣頻數變化特征，本文首先分析了1960—2019年冬季氣溫的變化特征，進而對不同時期寒潮和冷空氣的特征。如圖8所示，冬季平均氣溫有很強的增暖趨勢，同時疊加有很明顯的年代際變化，這種變化在11年滑動平均曲線上表現尤為明顯。使用STARS方法計算冬季氣溫的突變點，首先對59年(1960—2019年)冬季平均溫度預白化，設置顯著性檢驗水平P=0.10，由于本文主要考察氣溫序列的年代際變化，因此將切斷長度L設在10～20，計算不同L下的RSI(regime shift index)值，發現全國春季、秋季、冬季氣溫均具有很強的年代際變化信號。由圖8可見，在59年冬季中，氣溫只發生了一次突變，即以1986年冬季為分界，因此可以將中國冬季氣溫劃分為兩個時期，即冷期(1960—1986年)和暖期(1987—2019年)。

圖8 1960—2019年中國大陸冬季平均氣溫的時間序列(柱狀圖表示氣溫距平,黑色實線表示突變檢驗,綠色實線表示線性趨勢,綠色虛線表示11年滑動平均)Fig.8 The time series of average winter temperature in mainland China from 1960 to 2019(The histogram indicates the temperature anomaly, the black solid line indicates the mutation test, the green solid line indicates the linear trend, the green dotted line indicates the 11-year running average)

4.2 冬季各類冷空氣過程頻數的變化

通過對比分析兩個時期冬季寒潮及冷空氣的頻數(表1和圖9)發現，除區域型冷空氣、全國型冷空氣和全部型冷空氣外，其他冷空氣過程在暖期(1987—2019年)內平均每年發生的次數均比冷期(1960—1986年)內發生的次數少，其中表現尤為明顯的為全國型寒潮和全部型寒潮。由圖8可以明顯地看出，冷期冬季我國氣溫表現為明顯的負異常，而暖期冬季我國氣溫表現為明顯的正異常，可見，寒潮及冷空氣發生的次數與冬季氣溫的溫度背景存在一定的對應關系：冬季溫度偏高，寒潮發生次數偏少，冷空氣發生次數偏多；冬季溫度偏低，寒潮發生次數偏多，冷空氣發生次數偏少。

由表1還可以看出，冬季三類寒潮頻數在兩個時期都表現為下降趨勢，但只有冷期冬季的全國型寒潮頻數下降趨勢通過了0.10的顯著性水平檢驗，其大小為-0.57次·(10 a)-1；冬季三類冷空氣頻數在兩個時期主要表現為上升(只有全國型冷空氣頻數冷期的趨勢為下降)，其中區域型冷空氣和全部型冷空氣的頻數在冷期的上升趨勢超過0.05顯著性水平檢驗，其大小分別為1.37次·(10 a)-1和1.27次·(10 a)-1；冬季三類冷空氣總體過程在兩個時期的變化趨勢主要表現為上升(只有全國型冷空氣總體過程在冷暖期表現為下降)，其中區域型冷空氣總體過程頻數在冷期的上升趨勢超過0.10顯著性水平檢驗，為1.25次·(10 a)-1。此外，通過進一步分析冬季的12月、1月和2月各類寒潮和冷空氣的頻數變化趨勢發現，冷期12月全國型寒潮頻數的下降趨勢[-0.27次·(10 a)-1]通過了0.10顯著性水平檢驗，冷期2月全部型寒潮頻數[-0.37次·(10 a)-1]和暖期1月的全國型寒潮頻數[-0.17次·(10 a)-1]下降趨勢均通過了0.05的顯著性水平檢驗，暖期1月的區域型冷空氣發生頻數的上升趨勢[0.53次·(10 a)-1]通過0.10顯著性水平檢驗(圖略)。

4.3 冬季各類冷空氣過程強度的變化

本節定義冬季各類冷過程的次平均強度為冬季總累積強度除以總次數，用以表示平均每次冷過程的強度。

圖9 1960—2019年冬季寒潮(a)、冷空氣(b)、冷空氣總體過程(c)累積頻數及線性趨勢(淺藍柱表示區域型，深藍柱表示全國型，黑色框表示全部型；直線表示相應的線性趨勢)Fig.9 The cumulative frequency and linear trend of the winter cold wave (a), cold air (b), and cold air cold air overall process (c)(The light blue column represents the regional type, the dark blue column represents the national type, and the black box represents all types; the straight line represents the corresponding linear trend)

表1 1960—2019年冬季寒潮、冷空氣和冷空氣總體過程的平均發生次數及其變化趨勢Table 1 The average frequency and the linear trend of the cold wave, cold air and the overall process of cold air in the winter from 1960 to 2019

表2為1960—2019年冬季寒潮及冷空氣的強度及其變化趨勢。由表2可見，三類冷空氣過程的次平均強度在冷、暖期的特征變化與三類寒潮一致。對比冷、暖期冬季區域型冷空氣和全部型冷空氣強度的大小，暖期冬季的次平均強度比冷期冬季相應值略偏小，暖期冬季全國型冷空氣的次平均強度則比冷期冬季時略偏大，說明暖期冬季全國型冷空氣的強度要略強于冷期冬季的。與冷期冬季相比，暖期冬季區域型寒潮次平均強度減小；暖期冬季全國型寒潮次平均強度呈增加；全部型寒潮在暖期冬季的次平均強度比冷期冬季的次平均強度小，由此可見，全部型寒潮(區域型寒潮與全國型寒潮之和)的次平均強度受區域型寒潮的次平均強度影響較大。

表2 同表1，但為強度及其變化趨勢Table 2 Same as Table 1, but for the intensity and the linear trend

如表2所示，冷期，冬季全國型寒潮強度(-0.120 a-1)和全部型寒潮強度(-0.147 a-1)呈顯著下降趨勢，通過了0.10顯著性水平檢驗，冬季全部型冷空氣強度(0.154 a-1)呈顯著上升趨勢，通過了0.10顯著性水平檢驗；暖期，只有全部型冷空氣總體過程強度(0.115 a-1)呈顯著上升趨勢，通過了0.10顯著性水平檢驗，這表明近幾年來我國冬季的冷空氣總體過程強度相對于冷期有所增加。此外，分析表明12月全國型寒潮強度減弱趨勢通過了0.10 顯著性水平檢驗，2月全部型寒潮強度減弱趨勢通過了0.05的顯著性水平檢驗(圖略)。由表2還可以看出，暖期冬季的全國型寒潮和全國型冷空氣過程次平均強度比冷期大，其余7類冷空氣過程在暖期的次平均強度比冷期小。

5 結論與討論

本文系統地分析了近60年(1960—2019年)中國各類冷空氣過程發生頻數和強度的氣候特征，以及變暖背景下冬季各類冷空氣過程的變化特征，主要結論如下：

(1)近60年來，全部型(全國型與區域型之和)寒潮共發生344次，其中全國型175次，區域型寒潮169次；全部型冷空氣共發生1 384次，其中區域型冷空氣1 256次，全國型冷空氣128次；冷空氣總體過程(寒潮與冷空氣之和)共發生1 728次，其中區域型冷空氣總體過程1 425次，全國型冷空氣總體過程303次。各類冷空氣總體過程的累積頻數在11月最多，9月最少；區域型寒潮在秋季發生頻數最多，全國型寒潮和全部型冷空氣在冬季發生頻數最多。對各類寒潮在冬季、春季、秋季節累積頻數長期趨勢分析表明，除區域型寒潮累積頻數在秋季呈上升趨勢，全國型和區域型寒潮累積頻數在冬季和春季呈下降趨勢，其中冬季下降趨勢最顯著。

(2)區域型寒潮和全國型寒潮平均強度分別在5月和11月最大，9月最小；區域型和全國型冷空氣過程平均強度在2月最大；區域型冷空氣總體過程平均強度在2月最大，全國型冷空氣總體過程的平均強度在11月最大。對比三個季節，全國型寒潮(冷空氣、冷空氣總體過程)在春季和秋季的平均強度相當，略大于冬季；區域型(全部型)寒潮平均強度在春季最大，冬季最小；區域型冷空氣和冷空氣總體過程、全部型冷空氣和冷空氣總體過程在冬季、春季、秋季的平均強度依次減少。三個季節三類寒潮累計強度都呈減少趨勢，其中全國型和全部型寒潮在秋季顯著減少。

(3)1960—2019年的中國冬季氣溫時間序列可分為兩個時期，1960—1986年為冷期，1987—2018年為暖期。暖期冬季的區域型冷空氣、全國型冷空氣和全部型冷空氣平均發生頻次比冷期略偏多；暖期冬季的其他冷空氣過程平均每年發生頻數較冷期偏少；其中冷期冬季全國型寒潮頻數呈顯著減少趨勢，為-0.57次·(10 a)-1。冷期全國型冷空氣和全部型冷空氣的增加趨勢超過0.05顯著性水平檢驗，大小分別為1.37次·(10 a)-1和1.28次·(10 a)-1；暖期各類冷過程在各季節的變化趨勢都沒有通過顯著性水平檢驗，但是暖期1月的全國型寒潮頻數下降趨勢[-0.17次·(10 a)-1]和區域型冷空氣頻數的上升趨勢[0.53次·(10 a)-1]分別通過0.05和0.10顯著性水平檢驗。