河西走廊东部近57 a不同等级冷空气时空变化及寒潮特征

杨 梅，李岩瑛，朱陵晶，罗晓玲，姜 瑞，聂 鑫

（1.武威市气象局，甘肃 武威 733000；2.中国气象局兰州干旱气象研究所，甘肃 兰州 730020；3.广东海洋大学海洋与气象学院，广东 湛江 524088；4.金沙镇人民政府，甘肃 武威 733000）

寒潮是大规模的强冷空气活动，主要表现为剧烈降温，同时伴有大风和降水（暴雪）、霜冻等灾害性天气，造成农作物冻害、人畜伤亡、电线积冰和交通中断，具有经济损失大、受灾范围广、防范难度大以及伴随天气多的特点。河西走廊东部深居欧亚大陆腹地，是典型的干旱与半干旱地区[1]，也是西路、西北路、北路冷空气的重要影响区域。据统计强冷空气造成河西走廊东部经济损失年均0.3亿，农业受灾面积8 005.24 hm2，成为最严重的灾害性天气之一，尤其对农业的影响更为明显，霜冻造成早春晚秋作物减产绝收，引发的大风使成熟农作物籽粒刮落，极端降温造成供热、电力、燃气供应量陡增，给国民经济和人民生产生活带来巨大损失[2-5]。1950年陶诗言将东亚寒潮分型，指出影响中国大陆的冷空气源地和路径[6]。李艳[7]揭示典型极端低温事件中低频系统的特征及其生成、演变过程。随着人们对灾害性天气关注度的提高，国内学者[8-10]对我国寒潮活动规律及冷空气特征进行分析，但由于气候及地理条件差异较大，各地寒潮过程也不尽相同。各地预报员[11-20]对本地的寒潮演变、形成机理及其所处冷高压的位置，变高变温强度都做了研究，并评估了模式的预报能力[21]。近年来，随着全球变暖，中国气温变暖以西北、华北、东北地区最明显，各类冷空气的发生频次呈减少趋势，且强度有所减弱[22-24]。

目前，国内对寒潮气候和变化特征及冷空气源地、影响路径和天气过程成因分析较多，对西北地区不同等级冷空气活动的研究较少，虽然有些冷空气达不到寒潮级别，但对社会发展、农林牧生产、人民生活等造成的危害不容忽视[25]，尤其近年春季回暖速度加快、时间提前，各地农事活动普遍提前，农作物相应抗冻能力减弱，一旦出现降温，虽然幅度不大，但对于刚刚出苗的农作物、经济林的新梢和幼果将造成非常严重的冻害。本文按照最新的《冷空气等级》[26]将降温分成寒潮、强、较强、中等强度和弱冷空气5个级别，利用河西走廊东部国家气象观测站的最低气温资料，对近57 a不同等级冷空气的时空分布、周期变化、发生频次及降温幅度和寒潮的气候特征、极端年的物理机制及成因进行对比分析和诊断，旨在提高本地不同等级冷空气和寒潮的监测预报预警能力，为当地工农业生产决策和防灾减灾提供技术支持。

1 资料与方法

选取河西走廊东部5个国家气象观测站（凉州、民勤、古浪、乌鞘岭和永昌）1961年1月1日—2017年12月31日最低气温Td，计算24、48、72 h降温幅度：△T24为当日Td与前24 hTd之差、△T48为当日Td与前48 hTd之差、△T72为当日Td与前72 hTd之差；规定3—5月为春季，6—8月为夏季，9—11月为秋季，12月—翌年2月为冬季；以《冷空气等级》[26]（GB/T21987-2008）标准分为5个等级：弱冷空气（Ⅰ级）、中等强度冷空气（Ⅱ级）、较强冷空气（Ⅲ级）、强冷空气（Ⅳ级）和寒潮（Ⅴ级），具体定义见表1。选取2.5°×2.5°月平均NCEP 500 hPa平均位势高度场、风场环流资料分析显著偏多（少）年的寒潮特征。

表1 不同等级冷空气标准

2 空间分布

2.1 各级冷空气年均日数的空间分布

根据表1统计河西走廊东部各等级冷空气降温过程日数（任何一站及以上达到标准为一个过程日数）。各等级冷空气年均日数以Ⅰ级为主，为152～160 d/a；其次Ⅱ级，为10～16 d/a；Ⅳ和Ⅴ级基本接近，在3～7 d/aⅢ级最少，不足1 d/a。空间分布Ⅰ级是偏北沙漠区民勤站最少，中西部永昌、凉州站偏多（图1a）；由于永昌站、凉州站处于地势平坦的植被较茂密区域，冷空气造成的降温幅度小，一般为弱降温。其他4个级别空间分布基本相似且与Ⅰ级相反，偏北沙漠区民勤站均最多，Ⅱ和Ⅲ级南部山区站偏少（图1b，1c）、Ⅳ和Ⅴ级中部凉州站最少（图1d，1e）。民勤站地处沙漠边缘多为沙漠和荒漠地带，植被稀疏辐射降温明显，晴天最低气温降幅较大，且受冷空气的直接影响，造成的降温强度大、次数多（图1）。

图1 各级冷空气年均日数的空间分布

2.2 各级冷空气年频率的季节分布

河西走廊东部Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ级冷空气降温日数年频率的季节空间分布基本相似，均以民勤最多。其中，Ⅴ级秋冬季空间分布与年变化相似，民勤站最多，最少的均为凉州站；夏季永昌站最多、民勤站最少；春季古浪站最多。Ⅳ级春、秋和冬季空间分布也与年变化相似，民勤站最多，凉州站最少。冬季各地无Ⅲ级冷空气，春、夏和秋季空间分布与年变化相似，民勤站多，南部山区趋于0。Ⅱ级夏秋季空间分布也与年变化相似，民勤站最多；冬春季凉州站最少，夏秋季南部山区最少。而Ⅰ级各季节空间分布永昌、凉州站均多，秋冬季北部沙漠区少，春夏季南部山区少。

3 时间变化

3.1 各级冷空气降温日数的年变化

近57 a河西走廊东部各级冷空气共9 989～10 420 d，年均175.3～182.8 d/a。中北部在170～200 d/a，其中凉州1989年最多，1974年最少；民勤1965年最多，2003年最少；永昌1974年最多，1999年最少。南部山区在150～190 d/a，其中古浪2007年最多，1997年最少；乌鞘岭2004年最多，1969年最少。年降温日数Ⅳ和Ⅴ级呈明显减少的趋势，Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ级线性趋势不明显，但Ⅰ和Ⅱ级略增多。

3.2 各级冷空气降温日数的年代际变化

河西走廊东部各级冷空气平均降温频次的年代际差异不大，整体先减后升，21世纪00年代最少，为160.5次/（a·站），近7年最多，为178.3次/（a·站）。Ⅰ和Ⅱ级呈起伏升降趋势，近7年最多，明显高于前5个年代际，各站整体上随年代际增长。Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ级20世纪60年代最多，随年代际基本呈递减，近7年Ⅲ级减少为0，而Ⅳ和Ⅴ级较21世纪10年代突增。Ⅲ级20世纪70—90年代最少，除民勤站逐年代际呈减少，南部基本为0。Ⅳ级21世纪00年代最少。Ⅴ级20世纪80年代最少，后期年平均降温频次一致；南部站先减后增，北部则先减后升再降（图2）。

图2 各级冷空气年平均降温日数的年代际分布

3.3 各级冷空气降温日数的月、季变化

河西走廊东部各级冷空气月平均概率分布（图3），Ⅴ级4月最多，为17.2%，其次3月为11.8%；Ⅳ级4月最多，为13.2%，其次10月为12.6%；Ⅲ级7—8月最多，为31.3%，10月—翌年4月均为0；Ⅱ级5月最多，为12.3%，其次10月为10.5%；Ⅰ级各月和各季比例接近，8月为9.7%。季节分布Ⅴ级春季最多，为40.7%，其次冬季为31.5%，Ⅳ级春季最多，为34.3%，其次秋冬季占29%；Ⅲ级夏季最多，为81.3%，冬季无Ⅲ级冷空气，乌鞘岭站全年无；Ⅱ级春季最多，为30.7%，夏季最少，为14.4%，且夏季各站比例接近。冬春季Ⅳ、Ⅴ级冷空气侵袭次数多且易达到寒潮。

图3 各级冷空气的月平均概率分布

4 降温幅度

河西走廊东部Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ级冷空气年平均降温幅度48 h分别为2.3、6.8、8.5、8.8、11.7℃，Ⅴ级的冷空气年平均降温幅度24、72分别为9.3、13.8℃。各站平均降温幅度Ⅰ～Ⅳ级季节性不明显（表2），而Ⅴ级相差明显。Ⅰ级冷空气降温幅度春季最大、夏季较小；民勤降温幅度最大，为2.5℃、乌鞘岭最小，为2.1℃；Ⅱ级无明显季节和地理变化，秋季略大；Ⅲ级春夏季降温幅度大、冬季无，地理分布上永昌夏季降温幅度最大，达8.9℃；Ⅳ级各季节各站相近，古浪夏季略大，为9.0℃，地理分布上古浪最大，为9.0℃、民勤最小，为8.5℃；Ⅴ级24 h降温幅度冬季最大、夏季较小，凉州和古浪最大，为9.9℃、夏季民勤无；Ⅴ级48 h春季最大、夏季较小，永昌最大为12.2℃、夏季凉州和民勤无；Ⅴ级72 h春季最大、夏季较小，古浪最大，达14.3℃、夏季全市无。

表2 河西走廊东部不同等级冷空气平均降温幅度 ℃

5 寒潮过程成因分析

5.1 寒潮过程年变化特征

近57 a河西走廊东部各站出现的寒潮次数共763次（任何一站达到任何一个标准为一次寒潮），年均13.4次/a，4月频率最多，为15.1%，7月最少，为0，且50%的寒潮伴有大风沙尘。寒潮次数逐年距平（图4）呈减少趋势，且通过0.05、0.1的显著性检验。寒潮年次数＞20次为显著偏多年：1967、1979、2010、1972、1961、1981、1971和1969年。其中，1967年为24次，是历史最多，较历年平均偏多一半。年次数＜7次为显著偏少年：其中2007、2015、1985和1994年，2007和2015年仅6次，为历史最少。

图4 1961—2017年河西走廊东部寒潮日数的距平分布

5.2 寒潮过程月变化特征

近57 a河西走廊东部寒潮次数4月最多，年均2次/a，6—8月最少，为0~0.2次/a。显著偏多年1月最多，为3.5次/a，6—8月也最少；显著偏少年3月最多，为1.5次/a，6—8月、10月为0次/a。寒潮过程显著偏多年与显著偏少年3—5月均呈双峰型特征；夏季6—8月无论显著偏多或偏少年基本接近0次/a；10月偏多年明显多于偏少年，两者之间差异最大（图5）。

图5 1961—2017年河西走廊东部寒潮日数显著偏多、偏少年频次的月分布

5.3 寒潮过程异常年环流分析

500 hPa年平均位势高度场上欧亚范围内中高纬度，偏多年为两槽一脊，欧洲与亚洲为低槽，西西伯利亚及乌拉尔山为高压脊，河西走廊东部受脊前西北气流控制；距平场呈“－＋－＋”，西欧和亚洲为负距平中心，研究区东北部为强的负距平（图6a）。偏少年为两脊两槽，欧洲西部和亚洲大部为高压脊，欧洲到里海和东亚到西太平洋为低槽，河西走廊东部受西风带上的浅脊控制。距平场呈“＋－＋”，北欧到巴尔喀什湖为负距平，河西走廊东部在正距平区（图6b）。

图6 偏多年（a）和偏少年（b）的500 hPa位势高度（等值线）及其距平（阴影）场

5.4 风场特征

由图7a可见，偏多年乌拉尔山有脊配合距平场辐散，利于极地冷空气向中低纬度输送，河西走廊东部为一致的西北急流，距平场（图7c）上是西西北风。偏少年（图7b）乌拉尔山距平场上是明显的风场辐合，从里海到我国中部40°N附近有明显的西风急流，东北冷涡活跃，河西走廊东部位于中低纬度西风气流中，距平场（图7d）为偏东风。

图7 偏多年和偏少年500 hPa年平均风场（a、b）和距平场（c、d）（单位：m/s）

6 结论

对1961—2017年河西走廊东部5个国家气象观测站不同等级冷空气的时空分布、周期变化、单站发生频次及降温幅度和寒潮的气候特征、显著偏多（少）年的物理机制及成因进行对比分析，得出如下结论：

（1）近57 a河西走廊东部各级冷空气以Ⅰ级为主，年均日数为152～160 d/a，其次Ⅱ级，为10～16 d/a，Ⅳ和Ⅴ级基本接近达3～7 d/a，而Ⅲ级最少不足1 d/a。年空间分布Ⅰ级呈偏北沙漠区少、中部平原区多；其他4个级别与Ⅰ级相反，偏北沙漠区均偏多，Ⅳ和Ⅴ级中部少，而Ⅱ和Ⅲ级南部山区少。

（2）Ⅱ、Ⅳ和Ⅴ级季节分布与年分布基本相似，偏北沙漠区最多，中部平原区最少。Ⅲ级出现在春夏秋三季，沙漠区最多，南部无。Ⅰ级永昌、凉州站较多，秋冬季沙漠区少，春夏季南部山区少。Ⅴ级春季4月最多，3月次之；Ⅳ级4月最多，10月次之；Ⅲ级集中在夏季7—8月，10月—翌年4月无；Ⅱ级5月最多，10月次之；Ⅰ级夏季8月略多，其他月、季接近，分布较均匀。

（3）年降温日数Ⅳ和Ⅴ级随时间变化明显减少，Ⅰ～Ⅲ级线性趋势不明显，Ⅰ和Ⅱ级略增多。年均降温频次的年代际差异不大，先降后升，但不同等级主要周期有差异：Ⅰ和Ⅱ级近7年明显高于前5个年代际，逐年代际呈起伏升降的趋势。Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ级20世纪60年代最多，随年代际呈递减趋势。

（4）Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ级48 h年平均降温幅度分别为2.3、6.8、8.5、8.8和11.7℃，Ⅴ级24、72 h平均降温幅度分别为9.3、13.8℃。各站冷空气的平均降温幅度只有Ⅴ级季节性明显，其中Ⅰ级春季和民勤最大，夏季最小；Ⅱ级秋季略大；Ⅲ级春夏季大，冬季无；Ⅳ级各站季节相近；Ⅴ级24 h降温幅度凉州冬季和古浪夏季较大均为9.9℃；Ⅴ级48 h降温幅度永昌夏季最大，为12.2℃，最小在乌鞘岭，为10.4℃；Ⅴ级72 h降温幅度古浪春季最大，达14.3℃。

（5）近57 a河西走廊东部寒潮次数有8个显著偏多年，4个显著偏少年，4月频率最多占15.1%，10月差异最大，夏季差异较小。500 hPa位势高度场显著偏多年河西走廊东部受明显的西北气流控制，配合高度负距平中心；乌拉尔山脊利于极地干冷空气向南输送，有利于寒潮及强降温天气发生。显著偏少年以纬向平直西风气流为主，有明显的正距平，乌拉尔山附近是明显的风场辐合，冷空气活动少，冷害天气不易发生。