中亞阿拉木圖與烏魯木齊寒潮氣候變化特征對比分析

段均澤，毛煒嶧，張同文，3，劉 精

（1.新疆氣候中心，新疆 烏魯木齊830002；2.中亞大氣科學(xué)研究中心，新疆 烏魯木齊830002；3.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆 烏魯木齊830002）

寒潮通常會造成劇烈降溫，有時還伴有大風(fēng)、暴雪等一系列災(zāi)害天氣，是中高緯地區(qū)的主要?dú)庀鬄?zāi)害，給當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸以及公眾生活等帶來諸多不利影響[1-3]。很多研究表明我國區(qū)域內(nèi)的寒潮活動特征發(fā)生了變化。趙玉廣等[4]分析了我國河北省寒潮天氣的時空分布及變化，發(fā)現(xiàn)寒潮減少與冬季增暖有明顯相關(guān)性；周偉東等[5]得出冬季影響我國上海的寒潮過程平均風(fēng)速呈下降趨勢，降水總量呈增多趨勢；白松竹等[6]研究結(jié)果表明，1961—2012年新疆北部的阿勒泰地區(qū)寒潮次數(shù)的減少速率較快，氣候變暖是寒潮減少的重要?dú)夂虮尘啊Ｃ珶槑F[7]、鄭玉萍[8]給出了烏魯木齊市寒潮降溫過程強(qiáng)度和頻數(shù)的變化特征，曹興[9]基于不同寒潮定義指標(biāo)討論了烏魯木齊市寒潮降溫過程頻數(shù)和強(qiáng)度變化差異，毛煒嶧[10]討論了單站寒潮強(qiáng)度的單因子、多因子指標(biāo)及其在氣候評價業(yè)務(wù)中的應(yīng)用。

中亞地區(qū)是全球氣候變化最為劇烈的區(qū)域之一[11]，中亞五國的氣象站空間分布不均，大多數(shù)測站的觀測資料在前蘇聯(lián)解體后存在不同程度的缺測現(xiàn)象，目前對于寒潮氣候變化規(guī)律的研究，涉及到中亞國家的不多見。將新疆視為中亞核心區(qū)域的一部分[12,13]，與我國新疆相鄰的中亞國家的寒潮活動規(guī)律與新疆有何異同？阿拉木圖（Almaty,43.19°N,76.55°E）是哈薩克斯坦國前首都，烏魯木齊（Urumqi,43.46°N,87.36°E）是中國新疆維吾爾自治區(qū)首府，這兩個城市均位于天山山脈北麓，人口較多，經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對較快，同時受寒潮影響較為嚴(yán)重。對阿拉木圖和烏魯木齊的寒潮過程氣候變化特征進(jìn)行對比分析，可為提高中亞區(qū)域的寒潮監(jiān)測、預(yù)測水平奠定一定基礎(chǔ)，提升絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶沿線區(qū)域的氣象災(zāi)害防御技術(shù)支撐能力。

1 資料與分析方法

1.1 資料

選用阿拉木圖（1951—2006年）和烏魯木齊（1951—2016年）的逐日最低氣溫、平均氣溫資料，阿拉木圖逐日氣溫資料來源于世界氣象組織國家間的數(shù)據(jù)交換共享（東英吉利大學(xué)氣候研究中心CRU）網(wǎng)站，烏魯木齊日氣溫資料來自新疆氣候中心。由于CRU網(wǎng)站上2007年以后阿拉木圖市的日氣溫資料不連續(xù)，文中統(tǒng)一以1951—2006年平均值作為氣候均值來對比分析。烏魯木齊年過程頻數(shù)周期分析使用1951—2016年寒潮過程數(shù)據(jù)庫。

1.2 寒潮判定標(biāo)準(zhǔn)

國家標(biāo)準(zhǔn)《寒潮等級（GB/T 21987-2017）》中定義，寒潮是指某地日最低氣溫24 h內(nèi)降溫幅度≥8℃或48 h內(nèi)降溫幅度≥10℃，或72 h內(nèi)降溫幅度≥12℃，且日最低氣溫≤4℃的冷空氣過程，其中48、72 h內(nèi)的氣溫必須是連續(xù)下降。依據(jù)該定義，分別整理出了阿拉木圖（1951—2006年）與烏魯木齊（1951—2016年）的寒潮過程數(shù)據(jù)庫。

各月的寒潮過程頻數(shù)統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為：過程的開始和結(jié)束日期在同一月的，則參與該月統(tǒng)計(jì)；如果寒潮過程的開始和結(jié)束日期跨兩個相鄰月，則按照寒潮級別最先達(dá)到的日期所在月統(tǒng)計(jì)。

1.3 分析方法

寒潮過程頻數(shù)變化趨勢采用線性趨勢法分析，顯著性采用t檢驗(yàn)法判定[14]；周期分析采用morlet小波變換方法，取小波系數(shù)的實(shí)部來分析周期尺度，用對稱延伸法來部分消除小波變換法在資料開頭和結(jié)尾的邊緣效應(yīng)[15]。

2 兩城市寒潮過程頻數(shù)及出現(xiàn)日期氣候特征對比

2.1 寒潮過程年頻數(shù)

1951—2006年，阿拉木圖和烏魯木齊分別出現(xiàn)343次和237次寒潮過程，年平均寒潮過程頻數(shù)分別為6.13次和4.23次，阿拉木圖比烏魯木齊多1.90次。阿拉木圖的寒潮過程頻數(shù)最多年為1955年，共出現(xiàn)了13次，最少年分別為1967年和1987年，均為2次；烏魯木齊的寒潮過程頻數(shù)最多年為1952年，共出現(xiàn)了10次，最少年分別為1972年和2016年，均未出現(xiàn)寒潮。阿拉木圖更易受到寒潮侵襲。

2.2 寒潮過程月頻數(shù)分布

阿拉木圖多年平均的寒潮過程頻數(shù)月分布呈單峰型（圖1），以10月至翌年2月期間寒潮高發(fā)，以11月和12月寒潮頻數(shù)最多，分別占年平均寒潮過程總數(shù)的16.3% 和14.9% ；6月最少，占寒潮過程總數(shù)的1.2% ，7、8月無寒潮發(fā)生。烏魯木齊多年平均的寒潮過程頻數(shù)月分布呈雙峰型（圖1），在春季4月和秋季11月有2個高發(fā)階段，11月和4月的寒潮過程頻數(shù)分別占16.9% 和16.5% ；9月最少，占4.6% ，夏季（6—8月）無寒潮發(fā)生。對比兩城市的寒潮過程頻數(shù)月分布特征，阿拉木圖市5月的過程頻數(shù)低于烏魯木齊，4月兩城市的寒潮過程頻數(shù)接近，在其它各月，阿拉木圖的寒潮過程頻數(shù)明顯多于烏魯木齊。阿拉木圖的寒潮過程在秋、冬季為高發(fā)時段，而烏魯木齊在春季和秋季多發(fā)，冬季相對較少。

圖1 阿拉木圖和烏魯木齊寒潮過程頻數(shù)月分布

2.3 寒潮過程出現(xiàn)日期

1951—2006年，阿拉木圖與烏魯木齊的寒潮主要出現(xiàn)在9月至羿年6月,統(tǒng)計(jì)對比2個城市在寒冷季節(jié)的寒潮出現(xiàn)初日、終日發(fā)現(xiàn)：阿拉木圖的寒潮初日平均出現(xiàn)在10月20日，最早出現(xiàn)在9月6日（1985年），最晚出現(xiàn)在2月4日（1967年）；烏魯木齊的寒潮初日平均出現(xiàn)在10月29日，最早出現(xiàn)在9月3日（1986年），最晚出現(xiàn)在1月25日（1973年）。阿拉木圖的寒潮終日平均出現(xiàn)在4月3日，最晚出現(xiàn)在6月28日（1980年），最早出現(xiàn)在11月16日（1959年）；烏魯木齊的寒潮終日平均出現(xiàn)在4月12日，最晚出現(xiàn)在5月30日（1958年），最早出現(xiàn)在12月9日（1964年）。阿拉木圖冬半年的寒潮初日、終日均比烏魯木齊市早9 d。

3 兩城市寒潮過程頻數(shù)氣候變化特征對比

3.1 年際變化線性趨勢

由圖2可見，1951—2006年，阿拉木圖和烏魯木齊的年寒潮頻數(shù)均呈線性減少趨勢,變化率分別為0.46次/10 a和0.35次/10 a，阿拉木圖市的減少趨勢更為顯著，通過了信度為0.01的顯著性水平檢驗(yàn)。1951—2006年，阿拉木圖和烏魯木齊的年寒潮頻數(shù)序列之間的相關(guān)系數(shù)為0.315，通過了信度為0.05的顯著性水平檢驗(yàn)。阿拉木圖和烏魯木齊兩城市同在天山北麓，在冬半年大多會受相同大氣環(huán)流系統(tǒng)影響，冷空氣活動規(guī)律有相似之處，多數(shù)年份中，兩市的年寒潮過程頻數(shù)變化趨勢較為一致。

圖2 1961—2006年阿拉木圖（a）和烏魯木齊（b）寒潮頻數(shù)距平曲線

3.2 寒潮異常偏多（少）年變化

1961—2006年，阿拉木圖和烏魯木齊逐年寒潮過程頻數(shù)序列的標(biāo)準(zhǔn)差分別為2.22和2.02。將年寒潮過程頻數(shù)距平大（?。┯?個標(biāo)準(zhǔn)差作為異常偏多（少）年標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)計(jì)阿拉木圖市和烏魯木齊市年寒潮過程異常年。由圖2可見，1951—2006年，阿拉木圖有8個寒潮過程異常偏多年和6個異常偏少年，烏魯木齊有7個寒潮過程異常偏多年和12個異常偏少年。在阿拉木圖寒潮過程頻數(shù)異常偏多的8 a中，有6 a出現(xiàn)在1980年以前；在年寒潮過程頻數(shù)異常偏少的6 a中，有4年出現(xiàn)在1980年后。烏魯木齊寒潮過程頻數(shù)異常偏多的7年中，有6 a出現(xiàn)在1980年以前；12個異常偏少年從1951年到2006年各年代分布較為均勻，1980年后出現(xiàn)了5 a。阿拉木圖和烏魯木齊的寒潮過程頻數(shù)異常偏多年份大部分出現(xiàn)在1980年以前。

3.3 年寒潮過程頻數(shù)年代際變化

從1951年起阿拉木圖和烏魯木齊每個年代際時段的年平均寒潮過程頻數(shù)見表1。從20世紀(jì)50年代以來的6個時段中，阿拉木圖在20世紀(jì)50年代年平均寒潮過程頻數(shù)最多，平均每年7.7次，明顯高于其它5個時段，在20世紀(jì)80年代最少，平均每年4.9次；烏魯木齊在20世紀(jì)50年代最多，平均每年5.7次，明顯高于其它6個時段，進(jìn)入21世紀(jì)以來，平均每年僅有2.8次?？梢钥吹?，阿拉木圖與烏魯木齊兩市的寒潮過程頻數(shù)總體上隨年代際增長而減少，進(jìn)入21世紀(jì)后減少狀況尤為明顯。

表1 1961—2006年阿拉木圖和烏魯木齊各年代際的年平均寒潮頻數(shù) （次·a－1）

3.4 年寒過程潮頻數(shù)周期變化

圖3和圖4分別為阿拉木圖（1951—2006年）和烏魯木齊（1951—2016年）的年寒潮頻數(shù)距平序列的小波系數(shù)實(shí)部和模值?？梢钥闯?，阿拉木圖的年寒潮頻數(shù)變化以21、7 a左右尺度的周期最為顯著，其中21 a周期的年代際振蕩貫穿整個時域；1983年以前和1991—2003年，7 a左右的周期信號也較明顯；2001年阿拉木圖進(jìn)入相對少寒潮時期。烏魯木齊的年寒潮頻數(shù)變化以39、8 a左右尺度的周期信號最為顯著，其中39 a周期的年代際振蕩貫穿整個時域；1987年以前，8 a左右的周期信號也較為明顯。

4 兩城市寒潮過程強(qiáng)度及其變化特征對比

以寒潮過程持續(xù)日數(shù)、過程極端最低氣溫以及過程降溫幅度分別作為寒潮過程的單要素強(qiáng)度指標(biāo)，對比分析阿拉木圖與烏魯木齊兩城市的寒潮過程強(qiáng)度特征。

4.1 寒潮過程持續(xù)日數(shù)

1951—2006年，阿拉木圖和烏魯木齊寒潮過程持續(xù)日數(shù)分別在 1～7 d和1～8 d之間，均為持續(xù) 2、3 d和4 d的寒潮過程最多。阿拉木圖持續(xù)2、3 d和4 d的寒潮過程分別出現(xiàn)443、325次和137次，分別占當(dāng)?shù)睾边^程總頻數(shù)的43.5% 、31.9% 和13.4% ，持續(xù)日數(shù)為2～4 d的過程頻數(shù)占本地寒潮過程總數(shù)的百分比為88.8% 。烏魯木齊持續(xù)2、3 d和4 d的寒潮過程分別出現(xiàn)82、105次和46次，占本地寒潮過程總數(shù)的百分率分別為31.4% 、40.2% 和17.6% ，持續(xù)日數(shù)為2～4 d的過程頻數(shù)占本地寒潮過程總數(shù)的百分比為89.2% 。兩城市持續(xù)日數(shù)6 d及以上的寒潮過程頻數(shù)極少，均不足2.0% 。比較而言，阿拉木圖與烏魯木齊都以持續(xù)2～4 d的寒潮過程為主，占本地寒潮過程總數(shù)的百分率也很接近；阿拉木圖以持續(xù)2 d的寒潮過程最多，而烏魯木齊以持續(xù)3 d的寒潮過程最多，均超過本地總數(shù)的40% 。

圖3 阿拉木圖寒潮距平指數(shù)序列的Morlet小波變換實(shí)部（a）和模值（b）

圖4 烏魯木齊寒潮距平指數(shù)序列的Morlet小波變換實(shí)部（a）和模值（b）

阿拉木圖和烏魯木齊寒潮過程平均持續(xù)日數(shù)接近，分別為2.98 d和2.97 d，各月寒潮過程持續(xù)日數(shù)的各月平均值分別在2.5～3.28 d和2.5～3.63 d之間。阿拉木圖在2月份的寒潮過程持續(xù)日數(shù)最長，12月次之，6月最短，而烏魯木齊在12月的平均持續(xù)日數(shù)最長，11月次之、5月最短（表2）。

表2 阿拉木圖和烏魯木齊寒潮過程持續(xù)日數(shù)月平均值 d

4.2 寒潮過程最低氣溫

1951—2006年，阿拉木圖與烏魯木齊的寒潮過程最低氣溫平均值分別為-11.0℃和-12.2℃。由表3可見，1951—2006年阿拉木圖343次寒潮過程最低氣溫的各月平均值中，2月最低，為-19.2℃，6月最高，為2.6℃；烏魯木齊237次寒潮過程最低氣溫的各月平均值中，1月最低，為-25.5℃，5月最高，為0.1℃。阿拉木圖和烏魯木齊的寒潮過程最低氣溫月分布均以冬季1、2月最低，帶有顯著的季節(jié)背景特征，烏魯木齊寒潮過程平均最低氣溫比阿拉木圖更低。

表3 阿拉木圖和烏魯木齊寒潮過程最低氣溫、過程降溫幅度的月平均值 ℃

4.3 寒潮過程降溫幅度

1951—2006年，阿拉木圖與烏魯木齊的寒潮過程降溫幅度平均值分別為-14.1℃和-13.4℃。由表3可見，1951—2006年，阿拉木圖343次寒潮過程降溫幅度的各月平均值中，2月最強(qiáng)，為-15.2℃，6月最弱，為-12.8℃；烏魯木齊237次寒潮過程降溫幅度的各月平均值中，12月最強(qiáng)，為-14.8℃，5月最弱，為-12.0℃。整體上看，阿拉木圖的寒潮過程降溫幅度強(qiáng)于烏魯木齊；在冬季的12月和1月烏魯木齊市寒潮降溫幅度強(qiáng)于阿拉木圖，而在其它月份阿拉木圖的寒潮過程降溫幅度更大。

4.4 寒潮過程強(qiáng)度的年際變化

將年寒潮過程累積降溫幅度作為強(qiáng)度變化評估指標(biāo)，分別整理出阿拉木圖與烏魯木齊兩城市的寒潮過程逐年強(qiáng)度指標(biāo)序列，對比分析兩城市的寒潮過程強(qiáng)度變化特征異同。1951—2006年阿拉木圖市和烏魯木齊市的年寒潮過程降溫幅度累計(jì)值均呈線性減弱趨勢，減少速率分別為-8.1℃/10a和-5.9℃/10 a（圖5），兩城市的線性趨勢均通過了0.01的顯著性水平檢驗(yàn)。1951—2006年，阿拉木圖和烏魯木齊兩市的寒潮過程降溫幅度年累計(jì)值序列之間的相關(guān)系數(shù)為0.390，通過了0.01的顯著性水平檢驗(yàn)。

從年寒潮過程降溫幅度累積強(qiáng)度指標(biāo)分析結(jié)果看，1951—2006年阿拉木圖與烏魯木齊的寒潮過程強(qiáng)度均呈減弱變化趨勢，相對而言阿拉木圖的寒潮過程減弱程度更顯著。

圖5 1951—2006年阿拉木圖和烏魯木齊寒潮過程累積降溫幅度距平指數(shù)年際變化曲線

5 結(jié)論與討論

（1）位于中亞地區(qū)天山山脈北麓的阿拉木圖和烏魯木齊多年平均寒潮過程頻數(shù)分別為6.1次/a和4.2次/a，阿拉木圖寒潮更為頻繁。阿拉木圖寒潮過程頻數(shù)的月分布呈單峰型，以11月和12月最多；烏魯木齊寒潮過程頻數(shù)的月分布呈雙峰型，4月和11月頻數(shù)最多。阿拉木圖的寒潮過程平均初、終日均比烏魯木齊偏早9 d。

（2）1951—2006年，阿拉木圖和烏魯木齊的年寒潮過程頻數(shù)均呈顯著的線性減少趨勢，變化率分別為0.46次/10 a和0.35次/10 a。阿拉木圖和烏魯木齊的寒潮過程頻數(shù)的異常偏多年大部分出現(xiàn)在1980年以前，阿拉木圖的異常偏少年大部分出現(xiàn)在1980年后。隨年代際增長，兩地的年寒潮過程頻數(shù)均減少，進(jìn)入21世紀(jì)以來，烏魯木齊市的過程頻數(shù)減少尤為明顯。阿拉木圖和烏魯木齊的年寒潮過程頻數(shù)分別存在21 a和39 a的明顯周期。

（3）阿拉木圖和烏魯木齊的寒潮過程平均最低氣溫分別為-11.0℃和-12.2℃，烏魯木齊的寒潮過程最低氣溫更低；兩城市的年寒潮過程降溫幅度平均值分別為-14.1℃和-13.4℃，阿拉木圖的寒潮降溫幅度更加劇烈。阿拉木圖與烏魯木齊的寒潮持續(xù)日數(shù)接近，平均值分別為2.98 d和2.97 d，隆冬12月、1月烏魯木齊市的寒潮過程降溫幅度略強(qiáng)，但是其他月份都是阿拉木圖的寒潮過程降溫幅度更加劇烈。

（4）1951—2006年，阿拉木圖和烏魯木齊的寒潮過程降溫幅度的年累計(jì)值的變化率分別為-8.1℃/10 a和-5.9℃/10 a。兩城市的年寒潮過程強(qiáng)度年際變化存在較好的相關(guān)性，比較而言，阿拉木圖的年寒潮強(qiáng)度減弱趨勢更為顯著。

阿拉木圖與烏魯木齊同位于天山北麓，阿拉木圖市的緯度略低，但是寒潮過程頻數(shù)明顯多于烏魯木齊，這種寒潮過程氣候特征的差異與新疆北部的阿爾泰山脈地形對環(huán)流的影響關(guān)系密切。首先，烏魯木齊位于準(zhǔn)噶爾盆地南緣，盆地北部的阿爾泰山脈在冬半年對來自于高緯度地區(qū)的冷空氣還是有一定的阻擋作用。阿拉木圖北部為遼闊的丘陵平原，西伯利亞冷空氣向南爆發(fā)后長驅(qū)直入更容易影響到阿拉木圖，寒潮發(fā)生頻數(shù)更多。其次，隨全球變暖，大氣環(huán)流系統(tǒng)活動規(guī)律也產(chǎn)生變化，向南爆發(fā)的冷空氣活動減弱，造成中緯度地區(qū)寒潮過程頻數(shù)減少、強(qiáng)度減弱的特征在阿拉木圖表現(xiàn)得更為顯著。在全球變暖背景下，中亞地區(qū)的阿爾泰山等高大山脈的地形對環(huán)流系統(tǒng)活動規(guī)律帶來影響，進(jìn)一步影響到區(qū)域內(nèi)不同地區(qū)的寒潮活動，其影響機(jī)制及其變化規(guī)律值得進(jìn)一步深入探討。本文對阿拉木圖和烏魯木齊的寒潮過程頻數(shù)與強(qiáng)度氣候特征進(jìn)行了對比分析，有利于認(rèn)識中亞區(qū)域寒潮的長期變化規(guī)律，將來還需進(jìn)一步分析關(guān)鍵季節(jié)的寒潮過程頻數(shù)變化與大氣環(huán)流系統(tǒng)因子之間的聯(lián)系及影響機(jī)制，為寒潮過程的季節(jié)內(nèi)預(yù)測提供更多依據(jù)。