1971—2016年新疆南部冷空气过程频数变化特征

谢 芳，刘海涛，张向军，刘海红，李建刚

（1.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，新疆 乌鲁木齐 830002；2.新疆维吾尔自治区气象局，新疆 乌鲁木齐 830002；3.和田市气象局，新疆 和田 848000；4.民丰县农业广播电视学校，新疆 民丰 848500）

冷空气特别是强冷空气和寒潮是我国重大的灾害性天气之一，它具有发生频率高、持续时间长、影响范围广、致灾严重等特点。冷空气过程的频繁发生不仅会造成我国国民经济、特别是农业生产的巨大损失，而且还会对环境及人们的生活、健康造成严重的影响和危害[1]。因此，加强对其发生规律的认识，并进一步作出较为准确的预报和预警，对防灾抗灾救灾及减少国民经济的损失有着重要的意义。

早期，陶诗言[2]对东亚冬季冷空气活动做了研究，确定了影响我国的冷空气源地。20世纪70年代，陈佑淑[3]对冷空气标准进行讨论并将冷空气分为寒潮、强冷空气、中等强度冷空气及弱冷空气4个等级，90年代，杨松[4]等发现东亚地区冬季冷空气活动存在明显的单周和准40 d活动的振荡周期，仇永康[5]等使用1951—1989年冬半年的冷空气活动资料按候、月、年统计分析了寒潮、强冷空气、弱冷空气的特征，指出全国寒潮以11月和3月最多，2月最少，寒潮和强冷空气总和的强冷空气过程的年频数不仅有2～5 a的年际变动，而且有约为20 a的气候变动，1970年以后冷空气强冷空气过程总的趋势是逐渐减少的。任金声[6]等以数值预报产品为基础，结合预报经验、运用天气学、统计学、能量与诊断、人工智能和延伸预报等多种技术手段，通过综合决策制作冷空气过程中期预报。近年来，国内有许多研究者对不同区域的冷空气特征做过研究[7-13]，黄焕卿[14]利用中国194站1951年1月1日—2003年5月31日逐日气温资料，发现全国大部中强冷空气和寒潮年发生次数呈减少趋势，但少部分地区出现中强冷空气年发生次数增多趋势，季节上冬季冷空气发生次数同比秋、春两季减少明显。周琳[15-16]等利用1960—2010年我国384站逐日温度资料研究指出我国单站冷空气呈北多南少、北强南弱的分布特征，全国性冷空气活动频数在20世纪60年代和90年代显著减少，而北方冷空气活动频数的年代际变化不大。

新疆南部行政上隶属于新疆维吾尔自治区，系指天山主分水岭以南的所辖地域，地理坐标界于73°40′～96°23′E 和 34°22′～45°05′N，占地面积131.895×104km2，它三面环山，中部形成塔里木盆地，盆地中有广袤无垠的塔克拉玛干大沙漠[17-19]，由于特殊的地形结构和地理位置，形成严酷的荒漠环境，气候干旱，植被稀少，生态系统脆弱。新疆南部主要为林果、粮食、设施农业、多熟高效种植等相互融合发展的农业产业结构，冷空气过程的科学预防对农业生产和经济社会的发展极为重要。当前，在大力发展新疆经济的历史难得时期，有必要对新疆南部的冷空气过程特征进行研究，总结掌握其发生规律，为准确预报、科学决策和防灾减灾提供参考依据。

1 资料与方法

1.1 资料

本文选取新疆南部资料连续且完整的50个国家级气象观测代表站（图1），站点海拔高度在-48.7～3 556.3 m，研究范围包括塔里木盆地及其东部的吐鄯托和哈密、红柳河区域。从新疆气象局气象信息中心提取上述代表站1971年1月1日—2016年12月31日的逐日最低气温值，依据冷空气国家标准[1]等级划分原则将冷空气过程分为弱冷空气、中等强度冷空气、较强冷空气、强冷空气和寒潮5个等级，各等级划分指标见表1。同时，借鉴毛炜峄等[20，21]研究乌鲁木齐单站降温过程、寒潮过程时提出的基本概念：降温日、降温过程初日、降温过程终日、降温过程、降温持续日数、过程降温幅度、过程最大24 h降温、过程最大48 h降温、过程最大72 h降温、过程最低气温、过程最低气温距平。从一次冷空气过程中的最大24、48 h和72 h降温幅度以及过程最低气温等指标来判识冷空气过程等级。

图1 新疆南部50个国家级气象观测代表站分布

表1 冷空气过程等级划分指标

1.2 方法

统计得出新疆南部50个代表站46 a各等级的年、季、月发生频数数据，利用克里格插值、趋势、周期、突变等方法对其进行空间、时间变化分析。文中冷空气过程年、季、月发生频数为5个等级年、季、月数据的总合，新疆南部以50个单站数据的算术平均来代表，春、夏、秋、冬四季分别为3—5月、6—8月、9—11月、12—次年2月。空间分布基于50个单站年数据，使用SURFER软件绘制等值线图，趋势分析采用线性倾向估计[22]，显著性使用相关系数法判别，周期分析采用Morlet小波变换方法[23-24]，突变分析综合使用Mann-kendall、滑动平均和累计距平法[25]联合检测，Mann-kendall、滑动平均显著性用t检验法判定，累计距平显著突变性结合信噪比法[26]判定。

2 结果分析

2.1 空间分布特征

1971—2016年新疆南部单站冷空气过程（图2a）年平均出现97～109次，自西向东南、自北向南、由东向西南逐渐增加，民丰—若羌一带最多，巴仑台、吐鲁番最少，哈密-红柳河在98～101次之间，阿图什—喀什—莎车—皮山一线在101～104次范围内，策勒—于田—民丰—若羌一带冷空气过程多达105～109次，民丰、若羌出现2个高值中心，中心值分别为107.4和108.3。弱冷空气过程（图2b）年平均65～97次，自西向东逐渐减少，克州、喀什、和田及阿克苏区域内频数最多，达86～97次，两个高值中心分别是阿克苏（中心值94.8）和叶城（中心值96.8），巴州、吐鲁番、哈密地区逐渐减少，哈密地区最少（64～76次），其余较大范围在76～86次之间。中等强度冷空气过程（图2c）年平均5～17次，阿克苏、克州、喀什、和田4地区大致在5～12次，巴州、吐鲁番较大范围内在8～16次，巴音布鲁克、托克逊、尉犁为局部高中心，中心值分别为16.1、14.6、14.3次，哈密地区在13～17次。较强冷空气过程（图2d）年平均0.4～16.1次，大多在1～5次，有8个站不足1次，由西向中、由东向中逐渐增加，3个高发中心依次为巴音布鲁克、吐尔尕特和托克逊，中心值分别为16.1、12.5、8。强冷空气过程（图 2e）年平均0.8～5.2次，温宿、叶城、泽普3站不足1次，46个站在1～5次，巴音布鲁克为高中心，中心值5.2。寒潮（图2f）发生频数跨度较大，年均0.4～12.9次，喀什、阿克苏、和田区域多在1～2次，巴州、吐鲁番地区绝大多数站在2～4次，吐尔尕特—乌恰—塔什库尔干以西和东部的哈密地带在5～8次，巴音布鲁克出现高值中心，中心值为12.9。

2.2 线性倾向率

图2 1971—2016年新疆南部冷空气过程年均发生频数

1971—2016年新疆南部单站冷空气过程年频数倾向率（图3a）总体为负值，呈下降趋势，皮山、若羌形成负值高中心，中心值分别为-1.09次/10 a、-1.26次/10 a，若羌通过99%显著性检验，其余站倾向率值＜1.0次/10 a，显著性不明显。弱冷空气过程倾向率变化（图3b）有差异，乌恰、民丰、吐鲁番一带倾向率为正值增加外，其余绝大部分站为减少趋势，乌恰倾向率为2.84次/10 a，通过99.9%的显著性检验，巴音布鲁克、和硕、铁干里克减少趋势明显，减少率分别为-2.03、-1.50、-1.49 次/10 a，均通过 95%以上显著性水平检验。中等强度冷空气过程（图3c）除库车、阿瓦提显著增加外（0.877次/10 a和1.018次/10 a），其余绝大多数站为减少趋势，尤以乌恰、皮山最为明显，减少率分别为-1.516、-0.966次/10 a，均通过99%的显著性水平检验。较强冷空气过程（图3d）巴音布鲁克、巴仑台、铁干里克3站显著增加，增加率分别为0.887、0.128、0.545次/10 a，吐鲁番、托克逊、尉犁三站显著减少，减少率分别为-0.702、-0.818、-0.771次/10 a，其余站变化趋势不明显。强冷空气过程（图3e）吐鲁番、托克逊、尉犁、乌恰、策勒5站呈显著下降趋势，均通过95%显著性检验，东坎、库车、阿拉尔3站显著增加，增加率分别为0.428、0.462、0.399次/10 a，均通过 95%显著性检验。寒潮过程（图3f）总体为负值、减少趋势，乌恰、尉犁、民丰、吐鲁番、鄯善、托克逊6站减少趋势显著，减少率分别为-1.332、-0.776、-0.63、-0.236、-0.423、-0.307次/10 a，均通过 99%显著性检验，巴音布鲁克线性增加，增加率为1.0次/10 a，通过95%显著性检验，皮山线性增加率为8.0次/10 a，但未通过显著性检验。

2.3 时间变化特征

2.3.1 持续日数频率变化

由新疆南部冷空气过程持续日数频率变化（表2）看出，各等级冷空气过程持续1～3 d的频率较高，3 d以上随着持续时间的增加频率明显下降。冷空气过程、弱冷空气过程持续1 d的频率最高，分别达56.3%和62.1%，持续2 d的频率分别为27.2%和24.1%，3 d的频率分别下降到10.9%和9.2%，5 d以上不足1%。中等强度冷空气过程持续2 d的频率最高，占到40.3%，其次是1 d，占30.3%，持续3 d的频率占到19.1%，6～7 d只有1%。较强冷空气过程持续2 d的频率最高（占55.1%），其次是1 d（占21.3%），持续3 d的频率为16.7%，持续4～5 d频率合计占5.7%，持续6～7 d的频率为1.2%。强冷空气过程持续2 d的频率占到53.4%，持续3 d的频率占到24.1%，1 d、4 d的占比分别为10.0%和8.3%。寒潮持续2 d的频率略高于1 d，分别占34.8%和33.5%，合计占到68.3%，持续3 d的频率为19.1%,持续4 d的频率占到7.6%,5～6 d的频率合计占到4.1%,7 d的频率仅0.9%。

表2 新疆南部冷空气过程持续日数频率变化%

2.3.2 冷空气过程的季节变化

新疆南部冷空气过程年月频数统计结果（表3）显示,年内各等级冷空气过程达103.2次,各月发生次数相当（8.5次）；弱冷空气每年平均86.3次,占冷空气过程总次数的83.6%,各月在6～8次之间,12月最多（7.8次）,4月最少（6.4次）；中等强度冷空气过程年均10.4次,占冷空气总次数的10.1%,4—9月月均1次,其余月不足1次；较强、强、寒潮三种等级冷空气过程年均分别为2.5、2.3、2.2次,合计占冷空气过程总次数的6.8%,较强冷空气过程主要发生在5—8月,强冷空主要发生在4—5、9—10月,寒潮除5—9月少有外其余月合计占全年的75%。冷空气过程、弱冷空气春、夏、秋、冬四季出现频率相接近（各占25%左右）,中等强度冷空气过程夏季频率最高（30.1%）,其次为春季（27.8%）,秋冬两季分别为24.5%、17.9%,较强冷空气夏季发生频率高达57.9%,春秋冬三季依次为21.7%、14.9%、6.5%,强冷空气过程春、秋两季发生频率较高,分别为40.1%、31.9%,夏季较少（5.4%）,冬季占到 20.6%,寒潮夏季发生频率最少（仅0.8%）,冬季发生频率最高（38.9%）,其次是春季（31.4%）,秋季占到全年的28.1%。

表3 新疆南部各月冷空气过程出现频数 次

2.3.3 年际变化

新疆南部冷空气过程（图4a）年际变化呈减少趋势,减少速率为0.19次/10a,自20世纪90年代初期开始,冷空气过程频数发生由多到少的转变,1983年最多（106.9次），其次是1986年，2011年最少（100.1次）；弱冷空气过程（图4b）呈略增加趋势，增加速率为0.05次/10 a，1983年出现最多（91.5次），1974年最少，20世纪80年代初期由少向多转变，90年代初期由多向少转变；中等强度冷空气过程（图4c）呈略减趋势，减少速率为0.05次/10 a，20世纪80年代中期至90年代中期偏多，1993年最多（12次），1996年最少；较强冷空气过程（图4d）增加趋势不明显，经历多—少—多的变化，20世纪80年代末期至90年代末期偏少，1975年最多（3.6次），1989年最少；强冷空气过程（图4e）减少趋势不明显，2003年之前处于偏多阶段，经历多—少—多的变化，1994年最多（3.1次），2005年最少；寒潮（图4f）呈显著下降趋势，减少速率为0.19次/10 a（通过95%显著性水平检验），1996年之前偏多，之后偏少，最多年份出现在1974年（3.8次），2007年最少（1.2次）。

2.3.4 年代际变化

新疆南部各等级冷空气过程年代际变化幅度不明显（表4），冷空气过程20世纪80年代最多，20世纪90年代、21世纪10年代（2001—2010年）小幅逐渐减少，2001—2010年最少，2011—2016年略有增加；弱冷空气过程在20世纪70年代最少，80年代增加到最多，90年代起回落且基本稳定；中等强度冷空气过程20世纪70、80年代持平，90年代略有下降，2001—2010年降至最少，2011—2016年增至最高；较强冷空气过程20世纪70年代最多，80年代有所回落，2001—2010年有所增加并维持到2011—2016年；强冷空气过程20世纪70年代最多，2001—2010年最少，2011—2016年略有增加；寒潮20世纪70年代最多，之后逐年代下降，至2001—2010年最少，2011—2016年维持不变。

2.3.5 周期变化

新疆南部冷空气过程小波系数实部（图5a）年代际振荡贯穿整个低频段，30a周期明显，呈现出“偏少（未闭合）—偏多—偏少—偏多（未闭合）”的特点，该周期尺度段对应模值（图5b）较大，周期信号强烈，年际尺度上1995年起准10 a、准5 a振荡周期一直维持，2005年以后准10 a的周期信号较强烈。弱冷空气过程小波系数实部（图略）23a的准周期在年代际尺度上自始至终维持，时期上呈现出“偏少（未闭合）—偏多—偏少—偏多—偏少（未闭合）的”特点，1980年以前周期信号十分强烈，年际尺度上准10 a、准5 a的2个振荡周期维持到2005年，此后逐渐合并为一个9～10 a的周期。中等强度冷空气过程20 a的年代际准周期明显且贯穿始终，呈现出“偏多（未闭合）—偏少—偏多—偏少—偏多（未闭合）”特点，1995年以前的周期信号较为强烈，年际尺度上准10 a年的周期1995年后缩短至8 a。较强冷空气过程年代际尺度上1995年后表现出明显的准25 a周期，15 a的振荡周期则贯穿始终，年际尺度上1995年以前准10 a的周期明显，准5 a的周期则贯穿始终，2000年以后8 a左右的周期信号十分强烈。强冷空气过程小波系数实部（图5c）年代际尺度上，1995年以前准33 a的周期较明显，准17～20 a左右的周期自始至终存在，表现为3个偏多和3个偏少期，整个周期信号十分强烈（图5d），年际尺度上1971—1985年间4～6 a的周期逐渐拉长为稳定的8 a周期。寒潮小波系数实部（图5e）年代际尺度上，准23 a的周期十分清晰，年际尺度上1980年以前准10 a的周期信号十分强烈（图5f），之后准7～8 a的周期持续到2016年，期间1988—1998年间准7 a的振荡周期也较明显。

表4 新疆南部冷空气过程频数年代际变化 次

2.3.6 突变变化

分别应用Mann-kendall、滑动平均和累积距平方法对1971—2016年新疆南部不同等级冷空气过程进行突变检测，Mann-kendall结果显示：各等级下UF、UB曲线均在临界线内有交点，冷空气过程UF曲线在下降趋势状态下与UB曲线相交于1994年；弱冷空气过程UF、UB曲线有2个交点，UF曲线在上升趋势中与UB曲线相交于1975年，下降趋势下与UB曲线在2008年相交；中等强度冷空气过程UF曲线在下降趋势中交点出现在1976年；较强冷空气过程曲线两次相交，UF曲线分别在下降、上升两种趋势下与UB曲线相交于1976年和2005年；强冷空气过程UF曲线在下降状态下与UB曲线相交于1999年；寒潮（图6a）两条曲线交点出现在1979年，相交时UF曲线呈下降趋势。滑动平均检验结果显示：冷空气、弱冷空气、中等强度冷空气、较强冷空气、强冷空气过程，在滑动步长n取3、5、7、10时，统计量t值均不显著，寒潮（图6b，曲线以Mtt表示）等级时，在步长n=3、5、7时，统计量t值最大点都出现在1979年，均通过99.9%的显著性水平检验。累计距平检验结果显示，除寒潮（图6c）曲线峰点在1979年的信噪比Rsn=1.136（＞1.0）显著性较明显外，其余等级的峰（谷）值信噪比均不显著。

图5 1971—2016年新疆南部冷空气过程Morlet小波系数实部和模值变化

图6 1971—2016年新疆南部寒潮等级突变检测

3 结论

（1）新疆南部特殊的地形作用决定着不同等级冷空气过程的多寡，塔里木盆地南缘的策勒—于田—民丰—若羌一带为冷空气过程高发地，喀什—阿克苏—和田的平原地带为弱冷空气过程的高发区域，吐尔尕特、塔什库尔干高原站、巴音布鲁克山区站和哈密、红柳河风口站是中等及以上等级冷空气过程的高发地带。

（2）新疆南部冷空气过程年均103.2次，随着冷空气过程等级的提高，频数明显减少，弱冷空气过程86.3次占83.6%，中等强度冷空气过程10.4次占10.1%，较强、强、寒潮分别为 2.5、2.3、2.2 次，合计占冷空气过程总次数的6.8%。冷空气过程、寒潮减少趋势显著，递减率均为0.19次/10a，弱、中等、较强及强冷空气过程增减趋势不明显。

（3）各等级冷空气过程持续1～3 d的频率高达87.4～95.4%，弱冷空气过程持续1 d的频率最高，达62.2%，中等强度、较强、强、寒潮持续2 d的频率最高，分别达 40.3%、55.1%、53.4%、34.8%，3 d及以上的频率随着持续时间的增加明显下降。

（4）新疆南部1970年代较强、强及寒潮出现最多，分别为2.8、2.4、2.9次，1980年代冷空气过程、弱冷空气过程最多，分别为103.8、86.6次，2001—2010年中等强度及强冷空气过程、寒潮发生最少，近6 a（2011—2016年）中等强度冷空气过程最多，10.8次。弱冷空气过程四季发生频数各约25%，中等、较强冷空气夏季频率最高，分别占30.1%和57.9%，冬季最少，强冷空气过程春季最高（40.1%）、秋季次之（31.9%），夏季最少，寒潮冬季最高（38.9%）、春季次之（31.4%）、夏季最少。

（5）总体上冷空气过程具有30 a和10 a的年代际、年际周期，弱冷空气过程、寒潮年代际上有准23 a的周期，年际上有8～10 a的周期，中等强度冷空气过程有准20 a和8～10 a的周期，较强冷空气过程15、5 a周期贯穿始终之外还有25 a、8～10 a的周期，强冷空气过程年代际上有准17～20 a的周期，年际上4～6 a的周期转变为8 a。滑动平均、累计距平法对弱、中等、强、较强等级冷空气过程的突变检测显著性不明显，三种突变方法共同检测出寒潮在1979年出现显著的减少突变。