劉紅霞,王 飛,楊溫萍,黃 玲
(1.中亞大氣科學研究中心,新疆 烏魯木齊830002;2.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所,新疆 烏魯木齊830002;3.塔城地區(qū)氣象局,新疆 塔城834700; 4.青河縣氣象局,新疆 阿勒泰836200;5.呼圖壁縣氣象局, 新疆 昌吉831200)
冷空氣過程是冬半年影響我國最主要的災害性天氣,它不僅會導致人體免疫功能下降、引發(fā)呼吸疾病,同時對農(nóng)業(yè)、牧業(yè)、交通運輸?shù)仍斐善茐腫1]。黃煥卿等[2]發(fā)現(xiàn),全國大部中強冷空氣和寒潮年發(fā)生次數(shù)呈減少趨勢,但少部分地區(qū)出現(xiàn)中強冷空氣年發(fā)生次數(shù)增多趨勢,冬季冷空氣發(fā)生次數(shù)比秋、春兩季減少明顯。朱晨玉[3]等指出,1961—2010年寒潮冷空氣活動頻數(shù)呈年代際減少趨勢,1980年之前頻數(shù)偏多,1990年后頻數(shù)偏少。周琳[4]等指出,我國單站冷空氣呈北多南少、北強南弱的分布特征,新疆北部冷空氣頻次較多,大多出現(xiàn)在12月—次年1月,呈現(xiàn)先減少再增加,20世紀90年代后波動較小的特征。毛煒嶧[5]等人對烏魯木齊市1961—2015年寒潮過程的頻數(shù)、持續(xù)日數(shù)和6項強度要素的氣候特征進行了分析。段均澤等[6]對近56 a伊犁河谷冷空氣過程氣候變化特征進行了分析。
每年的11月—次年5月,新疆北部常遭受北方冷空氣的侵襲,造成不同程度的大風、降溫、降雪、冰霜凍等災害天氣,給人們生活帶來不利影響。而近幾年大多數(shù)研究成果[7-19]都是針對寒潮和強冷空氣這樣的強過程,而弱冷空氣、中強冷空氣和較強冷空氣的研究較少,本文在前人研究的基礎上,選取近45 a北疆區(qū)域50個國家站點資料,對北疆各站歷年的不同等級冷空氣活動,從時間和空間分布等方面進行統(tǒng)計分析,希望得到有意義的結論,為進一步提高冷空氣預報的準確率,做出更為準確的短期氣候預測起到一定的作用。
為保證資料的完整性和連續(xù)性,建立均一、穩(wěn)定的氣溫序列,本研究依據(jù)資料的連續(xù)性及完整性等標準,共選取了北疆區(qū)域阿勒泰、塔城、博州、伊犁、克拉瑪依、石河子、昌吉、烏魯木齊、哈密9個地區(qū)50個氣象觀測站(圖1)的逐日平均氣溫和最低氣溫數(shù)據(jù),資料時間跨度為1971—2015年,所選站點均經(jīng)過了嚴格的質量檢查和控制,包括極值檢驗和時間一致性檢驗等,以上數(shù)據(jù)來源于新疆維吾爾自治區(qū)氣象信息中心。個別站點缺失數(shù)據(jù)采用線性回歸等插值方法進行插補,并進行顯著性檢驗。
圖1 北疆50個氣象觀測站點分布
毛煒嶧等人[12]在研究烏魯木齊降溫過程時,為彌補《冷空氣等級》定義的不完備性,制作了不同等級降溫過程標準表,博爾楠等人[13]在研究阿勒泰地區(qū)不同等級降溫日氣候特征時也引用了上述研究成果;本研究依據(jù)日最低氣溫下降幅度及日最低氣溫兩個指標,結合冷空氣等級[14],將冷空氣劃分為弱冷空氣、中等強度冷空氣、較強冷空氣、強冷空氣、寒潮等5個等級,具體定義見表1。根據(jù)以上定義整理出北疆地區(qū)1971—2015年期間4316次冷空氣活動過程,借鑒曹興等[15]、馬建勇等[16]、莊曉翠等[17]研究方法,針對不同等級冷空氣活動頻次分別采用非參數(shù)化趨勢分析、線性趨勢分析方法計算變化趨勢,并進行顯著性檢驗;使用Mann-Kendall法分析冷空氣突變特征;使用小波分析法對冷空氣活動周期演變特征進行研究。
表1 不同等級冷空氣劃分標準
1971—2015年,北疆4316次冷空氣過程持續(xù)日數(shù)在1~15 d,平均持續(xù)日數(shù)為1.79 d。其中持續(xù)1 d、2 d的冷空氣過程最多,分別出現(xiàn)2229次、1230次,占冷空氣過程總數(shù)的51.7%、28.5%,合計達80.2%;持續(xù)日數(shù)6 d及以上的冷空氣過程頻數(shù)極少,均不足2%(表2)。弱冷空氣、中等強度冷空氣、較強冷空氣、強冷空氣和寒潮過程平均持續(xù)日數(shù)分別為 1.57、2.3、2.28、2.66 d 和 1.43 d。其中弱冷空氣過程持續(xù)日數(shù)以1~2 d為主,合計占弱冷空氣過程總數(shù)的86.5%;中等強度冷空氣、較強冷空氣和寒潮過程持續(xù)日數(shù)均以1~3 d為主,分別占同級別寒潮過程總數(shù)的86.4%、90.6%和85%;而強冷空氣過程持續(xù)日數(shù)以2~4 d為主,合計占強冷空氣過程總數(shù)的91.2%。冷空氣過程持續(xù)日數(shù)超過10 d的共有10個站次,其中弱冷空氣過程8站次,強冷空氣1站次(石河子12 d),寒潮1站次(霍爾果斯11 d)。
表2 北疆不同持續(xù)日數(shù)的冷空氣過程頻數(shù)
2.2.1 空間分布特征
1971—2015年北疆單站冷空氣總頻次(圖2a)在3918~4747次之間,平均95.3次/a,呈現(xiàn)出自盆地向山地減少的特征。4個高頻次區(qū)分別位于北疆南部的柴窩堡—達坂城盆地、中部的準噶爾盆地、東部的淖毛湖盆地、西部的昭蘇山間盆地,均在4400~4747次范圍內(nèi),其中高值中心出現(xiàn)在達坂城,為4747次;3個低頻次區(qū)分別位于天山中段北麓的小渠子—米泉、木壘—北塔山、西北部的吉木乃—和布克賽爾,在3900~4200次范圍內(nèi),以小渠子—米泉頻次最低,分別為3918次、3976次。
北疆單站弱冷空氣(圖2b)頻次在2600~3700次之間,平均70.9次/a,自西南向東北逐漸減少。西南部出現(xiàn)弱冷空氣次數(shù)最多,尤其是昭蘇—特克斯—新源至精河—博樂一帶,在3400~3605次范圍內(nèi),期間有2個高值中心,分別是:新源3605次、昭蘇3563次;天山中段北麓的達坂城出現(xiàn)一個次高值中心,為3506次;東北部阿勒泰地區(qū)最低,在2648~2672次,低值中心出現(xiàn)在吉木乃,為2648次;準噶爾盆地中部及北疆東部較大范圍弱冷空氣次數(shù)在2700~3400次。
北疆單站中等強度冷空氣(圖2c)頻次在400~796次,平均11.8次/a,東西分布特征較明顯,自東向西逐漸減少,受盆地疊加效應影響,準噶爾盆地出現(xiàn)頻次較高。西南部和北疆天山山區(qū)出現(xiàn)中等強度冷空氣頻次最低,為400~540次;小渠子和新源出現(xiàn)兩個低值中心,分別為400、401次,西南部的伊犁地區(qū)和西部的塔城地區(qū)分別有一個相對的高值中心,分別是尼勒克(572次)和裕民(576次);北疆南部的柴窩堡—達坂城盆地、中部的準噶爾盆地、東部的淖毛湖盆地出現(xiàn)660~800次,高值中心出現(xiàn)在達坂城和蔡家湖,為796次、699次;東北部的阿勒泰地區(qū)、北疆沿天山一帶、東部的哈密地區(qū)中等強度冷空氣次數(shù)為540~660次。
北疆單站較強冷空氣(圖2d)頻次在1~543次之間,大多在160次以下,平均1.8次/a,總體呈現(xiàn)出由南向北減少的趨勢,其中西部由西南向東北減少,東部由東向西減少。3個高值中心均位于高海拔地區(qū)(1800 m以上),分別是伊吾、昭蘇和大西溝,出現(xiàn)頻次分別為543、459次和436次,低值中心分別出現(xiàn)巴里坤—青河、小渠子—天池、特克斯—溫泉一帶,均在10次以下。
北疆單站強冷空氣(圖1e)頻次在120~267次之間,平均4.2次/a,總體呈由南向北增加的特征,在天山山區(qū)和北疆沿天山一帶又呈現(xiàn)出由西向東增加的趨勢特點。在伊犁地區(qū)出現(xiàn)次數(shù)最低(130~173次),阿勒泰地區(qū)最高(209~267次)。西部伊犁、博州、塔城南部、克拉瑪依一帶在120~170次之間,石河子、昌吉、哈密伊吾一帶多在170~210次之間,塔城北部、阿勒泰地區(qū)、哈密巴里坤一帶多在210~267次之間;其中3個高值中心分別出現(xiàn)在阿勒泰、吉木乃和裕民,分別為267、248、244次,一個低值中心出現(xiàn)在阿拉山口,為120次。
圖2 北疆單站1971—2015年平均年不同等級冷空氣頻次
北疆單站寒潮(圖2f)頻次在104~703次之間,平均7.3次/a,與強冷空氣頻次特征基本相同,總體呈由南向北增加的特征,在天山山區(qū)和北疆沿天山一帶呈現(xiàn)東多西少的特點。博州地區(qū)出現(xiàn)頻次最低(104~206次),阿勒泰地區(qū)出現(xiàn)頻次最高(457~703次)。西南部的阿拉山口—新源一線為低值中心,均在154次以下,以此為界,向東北和西南逐漸增加,西南部伊犁地區(qū)出現(xiàn)頻次最高的是尼勒克和察布查爾,分別為464次和403次,最低值出現(xiàn)在新源,為146次;西北部的塔城地區(qū)從北向南逐步減少,最低值出現(xiàn)在烏蘇,為166次,最高值出現(xiàn)在額敏,為507次;北疆東部最高值出現(xiàn)在巴里坤,為559次,以此為界向伊吾和木壘方向逐漸減少;烏魯木齊、昌吉、石河子大部分地區(qū)出現(xiàn)寒潮多在150~300次,一個低值中心在米泉,為139次;北疆寒潮出現(xiàn)頻次的高值中心在青河,為703次。
2.2.2 時間變化特征
1971—2015年北疆單站冷空氣年頻次傾向率(圖3a)大部區(qū)域呈下降趨勢,除北疆沿天山一帶的精河—烏蘇—呼圖壁—阜康,北部的阿勒泰—和布克賽爾,東部的伊吾及達坂城冷空氣呈增加趨勢外,其它區(qū)域均為減少趨勢,其中只有瑪納斯通過了α=0.01水平下的顯著性檢驗。西南部、東部明顯較中部、北部減少趨勢大,巴里坤為東部負值高中心,中心值達-1.108/10 a,通過了0.05的顯著性水平檢驗,西南部在霍爾果斯—昭蘇—新源出現(xiàn)3個負值高中心,中心值分別為-1.475/10 a、-1.012/10 a、-1.157/10 a,其中霍爾果斯通過了α=0.001水平下的極顯著性檢驗,新源通過了α=0.01水平下的顯著性檢驗;西北部的托里出現(xiàn)一個負值高中心,中心值為-1.034/10 a,托里和北部的富蘊均通過了α=0.05水平下的顯著性檢驗,除上述之外的其余大部傾向率均<1.0/10 a,且顯著性不明顯。
圖3 北疆單站1971—2015年不同等級冷空氣線性傾向率
弱冷空氣各站傾向率大多為正值(圖3b),僅有西部的伊犁大部、北部的哈巴河、吉木乃、東部山區(qū)的北塔山、奇臺傾向率為負值,其余都為正值,其中正值高中心出現(xiàn)在莫索灣和炮臺,傾向率為1.277/10 a、0.754/10 a,負值高中心出現(xiàn)在霍爾果斯,傾向率為-0.915/10 a,通過了α=0.01水平下的顯著性檢驗,其余大部分地區(qū)變化趨勢不明顯。中等強度冷空氣年頻次變化趨勢(圖3c)大部分地區(qū)呈減少趨勢,除北疆沿天山的瑪納斯一帶、達坂城、西部的伊寧縣-霍爾果斯、西北部的裕民—額敏、北部的阿勒泰一帶傾向率為正值,有增加趨勢外,其余為負值,負值的高值中心位于莫索灣和特克斯,傾向率為-2.054/10 a、-1.409/10 a,通過了 α=0.01 水平下的顯著性檢驗,正值的高值中心位于瑪納斯和達坂城,傾向率為1.75/10 a、1.15/10 a,通過了α=0.05水平下的顯著性檢驗,其它各站只有大西溝和炮臺通過α=0.05水平下的顯著性檢驗,其余區(qū)域均未通過檢驗,變化趨勢不明顯。
較強冷空氣各站大多呈現(xiàn)增加趨勢(圖3d),只有哈密地區(qū)、部分山區(qū)站、北疆沿天山一帶和伊犁少部分地區(qū)為減少趨勢。溫泉和莫索灣減少趨勢最明顯,傾向率為-5.738/10 a、-4.542/10 a,莫索灣通過了α=0.001水平下的極顯著性檢驗,增加趨勢最明顯的是天池和巴里坤,傾向率為17.5/10 a、10.125/10 a,天池通過了α=0.05水平下的顯著性檢驗,其它各站只有北塔山、吉木乃、托里、霍爾果斯、木壘、鞏留通過了α=0.05水平下的顯著性檢驗,其它區(qū)域變化趨勢不明顯。
強冷空氣(圖3e)各站大多呈減少趨勢,僅有北疆北部的哈巴河—富蘊、西南部的昭蘇—伊寧—精河、東部的哈密—奇臺一帶為增加趨勢,增加趨勢最顯著的是精河和富蘊,傾向率分別為1.849/10 a、1.702/10 a,其余大部分地區(qū)均為減少趨勢,其中莫索灣、克拉瑪依減少趨勢最明顯,傾向率為-2.903/10 a、-2.653/10 a,并通過了α=0.01水平下的顯著性檢驗,其它各站只有炮臺和西北部的額敏通過了α=0.05水平下的顯著性檢驗,其它區(qū)域變化趨勢不明顯。
寒潮(圖3f)各站大多呈現(xiàn)減少趨勢,只有昌吉和阿勒泰部分區(qū)域寒潮過程呈增加趨勢,其它區(qū)域均呈現(xiàn)減少趨勢。米泉、新源、托里、吉木薩爾、烏蘇、沙灣線性傾向率均超過-2.0/10 a以上,托里減少趨勢最顯著,通過了α=0.001水平下的極顯著性檢驗,其次是吉木薩爾和巴里坤,通過了α=0.01水平下的顯著性檢驗,還有20%的站通過了α=0.05水平下的顯著性檢驗,其余各站變化趨勢均不明顯。
2.3.1 不同等級冷空氣頻次年際變化
為研究北疆冷空氣頻次的年際變化特征,將該區(qū)域內(nèi)各年不同等級冷空氣頻次進行算術平均后得到逐年各等級冷空氣的頻次演變,然后進行9 a滑動和線性擬合。由圖可見,近45 a北疆冷空氣頻次(圖4a)總體為減少趨勢,呈現(xiàn)先減少后增加的特點,減少速率為-0.33/10 a,20世紀90年代初之前在波動中略有減少,后呈減少趨勢,在1998年達最低值,后又呈現(xiàn)明顯增加趨勢,在2010年后有所回落,最高值出現(xiàn)在2008年;弱冷空氣(圖4b)呈增加趨勢,增加速率為0.17/10 a,1989年出現(xiàn)最多,2010年最少,20世紀90年代中期之前在波動中保持穩(wěn)定,之后呈現(xiàn)減少—增加的趨勢,2010年后又呈穩(wěn)定狀態(tài);中等強度冷空氣(圖4c)呈減少趨勢,減少速率為-0.13/10 a,1985年之前明顯偏多,1985—2003年明顯偏少,1972年最多,1981年最少;較強冷空氣(圖4d)略有增加,增加速率為0.03/10 a,但增加趨勢不明顯,20世紀80—90年代中期偏少,進入21世紀后偏多,1993年、2003年最少,1980年、2015年最少;強冷空氣(圖4e)減少趨勢不明顯,減少速率為-0.07/10 a,70年代處于偏多階段,自80年代開始在波動中變化不大,1985年最多,2008年最少;寒潮(圖4f)呈顯著的下降趨勢(通過了α=0.05水平下的顯著性檢驗),減少速率為-0.37/10 a,90年代之前呈減少趨勢,之后在波動中保持穩(wěn)定略有增加,2003年后顯著減少,最多年份出現(xiàn)在1998年,最少年份在2007年,其次是1982年。
2.3.2 不同等級冷空氣頻次年代際變化
由表3看出,不同等級冷空氣各年代之間變幅不明顯。冷空氣頻次從20世紀70—90年代逐漸減少,在90年代達最少,進入21世紀后又增加至20世紀80年代水平;弱冷空氣在20世紀70年代和90年代較少,80年代最多,進入21世紀后略有增加且基本穩(wěn)定;中等強度冷空氣20世紀70年代最多,80—90年代頻次持平,2001—2010年略有增加后又減少;較強冷空氣20世紀70年代和2001—2010年最多,20世紀80—90年代、2011—2015年有所回落且變化不大;強冷空氣在20世紀70年代最多,80年代減少,90年又開始增加,后進入21世紀后略有減少且維持不變;寒潮亦在20世紀70年代最多,之后逐年代下降,90年代略有波動,2011—2015年減至最少。
表3 北疆不同等級冷空氣頻次年代際變化(次)
圖4 1971—2015年北疆不同等級冷空氣頻次年際變化
2.3.3 不同等級冷空氣頻次周期特征
對近45 a北疆不同等級冷空氣活動頻次進行小波分析(圖5),由圖5可知,北疆不同等級冷空氣活動頻次均有著明顯的年代際和年際尺度變化,經(jīng)歷了偏多時期(淺色部分)到偏少時期(深色部分)的往復過程,其中冷空氣總頻次(圖5a)年代際振蕩貫穿整個低頻段,30 a周期明顯,時期上呈現(xiàn)出“偏多—偏少—偏多(未閉合)”的特點,因數(shù)據(jù)序列只有45 a,故30 a周期不可信,從圖中可看出還存在一個15 a左右的顯著振蕩周期,2000年后,該周期逐漸變短,至2015年變?yōu)? a的周期;弱冷空氣(圖5b)在20世紀70—80年代存在5 a、20 a的振蕩周期,到90年代合并為一個10 a左右的顯著周期,且周期隨時間逐漸變短;中等強度冷空氣(圖5c)30 a和15 a的年代際準周期明顯且貫穿始終,另外在年際尺度上1975—2010年還存在一個3~5 a的顯著周期;較強冷空氣(圖5d)年代際尺度上始終存在一個25 a左右的周期,呈現(xiàn)偏多—偏少—偏多的特點,在年際尺度上存在一個5~8 a的振蕩周期,且非常顯著,另外在1990—2010年期間還存在一個3 a左右的弱振蕩周期;強冷空氣(圖5e)年代際尺度上,一直存在一個20 a的弱周期,年際尺度上1995年之前存在一個5 a的顯著周期,之后變?yōu)? a的弱振蕩周期;寒潮(圖5f)年代際尺度上,準18 a的周期十分顯著,年際尺度上1995年以前準10 a的周期振蕩強烈,之后3~5 a的周期持續(xù)到2015年。
2.3.4 不同等級冷空氣頻次突變特征
圖5 1971—2015年北疆不同等級冷空氣周期變化
Mann-kendall作為非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法已被廣泛應用于氣候要素的突變分析中,在給定顯著性水平 α=0.05(既 U0.05=±1.96)條件下,把 U(dk)沿時間軸繪成曲線UF,而后將此序列反向再次計算U(dk),繪成曲線UB,若UF與UB相交且交點位于置信區(qū)間內(nèi),則交點即為突變點。由北疆1971—2015年不同等級冷空氣突變檢驗結果看出:冷空氣在1980年發(fā)生突變(圖6a),由穩(wěn)定變?yōu)轱@著減少趨勢;弱冷空氣(圖6b)天氣過程頻次曲線相交頻繁,結合CA檢驗法(累積距平法),發(fā)現(xiàn)突變點發(fā)生在1993年和2004年;中等強度冷空氣20世紀70年代初顯著減少(圖6c),1975年發(fā)生突變,后減少趨勢變緩,2010年后曲線又有交叉,但通過CA檢驗法驗證,發(fā)現(xiàn)未發(fā)生突變;較強冷空氣在1980年、2003年發(fā)生突變(圖6d),2010年后增加較為明顯;強冷空氣曲線相交頻繁(圖6e),結合CA檢驗法進一步檢驗,結果顯示突變點出現(xiàn)在2000年,由明顯的增加趨勢變?yōu)榉€(wěn)定波動;寒潮在1981、1996、2003年發(fā)生3次曲線交叉(圖6f),通過CA檢驗法進一步檢測結果顯示,1981年和2003年為突變發(fā)生點,由顯著減少趨勢轉變?yōu)榉€(wěn)定波動階段,在2003年又轉變?yōu)轱@著減少趨勢。
(1)統(tǒng)計分析了近45 a來北疆地區(qū)4316次不同等級冷空氣過程,冷空氣持續(xù)日數(shù)特征表現(xiàn)為:平均持續(xù)日數(shù)為1.79 d,其中弱冷空氣持續(xù)日數(shù)以1~2 d為主,中等強度冷空氣、較強冷空氣和寒潮過程平均持續(xù)日數(shù)以1~3 d為主;冷空氣持續(xù)日數(shù)與冷空氣發(fā)生季節(jié)[12]、冷空氣源地、移動路徑及環(huán)流分型[18]有關,具體形成機制有待進一步研究。
(2)1971—2015年,北疆各站不同等級冷空氣過程平均出現(xiàn)頻次為95.3次/a,空間分布特征表現(xiàn)為:自盆地向山地逐漸減少,最大值出現(xiàn)在達坂城(4747次),最低值出現(xiàn)在小渠子(3918次);其中弱冷空氣呈現(xiàn)自西南向東北逐漸減少的特征;中等強度冷空氣東西分布特征較明顯,自東向西逐漸減少,受疊加盆地效應影響,準噶爾盆地出現(xiàn)次數(shù)較多;較強冷空氣呈現(xiàn)由南向北遞減的趨勢,其中西部由西南向東北遞減,東部由東向西遞減,3個高值中心均位于高海拔地區(qū)(1800 m以上);強冷空氣則呈由南向北遞增的趨勢,在天山山區(qū)和北疆沿天山一帶呈現(xiàn)出由西向東遞增的趨勢特點,高值中心出現(xiàn)在阿勒泰(267次),低值中心出現(xiàn)在阿拉山口(120次);寒潮空間分布特征與強冷空氣基本相同,高值中心位于青河(703次),低值中心位于阿拉山口(104次)。冷空氣空間分布特征反映出北疆地區(qū)冷空氣活動頻次、強度主要受緯度、地形及拔海高度影響,其中地形、拔海高度對冷空氣總頻次、弱冷空氣及中等強度冷空氣影響明顯,表現(xiàn)為盆地多于山地,隨海拔高度呈遞增趨勢;強冷空氣和寒潮主要受緯度影響,呈現(xiàn)由南向北遞增趨勢。
圖6 1971—2015年北疆不同等級冷空氣突變變化
(3)受全球氣候變暖的影響,近45 a北疆地區(qū)大部區(qū)域冷空氣活動頻次呈減少趨勢,且具有明顯地域變化特征,空間分布表現(xiàn)為西南部、東部減少趨勢明顯大于中部、北部的特征;年代際變化總體呈遞減趨勢,具體表現(xiàn)為先減少后增加,減少速率為0.33次 /10 a,其中20世紀70年代最多,80年代減少,90年代又開始增加,后振蕩維持。
(4)應用小波分析法對北疆地區(qū)近45 a冷空氣活動頻次周期特征分析發(fā)現(xiàn):在年代際尺度上,一直存在一個30 a的顯著振蕩周期,在2000年之前還存在一個15 a左右的顯著周期,隨后周期逐漸縮短,并在1980年發(fā)生突變;冷空氣活動表現(xiàn)出周期變短,突變增多的特點,筆者初步認為與近年來各類極端溫度事件的頻繁發(fā)生[18]有關,具體成因有待進一步研究討論。