中亚阿拉木图与乌鲁木齐寒潮气候变化特征对比分析

段均泽，毛炜峄，张同文，3，刘 精

（1.新疆气候中心，新疆 乌鲁木齐830002；2.中亚大气科学研究中心，新疆 乌鲁木齐830002；3.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，新疆 乌鲁木齐830002）

寒潮通常会造成剧烈降温，有时还伴有大风、暴雪等一系列灾害天气，是中高纬地区的主要气象灾害，给当地的农牧业生产、交通运输以及公众生活等带来诸多不利影响[1-3]。很多研究表明我国区域内的寒潮活动特征发生了变化。赵玉广等[4]分析了我国河北省寒潮天气的时空分布及变化，发现寒潮减少与冬季增暖有明显相关性；周伟东等[5]得出冬季影响我国上海的寒潮过程平均风速呈下降趋势，降水总量呈增多趋势；白松竹等[6]研究结果表明，1961—2012年新疆北部的阿勒泰地区寒潮次数的减少速率较快，气候变暖是寒潮减少的重要气候背景。毛炜峄[7]、郑玉萍[8]给出了乌鲁木齐市寒潮降温过程强度和频数的变化特征，曹兴[9]基于不同寒潮定义指标讨论了乌鲁木齐市寒潮降温过程频数和强度变化差异，毛炜峄[10]讨论了单站寒潮强度的单因子、多因子指标及其在气候评价业务中的应用。

中亚地区是全球气候变化最为剧烈的区域之一[11]，中亚五国的气象站空间分布不均，大多数测站的观测资料在前苏联解体后存在不同程度的缺测现象，目前对于寒潮气候变化规律的研究，涉及到中亚国家的不多见。将新疆视为中亚核心区域的一部分[12,13]，与我国新疆相邻的中亚国家的寒潮活动规律与新疆有何异同？阿拉木图（Almaty,43.19°N,76.55°E）是哈萨克斯坦国前首都，乌鲁木齐（Urumqi,43.46°N,87.36°E）是中国新疆维吾尔自治区首府，这两个城市均位于天山山脉北麓，人口较多，经济发展相对较快，同时受寒潮影响较为严重。对阿拉木图和乌鲁木齐的寒潮过程气候变化特征进行对比分析，可为提高中亚区域的寒潮监测、预测水平奠定一定基础，提升丝绸之路经济带沿线区域的气象灾害防御技术支撑能力。

1 资料与分析方法

1.1 资料

选用阿拉木图（1951—2006年）和乌鲁木齐（1951—2016年）的逐日最低气温、平均气温资料，阿拉木图逐日气温资料来源于世界气象组织国家间的数据交换共享（东英吉利大学气候研究中心CRU）网站，乌鲁木齐日气温资料来自新疆气候中心。由于CRU网站上2007年以后阿拉木图市的日气温资料不连续，文中统一以1951—2006年平均值作为气候均值来对比分析。乌鲁木齐年过程频数周期分析使用1951—2016年寒潮过程数据库。

1.2 寒潮判定标准

国家标准《寒潮等级（GB/T 21987-2017）》中定义，寒潮是指某地日最低气温24 h内降温幅度≥8℃或48 h内降温幅度≥10℃，或72 h内降温幅度≥12℃，且日最低气温≤4℃的冷空气过程，其中48、72 h内的气温必须是连续下降。依据该定义，分别整理出了阿拉木图（1951—2006年）与乌鲁木齐（1951—2016年）的寒潮过程数据库。

各月的寒潮过程频数统计标准为：过程的开始和结束日期在同一月的，则参与该月统计；如果寒潮过程的开始和结束日期跨两个相邻月，则按照寒潮级别最先达到的日期所在月统计。

1.3 分析方法

寒潮过程频数变化趋势采用线性趋势法分析，显著性采用t检验法判定[14]；周期分析采用morlet小波变换方法，取小波系数的实部来分析周期尺度，用对称延伸法来部分消除小波变换法在资料开头和结尾的边缘效应[15]。

2 两城市寒潮过程频数及出现日期气候特征对比

2.1 寒潮过程年频数

1951—2006年，阿拉木图和乌鲁木齐分别出现343次和237次寒潮过程，年平均寒潮过程频数分别为6.13次和4.23次，阿拉木图比乌鲁木齐多1.90次。阿拉木图的寒潮过程频数最多年为1955年，共出现了13次，最少年分别为1967年和1987年，均为2次；乌鲁木齐的寒潮过程频数最多年为1952年，共出现了10次，最少年分别为1972年和2016年，均未出现寒潮。阿拉木图更易受到寒潮侵袭。

2.2 寒潮过程月频数分布

阿拉木图多年平均的寒潮过程频数月分布呈单峰型（图1），以10月至翌年2月期间寒潮高发，以11月和12月寒潮频数最多，分别占年平均寒潮过程总数的16.3% 和14.9% ；6月最少，占寒潮过程总数的1.2% ，7、8月无寒潮发生。乌鲁木齐多年平均的寒潮过程频数月分布呈双峰型（图1），在春季4月和秋季11月有2个高发阶段，11月和4月的寒潮过程频数分别占16.9% 和16.5% ；9月最少，占4.6% ，夏季（6—8月）无寒潮发生。对比两城市的寒潮过程频数月分布特征，阿拉木图市5月的过程频数低于乌鲁木齐，4月两城市的寒潮过程频数接近，在其它各月，阿拉木图的寒潮过程频数明显多于乌鲁木齐。阿拉木图的寒潮过程在秋、冬季为高发时段，而乌鲁木齐在春季和秋季多发，冬季相对较少。

图1 阿拉木图和乌鲁木齐寒潮过程频数月分布

2.3 寒潮过程出现日期

1951—2006年，阿拉木图与乌鲁木齐的寒潮主要出现在9月至羿年6月,统计对比2个城市在寒冷季节的寒潮出现初日、终日发现：阿拉木图的寒潮初日平均出现在10月20日，最早出现在9月6日（1985年），最晚出现在2月4日（1967年）；乌鲁木齐的寒潮初日平均出现在10月29日，最早出现在9月3日（1986年），最晚出现在1月25日（1973年）。阿拉木图的寒潮终日平均出现在4月3日，最晚出现在6月28日（1980年），最早出现在11月16日（1959年）；乌鲁木齐的寒潮终日平均出现在4月12日，最晚出现在5月30日（1958年），最早出现在12月9日（1964年）。阿拉木图冬半年的寒潮初日、终日均比乌鲁木齐市早9 d。

3 两城市寒潮过程频数气候变化特征对比

3.1 年际变化线性趋势

由图2可见，1951—2006年，阿拉木图和乌鲁木齐的年寒潮频数均呈线性减少趋势,变化率分别为0.46次/10 a和0.35次/10 a，阿拉木图市的减少趋势更为显著，通过了信度为0.01的显著性水平检验。1951—2006年，阿拉木图和乌鲁木齐的年寒潮频数序列之间的相关系数为0.315，通过了信度为0.05的显著性水平检验。阿拉木图和乌鲁木齐两城市同在天山北麓，在冬半年大多会受相同大气环流系统影响，冷空气活动规律有相似之处，多数年份中，两市的年寒潮过程频数变化趋势较为一致。

图2 1961—2006年阿拉木图（a）和乌鲁木齐（b）寒潮频数距平曲线

3.2 寒潮异常偏多（少）年变化

1961—2006年，阿拉木图和乌鲁木齐逐年寒潮过程频数序列的标准差分别为2.22和2.02。将年寒潮过程频数距平大（小）于1个标准差作为异常偏多（少）年标准，统计阿拉木图市和乌鲁木齐市年寒潮过程异常年。由图2可见，1951—2006年，阿拉木图有8个寒潮过程异常偏多年和6个异常偏少年，乌鲁木齐有7个寒潮过程异常偏多年和12个异常偏少年。在阿拉木图寒潮过程频数异常偏多的8 a中，有6 a出现在1980年以前；在年寒潮过程频数异常偏少的6 a中，有4年出现在1980年后。乌鲁木齐寒潮过程频数异常偏多的7年中，有6 a出现在1980年以前；12个异常偏少年从1951年到2006年各年代分布较为均匀，1980年后出现了5 a。阿拉木图和乌鲁木齐的寒潮过程频数异常偏多年份大部分出现在1980年以前。

3.3 年寒潮过程频数年代际变化

从1951年起阿拉木图和乌鲁木齐每个年代际时段的年平均寒潮过程频数见表1。从20世纪50年代以来的6个时段中，阿拉木图在20世纪50年代年平均寒潮过程频数最多，平均每年7.7次，明显高于其它5个时段，在20世纪80年代最少，平均每年4.9次；乌鲁木齐在20世纪50年代最多，平均每年5.7次，明显高于其它6个时段，进入21世纪以来，平均每年仅有2.8次。可以看到，阿拉木图与乌鲁木齐两市的寒潮过程频数总体上随年代际增长而减少，进入21世纪后减少状况尤为明显。

表1 1961—2006年阿拉木图和乌鲁木齐各年代际的年平均寒潮频数 （次·a－1）

3.4 年寒过程潮频数周期变化

图3和图4分别为阿拉木图（1951—2006年）和乌鲁木齐（1951—2016年）的年寒潮频数距平序列的小波系数实部和模值。可以看出，阿拉木图的年寒潮频数变化以21、7 a左右尺度的周期最为显著，其中21 a周期的年代际振荡贯穿整个时域；1983年以前和1991—2003年，7 a左右的周期信号也较明显；2001年阿拉木图进入相对少寒潮时期。乌鲁木齐的年寒潮频数变化以39、8 a左右尺度的周期信号最为显著，其中39 a周期的年代际振荡贯穿整个时域；1987年以前，8 a左右的周期信号也较为明显。

4 两城市寒潮过程强度及其变化特征对比

以寒潮过程持续日数、过程极端最低气温以及过程降温幅度分别作为寒潮过程的单要素强度指标，对比分析阿拉木图与乌鲁木齐两城市的寒潮过程强度特征。

4.1 寒潮过程持续日数

1951—2006年，阿拉木图和乌鲁木齐寒潮过程持续日数分别在 1～7 d和1～8 d之间，均为持续 2、3 d和4 d的寒潮过程最多。阿拉木图持续2、3 d和4 d的寒潮过程分别出现443、325次和137次，分别占当地寒潮过程总频数的43.5% 、31.9% 和13.4% ，持续日数为2～4 d的过程频数占本地寒潮过程总数的百分比为88.8% 。乌鲁木齐持续2、3 d和4 d的寒潮过程分别出现82、105次和46次，占本地寒潮过程总数的百分率分别为31.4% 、40.2% 和17.6% ，持续日数为2～4 d的过程频数占本地寒潮过程总数的百分比为89.2% 。两城市持续日数6 d及以上的寒潮过程频数极少，均不足2.0% 。比较而言，阿拉木图与乌鲁木齐都以持续2～4 d的寒潮过程为主，占本地寒潮过程总数的百分率也很接近；阿拉木图以持续2 d的寒潮过程最多，而乌鲁木齐以持续3 d的寒潮过程最多，均超过本地总数的40% 。

图3 阿拉木图寒潮距平指数序列的Morlet小波变换实部（a）和模值（b）

图4 乌鲁木齐寒潮距平指数序列的Morlet小波变换实部（a）和模值（b）

阿拉木图和乌鲁木齐寒潮过程平均持续日数接近，分别为2.98 d和2.97 d，各月寒潮过程持续日数的各月平均值分别在2.5～3.28 d和2.5～3.63 d之间。阿拉木图在2月份的寒潮过程持续日数最长，12月次之，6月最短，而乌鲁木齐在12月的平均持续日数最长，11月次之、5月最短（表2）。

表2 阿拉木图和乌鲁木齐寒潮过程持续日数月平均值 d

4.2 寒潮过程最低气温

1951—2006年，阿拉木图与乌鲁木齐的寒潮过程最低气温平均值分别为-11.0℃和-12.2℃。由表3可见，1951—2006年阿拉木图343次寒潮过程最低气温的各月平均值中，2月最低，为-19.2℃，6月最高，为2.6℃；乌鲁木齐237次寒潮过程最低气温的各月平均值中，1月最低，为-25.5℃，5月最高，为0.1℃。阿拉木图和乌鲁木齐的寒潮过程最低气温月分布均以冬季1、2月最低，带有显著的季节背景特征，乌鲁木齐寒潮过程平均最低气温比阿拉木图更低。

表3 阿拉木图和乌鲁木齐寒潮过程最低气温、过程降温幅度的月平均值 ℃

4.3 寒潮过程降温幅度

1951—2006年，阿拉木图与乌鲁木齐的寒潮过程降温幅度平均值分别为-14.1℃和-13.4℃。由表3可见，1951—2006年，阿拉木图343次寒潮过程降温幅度的各月平均值中，2月最强，为-15.2℃，6月最弱，为-12.8℃；乌鲁木齐237次寒潮过程降温幅度的各月平均值中，12月最强，为-14.8℃，5月最弱，为-12.0℃。整体上看，阿拉木图的寒潮过程降温幅度强于乌鲁木齐；在冬季的12月和1月乌鲁木齐市寒潮降温幅度强于阿拉木图，而在其它月份阿拉木图的寒潮过程降温幅度更大。

4.4 寒潮过程强度的年际变化

将年寒潮过程累积降温幅度作为强度变化评估指标，分别整理出阿拉木图与乌鲁木齐两城市的寒潮过程逐年强度指标序列，对比分析两城市的寒潮过程强度变化特征异同。1951—2006年阿拉木图市和乌鲁木齐市的年寒潮过程降温幅度累计值均呈线性减弱趋势，减少速率分别为-8.1℃/10a和-5.9℃/10 a（图5），两城市的线性趋势均通过了0.01的显著性水平检验。1951—2006年，阿拉木图和乌鲁木齐两市的寒潮过程降温幅度年累计值序列之间的相关系数为0.390，通过了0.01的显著性水平检验。

从年寒潮过程降温幅度累积强度指标分析结果看，1951—2006年阿拉木图与乌鲁木齐的寒潮过程强度均呈减弱变化趋势，相对而言阿拉木图的寒潮过程减弱程度更显著。

图5 1951—2006年阿拉木图和乌鲁木齐寒潮过程累积降温幅度距平指数年际变化曲线

5 结论与讨论

（1）位于中亚地区天山山脉北麓的阿拉木图和乌鲁木齐多年平均寒潮过程频数分别为6.1次/a和4.2次/a，阿拉木图寒潮更为频繁。阿拉木图寒潮过程频数的月分布呈单峰型，以11月和12月最多；乌鲁木齐寒潮过程频数的月分布呈双峰型，4月和11月频数最多。阿拉木图的寒潮过程平均初、终日均比乌鲁木齐偏早9 d。

（2）1951—2006年，阿拉木图和乌鲁木齐的年寒潮过程频数均呈显著的线性减少趋势，变化率分别为0.46次/10 a和0.35次/10 a。阿拉木图和乌鲁木齐的寒潮过程频数的异常偏多年大部分出现在1980年以前，阿拉木图的异常偏少年大部分出现在1980年后。随年代际增长，两地的年寒潮过程频数均减少，进入21世纪以来，乌鲁木齐市的过程频数减少尤为明显。阿拉木图和乌鲁木齐的年寒潮过程频数分别存在21 a和39 a的明显周期。

（3）阿拉木图和乌鲁木齐的寒潮过程平均最低气温分别为-11.0℃和-12.2℃，乌鲁木齐的寒潮过程最低气温更低；两城市的年寒潮过程降温幅度平均值分别为-14.1℃和-13.4℃，阿拉木图的寒潮降温幅度更加剧烈。阿拉木图与乌鲁木齐的寒潮持续日数接近，平均值分别为2.98 d和2.97 d，隆冬12月、1月乌鲁木齐市的寒潮过程降温幅度略强，但是其他月份都是阿拉木图的寒潮过程降温幅度更加剧烈。

（4）1951—2006年，阿拉木图和乌鲁木齐的寒潮过程降温幅度的年累计值的变化率分别为-8.1℃/10 a和-5.9℃/10 a。两城市的年寒潮过程强度年际变化存在较好的相关性，比较而言，阿拉木图的年寒潮强度减弱趋势更为显著。

阿拉木图与乌鲁木齐同位于天山北麓，阿拉木图市的纬度略低，但是寒潮过程频数明显多于乌鲁木齐，这种寒潮过程气候特征的差异与新疆北部的阿尔泰山脉地形对环流的影响关系密切。首先，乌鲁木齐位于准噶尔盆地南缘，盆地北部的阿尔泰山脉在冬半年对来自于高纬度地区的冷空气还是有一定的阻挡作用。阿拉木图北部为辽阔的丘陵平原，西伯利亚冷空气向南爆发后长驱直入更容易影响到阿拉木图，寒潮发生频数更多。其次，随全球变暖，大气环流系统活动规律也产生变化，向南爆发的冷空气活动减弱，造成中纬度地区寒潮过程频数减少、强度减弱的特征在阿拉木图表现得更为显著。在全球变暖背景下，中亚地区的阿尔泰山等高大山脉的地形对环流系统活动规律带来影响，进一步影响到区域内不同地区的寒潮活动，其影响机制及其变化规律值得进一步深入探讨。本文对阿拉木图和乌鲁木齐的寒潮过程频数与强度气候特征进行了对比分析，有利于认识中亚区域寒潮的长期变化规律，将来还需进一步分析关键季节的寒潮过程频数变化与大气环流系统因子之间的联系及影响机制，为寒潮过程的季节内预测提供更多依据。