1951—2016年中亞努爾蘇丹與烏魯木齊寒潮過程頻數(shù)變化及其主要影響因子對比分析

段均澤，毛煒嶧，黃迤靜，陳 靜，迪麗努爾·托列吾別克，姚俊強，沈永平

（1.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆烏魯木齊830002；2.新疆氣候中心，新疆烏魯木齊830002；3.博州氣象局，新疆博爾塔拉833400；4.中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院，甘肅蘭州730000）

0 引言

寒潮是中高緯度地區(qū)的主要災(zāi)害性天氣，通常會造成劇烈降溫和大風(fēng)，有時還伴有暴雪等一系列災(zāi)害天氣，給當(dāng)?shù)剞r(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)、交通運輸以及公眾生活等帶來很大影響。國內(nèi)外氣象專家對寒潮進行研究已經(jīng)取得了許多成果，20世紀(jì)中葉以來，我國寒潮活動減少，北方各地寒潮減少最為顯著［1-2］。1961年以來，我國東北遼寧省的極端冷事件（冷晝?nèi)諗?shù)、冷夜日數(shù)、結(jié)冰日數(shù)、霜凍日數(shù)和寒潮持續(xù)指數(shù)）呈減少趨勢，極端冷事件在20世紀(jì)80年代末期開始顯著減少［3］。新疆中等強度冷空氣和強冷空氣的年平均頻次呈不顯著減少趨勢，寒潮呈顯著減少趨勢［4］。我國東北［5］、內(nèi)蒙古［6］、河北?。?］以及新疆北部阿勒泰［8］的寒潮減少與冬季增暖有明顯相關(guān)性，氣候變暖是寒潮過程減少的重要氣候背景。根據(jù)細(xì)化的降溫過程定義，給出了烏魯木齊市降溫過程［9］以及寒潮過程［10］的頻數(shù)與強度變化特征，并討論了單站寒潮過程強度的單因子、多因子指標(biāo)及其在氣候評價業(yè)務(wù)中的應(yīng)用［11］。北半球極渦面積指數(shù)與我國東北地區(qū)遼寧寒潮頻次呈明顯正相關(guān)關(guān)系，遼寧省寒潮偏多月份極渦較氣候平均位置偏南，50°N附近70°～180°E之間緯向風(fēng)明顯偏大［12］。新疆冬季極端低溫事件異常多少與NAO、500 hPa烏拉爾山脊以及其以東50°～70°E西風(fēng)強弱的綜合調(diào)制作用關(guān)系密切［13］。有研究將中國新疆與中亞五國視為中亞核心區(qū)域［14-15］，中亞地區(qū)是全球氣候變化最為劇烈的區(qū)域之一［16］。近些年來，有研究成果分析了中亞哈薩克斯坦東部天山北麓城市阿拉木圖1951—2006年的寒潮過程氣候變化特征，并與烏魯木齊進行了對比［17］。努爾蘇丹（51.1° N，71.5° E）是哈薩克斯坦首都，位于哈薩克斯坦中北部半沙漠草原，烏魯木齊（43.5° N，87.4°E）是中國新疆維吾爾自治區(qū)首府，地處天山北麓。兩個城市均為中亞北部寒潮頻發(fā)和受災(zāi)較為嚴(yán)重的典型城市，地理位置見圖1。在蘇聯(lián)解體前后，努爾蘇丹觀測資料相對連續(xù)完整，對于研究中亞地區(qū)氣候變化規(guī)律顯得尤為難得。努爾蘇丹地理位置處于新疆天氣系統(tǒng)上游，是影響我國寒潮天氣南下的重要區(qū)域。在全球變暖的背景下，分析中亞與新疆的寒潮氣候變化特征及其異同具有一定的現(xiàn)實意義。通過對比努爾蘇丹和烏魯木齊寒潮過程氣候變化特征的異同，有利于建立覆蓋中亞區(qū)域的寒潮過程監(jiān)測、預(yù)測等氣候業(yè)務(wù)提供參考依據(jù)，進而提高絲綢之路經(jīng)濟帶中亞區(qū)域的氣象防災(zāi)減災(zāi)能力。

圖1 中亞城市努爾蘇丹、烏魯木齊地理位置Fig.1 Geographical location of the Nursultan and Urumqi in Central Asia

1 資料與分析方法

1.1 資料

本文選取努爾蘇丹和烏魯木齊1951—2016年的逐日最低氣溫，努爾蘇丹逐日氣溫資料來源于世界氣象組織國家間的數(shù)據(jù)交換共享網(wǎng)站（東英吉利大學(xué)氣候研究中心，CRU），烏魯木齊逐日氣溫資料來源于新疆氣候中心。北極濤動（AO）和北大西洋濤動（NAO）指數(shù)來源于國家氣候中心業(yè)務(wù)網(wǎng)站（https：//cmdp.ncc-cma.net/cn/download.htm）。

1.2 寒潮過程判定標(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 h、72 h內(nèi)的氣溫必須是連續(xù)下降。在此基礎(chǔ)上，對某測站某日的降溫幅度、最低氣溫資料進行分析，能夠判識該站當(dāng)日是否出現(xiàn)寒潮，若達到寒潮標(biāo)準(zhǔn)，則記為該站的寒潮日?！逗钡燃墸℅B/T 21987—2017）》中還明確了強寒潮以及超強寒潮等級劃分標(biāo)準(zhǔn)。寒潮、強寒潮和超強寒潮是強度上逐級遞增的包含關(guān)系。本文借鑒了細(xì)化的單站降溫過程概念［9］，應(yīng)用某站降溫過程中的最大24 h、48 h和72 h降溫幅度，結(jié)合過程最低氣溫，來判識該次降溫過程是否達到寒潮標(biāo)準(zhǔn)，還可以進一步判識該過程是否是強寒潮過程，甚至超強寒潮過程。根據(jù)此判識方法分別整理出了努爾蘇丹與烏魯木齊1951—2016年的寒潮、強寒潮和超強寒潮過程數(shù)據(jù)庫。

1.3 分析方法

寒潮過程頻數(shù)統(tǒng)計以7月至翌年6月為一個完整年，如，1951年寒潮過程頻數(shù)指1951年7月1日至1952年6月30日時段內(nèi)出現(xiàn)的寒潮過程次數(shù)之和，以此類推。用1951年1月1日至2016年12月31日時段內(nèi)的寒潮過程數(shù)據(jù)庫可以得到65個年寒潮過程頻數(shù)樣本。秋季指9—11月、冬季指12月—翌年2月，春季指3—5月。季、月寒潮過程頻數(shù)統(tǒng)計時段同上，均為65年樣本。

各季、月的寒潮過程頻數(shù)統(tǒng)計標(biāo)準(zhǔn)為：過程的開始和結(jié)束日期在同一季（月）的，則參與該季（月）統(tǒng)計；如果寒潮過程的開始和結(jié)束日期跨兩個相鄰季（月），則每個季（月）各統(tǒng)計0.5次。寒潮過程頻數(shù)的季、月頻數(shù)分布特征分析使用了同樣時段的寒潮過程數(shù)據(jù)庫。寒潮過程持續(xù)日數(shù)特征分析使用了1951年1月1日—2016年12月31日的所 有 寒潮過程數(shù)據(jù)。

線性趨勢分析采用最小二乘法，顯著性水平檢驗用t檢驗法［18］；周期分析采用Morlet小波變換方法，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)［19］。相關(guān)分析通過計算兩個時間序列的線性相關(guān)系數(shù)以及顯著性檢驗［18］。

2 寒潮過程頻數(shù)氣候特征比較

2.1 年寒潮過程頻數(shù)

1951—2015年，努爾蘇丹和烏魯木齊分別出現(xiàn)了1 023次和264次寒潮過程，平均每年15.74次和4.06次（表1）。努爾蘇丹在2012年出現(xiàn)的寒潮過程最多，達26次，在2001年最少，僅9次；烏魯木齊在1952年出現(xiàn)的寒潮過程最多，共10次，另外有8年僅出現(xiàn)了1次寒潮過程。由表1可見，65年中，努爾蘇丹和烏魯木齊的強寒潮過程頻數(shù)分別為632次和107次，平均每年9.72次和1.64次；兩城市的超強寒潮過程頻數(shù)分別為385次和51次，平均每年5.92次和0.78次。努爾蘇丹的寒潮、強寒潮和超強寒潮過程頻數(shù)分別是烏魯木齊的3.88倍、5.91倍和7.55倍。努爾蘇丹的寒潮過程頻數(shù)遠(yuǎn)多于烏魯木齊。努爾蘇丹和烏魯木齊的強寒潮過程分別占本市寒潮過程總頻數(shù)的61.8%和40.5%，超強寒潮過程分別占總頻數(shù)的37.6%和19.3%。努爾蘇丹寒潮活動強度遠(yuǎn)高于烏魯木齊。

表1 努爾蘇丹與烏魯木齊寒潮過程頻數(shù)Table 1 The frequency of the cold wave in Nursultan and Urumqi

2.2 寒潮過程頻數(shù)月分布特征

對比努爾蘇丹與烏魯木齊的寒潮過程頻數(shù)月平均值，由表2與圖2可見，努爾蘇丹各月的寒潮過程頻數(shù)遠(yuǎn)高于烏魯木齊，在冬季12月、1月和2月，前者分別是后者的6.09倍、7.06倍和6.08倍；在4月份兩城市的寒潮過程頻數(shù)最為接近，前者僅是后者的1.03倍。

表2 努爾蘇丹與烏魯木齊各月寒潮過程頻數(shù)（單位：次）Table 2 Monthly mean frequency of the cold wave in Nursultan and Urumqi（unit：time）

圖2 各月寒潮過程頻數(shù)倍數(shù)（努爾蘇丹/烏魯木齊）Fig.2 The rate of the monthly mean cold wave frequency（Nursultan and Urumqi）

由圖3可知，努爾蘇丹的寒潮過程在冬季高發(fā)，強寒潮和超強寒潮過程在1月最多，其中1月份的超強寒潮過程占全年的24.1%。烏魯木齊的寒潮過程在春、秋兩季高發(fā)，呈雙峰型，強寒潮和超強寒潮過程均在11月最多，4月其次，其中11月份的超強寒潮過程占全年的29.4%。

2.3 寒潮過程持續(xù)日數(shù)

1951—2015年，努爾蘇丹與烏魯木齊的寒潮過程持續(xù)日數(shù)平均值分別為2.40 d和2.86 d，努爾蘇丹持續(xù)2 d的寒潮過程最多，占37.9%，烏魯木齊持續(xù)3 d的寒潮過程最多，占34.0%。努爾蘇丹的強寒潮和超強寒潮過程均以持續(xù)2 d的最多，其次是3 d；烏魯木齊的強寒潮和超強寒潮過程均以持續(xù)3 d的最多，其次是2 d（圖4）。

圖4 努爾蘇丹和烏魯木齊不同級別寒潮過程的持續(xù)日數(shù)分布Fig.4 The duration of the different levels cold wave in Nursultan and Urumqi

由表3可見，努爾蘇丹的秋、冬、春季寒潮過程持續(xù)日數(shù)平均值分別為2.53 d、2.47 d和2.19 d，持續(xù)日數(shù)秋季長、春季短；烏魯木齊的秋、冬、春季寒潮過程持續(xù)日數(shù)平均值分別為3.04 d、3.41 d和2.31 d，持續(xù)日數(shù)冬季長、春季短。在秋、冬季，努爾蘇丹的強寒潮和超強寒潮過程持續(xù)日數(shù)均比烏魯木齊短；在春季，烏魯木齊的超強寒潮過程持續(xù)日數(shù)較短。

表3 努爾蘇丹與烏魯木齊寒潮過程持續(xù)日數(shù)季平均值（單位：d）Table 3 The seasonal average duration of the different levels cold wave in Nursultan and Urumqi（unit：d）

3 寒潮過程頻數(shù)異常年對比

3.1 寒潮過程頻數(shù)異常年

將過程頻數(shù)序列的標(biāo)準(zhǔn)化值大于1.0（小于-1.0）的年份定義為寒潮過程頻數(shù)的異常偏多（少）年。由圖5（a）可見，1951—2015年，努爾蘇丹的年寒潮過程頻數(shù)異常偏多年共11 a，其中有6 a出現(xiàn)在1980年以前，異常偏少年共10 a，其中有6 a出現(xiàn)在1980年后，近10 a中出現(xiàn)了4個異常偏多年。由圖5（b）可見，1951—2015年，烏魯木齊的年寒潮過程頻數(shù)異常偏多年共14 a，其中有10 a出現(xiàn)在1980年以前，異常偏少年共12 a，其中有9 a出現(xiàn)在1980年之后。努爾蘇丹和烏魯木齊的寒潮過程頻數(shù)偏多年份大部分出現(xiàn)在1980年以前，1952年、1956年和1957年同為異常偏多年；偏少年份大部分出現(xiàn)在1980年之后，2001年、2004年和2011年同為異常偏少年。

圖5 1951—2015年努爾蘇丹和烏魯木齊的寒潮過程頻數(shù)異常偏多（少）年Fig.5 The frequency of the more（less）cold wave years in Nursultan and Urumqi during 1951—2015

3.2 強寒潮和超強寒潮過程頻數(shù)異常年

同樣以標(biāo)準(zhǔn)化值超過1個標(biāo)準(zhǔn)差的年份定義為異常年。由圖5（c）～（f）可見，1951—2015年，努爾蘇丹的強寒潮和超強寒潮過程頻數(shù)的異常偏多年分別出現(xiàn)了9 a和11 a；烏魯木齊的強寒潮和超強寒潮過程頻數(shù)的異常偏多年均出現(xiàn)了5 a。近65 a來，努爾蘇丹的強寒潮和超強寒潮過程頻數(shù)的異常偏多年與偏少年在時間分布上相對均勻，烏魯木齊的強寒潮和超強寒潮過程的異常偏多年在早期較多。

4 寒潮過程頻數(shù)的氣候變化特征比較

4.1 努爾蘇丹與烏魯木齊的寒潮過程頻數(shù)相關(guān)分析

努爾蘇丹與烏魯木齊同為中亞區(qū)域重要城市，其地理位置以及城市周邊地形條件差異明顯，兩城市的寒潮過程頻數(shù)的變化是否有密切關(guān)聯(lián)？由表4和圖6可見，近65 a，阿拉木圖和烏魯木齊的年寒潮過程頻數(shù)之間的相關(guān)系數(shù)為0.237，通過了0.10信度水平顯著性檢驗；兩城市的春、秋季寒潮過程頻數(shù)之間的相關(guān)系數(shù)分別為0.329和0.207，分別通過了0.01和0.10信度水平顯著性檢驗。努爾蘇丹與烏魯木齊的年以及秋、冬、春季強寒潮過程頻數(shù)之間的相關(guān)不太顯著；兩城市的年和秋季超強寒潮過程頻數(shù)之間均為正相關(guān)，通過了0.10信度水平顯著性檢驗，春季超強寒潮過程頻數(shù)之間的相關(guān)系數(shù)為-0.135，未通過0.10信度水平檢驗。以上分析說明，努爾蘇丹與烏魯木齊之間的年寒潮、超強寒潮過程頻數(shù)的年際變化有一定的相關(guān)性，其中春季寒潮過程頻數(shù)的年際變化相關(guān)較顯著；兩城市的春季寒潮過程頻數(shù)之間呈顯著正相關(guān)關(guān)系，但春季超強寒潮過程頻數(shù)卻呈負(fù)相關(guān)。

圖6 1951—2015年努爾蘇丹（a）和烏魯木齊（b）秋、冬、春季寒潮過程頻數(shù)距平曲線Fig.6 The interannual variation of the cold wave frequencies anomaly index in autumn，winter and spring from 1951 to 2015 in Nursultan and Urumqi

表4 1951—2015年努爾蘇丹與烏魯木齊寒潮過程頻數(shù)序列的相關(guān)系數(shù)Table 4 The correlation coefficient of the cold wave between Nursultan and Urumqi during 1951—2015

努爾蘇丹和烏魯木齊市均位于歐亞大陸腹地中緯度地區(qū)，在冬半年，受來自極地的冷空氣南下影響，有相同或相近的大氣環(huán)流系統(tǒng)控制，寒潮過程頻數(shù)年際變化規(guī)律有相似特征，但是春季超強寒潮過程頻數(shù)年際變化呈負(fù)相關(guān)，隨時間推進，其變化幾乎呈反位相。

4.2 寒潮過程頻數(shù)的線性趨勢

1951—2015年，努爾蘇丹和烏魯木齊的年寒潮過程頻數(shù)的線性遞減率分別為-0.111次·（10a）-1和-0.445次·（10a）-1，烏魯木齊的變化通過了0.01信度水平顯著性檢驗。努爾蘇丹的秋、春季寒潮過程頻數(shù)均呈遞減趨勢，冬季寒潮過程頻數(shù)呈遞增趨勢，但變化均不顯著；烏魯木齊的秋、冬、春季寒潮過程頻數(shù)均呈線性遞減趨勢，其中秋季和冬季的變化分別通過了0.01和0.05信度水平顯著性檢驗（表5）。

由表5可見，努爾蘇丹的秋、春季強寒潮和超強寒潮過程頻數(shù)均呈線性遞減趨勢，冬季的均呈遞增趨勢，其中春季的強寒潮和超強寒潮過程頻數(shù)的變化通過了0.05信度水平顯著性檢驗。烏魯木齊的秋、冬季強寒潮和超強寒潮過程頻數(shù)均呈線性遞減趨勢，分別通過了0.05和0.01信度水平顯著性檢驗，春季的超強寒潮過程頻數(shù)呈略遞增趨勢，但變化不顯著。

表5 1951-2015年努爾蘇丹與烏魯木齊各季寒潮過程頻數(shù)線性趨勢顯著性檢驗Table 5 The trend correlation coefficient of the different levels cold wave in Nursultan and Urumqi from 1951 to 2015

4.3 寒潮過程頻數(shù)的年代際變化

將1951—2015年分為7個年代際時段，分別計算各時段的年、季寒潮過程頻數(shù)的年平均值，結(jié)果見表6。努爾蘇丹的年寒潮過程在20世紀(jì)50年代最多（18.1次·a-1），近5 a（17.8次·a-1）其次，明顯多于其他5個年代際時段，在20世紀(jì)60年代最少（14.6次·a-1）；烏魯木齊的年寒潮過程在20世紀(jì)50年代最多（6.0次·a-1），年平均頻數(shù)明顯多于其他6個年代際時段，次峰值在20世紀(jì)80年代（4.4次·a-1），在近5 a最少（2.0次·a-1）。努爾蘇丹的春、秋季寒潮過程均表現(xiàn)為在20世紀(jì)50年代與近5 a明顯多于其他年代際時段，冬季寒潮過程頻數(shù)在各年代際的差異不太明顯。烏魯木齊的秋、冬、春季寒潮過程頻數(shù)的年代際分布特征相似，均表現(xiàn)為在20世紀(jì)50年代最多，在近5 a最少。

表6 1951—2015努爾蘇丹和烏魯木齊各年代際的年平均寒潮過程頻數(shù)（單位：次·a-1）Table 6 The annual average frequencies of the cold wave in Nursultan and Urumqi during 1951—2015（unit：frequecy·a-1）

努爾蘇丹的年以及春、秋季強寒潮過程在20世紀(jì)50年代最多，冬季強寒潮過程在近5 a最少；年以及冬季超強寒潮過程在近5 a最多，春、秋季超強寒潮過程均在20世紀(jì)50年代最多，在近5 a其次。烏魯木齊的強寒潮和超強寒潮過程頻數(shù)有限，年以及秋、冬、春季強寒潮和超強寒潮過程頻數(shù)在20世紀(jì)50年代遠(yuǎn)多于其他年代際時段，近5 a烏魯木齊的春季超強寒潮過程頻數(shù)與20世紀(jì)50年代相當(dāng)。

努爾蘇丹和烏魯木齊兩城市的寒潮過程頻數(shù)總體上隨年代際增加而減少。近5 a，努爾蘇丹的寒潮過程頻數(shù)明顯偏多；21世紀(jì)以來，烏魯木齊的寒潮過程頻數(shù)遞減趨勢明顯。近5 a，努爾蘇丹的冬季超強寒潮過程最多，努爾蘇丹的春、秋季超強寒潮過程和烏魯木齊的春季超強寒潮過程頻數(shù)明顯偏多。

4.4 主要周期

圖7 分別為1951—2015年努爾蘇丹和烏魯木齊兩城市的年寒潮過程頻數(shù)距平序列的小波系數(shù)實部和模值。努爾蘇丹的年寒潮過程頻數(shù)距平序列以31 a、20 a左右的周期信號最為顯著，且年代際振蕩貫穿整個時域；2003年以后3～4 a周期信號也較明顯。烏魯木齊的年寒潮過程頻數(shù)距平序列以39 a、8 a左右的周期信號最為顯著，其中39 a周期年代際振蕩貫穿整個時域。

圖7 努爾蘇丹（a）與烏魯木齊（b）寒潮過程頻數(shù)距平指數(shù)Morlet小波變換實部（左）和模值（右）Fig.7 The Morlet wavelet real part（left）and modulus（right）of the cold wave anomaly index in Nursultan（a）and Urumqi（b）

5 AO和NAO指數(shù)與寒潮過程頻數(shù)變化關(guān)系比較

高、中、低緯地區(qū)的大氣環(huán)流系統(tǒng)相互配置及其演變會影響區(qū)域氣候以及極端天氣氣候事件，影響我國各地寒潮活動的環(huán)流系統(tǒng)主要有北半球極渦、中緯度西風(fēng)帶槽脊以及副熱帶高壓等［20-22］。北極濤動（AO）描述的是在某大氣環(huán)流要素距平場上北半球極區(qū)與繞極中高緯地區(qū)的反位相分布模態(tài)。在500 hPa位勢高度場上，AO的不同位相能夠反映出西風(fēng)帶極鋒鋒區(qū)位置的南北變化以及中高緯西風(fēng)帶環(huán)流的經(jīng)向度變化，可以作為是否有利于極區(qū)冷空氣南下活動的指示因子。北大西洋濤動（NAO）描述的是在某大氣環(huán)流要素距平場上北大西洋及下游歐洲地區(qū)高、低值中心典型配置型態(tài)。在500 hPa位勢高度場上，NAO的不同相位變化是影響歐亞大陸西風(fēng)帶槽脊系統(tǒng)位相分布的關(guān)鍵因子，對應(yīng)著中高緯冷空氣向南活動路徑通道的建立或維持，對中亞地區(qū)寒潮活動的影響非常明顯。

設(shè)計了兩套方案進行相關(guān)分析，一種是利用原始序列直接分析，另一種是濾去線性趨勢后再進行相關(guān)分析。原始序列方案下，相關(guān)系數(shù)反映的是AO指數(shù)與寒潮過程頻數(shù)之間整體上的相關(guān)關(guān)系，若序列具有顯著線性趨勢，相關(guān)系數(shù)一定程度上可能反映的是兩者之間的年代際趨勢變化關(guān)系是否顯著；濾去線性趨勢后，計算得到的相關(guān)系數(shù)更多地反映了兩者之間的年際變化關(guān)系是否顯著。分別計算得到了兩種方案下的年（7月至翌年6月）以及秋、冬、春季的AO、NAO指數(shù)與努爾蘇丹、烏魯木齊的同期寒潮過程頻數(shù)之間的相關(guān)系數(shù)，對比北極濤動、北大西洋濤動與中亞努爾蘇丹和烏魯木齊同期寒潮過程之間的關(guān)系。

5.1 AO指數(shù)與中亞城市寒潮過程頻數(shù)關(guān)系

年以及秋、冬、春季AO指數(shù)與努爾蘇丹、烏魯木齊同期寒潮過程頻數(shù)之間的相關(guān)系數(shù)見表7。在年尺度上，無論是原始序列方案還是去線性趨勢方案，AO指數(shù)與努爾蘇丹和烏魯木齊的寒潮過程頻數(shù)之間均呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，原始序列方案下得到的相關(guān)系數(shù)絕對值更大，相關(guān)程度更高。

表7 AO與同期努爾蘇丹和烏魯木齊寒潮過程頻數(shù)相關(guān)系數(shù)Table 7 The correlation coefficients of the AO index with the cold wave frequencies in Nursultan and Urumqi

秋、冬、春季AO指數(shù)與努爾蘇丹同期寒潮過程頻數(shù)之間均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，在秋、春季，相關(guān)系數(shù)分別通過了0.01和0.05信度水平檢驗。圖8（a）給出了AO的年（7月至翌年6月）指數(shù)與同期努爾蘇丹、烏魯木齊寒潮過程頻數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化曲線。濾去線性趨勢后，與原始序列方案下的相關(guān)系數(shù)比較，在秋、春季變化不大，在冬季，與努爾蘇丹的相關(guān)系數(shù)通過了0.10信度水平顯著性檢驗。秋、冬、春季AO指數(shù)與烏魯木齊同期寒潮過程頻數(shù)之間均呈不顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。

圖8 冬季AO（a）、NAO（b）指數(shù)分別與努爾蘇丹、烏魯木齊同期寒潮過程頻數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化曲線Fig.8 Annual variations of the standardized values of cold wave frequencies of AO（a），NAO（b）indexes and cold wave frequencies in Nursultan and Urumqi in winter

5.2 NAO指數(shù)與中亞城市寒潮過程頻數(shù)關(guān)系

年以及秋、冬、春季NAO指數(shù)與努爾蘇丹、烏魯木齊的同期寒潮過程頻數(shù)之間的相關(guān)系數(shù)見表8。在年尺度上，NAO指數(shù)與努爾蘇丹和烏魯木齊的寒潮過程頻數(shù)之間均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)均通過了0.01或者0.05信度水平顯著性檢驗。圖8（b）給出了NAO的年（7月至翌年6月）指數(shù)與同期努爾蘇丹、烏魯木齊寒潮過程頻數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化曲線。濾去線性趨勢后，年NAO指數(shù)與努爾蘇丹、烏魯木齊的同期寒潮、強寒潮和超強寒潮過程頻數(shù)之間的相關(guān)系數(shù)絕對值更大，相關(guān)關(guān)系更密切。

表8 NAO與同期努爾蘇丹和烏魯木齊寒潮過程頻數(shù)相關(guān)系數(shù)Table 8 The correlation coefficients of the NAO index with the cold wave frequencies in Nursultan and Urumqi

秋、冬、春季NAO指數(shù)與努爾蘇丹的同期寒潮過程頻數(shù)之間均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，在冬、春季，相關(guān)系數(shù)分別通過了0.05和0.01信度水平顯著性檢驗；濾去線性趨勢后，在秋、冬、春季，相關(guān)系數(shù)系數(shù)絕對值明顯增大，秋季相關(guān)系數(shù)也通過了0.05信度水平檢驗，相關(guān)程度增強。秋、冬、春季NAO指數(shù)與烏魯木齊同期的寒潮過程頻數(shù)之間呈不顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系；濾去線性趨勢后，秋、春季的相關(guān)系數(shù)絕對值略增大，均通過了0.10信度水平顯著性檢驗。

5.3 AO及NAO的影響對比

5.3.1 北極濤動（AO）的影響

以冬季為例，1951—2015年AO指數(shù)異常偏高（低）年合成的北半球500 hPa位勢高度場及其距平場（圖9）。冬季AO指數(shù)異常偏高的12 a，是典型的AO正位相。在500 hPa位勢高度場上，北半球極渦偏強，極渦中心偏向北美大陸，高緯地區(qū)3個大槽分別位于東亞、北美和烏拉爾山地區(qū)；位勢高度距平場上，歐亞中高緯地區(qū)自西向東呈“+-+”分布。新疆位于高壓脊區(qū)，中亞區(qū)域存在偏南風(fēng)，不利于冷空氣南下影響中亞。冬季AO指數(shù)異常偏低的8 a，是典型的AO負(fù)位相。在500 hPa位勢高度場上，北半球極渦分裂為兩個分中心，分別位于北美和東亞，高緯地區(qū)同樣分布有3個大槽，分別位于東亞、北美和北大西洋歐洲沿岸地區(qū)，中亞到新疆西風(fēng)為主，烏拉爾山東側(cè)地區(qū)存在弱偏北風(fēng)；位勢高度距平場上，歐亞中高緯地區(qū)自西向東呈“-+-”分布，烏拉爾山存在正距平中心，有利于烏拉爾山高壓脊建立，脊前偏北風(fēng)帶引導(dǎo)高位冷空氣南下，引發(fā)中亞地區(qū)出現(xiàn)寒潮過程。

圖9 1951—2015年冬季AO異常強（a）、弱（b）年500 hPa位勢高度場合成及距平（等值線為合成，陰影為距平，單位：gpm）Fig.9 500 hPa geopotential height（contour）and anomaly field（shaded）of the anomaly strong（a）and anomaly weak（b）AO index in winter，1951—2015（unit：gpm）

5.3.2 北大西洋濤動（NAO）的影響

以冬季為例，1951—2015年NAO指數(shù)異常偏高（低）年合成的北半球500 hPa位勢高度場及其距平場（圖10）。冬季NAO指數(shù)異常偏高的11 a，是典型的NAO正位相。在500 hPa位勢高度場上，北半球極渦中心偏向北美大陸，高緯地區(qū)3個大槽分別位于東亞、北美和歐洲上空；位勢高度距平場上，北大西洋上空呈北負(fù)南正分布，除歐洲沿岸地區(qū)外，整個歐亞大陸位于正距平區(qū)。中亞到新疆上空位于高壓脊區(qū)，不利于北方冷空氣南下影響該區(qū)域。冬季NAO指數(shù)異常偏低的12 a，是典型的NAO負(fù)位相。在500 hPa位勢高度場上，北半球極渦分裂為兩個分中心，東亞上空的分中心偏強，高緯地區(qū)同樣分布有3個大槽，分別位于東亞、北美和北大西洋歐洲沿岸地區(qū)，中亞到新疆西風(fēng)為主，烏拉爾山東側(cè)地區(qū)存在弱偏北風(fēng)；位勢高度距平場上，北大西洋上空呈北正南負(fù)分布，歐亞中高緯地區(qū)自西向東呈“-+-”分布，烏拉爾山到里咸海位于正距平區(qū)域，亞洲大部位于負(fù)距平區(qū)。有利于烏拉爾山高壓脊建立，引導(dǎo)北方冷空氣沿脊前北風(fēng)帶南下侵襲中亞地區(qū)，引發(fā)寒潮。

圖10 1951—2015年冬季NAO異常強（a）、弱（b）年500 hPa位勢高度場合成及距平（等值線為合成，陰影為距平，單位：gpm）Fig.10 500 hPa geopotential height（contour）and anomaly field（shaded）of the anomaly strong（a）and anomaly weak（b）NAO index in winter，1951—2015（unit：gpm）

5.3.3 AO與NAO對中亞城市冬季寒潮影響對比

中亞（中亞五國以及中國新疆）地域遼闊，努爾蘇丹、烏魯木齊均位于中亞的偏北地區(qū)，努爾蘇丹的緯度更高、位置偏西，周邊以丘陵平原為主，烏魯木齊相對偏南些，位置偏東，地處準(zhǔn)噶爾盆地南緣，位于天山北麓烏魯木齊河出山口處。在500 hPa位勢高度場上，西風(fēng)帶環(huán)流系統(tǒng)影響努爾蘇丹更直接，影響程度更加顯著。綜合以上分析，結(jié)合圖8可知，北大西洋濤動（NAO）與努爾蘇丹和烏魯木齊的寒潮過程的關(guān)聯(lián)程度比北極濤動（AO）與它們之間的關(guān)聯(lián)程度更為密切；努爾蘇丹的寒潮過程頻數(shù)受到NAO以及AO的影響程度更深。同時發(fā)現(xiàn)，雖然努爾蘇丹與烏魯木齊的春季超強寒潮過程頻數(shù)之間呈負(fù)相關(guān)，但是它們與同期NAO指數(shù)之間卻均呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別通過了0.01和0.10信度水平顯著性檢驗，其中的影響機制有待進一步研究。

6 結(jié)論

利用1951—2016年努爾蘇丹和烏魯木齊的逐日最低氣溫資料，分析了中亞地區(qū)的努爾蘇丹與烏魯木齊的寒潮、強寒潮和超強寒潮過程頻數(shù)氣候變化特征，得到主要結(jié)論如下：

（1）努爾蘇丹年平均寒潮過程頻數(shù)為15.7次，烏魯木齊年平均寒潮過程頻數(shù)為4.1次，努爾蘇丹寒潮、強寒潮和超強寒潮過程頻數(shù)分別是烏魯木齊的3.88倍、5.91倍和7.55倍；努爾蘇丹寒潮過程頻數(shù)月分布為單峰型，冬季1月最多，而烏魯木齊為雙峰型，秋季11月最多，其次在春季4月。

（2）努爾蘇丹與烏魯木齊的寒潮過程平均持續(xù)日數(shù)分別為2.40 d和2.86 d，努爾蘇丹的年以及秋、冬季寒潮、強寒潮、超強寒潮過程持續(xù)日數(shù)短于烏魯木齊，但是，烏魯木齊的春季超強寒潮過程持續(xù)日數(shù)平均為1.84 d，比努爾蘇丹短。

（3）努爾蘇丹和烏魯木齊的寒潮過程頻數(shù)異常偏多年多出現(xiàn)在1980年以前，而異常偏少年多出現(xiàn)在1980年之后。近10 a努爾蘇丹的超強寒潮過程異常偏多年較集中，烏魯木齊的強寒潮和超強寒潮過程頻數(shù)的異常偏多年集中出現(xiàn)在早期，近期很少出現(xiàn)。

（4）65 a來，努爾蘇丹和烏魯木齊的年寒潮過程頻數(shù)分別以-0.111次·（10a）-1和-0.445次·（10a）-1的速率遞減，烏魯木齊的變化顯著。努爾蘇丹的強寒潮和超強寒潮過程頻數(shù)的線性變化趨勢均不顯著，秋、春季超強寒潮過程頻數(shù)呈遞減趨勢，而冬季超強寒潮過程頻數(shù)呈遞增趨勢。烏魯木齊的強寒潮和超強寒潮過程頻數(shù)均呈遞減趨勢，秋、冬季超強寒潮過程頻數(shù)遞減顯著，春季超強寒潮過程頻數(shù)呈略遞增趨勢。

（5）努爾蘇丹與烏魯木齊的年寒潮過程頻數(shù)隨年代際變化而減少。努爾蘇丹的年超強寒潮過程頻數(shù)以近5 a最多。努爾蘇丹的年寒潮過程頻數(shù)序列有31 a、20 a左右的顯著周期，烏魯木齊的年寒潮過程頻數(shù)序列有39 a、8 a左右的顯著周期。

（6）北大西洋濤動（NAO）與努爾蘇丹和烏魯木齊寒潮過程的關(guān)聯(lián)程度比北極濤動（AO）與它們之間的關(guān)聯(lián)程度更為密切；相對于烏魯木齊，努爾蘇丹寒潮過程頻數(shù)受到NAO以及AO的影響程度更深。