塔里木盆地區(qū)域寒潮的氣候變化特征及大氣環(huán)流異常分析

劉 精，樊 靜，江遠(yuǎn)安，余行杰

（1.新疆氣候中心，新疆 烏魯木齊 830002；2.新疆農(nóng)業(yè)氣象臺(tái)，新疆 烏魯木齊830002）

寒潮是新疆冬春秋三季常發(fā)生的災(zāi)害性天氣，往往伴隨著劇烈降溫、大風(fēng)、雨雪、霜凍等情況，對(duì)林果越冬、春播春種、畜牧轉(zhuǎn)場(chǎng)等農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)、林果業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)造成巨大損失[1]，而農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)、林果業(yè)是新疆主導(dǎo)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)，對(duì)新疆的經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到重要作用，因此寒潮天氣發(fā)生發(fā)展、氣候特征等備受當(dāng)?shù)卣跋嚓P(guān)從業(yè)者重視。關(guān)于寒潮的研究很關(guān)闊，丁一匯、張培忠等[2-3]研究總結(jié)侵入我國(guó)的冷空氣源地主要有3個(gè)，侵入路徑主要有4類；陳豫英、丁一匯等[4-8]針對(duì)某一時(shí)刻的寒潮災(zāi)害性天氣過(guò)程進(jìn)行診斷分析，揭示出單次寒潮過(guò)程的傳播途徑、爆發(fā)機(jī)制及環(huán)流特征等特點(diǎn)；近些年，許多學(xué)者就地區(qū)性與全國(guó)性寒潮天氣的氣候變化特征及影響因子進(jìn)行了研究，如李向紅、江遠(yuǎn)安等[9-14]對(duì)地方性的寒潮的氣候變化特征進(jìn)行了研究，結(jié)果表明不同地區(qū)的寒潮頻次、強(qiáng)度的變化趨勢(shì)不全相同，為地區(qū)預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)、氣象服務(wù)豐富氣候背景及依據(jù)，衛(wèi)俊宏、魏鳳英等[15-18]以全國(guó)性寒潮為研究對(duì)象，指出近幾十年間全國(guó)冬春季寒潮事件存在減少趨勢(shì)，其與北極濤動(dòng)（AO）位相增強(qiáng)、冬季增溫、西伯利亞高壓減弱、冬季風(fēng)強(qiáng)度減弱等因素有密切聯(lián)系。新疆區(qū)域性寒潮過(guò)程研究豐富，但多針對(duì)新疆北部及天山山區(qū)等地[19-21]且采用的寒潮標(biāo)準(zhǔn)多按照《寒潮等級(jí)GB/T 21987-2008》，由于目前在冷空氣（寒潮）過(guò)程監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)業(yè)務(wù)中皆執(zhí)行最新行標(biāo)（QX/T 393-2017）的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，且鑒于塔里木盆地幅員遼闊、自然環(huán)境惡劣、生態(tài)修復(fù)能力弱，其特色支柱產(chǎn)業(yè)主要為棉花產(chǎn)業(yè)、特色林果等[22-24]，因此在新標(biāo)準(zhǔn)及業(yè)務(wù)要求下，探討研究基礎(chǔ)薄弱的塔里木盆地區(qū)域寒潮的氣候變化特征及其環(huán)流異常特點(diǎn)是滿足業(yè)務(wù)發(fā)展、監(jiān)測(cè)評(píng)估、預(yù)報(bào)服務(wù)的必然需求，且對(duì)提升寒潮過(guò)程防災(zāi)減災(zāi)能力有重要意義。

1 資料與方法

1.1 資料

美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心和國(guó)家大氣研究中心（NCEP/NCAR）提供的1961—2016年高度場(chǎng)的逐日再分析資料，水平分辨率為2.5°×2.5°。

根據(jù)地理位置、地形特征及研究目的，選取新疆天山脊線以南的43個(gè)基本氣象站1961—2016年逐日最低氣溫和日平均氣溫資料（圖1）。

圖1 塔里木盆地氣象站點(diǎn)分布

1.2 寒潮過(guò)程標(biāo)準(zhǔn)

QX/T 393-2017文件中冷空氣過(guò)程監(jiān)測(cè)指標(biāo)為：

單站冷空氣等級(jí)：依據(jù)單站降溫幅度和日最低氣溫確定該站的冷空氣強(qiáng)度等級(jí)（表1）。

區(qū)域性冷空氣過(guò)程判定：至少連續(xù)2 d且每日監(jiān)測(cè)區(qū)內(nèi)≥170個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)（用于國(guó)家級(jí)）或監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)≥20% （用于區(qū)域或省級(jí)）的監(jiān)測(cè)站點(diǎn)出現(xiàn)中等及其以上強(qiáng)度的單站冷空氣，則為一次區(qū)域性冷空氣過(guò)程。滿足區(qū)域性冷空氣過(guò)程判定條件的首日為區(qū)域性冷空氣過(guò)程開(kāi)始日，不滿足區(qū)域性冷空氣過(guò)程判定條件的首日為區(qū)域性冷空氣過(guò)程結(jié)束日。

2 氣候變化特征

2.1 單站寒潮頻次時(shí)空分布特點(diǎn)

通過(guò)統(tǒng)計(jì)塔里木盆地43站的年均寒潮頻次（圖2a）可知，年均寒潮頻次在空間分布上存在顯著差異，多表現(xiàn)為北部多于南部、山區(qū)，山區(qū)多于平原，其中烏?。?.2次）、紅柳河（6.5次）、庫(kù)米什（6.9次）、吐?tīng)栨靥兀?.4次）、塔什庫(kù)爾干（7.8次）、巴音布魯克（11.8次）6站年均寒潮頻次在5次以上，其余各站年均寒潮頻次均不足4次。

表1 單站冷空氣強(qiáng)度等級(jí)劃分

利用線性回歸方法計(jì)算各站近56 a的寒潮頻次變化趨勢(shì)（圖2b）可知，巴侖臺(tái)、阿合奇、阿瓦提、岳普湖、莎車、葉城、澤普、皮山、和田、紅柳河等10站寒潮頻次無(wú)明顯變化；烏什、庫(kù)車、阿拉爾、塔什庫(kù)爾干、哈密、鐵干里克、若羌、和碩、巴音布魯克等9站寒潮頻次存在增加趨勢(shì)，趨勢(shì)系數(shù)為0.01～0.07次/a，其中巴音布魯克、和碩的增加趨勢(shì)明顯，趨勢(shì)系數(shù)通過(guò)0.05的顯著性檢驗(yàn)；其余24站寒潮頻次存在減少趨勢(shì)，趨勢(shì)系數(shù)為-0.13～-0.01次/a，其中吐魯番市、巴州北部平原、和田地區(qū)東部、喀什地區(qū)北部及克州西部山區(qū)共13站的減少趨勢(shì)顯著，通過(guò)0.05的顯著性水平檢驗(yàn)。

圖2 塔里木盆地單站年均寒潮頻次（a）與單站寒潮頻次線性變化趨勢(shì)（b）

應(yīng)用EOF分析對(duì)塔里木盆地近56 a的寒潮頻次進(jìn)行時(shí)空分解，根據(jù)第一模態(tài)特征向量空間分布可知（圖3a），特征向量在全區(qū)均為正值，說(shuō)明塔里木盆地寒潮頻次具有一致的變化趨勢(shì)，即各站全年寒潮頻次要么一致偏多，要么一致偏少，其中特征向量的高值區(qū)（≥20）在東部和西部邊緣，表明該區(qū)域的寒潮頻次變率較大，此類分布型與新疆地形有密切聯(lián)系，由于天山山脈及帕米爾高原的阻擋，侵入塔里木盆地的冷空氣很少能直接越山進(jìn)入盆地，只有小股冷空氣通過(guò)西部邊緣的山口進(jìn)入盆地，冷空氣主力通常從河西走廊西部由東向西灌入盆地[1]。

根據(jù)EOF第一模態(tài)的時(shí)間系數(shù)逐年變化（圖3b）可知，寒潮頻次在20世紀(jì)80年代之前以偏多為主，1966年出現(xiàn)寒潮頻次的極大值，80年代后以偏少為主，1997年出現(xiàn)寒潮頻次極小值，線性擬合趨勢(shì)表明，年寒潮頻次整體存在顯著下降趨勢(shì)，趨勢(shì)系數(shù)為-0.16，通過(guò)0.05的顯著性檢驗(yàn)；結(jié)合其M-K突變檢驗(yàn)（圖3c）中UF曲線可知，自80年代以來(lái)，這種減少趨勢(shì)超過(guò)顯著性水平0.05的臨界線，減少趨勢(shì)十分明顯，且根據(jù)UF和UB曲線交點(diǎn)位置可知，年寒潮頻次由偏多轉(zhuǎn)為偏少的突變現(xiàn)象自1980年左右開(kāi)始，進(jìn)一步采用滑動(dòng)t檢驗(yàn)（圖3d）進(jìn)行驗(yàn)證可知，時(shí)間系數(shù)的t統(tǒng)計(jì)量在70年代后期至80年代初期超過(guò)0.05顯著性水平，表現(xiàn)為負(fù)值，說(shuō)明塔里木盆地年寒潮頻次在70年代后期至80年代初期經(jīng)歷了一次由偏多到偏少的明顯轉(zhuǎn)變。

2.2 區(qū)域性寒潮過(guò)程統(tǒng)計(jì)分析

2.2.1 寒潮過(guò)程頻次

1961—2016年，塔里木盆地共發(fā)生區(qū)域性寒潮過(guò)程125次，平均每年發(fā)生2.2次，呈弱的減少趨勢(shì)，趨勢(shì)系數(shù)為-0.01次/a，未通過(guò)0.05顯著性檢驗(yàn)；寒潮過(guò)程頻次年際分布不均（圖4a），主要在1～4次之間波動(dòng)，且只在20世紀(jì)80年代以前有3 a超過(guò)4次，即1966年（5次）、1974年（5次）和1976年（6次），80年代以后年寒潮過(guò)程頻次再未出現(xiàn)多于4次的情況；1970年、1984年、1985年、1992年、1997年及2007年未出現(xiàn)寒潮過(guò)程。

寒潮過(guò)程頻次在各月的分布顯示出（圖4b），區(qū)域性寒潮過(guò)程在一年中6—8月以外的9個(gè)月中均有發(fā)生，月際分布存在3個(gè)明顯峰值區(qū)，即4月寒潮過(guò)程頻次最多，達(dá)22次，占總頻次的17.6% ，其次為2月、10月，均為21次，均占總頻次的16.8% ；5月、9月最少，分別為4次、6次，分別占比3.2% 、4.8% 。

進(jìn)一步采用標(biāo)準(zhǔn)Morlet小波變換分析近56 a塔里木盆地區(qū)域性寒潮過(guò)程年頻次的周期變化（圖5），塔里木盆地區(qū)域性寒潮年頻次存在14～16、7～9、4 a左右的周期變化。長(zhǎng)周期在20世紀(jì)60年代主要表現(xiàn)為12 a，自70年代開(kāi)始穩(wěn)定表現(xiàn)為14～16 a，且隨著時(shí)間的推移，周期呈現(xiàn)增大趨勢(shì)；中長(zhǎng)周期自70年代后期開(kāi)始，在2000年前主要表現(xiàn)為7～8 a，在2000年后主要表現(xiàn)為8～9 a；4 a左右的短周期在整個(gè)研究時(shí)段穩(wěn)定存在，在60年代后期至70年代前期、2005年后主要表現(xiàn)為2-3 a，在其余時(shí)段均表現(xiàn)為4 a。

圖3 寒潮頻次EOF第一模態(tài)（a）對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)（b）及其突變檢驗(yàn)（c,d）

圖4 塔里木盆地區(qū)域性寒潮過(guò)程頻次年際變化（a）及月際變化（b）

圖5 塔里木盆地區(qū)域性寒潮過(guò)程年頻次的小波變化

2.2.2 寒潮過(guò)程持續(xù)日數(shù)

塔里木盆地125次區(qū)域性寒潮過(guò)程持續(xù)日數(shù)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場(chǎng)寒潮過(guò)程的持續(xù)日數(shù)達(dá)5 d），平均單次寒潮過(guò)程持續(xù)2.4 d。持續(xù)日數(shù)在2 d的寒潮過(guò)程最多，占寒潮過(guò)程總數(shù)的68.8% ，達(dá)86次；其次為持續(xù)3 d的寒潮過(guò)程，占比25.6% ，共32次；持續(xù)日數(shù)在4、5 d的寒潮過(guò)程分別有4次、3次，占比均不足4% （表2）。

表2 不同持續(xù)日數(shù)下的區(qū)域性寒潮過(guò)程頻數(shù)及其占比

進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)各月區(qū)域性寒潮過(guò)程的平均持續(xù)日數(shù)，結(jié)果表明：冬季后2個(gè)月的寒潮過(guò)程平均持續(xù)時(shí)間普遍偏長(zhǎng)，其中1月持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)，為3 d，12月次之，為2.8 d；3月、9月持續(xù)時(shí)間最短，均為2 d；其余各月均為2.3 d（表3）。

表3 各月區(qū)域性寒潮過(guò)程的平均持續(xù)日數(shù)

2.2.3 寒潮范圍

本文以每次區(qū)域性寒潮過(guò)程中出現(xiàn)中等及以上強(qiáng)度冷空氣的站數(shù)表示該次寒潮范圍，統(tǒng)計(jì)可知，塔里木盆地125次區(qū)域性寒潮過(guò)程范圍在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日寒潮范圍達(dá)42站），平均單次寒潮范圍為26站，占總站數(shù)的60.5% 。計(jì)算各月平均寒潮范圍可知，5月寒潮范圍最大，為33站，占總站數(shù)的76.7% ；2月最小，為22站，占總站數(shù)的51.2% ；其余各月均為24～29站，占總站數(shù)的55.8% ～67.4% （表4）。

表4 各月區(qū)域性寒潮過(guò)程的平均范圍及其占比

進(jìn)一步將寒潮范圍劃分為8個(gè)等級(jí)，并分別統(tǒng)計(jì)各等級(jí)內(nèi)的寒潮過(guò)程頻數(shù)，知寒潮范圍大于等于總站數(shù)的40% 且小于50% 的寒潮過(guò)程最多，共有33次，占總頻數(shù)的26.4% ；其次為寒潮范圍大于等于70% 且小于80% 的寒潮過(guò)程，共有23次，占比18.4% ；寒潮范圍在30% 以內(nèi)的寒潮過(guò)程未出現(xiàn)；其他等級(jí)內(nèi)的寒潮過(guò)程在11～17次，占比在8.8% ～13.6% 。總體而言，塔里木盆地易發(fā)生寒潮范圍在50% 及以上的區(qū)域性寒潮過(guò)程，此類寒潮過(guò)程共達(dá)77次，占寒潮過(guò)程總數(shù)的61.6% （表5）。

在此需說(shuō)明的是在寒潮過(guò)程中，沒(méi)有達(dá)到中等及以上強(qiáng)度冷空氣標(biāo)準(zhǔn)的站點(diǎn)也有或多或少的降溫，因此“寒潮范圍”與“寒潮影響范圍”是2個(gè)不同的概念。

表5 不同寒潮范圍等級(jí)內(nèi)的寒潮過(guò)程頻數(shù)及其占比

3 塔里木盆地區(qū)域性寒潮過(guò)程對(duì)應(yīng)的500 hPa高度距平場(chǎng)特征

對(duì)塔里木盆地125次區(qū)域性寒潮過(guò)程對(duì)應(yīng)的500 hPa高度場(chǎng)進(jìn)行合成分析，由圖6可知，亞洲環(huán)流場(chǎng)呈“一脊一槽”型分布，脊區(qū)位于烏拉爾山一帶，槽區(qū)呈東北—西南走向，位于貝加爾湖—新疆東部一帶，新疆處在脊前西北氣流控制下；與相應(yīng)時(shí)間的500 hPa氣候平均高度場(chǎng)做距平差值可以看出，烏拉爾山存在顯著正變高中心，貝加爾湖—新疆東部存在顯著負(fù)變高中心，說(shuō)明在塔里木盆地發(fā)生區(qū)域性寒潮時(shí)，常常有烏拉爾山脊發(fā)展，其引導(dǎo)脊前高緯度地區(qū)的冷空氣向下游低槽中匯集，促使新疆東部低槽發(fā)展，造成冷空氣通過(guò)翻山、東灌等方式影響塔里木盆地，致使盆地出現(xiàn)區(qū)域性寒潮過(guò)程。

各月區(qū)域性寒潮過(guò)程的500 hPa高度距平場(chǎng)基本上均在烏拉爾山—新疆東部呈現(xiàn)出正—負(fù)的距平分布特點(diǎn)，烏拉爾山脊的位置、強(qiáng)度等對(duì)脊前北風(fēng)帶影響顯著，從而影響新疆寒潮爆發(fā)時(shí)間、強(qiáng)度等[1]。

圖6 區(qū)域性寒潮過(guò)程的500 hPa高度場(chǎng)（實(shí)線，單位：gpm）與距平場(chǎng)（陰影，單位：gpm）

烏拉爾山平均正變高中心經(jīng)度為67.5°E，緯度為55.0°N，統(tǒng)計(jì)烏拉爾山正變高中心經(jīng)緯度的月際變化可知，3月、9月、10月及12月的正變高中心經(jīng)度較平均正變高中心經(jīng)度偏東2.5°～7.5°，其余5個(gè)月偏西5°以上，其中5月、11月偏西幅度在20°以上，分別為22.5°、25°；1月、4月、11月正變高中心緯度與平均正變高中心緯度重合，2月、10月偏南2.5°、5°，3月、5月、9月、12月偏北2.5°～5°。結(jié)果表明寒潮發(fā)生頻數(shù)偏多的月份（1月、2月、4月與10月），烏拉爾山正變高中心經(jīng)度接近平均正變高中心或偏南（圖7a），利于區(qū)域性寒潮過(guò)程的發(fā)生。

烏拉爾山平均正變高中心強(qiáng)度為72.1 gpm，統(tǒng)計(jì)烏拉爾山正變高中心強(qiáng)度的月際變化可知，2月、10月的正變高中心強(qiáng)度分別為57.1 gpm、31.4 gpm，弱于平均正變高中心強(qiáng)度，其余7個(gè)月均偏強(qiáng)，偏強(qiáng)幅度在8.6～88.2 gpm；結(jié)合各月寒潮范圍距平可知，烏拉爾山正變高中心強(qiáng)度距平與寒潮范圍距平的變化具有良好的一致性，一致率達(dá)到77.8% （圖7b），即烏拉爾山正變高中心強(qiáng)度偏強(qiáng)時(shí)，利于出現(xiàn)寒潮范圍偏大的區(qū)域性寒潮過(guò)程。

4 結(jié)論

圖7 各月烏拉爾山正變高中心位置（a）及強(qiáng)度距平（b）的分布

（1）由于地形特點(diǎn)，塔里木盆地單站年均寒潮頻次有北部多于南部、山區(qū)，山區(qū)多于平原的分布特征，絕大部分站點(diǎn)的年均寒潮頻次在4次以下；半數(shù)以上站點(diǎn)的寒潮活動(dòng)在近56 a有減少趨勢(shì)，尤其是吐魯番市、巴州北部平原、和田地區(qū)東部、喀什地區(qū)北部及克州西部山區(qū)，通過(guò)0.05的顯著性檢驗(yàn)；各站的寒潮活動(dòng)主要表現(xiàn)為一致多發(fā)（少發(fā)）的同步變化特征，且在1980年左右經(jīng)歷了由偏多到偏少的明顯轉(zhuǎn)變。

（2）近56 a，塔里木盆地區(qū)域性寒潮過(guò)程共計(jì)125次，平均每年發(fā)生2.2次，多在4月、2月、10月發(fā)生，整體呈弱的減少趨勢(shì)，且有14～16、7～9、4a左右的明顯振蕩。塔里木盆地最易發(fā)生持續(xù)日數(shù)在2d、寒潮范圍達(dá)半數(shù)以上站點(diǎn)的區(qū)域性寒潮過(guò)程，其中1月寒潮過(guò)程持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)、3月與9月最短，5月寒潮范圍最大、2月最小。

（3）塔里木盆地發(fā)生區(qū)域性寒潮時(shí)，亞洲500 hPa環(huán)流場(chǎng)呈“一脊一槽”型，高度距平場(chǎng)在烏拉爾山—新疆東部穩(wěn)定存在顯著的正—負(fù)分布中心，其中烏拉爾山平均正變高中心經(jīng)度為67.5°E，緯度為55.0°N，強(qiáng)度為72.1 gpm。烏拉爾山正變高中心位置接近平均正變高中心位置或偏南時(shí)，利于區(qū)域性寒潮的爆發(fā)；正變高中心強(qiáng)度距平與寒潮范圍距平的變化具有良好的一致性。