塔里木盆地区域寒潮的气候变化特征及大气环流异常分析

刘 精，樊 静，江远安，余行杰

（1.新疆气候中心，新疆 乌鲁木齐 830002；2.新疆农业气象台，新疆 乌鲁木齐830002）

寒潮是新疆冬春秋三季常发生的灾害性天气，往往伴随着剧烈降温、大风、雨雪、霜冻等情况，对林果越冬、春播春种、畜牧转场等农业、畜牧业、林果业生产活动造成巨大损失[1]，而农业、畜牧业、林果业是新疆主导经济产业，对新疆的经济发展起到重要作用，因此寒潮天气发生发展、气候特征等备受当地政府及相关从业者重视。关于寒潮的研究很关阔，丁一汇、张培忠等[2-3]研究总结侵入我国的冷空气源地主要有3个，侵入路径主要有4类；陈豫英、丁一汇等[4-8]针对某一时刻的寒潮灾害性天气过程进行诊断分析，揭示出单次寒潮过程的传播途径、爆发机制及环流特征等特点；近些年，许多学者就地区性与全国性寒潮天气的气候变化特征及影响因子进行了研究，如李向红、江远安等[9-14]对地方性的寒潮的气候变化特征进行了研究，结果表明不同地区的寒潮频次、强度的变化趋势不全相同，为地区预报预测、气象服务丰富气候背景及依据，卫俊宏、魏凤英等[15-18]以全国性寒潮为研究对象，指出近几十年间全国冬春季寒潮事件存在减少趋势，其与北极涛动（AO）位相增强、冬季增温、西伯利亚高压减弱、冬季风强度减弱等因素有密切联系。新疆区域性寒潮过程研究丰富，但多针对新疆北部及天山山区等地[19-21]且采用的寒潮标准多按照《寒潮等级GB/T 21987-2008》，由于目前在冷空气（寒潮）过程监测预测业务中皆执行最新行标（QX/T 393-2017）的规范标准，且鉴于塔里木盆地幅员辽阔、自然环境恶劣、生态修复能力弱，其特色支柱产业主要为棉花产业、特色林果等[22-24]，因此在新标准及业务要求下，探讨研究基础薄弱的塔里木盆地区域寒潮的气候变化特征及其环流异常特点是满足业务发展、监测评估、预报服务的必然需求，且对提升寒潮过程防灾减灾能力有重要意义。

1 资料与方法

1.1 资料

美国国家环境预报中心和国家大气研究中心（NCEP/NCAR）提供的1961—2016年高度场的逐日再分析资料，水平分辨率为2.5°×2.5°。

根据地理位置、地形特征及研究目的，选取新疆天山脊线以南的43个基本气象站1961—2016年逐日最低气温和日平均气温资料（图1）。

图1 塔里木盆地气象站点分布

1.2 寒潮过程标准

QX/T 393-2017文件中冷空气过程监测指标为：

单站冷空气等级：依据单站降温幅度和日最低气温确定该站的冷空气强度等级（表1）。

区域性冷空气过程判定：至少连续2 d且每日监测区内≥170个监测站点（用于国家级）或监测区域内≥20% （用于区域或省级）的监测站点出现中等及其以上强度的单站冷空气，则为一次区域性冷空气过程。满足区域性冷空气过程判定条件的首日为区域性冷空气过程开始日，不满足区域性冷空气过程判定条件的首日为区域性冷空气过程结束日。

2 气候变化特征

2.1 单站寒潮频次时空分布特点

通过统计塔里木盆地43站的年均寒潮频次（图2a）可知，年均寒潮频次在空间分布上存在显著差异，多表现为北部多于南部、山区，山区多于平原，其中乌恰（5.2次）、红柳河（6.5次）、库米什（6.9次）、吐尔尕特（7.4次）、塔什库尔干（7.8次）、巴音布鲁克（11.8次）6站年均寒潮频次在5次以上，其余各站年均寒潮频次均不足4次。

表1 单站冷空气强度等级划分

利用线性回归方法计算各站近56 a的寒潮频次变化趋势（图2b）可知，巴仑台、阿合奇、阿瓦提、岳普湖、莎车、叶城、泽普、皮山、和田、红柳河等10站寒潮频次无明显变化；乌什、库车、阿拉尔、塔什库尔干、哈密、铁干里克、若羌、和硕、巴音布鲁克等9站寒潮频次存在增加趋势，趋势系数为0.01～0.07次/a，其中巴音布鲁克、和硕的增加趋势明显，趋势系数通过0.05的显著性检验；其余24站寒潮频次存在减少趋势，趋势系数为-0.13～-0.01次/a，其中吐鲁番市、巴州北部平原、和田地区东部、喀什地区北部及克州西部山区共13站的减少趋势显著，通过0.05的显著性水平检验。

图2 塔里木盆地单站年均寒潮频次（a）与单站寒潮频次线性变化趋势（b）

应用EOF分析对塔里木盆地近56 a的寒潮频次进行时空分解，根据第一模态特征向量空间分布可知（图3a），特征向量在全区均为正值，说明塔里木盆地寒潮频次具有一致的变化趋势，即各站全年寒潮频次要么一致偏多，要么一致偏少，其中特征向量的高值区（≥20）在东部和西部边缘，表明该区域的寒潮频次变率较大，此类分布型与新疆地形有密切联系，由于天山山脉及帕米尔高原的阻挡，侵入塔里木盆地的冷空气很少能直接越山进入盆地，只有小股冷空气通过西部边缘的山口进入盆地，冷空气主力通常从河西走廊西部由东向西灌入盆地[1]。

根据EOF第一模态的时间系数逐年变化（图3b）可知，寒潮频次在20世纪80年代之前以偏多为主，1966年出现寒潮频次的极大值，80年代后以偏少为主，1997年出现寒潮频次极小值，线性拟合趋势表明，年寒潮频次整体存在显著下降趋势，趋势系数为-0.16，通过0.05的显著性检验；结合其M-K突变检验（图3c）中UF曲线可知，自80年代以来，这种减少趋势超过显著性水平0.05的临界线，减少趋势十分明显，且根据UF和UB曲线交点位置可知，年寒潮频次由偏多转为偏少的突变现象自1980年左右开始，进一步采用滑动t检验（图3d）进行验证可知，时间系数的t统计量在70年代后期至80年代初期超过0.05显著性水平，表现为负值，说明塔里木盆地年寒潮频次在70年代后期至80年代初期经历了一次由偏多到偏少的明显转变。

2.2 区域性寒潮过程统计分析

2.2.1 寒潮过程频次

1961—2016年，塔里木盆地共发生区域性寒潮过程125次，平均每年发生2.2次，呈弱的减少趋势，趋势系数为-0.01次/a，未通过0.05显著性检验；寒潮过程频次年际分布不均（图4a），主要在1～4次之间波动，且只在20世纪80年代以前有3 a超过4次，即1966年（5次）、1974年（5次）和1976年（6次），80年代以后年寒潮过程频次再未出现多于4次的情况；1970年、1984年、1985年、1992年、1997年及2007年未出现寒潮过程。

寒潮过程频次在各月的分布显示出（图4b），区域性寒潮过程在一年中6—8月以外的9个月中均有发生，月际分布存在3个明显峰值区，即4月寒潮过程频次最多，达22次，占总频次的17.6% ，其次为2月、10月，均为21次，均占总频次的16.8% ；5月、9月最少，分别为4次、6次，分别占比3.2% 、4.8% 。

进一步采用标准Morlet小波变换分析近56 a塔里木盆地区域性寒潮过程年频次的周期变化（图5），塔里木盆地区域性寒潮年频次存在14～16、7～9、4 a左右的周期变化。长周期在20世纪60年代主要表现为12 a，自70年代开始稳定表现为14～16 a，且随着时间的推移，周期呈现增大趋势；中长周期自70年代后期开始，在2000年前主要表现为7～8 a，在2000年后主要表现为8～9 a；4 a左右的短周期在整个研究时段稳定存在，在60年代后期至70年代前期、2005年后主要表现为2-3 a，在其余时段均表现为4 a。

图3 寒潮频次EOF第一模态（a）对应的时间系数（b）及其突变检验（c,d）

图4 塔里木盆地区域性寒潮过程频次年际变化（a）及月际变化（b）

图5 塔里木盆地区域性寒潮过程年频次的小波变化

2.2.2 寒潮过程持续日数

塔里木盆地125次区域性寒潮过程持续日数在2～5 d（1962年1月14—18日、1969年1月26—30日、2012年1月18—22日3场寒潮过程的持续日数达5 d），平均单次寒潮过程持续2.4 d。持续日数在2 d的寒潮过程最多，占寒潮过程总数的68.8% ，达86次；其次为持续3 d的寒潮过程，占比25.6% ，共32次；持续日数在4、5 d的寒潮过程分别有4次、3次，占比均不足4% （表2）。

表2 不同持续日数下的区域性寒潮过程频数及其占比

进一步统计各月区域性寒潮过程的平均持续日数，结果表明：冬季后2个月的寒潮过程平均持续时间普遍偏长，其中1月持续时间最长，为3 d，12月次之，为2.8 d；3月、9月持续时间最短，均为2 d；其余各月均为2.3 d（表3）。

表3 各月区域性寒潮过程的平均持续日数

2.2.3 寒潮范围

本文以每次区域性寒潮过程中出现中等及以上强度冷空气的站数表示该次寒潮范围，统计可知，塔里木盆地125次区域性寒潮过程范围在13～42站（1975年12月8—11日、1994年4月30日—5月2日、2014年10月10—12日寒潮范围达42站），平均单次寒潮范围为26站，占总站数的60.5% 。计算各月平均寒潮范围可知，5月寒潮范围最大，为33站，占总站数的76.7% ；2月最小，为22站，占总站数的51.2% ；其余各月均为24～29站，占总站数的55.8% ～67.4% （表4）。

表4 各月区域性寒潮过程的平均范围及其占比

进一步将寒潮范围划分为8个等级，并分别统计各等级内的寒潮过程频数，知寒潮范围大于等于总站数的40% 且小于50% 的寒潮过程最多，共有33次，占总频数的26.4% ；其次为寒潮范围大于等于70% 且小于80% 的寒潮过程，共有23次，占比18.4% ；寒潮范围在30% 以内的寒潮过程未出现；其他等级内的寒潮过程在11～17次，占比在8.8% ～13.6% 。总体而言，塔里木盆地易发生寒潮范围在50% 及以上的区域性寒潮过程，此类寒潮过程共达77次，占寒潮过程总数的61.6% （表5）。

在此需说明的是在寒潮过程中，没有达到中等及以上强度冷空气标准的站点也有或多或少的降温，因此“寒潮范围”与“寒潮影响范围”是2个不同的概念。

表5 不同寒潮范围等级内的寒潮过程频数及其占比

3 塔里木盆地区域性寒潮过程对应的500 hPa高度距平场特征

对塔里木盆地125次区域性寒潮过程对应的500 hPa高度场进行合成分析，由图6可知，亚洲环流场呈“一脊一槽”型分布，脊区位于乌拉尔山一带，槽区呈东北—西南走向，位于贝加尔湖—新疆东部一带，新疆处在脊前西北气流控制下；与相应时间的500 hPa气候平均高度场做距平差值可以看出，乌拉尔山存在显著正变高中心，贝加尔湖—新疆东部存在显著负变高中心，说明在塔里木盆地发生区域性寒潮时，常常有乌拉尔山脊发展，其引导脊前高纬度地区的冷空气向下游低槽中汇集，促使新疆东部低槽发展，造成冷空气通过翻山、东灌等方式影响塔里木盆地，致使盆地出现区域性寒潮过程。

各月区域性寒潮过程的500 hPa高度距平场基本上均在乌拉尔山—新疆东部呈现出正—负的距平分布特点，乌拉尔山脊的位置、强度等对脊前北风带影响显著，从而影响新疆寒潮爆发时间、强度等[1]。

图6 区域性寒潮过程的500 hPa高度场（实线，单位：gpm）与距平场（阴影，单位：gpm）

乌拉尔山平均正变高中心经度为67.5°E，纬度为55.0°N，统计乌拉尔山正变高中心经纬度的月际变化可知，3月、9月、10月及12月的正变高中心经度较平均正变高中心经度偏东2.5°～7.5°，其余5个月偏西5°以上，其中5月、11月偏西幅度在20°以上，分别为22.5°、25°；1月、4月、11月正变高中心纬度与平均正变高中心纬度重合，2月、10月偏南2.5°、5°，3月、5月、9月、12月偏北2.5°～5°。结果表明寒潮发生频数偏多的月份（1月、2月、4月与10月），乌拉尔山正变高中心经度接近平均正变高中心或偏南（图7a），利于区域性寒潮过程的发生。

乌拉尔山平均正变高中心强度为72.1 gpm，统计乌拉尔山正变高中心强度的月际变化可知，2月、10月的正变高中心强度分别为57.1 gpm、31.4 gpm，弱于平均正变高中心强度，其余7个月均偏强，偏强幅度在8.6～88.2 gpm；结合各月寒潮范围距平可知，乌拉尔山正变高中心强度距平与寒潮范围距平的变化具有良好的一致性，一致率达到77.8% （图7b），即乌拉尔山正变高中心强度偏强时，利于出现寒潮范围偏大的区域性寒潮过程。

4 结论

图7 各月乌拉尔山正变高中心位置（a）及强度距平（b）的分布

（1）由于地形特点，塔里木盆地单站年均寒潮频次有北部多于南部、山区，山区多于平原的分布特征，绝大部分站点的年均寒潮频次在4次以下；半数以上站点的寒潮活动在近56 a有减少趋势，尤其是吐鲁番市、巴州北部平原、和田地区东部、喀什地区北部及克州西部山区，通过0.05的显著性检验；各站的寒潮活动主要表现为一致多发（少发）的同步变化特征，且在1980年左右经历了由偏多到偏少的明显转变。

（2）近56 a，塔里木盆地区域性寒潮过程共计125次，平均每年发生2.2次，多在4月、2月、10月发生，整体呈弱的减少趋势，且有14～16、7～9、4a左右的明显振荡。塔里木盆地最易发生持续日数在2d、寒潮范围达半数以上站点的区域性寒潮过程，其中1月寒潮过程持续时间最长、3月与9月最短，5月寒潮范围最大、2月最小。

（3）塔里木盆地发生区域性寒潮时，亚洲500 hPa环流场呈“一脊一槽”型，高度距平场在乌拉尔山—新疆东部稳定存在显著的正—负分布中心，其中乌拉尔山平均正变高中心经度为67.5°E，纬度为55.0°N，强度为72.1 gpm。乌拉尔山正变高中心位置接近平均正变高中心位置或偏南时，利于区域性寒潮的爆发；正变高中心强度距平与寒潮范围距平的变化具有良好的一致性。