陳 穎,楊智敏,張 旭
(1.新疆氣候中心,新疆 烏魯木齊 830002;2.烏魯木齊氣象衛(wèi)星地面站,新疆 烏魯木齊 830011)
20世紀(jì)以來,全球氣候變暖加劇,致使氣候系統(tǒng)變化的幅度加大。自1850年以來,過去40 a中的每10 a都連續(xù)比之前任何10 a更暖[1]。西北干旱區(qū)氣候呈現(xiàn)“暖濕化”特征,位于其西部的新疆變化更加明顯[2]。新疆氣溫變化趨勢較全球氣溫上升的趨勢更加顯著,1961—2017年的冬季升溫趨勢(0.40℃/10 a)高于年平均氣溫升溫趨勢(0.31℃/10 a),也高于全球升溫趨勢[3]。同時(shí),極端氣候事件的出現(xiàn)頻次和強(qiáng)度也發(fā)生著劇烈的變化[4]。20世紀(jì)80年代以來,新疆出現(xiàn)多個(gè)氣溫明顯偏低的冬季,如1984年冬季、2007年冬季[5]、2010年冬季[6]等。新疆冬季氣候的變化和極端氣候事件的特征變化,對當(dāng)?shù)剞r(nóng)林畜牧等產(chǎn)業(yè)安全越冬影響很大。
描述冬季寒冷程度的定義很多,大致分為基于冬季平均氣溫的平均氣溫狀況描述和基于日最低氣溫的極端氣溫狀況描述。近50 a來,中國區(qū)域極端氣候趨勢較平均氣候趨勢變化顯著,有些站點(diǎn)極端氣候則顯示出與平均氣候迥然不同的趨勢,主要表現(xiàn)在平均氣溫變化與極端氣溫反相變化顯著[7]。對平均狀況的描述有單站(區(qū)域)冷冬(強(qiáng)冷冬)[8]、冬季異常低溫等定義,通過對西北區(qū)域冷冬的識別,陳倩雯等[9]認(rèn)為青藏高原區(qū)域冷冬事件主要發(fā)生在20世紀(jì)60—80年代,與陜西的冷冬事件變化趨勢大致相似[10]。對極端低溫的描述有單站極端低溫事件、區(qū)域極端低溫事件以及區(qū)域性持續(xù)極端低溫事件等定義,對于單站極端低溫事件的研究,大多都是通過絕對閾值(給出某一具體溫度指標(biāo)[11])或者相對閾值(例如百分位法[12-13])識別?;趩握緲O端低溫事件的識別,我國北方日最低氣溫<0℃的低溫日數(shù)呈十分明顯的減少趨勢[13];北方地區(qū)極端氣溫指數(shù)變化最大,而且對應(yīng)氣候突變的時(shí)段,極端氣溫也有了顯著變化[14]。
近年來,許多學(xué)者聚焦于區(qū)域性極端低溫事件的研究,龔志強(qiáng)等[15]、Peng等[16]均對區(qū)域性極端低溫事件給出了空間范圍和時(shí)間尺度上的定義;王曉娟等[17]認(rèn)為,1960—2009年中國低溫事件的發(fā)生頻次、強(qiáng)度和最大覆蓋面積等總體呈減弱趨勢,在20世紀(jì)80年代后期存在顯著的轉(zhuǎn)折,90年代后期變化逐漸趨于平緩,且這種變化主要是由占總數(shù)10%的持續(xù)時(shí)間長和空間范圍廣的低溫事件作用的結(jié)果。楊蓮梅等[18]研究了北疆持續(xù)性低溫事件的時(shí)空分布特征和大尺度環(huán)流背景。
以上研究都是通過單一指標(biāo)的識別來分析冬季寒冷的基本特征,本文擬從對冬季平均氣候和極端氣候事件的識別出發(fā),重點(diǎn)分析氣候變暖以來(1981—2020年)季節(jié)尺度(冷冬)—極端低溫事件以及單站極端低溫事件—區(qū)域持續(xù)性極端低溫事件各自的變化特征及它們之間的聯(lián)系,以期為新疆冬季低溫和季節(jié)內(nèi)極端低溫事件過程提供細(xì)致的識別指標(biāo)。
新疆105個(gè)國家氣象觀測站中,1981年以后因遷站等造成歷史資料不連續(xù)的有6站,因此本文采用新疆99個(gè)國家氣象觀測站1961—2020年逐日最低氣溫和日平均氣溫,及1981—2020年ERA5逐日最低氣溫再分析資料(空間分辨率為0.1°×0.1°)。冬季為當(dāng)年12月—次年2月,多年平均為1981—2020年平均。
1.2.1 冷冬
應(yīng)用《冷冬等級》(GB/T33675—2017)[7]來識別1961—2020年新疆單站冷冬及區(qū)域冷冬,為了與本文其他定義保持一致,便于分析,冷冬計(jì)算中,冬季平均氣溫采用當(dāng)年12月—次年2月平均氣溫計(jì)算。為了進(jìn)一步分析氣候變暖背景下的冷冬事件,頻次分析選取1981—2020年40 a資料來統(tǒng)計(jì)。
單站冬季平均氣溫距平(ΔT)小于或等于冷冬閾值,定義為單站冷冬。單站冷冬指標(biāo)和等級劃分見表1。
表1 單站冷冬指標(biāo)和等級劃分
區(qū)域范圍內(nèi)冷冬站數(shù)超過站點(diǎn)總數(shù)的50%,定義為區(qū)域冷冬,在區(qū)域冷冬年,強(qiáng)冷冬站數(shù)與冷冬站數(shù)之比≥50%,定義為區(qū)域強(qiáng)冷冬。
1.2.2 單站極端低溫事件
采用百分位法[11-12,18]來識別單站極端低溫事件?;谛陆?9個(gè)國家氣象觀測站1961—2020年冬季逐日最低氣溫,將各站逐日最低氣溫的第10分位作為單站極端低溫事件的閾值,低于閾值則記為1個(gè)單站極端低溫事件。
1.2.3 區(qū)域性持續(xù)極端低溫事件
關(guān)于區(qū)域性持續(xù)極端低溫事件的識別,主要參考Peng等[16]提出的方法,考慮到插值方案的科學(xué)性和精準(zhǔn)度,采用1981—2020年冬季ERA5逐日最低氣溫再分析資料對新疆區(qū)域內(nèi)的格點(diǎn)進(jìn)行逐個(gè)計(jì)算。本文所計(jì)算區(qū)域性持續(xù)極端低溫事件的界定過程分為4個(gè)部分:(1)界定新疆區(qū)域內(nèi)的格點(diǎn);(2)利用百分位法按照第10分位計(jì)算新疆區(qū)域內(nèi)各格點(diǎn)極端低溫閾值;(3)每日新疆區(qū)域內(nèi)超過極端低溫閾值的格點(diǎn)數(shù)若超過總格點(diǎn)數(shù)的15%,則認(rèn)為該日發(fā)生了區(qū)域性極端低溫事件;(4)當(dāng)區(qū)域性極端低溫事件維持8 d及以上,則認(rèn)為發(fā)生了一次區(qū)域性持續(xù)極端低溫事件。將一次事件中極端低溫格點(diǎn)最多的日期稱為峰值日期,該日極端低溫格點(diǎn)與總格點(diǎn)數(shù)的比值稱為峰值日覆蓋率。
1981—2020年,新疆冬季平均氣溫為-8.1℃,較1961—1980年冬季平均氣溫(-9.5℃)升高了1.4℃,近40 a升溫速率為0.17℃/10 a。在變暖背景下,1983、1984、1994、2007、2010、2011年冬季新疆區(qū)域平均氣溫較多年平均值偏低了1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差以上,為異常偏冷的冬季(圖1)。
1981—2020年,新疆出現(xiàn)單站冷冬共計(jì)764站次,出現(xiàn)單站強(qiáng)冷冬204站次,平均每年冬季出現(xiàn)單站冷冬19.1站、單站強(qiáng)冷冬5.1站。出現(xiàn)單站冷冬頻次較高的時(shí)段分別是1983—1984、2004—2007、2010—2012和2017—2018年,出現(xiàn)單站強(qiáng)冷冬頻次較高的年份分別是1984、2007、2010、2011、2012和2018年;1986—1993年和1997—2000年沒有出現(xiàn)過單站冷冬(圖1)。從年代際變化來看,20世紀(jì)80年代、90年代、21世紀(jì)00年代和10年代單站出現(xiàn)冷冬的頻次分別是1.8、0.6、2.5和2.9次/站,出現(xiàn)強(qiáng)冷冬的頻次分別是0.5、0.0、0.7和0.8次/站(圖1)。
圖1 1981—2020年新疆冷冬、強(qiáng)冷冬站數(shù)及平均氣溫
1981—2020年,新疆絕大多數(shù)測站單站冷冬出現(xiàn)頻次為4~13次,奇臺(tái)、達(dá)坂城、巴音布魯克出現(xiàn)頻次均為13次,富蘊(yùn)、特克斯、吐魯番、溫宿、沙雅、阿圖什、莎車僅出現(xiàn)4次。從區(qū)域分布來看,冷冬出現(xiàn)頻次10次以上的區(qū)域在天山兩側(cè)和新疆西北部區(qū)域,新疆西南部大部分測站在7次以下(圖2a)。同樣的,新疆絕大多數(shù)單站強(qiáng)冷冬出現(xiàn)頻次為0~6次,烏魯木齊等9站未出現(xiàn)強(qiáng)冷冬。從區(qū)域分布來看,強(qiáng)冷冬出現(xiàn)4次以上的測站分布在新疆北部、天山南麓和東疆一帶(圖2b)。因此,新疆西北部雖然冷冬出現(xiàn)頻次較高,但出現(xiàn)強(qiáng)冷冬年的頻次較低,天山南麓和新疆東部雖然出現(xiàn)冷冬的頻次不高,但達(dá)到強(qiáng)冷冬的頻次相對較高。
圖2 1981—2020年新疆冷冬(a)及強(qiáng)冷冬(b)頻次空間分布
1981—2020年新疆出現(xiàn)區(qū)域冷冬的年份為1983、1984、2007、2010、2011、2012、2018年,以上年份區(qū)域內(nèi)分別有60、95、75、54、89、61、57站達(dá)到冷冬標(biāo)準(zhǔn),有6、43、35、12、49、11、14站達(dá)到了強(qiáng)冷冬標(biāo)準(zhǔn),根據(jù)區(qū)域強(qiáng)冷冬的定義,僅2011年為區(qū)域性強(qiáng)冷冬。
1981—2020年,新疆冬季單站極端低溫事件平均每年出現(xiàn)11.2次,其中12、1和2月分別為4.2、3.9和3.1次。冬季單站極端低溫事件總體呈減少趨勢,其減少速率為-0.93次/10 a。12和2月總體呈減少趨勢,其減少速率分別為-0.69、-0.45次/10 a;1月總體呈增加趨勢,其增加速率為0.21次/10 a。12、2月出現(xiàn)單站極端低溫事件頻次最高的年數(shù)均為15 a,1月出現(xiàn)頻次最高的年數(shù)為10 a(圖3)。單站極端低溫事件頻次較多的區(qū)域基本位于天山山區(qū)及兩側(cè)和南疆西部(圖4),各月單站極端低溫事件頻次空間分布與整個(gè)冬季類似。
圖3 1981—2020年新疆冬季及各月單站極端低溫事件頻次變化
圖4 1981—2020年冬季單站極端低溫事件頻次空間分布
1981—2020年,新疆冬季出現(xiàn)區(qū)域性持續(xù)極端低溫事件53次,其中,20世紀(jì)80年代17次,90年代13次,21世紀(jì)00年代12次,10年代11次。從年際特征來看,1982年出現(xiàn)最多,達(dá)4次,1983、1987、1993年次之,為3次。1993年之后,新疆每年冬季出現(xiàn)區(qū)域性持續(xù)極端低溫事件的次數(shù)在2次或以下,1989、2000、2006、2008、2016、2019、2020年 冬 季 未出現(xiàn)區(qū)域性持續(xù)極端低溫事件(圖5)。新疆53次冬季區(qū)域性持續(xù)極端低溫事件中,24次出現(xiàn)在12月,15次出現(xiàn)在1月,14次出現(xiàn)在2月。20世紀(jì)80年代和21世紀(jì)10年代12月出現(xiàn)頻次明顯多于1和2月,20世紀(jì)90年代和21世紀(jì)00年代12月出現(xiàn)頻次接近1月。
1981—2020年,新疆冬季區(qū)域性持續(xù)極端低溫事件年平均持續(xù)天數(shù)為12.5 d,最長持續(xù)天數(shù)為33 d(1984年)。年最長持續(xù)天數(shù)下降趨勢較弱,下降速率為-0.95 d/10 a。最長持續(xù)天數(shù)20世紀(jì)80年代為0~33 d,90年代為0~27 d,21世紀(jì)00年代為0~30 d,10年代為0~26 d(圖5)。
1981—2020年,新疆冬季區(qū)域性持續(xù)極端低溫事件的累積天數(shù)年平均為17.5 d,累積天數(shù)最多為49 d(1983年)。年累積日數(shù)總體呈下降趨勢,下降速率為-2.9 d/10 a。年累積天數(shù)20世紀(jì)80年代為0~49 d,90年代為0~29 d,21世紀(jì)00年代為0~38 d,10年代為0~38 d(圖5)。
圖5 1981—2020年新疆冬季區(qū)域性持續(xù)極端低溫事件頻次及持續(xù)天數(shù)
總體來說,除20世紀(jì)80年代前期新疆冬季區(qū)域性持續(xù)極端低溫事件頻次較高,1994年開始,大部分年份出現(xiàn)頻次在1~2次,持續(xù)天數(shù)的變化趨勢不明顯,累積天數(shù)的下降趨勢明顯強(qiáng)于持續(xù)天數(shù),說明新疆冬季區(qū)域性持續(xù)極端低溫事件發(fā)生的累積天數(shù)與頻次相聯(lián)系,頻次減少,累積天數(shù)隨之減少,但單個(gè)區(qū)域性持續(xù)極端低溫事件持續(xù)的天數(shù)并沒有明顯的減少。
根據(jù)新疆冬季區(qū)域性持續(xù)極端低溫事件出現(xiàn)峰值日的空間分布特征,依據(jù)低溫事件間的歐式距離,通過聚類分析將53次事件分為4種類型:全疆型(30次)、山區(qū)型(5次)、北疆型(10次)和南疆型(8次)。從各月的發(fā)生頻次來看,12月出現(xiàn)頻次最高,1和2月頻次接近(表2)。從持續(xù)時(shí)間來看,全疆型和南疆型出現(xiàn)頻次最多的是持續(xù)10~15 d的事件,山區(qū)型出現(xiàn)頻次最多的是持續(xù)10~20 d的事件,北疆型出現(xiàn)頻次最多的是持續(xù)8~15 d的事件(表3)。
表2 1981—2020年新疆冬季各月區(qū)域性持續(xù)極端低溫事件頻次 次
表3 1981—2020年新疆冬季區(qū)域性不同持續(xù)時(shí)間極端低溫事件的頻次 次
新疆區(qū)域性持續(xù)極端低溫事件發(fā)生頻次存在明顯的年代際特征(表4)。20世紀(jì)80年代出現(xiàn)頻次最多,全疆型和部分地區(qū)出現(xiàn)概率都比較大;20世紀(jì)90年代起全疆型出現(xiàn)的概率明顯大于其他類型。說明在氣候變暖的背景下,單次區(qū)域性極端低溫事件的發(fā)生范圍從部分區(qū)域擴(kuò)展到全區(qū)域,范圍不斷擴(kuò)大,這一點(diǎn)有待于進(jìn)一步研究。
表4 1981—2020年新疆冬季區(qū)域性持續(xù)極端低溫事件年代際頻次特征 次
描述單站冬季寒冷的定義有單站冷冬和單站極端低溫事件,描述區(qū)域寒冷的定義有區(qū)域冷冬和區(qū)域性持續(xù)極端低溫事件。根據(jù)冬季平均氣溫偏低一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差篩選出的冬季氣溫異常偏低年為1983、1984、1995、2007、2010、2011年,出現(xiàn)區(qū)域冷冬年為1983、1984、2007、2010、2011、2012年,出現(xiàn)30 d以上的區(qū)域性持續(xù)極端低溫事件年為1982、1983、1984、1987、2001、2007、2012年,出現(xiàn)持續(xù)天數(shù)在20 d以上的區(qū)域性持續(xù)極端低溫事件年為1983、1984、1994、2001、2007、2010、2012年。
雖然4種指標(biāo)均識別出1983、1984年,但仍有其他年份的識別有所不同。以平均氣溫為元數(shù)據(jù)計(jì)算出的冬季氣溫異常偏低年和區(qū)域冷冬年均識別出1983、1984、2010、2011年,但1995、2007、2012年存在差異;以日最低氣溫為元數(shù)據(jù)計(jì)算出的區(qū)域性持續(xù)極端低溫事件的累積天數(shù)和持續(xù)天數(shù)分別篩選出的年份里,均識別出1983、1984、2001、2007、2012年,存在差異的年份為1982、1987、1994、2010年。
以平均氣溫為元數(shù)據(jù)識別出1983、1984、2010、2011年為冬季氣溫異常偏低年和區(qū)域冷冬年,而1995年冬季平均氣溫偏低幅度達(dá)到了冬季氣溫異常偏低年的閾值,但并未達(dá)到區(qū)域冷冬年的閾值;2012年則剛好相反。
1995年冬季區(qū)域平均氣溫為-9.7℃,較多年平均值偏低1.5℃(異常偏低年的閾值為1.2℃);96站冬季平均氣溫偏低,達(dá)到冷冬閾值的站數(shù)為30站,其中1站達(dá)到強(qiáng)冷冬閾值。2012年冬季區(qū)域平均氣溫為-9.2℃,較多年平均值偏低1.0℃(異常偏低年的閾值為1.2℃);76站冬季平均氣溫偏低,達(dá)到冷冬閾值的站數(shù)為61站,其中11站達(dá)到強(qiáng)冷冬閾值。因此,1995年新疆冬季氣溫偏低的范圍比2012年大,但偏低幅度小于2012年。
以日最低氣溫為元數(shù)據(jù)計(jì)算得出的區(qū)域性持續(xù)極端低溫事件的累積天數(shù)(>30 d)和最長持續(xù)天數(shù)(>20 d)分別篩選出的年份里,均識別出1983、1984、2001、2007、2012年,1982、1987、1994、2010年存在差異。
1982、1987年區(qū)域性持續(xù)極端低溫事件分別出現(xiàn)了4、3次,累積天數(shù)分別為42、34 d,但最長持續(xù)天數(shù)為12、15 d。1994、2010年區(qū)域性持續(xù)極端低溫事件均出現(xiàn)了1次,累積天數(shù)和最長持續(xù)天數(shù)均為27、25 d。因此,1982、1987年區(qū)域性持續(xù)極端低溫事件出現(xiàn)頻次高于1994、2010年,其累積天數(shù)多于1994、2010年,但單次最長持續(xù)天數(shù)少于1994、2010年。
綜上所述,新疆冬季偏冷有以下幾類特征:
A類:異常偏冷且極端低溫事件累積持續(xù)時(shí)間長。冬季區(qū)域平均氣溫偏低幅度大(偏低幅度超過1℃),平均氣溫偏低的面積大(超過80站),有60%以上的測站達(dá)到冷冬標(biāo)準(zhǔn),區(qū)域性持續(xù)極端低溫事件出現(xiàn)頻次多(超過2次),累積日數(shù)長(超過30 d),單次低溫事件持續(xù)日數(shù)長(超過20 d),如1983、1984、2007、2012年。
B類:異常偏冷且極端低溫事件累積持續(xù)時(shí)間較長。冬季區(qū)域平均氣溫偏低幅度大(偏低幅度超過1℃),平均氣溫偏低的面積大(超過80站),有50%以上的測站達(dá)到冷冬標(biāo)準(zhǔn),區(qū)域性持續(xù)極端低溫事件出現(xiàn)頻次較多(超過1次),累積日數(shù)較長(超過20 d),單次低溫事件持續(xù)日數(shù)較長(超過10 d),如1995、2010、2011年。
C類:偏冷且極端低溫事件累積時(shí)間長。冬季區(qū)域平均氣溫偏低(偏低幅度<1℃),平均氣溫偏低的面積大(超過70站),但僅有個(gè)別臺(tái)站達(dá)到冷冬標(biāo)準(zhǔn),區(qū)域性持續(xù)極端低溫事件出現(xiàn)頻次多(超過2次),累積日數(shù)長(超過30 d),單次低溫事件持續(xù)日數(shù)較長(超過10 d),如1987年。
D類:不偏冷但階段性低溫持續(xù)時(shí)間長。冬季區(qū)域平均氣溫接近常年或偏高,平均氣溫偏低的面積接近全區(qū)域的一半左右,僅有個(gè)別臺(tái)站達(dá)到冷冬標(biāo)準(zhǔn),區(qū)域性持續(xù)極端低溫事件出現(xiàn)頻次低(超過1次),累積日數(shù)長(超過30 d)或單次低溫事件持續(xù)日數(shù)長(超過20 d),如1982、1994、2001年。
A類和B類反映了強(qiáng)的冬季持續(xù)性區(qū)域極端低溫事件影響整個(gè)冬季區(qū)域氣溫的情況,C類和D類反映了弱的冬季持續(xù)性區(qū)域極端低溫事件存在但不足以影響整個(gè)冬季區(qū)域氣溫的情況。
(1)1981—2020年,新疆區(qū)域冬季平均氣溫異常偏低年與新疆區(qū)域冷冬年有差異,新疆西北部雖然區(qū)域冷冬年出現(xiàn)頻次較高,但出現(xiàn)強(qiáng)冷冬年的頻次較低;天山南麓和新疆東部出現(xiàn)冷冬時(shí),達(dá)到強(qiáng)冷冬指標(biāo)的概率較大。
(2)1981—2020年,新疆冬季單站極端低溫事件總體呈減少趨勢。12、2月的出現(xiàn)頻次高于1月,12月減少速率大于2月,1月總體呈增加趨勢。天山山區(qū)及兩側(cè)和南疆西部是出現(xiàn)冬季單站極端低溫事件頻次較多的區(qū)域。
(3)1981—2020年,新疆共出現(xiàn)53次冬季區(qū)域性持續(xù)極端低溫事件,其中12月出現(xiàn)頻次遠(yuǎn)高于1、2月。全疆型冬季區(qū)域性持續(xù)極端低溫事件出現(xiàn)頻次最高,北疆型次之,南疆型為第三,山區(qū)型最少。冬季區(qū)域性持續(xù)極端低溫事件出現(xiàn)頻次最多的是持續(xù)10~15 d的事件。新疆冬季區(qū)域性持續(xù)極端低溫事件發(fā)生頻次減少,累積天數(shù)隨之減少,但單次事件持續(xù)時(shí)間并沒有明顯的減少,而且單次區(qū)域型持續(xù)極端低溫事件的發(fā)生范圍在擴(kuò)大。
(4)描述平均狀況和描述極端狀況的指標(biāo)相結(jié)合,能更加清楚地識別出新疆冬季偏冷的特征:當(dāng)冬季極端低溫事件出現(xiàn)頻次高、持續(xù)時(shí)間長時(shí),50%以上的范圍出現(xiàn)冷冬(強(qiáng)冷冬),區(qū)域內(nèi)冬季平均氣溫一致偏低的概率較大;當(dāng)冬季極端低溫事件出現(xiàn)頻次低、持續(xù)時(shí)間在10 d以內(nèi)時(shí),出現(xiàn)冷冬的范圍很小或基本不出現(xiàn),冬季平均氣溫一致偏低的概率較小。
當(dāng)前描述冬季寒冷的指標(biāo)主要通過兩個(gè)層面,一是描述平均狀況,二是描述極端狀況。平均狀況的描述可通過冬季平均氣溫和基于冬季平均氣溫計(jì)算得出的指標(biāo),如單站冷冬、區(qū)域冷冬等;極端狀況的描述可通過冬季極端最低氣溫和基于冬季極端最低氣溫計(jì)算得出的指標(biāo),如單站極端低溫事件、區(qū)域性持續(xù)極端低溫事件等。某些年份其平均狀況與極端狀況能一致反映冬季的寒冷程度,而有些年份則不能一致反映。因此,關(guān)注冬季寒冷程度不僅僅需要判識冷冬這樣描述平均狀況的指標(biāo),更需要了解極端低溫事件的發(fā)生發(fā)展?fàn)顩r,特別需要著重在持續(xù)時(shí)間較長、對整個(gè)冬季氣候影響較大的新疆冬季區(qū)域性持續(xù)極端低溫事件前期環(huán)流特征和影響因子方面開展具體研究。