河西走廊東部近57 a不同等級冷空氣時空變化及寒潮特征

楊 梅，李巖瑛，朱陵晶，羅曉玲，姜 瑞，聶 鑫

（1.武威市氣象局，甘肅 武威 733000；2.中國氣象局蘭州干旱氣象研究所，甘肅 蘭州 730020；3.廣東海洋大學(xué)海洋與氣象學(xué)院，廣東 湛江 524088；4.金沙鎮(zhèn)人民政府，甘肅 武威 733000）

寒潮是大規(guī)模的強冷空氣活動，主要表現(xiàn)為劇烈降溫，同時伴有大風(fēng)和降水（暴雪）、霜凍等災(zāi)害性天氣，造成農(nóng)作物凍害、人畜傷亡、電線積冰和交通中斷，具有經(jīng)濟損失大、受災(zāi)范圍廣、防范難度大以及伴隨天氣多的特點。河西走廊東部深居歐亞大陸腹地，是典型的干旱與半干旱地區(qū)[1]，也是西路、西北路、北路冷空氣的重要影響區(qū)域。據(jù)統(tǒng)計強冷空氣造成河西走廊東部經(jīng)濟損失年均0.3億，農(nóng)業(yè)受災(zāi)面積8 005.24 hm2，成為最嚴(yán)重的災(zāi)害性天氣之一，尤其對農(nóng)業(yè)的影響更為明顯，霜凍造成早春晚秋作物減產(chǎn)絕收，引發(fā)的大風(fēng)使成熟農(nóng)作物籽粒刮落，極端降溫造成供熱、電力、燃氣供應(yīng)量陡增，給國民經(jīng)濟和人民生產(chǎn)生活帶來巨大損失[2-5]。1950年陶詩言將東亞寒潮分型，指出影響中國大陸的冷空氣源地和路徑[6]。李艷[7]揭示典型極端低溫事件中低頻系統(tǒng)的特征及其生成、演變過程。隨著人們對災(zāi)害性天氣關(guān)注度的提高，國內(nèi)學(xué)者[8-10]對我國寒潮活動規(guī)律及冷空氣特征進行分析，但由于氣候及地理條件差異較大，各地寒潮過程也不盡相同。各地預(yù)報員[11-20]對本地的寒潮演變、形成機理及其所處冷高壓的位置，變高變溫強度都做了研究，并評估了模式的預(yù)報能力[21]。近年來，隨著全球變暖，中國氣溫變暖以西北、華北、東北地區(qū)最明顯，各類冷空氣的發(fā)生頻次呈減少趨勢，且強度有所減弱[22-24]。

目前，國內(nèi)對寒潮氣候和變化特征及冷空氣源地、影響路徑和天氣過程成因分析較多，對西北地區(qū)不同等級冷空氣活動的研究較少，雖然有些冷空氣達不到寒潮級別，但對社會發(fā)展、農(nóng)林牧生產(chǎn)、人民生活等造成的危害不容忽視[25]，尤其近年春季回暖速度加快、時間提前，各地農(nóng)事活動普遍提前，農(nóng)作物相應(yīng)抗凍能力減弱，一旦出現(xiàn)降溫，雖然幅度不大，但對于剛剛出苗的農(nóng)作物、經(jīng)濟林的新梢和幼果將造成非常嚴(yán)重的凍害。本文按照最新的《冷空氣等級》[26]將降溫分成寒潮、強、較強、中等強度和弱冷空氣5個級別，利用河西走廊東部國家氣象觀測站的最低氣溫資料，對近57 a不同等級冷空氣的時空分布、周期變化、發(fā)生頻次及降溫幅度和寒潮的氣候特征、極端年的物理機制及成因進行對比分析和診斷，旨在提高本地不同等級冷空氣和寒潮的監(jiān)測預(yù)報預(yù)警能力，為當(dāng)?shù)毓まr(nóng)業(yè)生產(chǎn)決策和防災(zāi)減災(zāi)提供技術(shù)支持。

1 資料與方法

選取河西走廊東部5個國家氣象觀測站（涼州、民勤、古浪、烏鞘嶺和永昌）1961年1月1日—2017年12月31日最低氣溫Td，計算24、48、72 h降溫幅度：△T24為當(dāng)日Td與前24 hTd之差、△T48為當(dāng)日Td與前48 hTd之差、△T72為當(dāng)日Td與前72 hTd之差；規(guī)定3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季，12月—翌年2月為冬季；以《冷空氣等級》[26]（GB/T21987-2008）標(biāo)準(zhǔn)分為5個等級：弱冷空氣（Ⅰ級）、中等強度冷空氣（Ⅱ級）、較強冷空氣（Ⅲ級）、強冷空氣（Ⅳ級）和寒潮（Ⅴ級），具體定義見表1。選取2.5°×2.5°月平均NCEP 500 hPa平均位勢高度場、風(fēng)場環(huán)流資料分析顯著偏多（少）年的寒潮特征。

表1 不同等級冷空氣標(biāo)準(zhǔn)

2 空間分布

2.1 各級冷空氣年均日數(shù)的空間分布

根據(jù)表1統(tǒng)計河西走廊東部各等級冷空氣降溫過程日數(shù)（任何一站及以上達到標(biāo)準(zhǔn)為一個過程日數(shù)）。各等級冷空氣年均日數(shù)以Ⅰ級為主，為152～160 d/a；其次Ⅱ級，為10～16 d/a；Ⅳ和Ⅴ級基本接近，在3～7 d/aⅢ級最少，不足1 d/a?？臻g分布Ⅰ級是偏北沙漠區(qū)民勤站最少，中西部永昌、涼州站偏多（圖1a）；由于永昌站、涼州站處于地勢平坦的植被較茂密區(qū)域，冷空氣造成的降溫幅度小，一般為弱降溫。其他4個級別空間分布基本相似且與Ⅰ級相反，偏北沙漠區(qū)民勤站均最多，Ⅱ和Ⅲ級南部山區(qū)站偏少（圖1b，1c）、Ⅳ和Ⅴ級中部涼州站最少（圖1d，1e）。民勤站地處沙漠邊緣多為沙漠和荒漠地帶，植被稀疏輻射降溫明顯，晴天最低氣溫降幅較大，且受冷空氣的直接影響，造成的降溫強度大、次數(shù)多（圖1）。

圖1 各級冷空氣年均日數(shù)的空間分布

2.2 各級冷空氣年頻率的季節(jié)分布

河西走廊東部Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ級冷空氣降溫日數(shù)年頻率的季節(jié)空間分布基本相似，均以民勤最多。其中，Ⅴ級秋冬季空間分布與年變化相似，民勤站最多，最少的均為涼州站；夏季永昌站最多、民勤站最少；春季古浪站最多。Ⅳ級春、秋和冬季空間分布也與年變化相似，民勤站最多，涼州站最少。冬季各地?zé)oⅢ級冷空氣，春、夏和秋季空間分布與年變化相似，民勤站多，南部山區(qū)趨于0。Ⅱ級夏秋季空間分布也與年變化相似，民勤站最多；冬春季涼州站最少，夏秋季南部山區(qū)最少。而Ⅰ級各季節(jié)空間分布永昌、涼州站均多，秋冬季北部沙漠區(qū)少，春夏季南部山區(qū)少。

3 時間變化

3.1 各級冷空氣降溫日數(shù)的年變化

近57 a河西走廊東部各級冷空氣共9 989～10 420 d，年均175.3～182.8 d/a。中北部在170～200 d/a，其中涼州1989年最多，1974年最少；民勤1965年最多，2003年最少；永昌1974年最多，1999年最少。南部山區(qū)在150～190 d/a，其中古浪2007年最多，1997年最少；烏鞘嶺2004年最多，1969年最少。年降溫日數(shù)Ⅳ和Ⅴ級呈明顯減少的趨勢，Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ級線性趨勢不明顯，但Ⅰ和Ⅱ級略增多。

3.2 各級冷空氣降溫日數(shù)的年代際變化

河西走廊東部各級冷空氣平均降溫頻次的年代際差異不大，整體先減后升，21世紀(jì)00年代最少，為160.5次/（a·站），近7年最多，為178.3次/（a·站）。Ⅰ和Ⅱ級呈起伏升降趨勢，近7年最多，明顯高于前5個年代際，各站整體上隨年代際增長。Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ級20世紀(jì)60年代最多，隨年代際基本呈遞減，近7年Ⅲ級減少為0，而Ⅳ和Ⅴ級較21世紀(jì)10年代突增。Ⅲ級20世紀(jì)70—90年代最少，除民勤站逐年代際呈減少，南部基本為0。Ⅳ級21世紀(jì)00年代最少。Ⅴ級20世紀(jì)80年代最少，后期年平均降溫頻次一致；南部站先減后增，北部則先減后升再降（圖2）。

圖2 各級冷空氣年平均降溫日數(shù)的年代際分布

3.3 各級冷空氣降溫日數(shù)的月、季變化

河西走廊東部各級冷空氣月平均概率分布（圖3），Ⅴ級4月最多，為17.2%，其次3月為11.8%；Ⅳ級4月最多，為13.2%，其次10月為12.6%；Ⅲ級7—8月最多，為31.3%，10月—翌年4月均為0；Ⅱ級5月最多，為12.3%，其次10月為10.5%；Ⅰ級各月和各季比例接近，8月為9.7%。季節(jié)分布Ⅴ級春季最多，為40.7%，其次冬季為31.5%，Ⅳ級春季最多，為34.3%，其次秋冬季占29%；Ⅲ級夏季最多，為81.3%，冬季無Ⅲ級冷空氣，烏鞘嶺站全年無；Ⅱ級春季最多，為30.7%，夏季最少，為14.4%，且夏季各站比例接近。冬春季Ⅳ、Ⅴ級冷空氣侵襲次數(shù)多且易達到寒潮。

圖3 各級冷空氣的月平均概率分布

4 降溫幅度

河西走廊東部Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ級冷空氣年平均降溫幅度48 h分別為2.3、6.8、8.5、8.8、11.7℃，Ⅴ級的冷空氣年平均降溫幅度24、72分別為9.3、13.8℃。各站平均降溫幅度Ⅰ～Ⅳ級季節(jié)性不明顯（表2），而Ⅴ級相差明顯。Ⅰ級冷空氣降溫幅度春季最大、夏季較??；民勤降溫幅度最大，為2.5℃、烏鞘嶺最小，為2.1℃；Ⅱ級無明顯季節(jié)和地理變化，秋季略大；Ⅲ級春夏季降溫幅度大、冬季無，地理分布上永昌夏季降溫幅度最大，達8.9℃；Ⅳ級各季節(jié)各站相近，古浪夏季略大，為9.0℃，地理分布上古浪最大，為9.0℃、民勤最小，為8.5℃；Ⅴ級24 h降溫幅度冬季最大、夏季較小，涼州和古浪最大，為9.9℃、夏季民勤無；Ⅴ級48 h春季最大、夏季較小，永昌最大為12.2℃、夏季涼州和民勤無；Ⅴ級72 h春季最大、夏季較小，古浪最大，達14.3℃、夏季全市無。

表2 河西走廊東部不同等級冷空氣平均降溫幅度 ℃

5 寒潮過程成因分析

5.1 寒潮過程年變化特征

近57 a河西走廊東部各站出現(xiàn)的寒潮次數(shù)共763次（任何一站達到任何一個標(biāo)準(zhǔn)為一次寒潮），年均13.4次/a，4月頻率最多，為15.1%，7月最少，為0，且50%的寒潮伴有大風(fēng)沙塵。寒潮次數(shù)逐年距平（圖4）呈減少趨勢，且通過0.05、0.1的顯著性檢驗。寒潮年次數(shù)＞20次為顯著偏多年：1967、1979、2010、1972、1961、1981、1971和1969年。其中，1967年為24次，是歷史最多，較歷年平均偏多一半。年次數(shù)＜7次為顯著偏少年：其中2007、2015、1985和1994年，2007和2015年僅6次，為歷史最少。

圖4 1961—2017年河西走廊東部寒潮日數(shù)的距平分布

5.2 寒潮過程月變化特征

近57 a河西走廊東部寒潮次數(shù)4月最多，年均2次/a，6—8月最少，為0~0.2次/a。顯著偏多年1月最多，為3.5次/a，6—8月也最少；顯著偏少年3月最多，為1.5次/a，6—8月、10月為0次/a。寒潮過程顯著偏多年與顯著偏少年3—5月均呈雙峰型特征；夏季6—8月無論顯著偏多或偏少年基本接近0次/a；10月偏多年明顯多于偏少年，兩者之間差異最大（圖5）。

圖5 1961—2017年河西走廊東部寒潮日數(shù)顯著偏多、偏少年頻次的月分布

5.3 寒潮過程異常年環(huán)流分析

500 hPa年平均位勢高度場上歐亞范圍內(nèi)中高緯度，偏多年為兩槽一脊，歐洲與亞洲為低槽，西西伯利亞及烏拉爾山為高壓脊，河西走廊東部受脊前西北氣流控制；距平場呈“－＋－＋”，西歐和亞洲為負距平中心，研究區(qū)東北部為強的負距平（圖6a）。偏少年為兩脊兩槽，歐洲西部和亞洲大部為高壓脊，歐洲到里海和東亞到西太平洋為低槽，河西走廊東部受西風(fēng)帶上的淺脊控制。距平場呈“＋－＋”，北歐到巴爾喀什湖為負距平，河西走廊東部在正距平區(qū)（圖6b）。

圖6 偏多年（a）和偏少年（b）的500 hPa位勢高度（等值線）及其距平（陰影）場

5.4 風(fēng)場特征

由圖7a可見，偏多年烏拉爾山有脊配合距平場輻散，利于極地冷空氣向中低緯度輸送，河西走廊東部為一致的西北急流，距平場（圖7c）上是西西北風(fēng)。偏少年（圖7b）烏拉爾山距平場上是明顯的風(fēng)場輻合，從里海到我國中部40°N附近有明顯的西風(fēng)急流，東北冷渦活躍，河西走廊東部位于中低緯度西風(fēng)氣流中，距平場（圖7d）為偏東風(fēng)。

圖7 偏多年和偏少年500 hPa年平均風(fēng)場（a、b）和距平場（c、d）（單位：m/s）

6 結(jié)論

對1961—2017年河西走廊東部5個國家氣象觀測站不同等級冷空氣的時空分布、周期變化、單站發(fā)生頻次及降溫幅度和寒潮的氣候特征、顯著偏多（少）年的物理機制及成因進行對比分析，得出如下結(jié)論：

（1）近57 a河西走廊東部各級冷空氣以Ⅰ級為主，年均日數(shù)為152～160 d/a，其次Ⅱ級，為10～16 d/a，Ⅳ和Ⅴ級基本接近達3～7 d/a，而Ⅲ級最少不足1 d/a。年空間分布Ⅰ級呈偏北沙漠區(qū)少、中部平原區(qū)多；其他4個級別與Ⅰ級相反，偏北沙漠區(qū)均偏多，Ⅳ和Ⅴ級中部少，而Ⅱ和Ⅲ級南部山區(qū)少。

（2）Ⅱ、Ⅳ和Ⅴ級季節(jié)分布與年分布基本相似，偏北沙漠區(qū)最多，中部平原區(qū)最少。Ⅲ級出現(xiàn)在春夏秋三季，沙漠區(qū)最多，南部無。Ⅰ級永昌、涼州站較多，秋冬季沙漠區(qū)少，春夏季南部山區(qū)少。Ⅴ級春季4月最多，3月次之；Ⅳ級4月最多，10月次之；Ⅲ級集中在夏季7—8月，10月—翌年4月無；Ⅱ級5月最多，10月次之；Ⅰ級夏季8月略多，其他月、季接近，分布較均勻。

（3）年降溫日數(shù)Ⅳ和Ⅴ級隨時間變化明顯減少，Ⅰ～Ⅲ級線性趨勢不明顯，Ⅰ和Ⅱ級略增多。年均降溫頻次的年代際差異不大，先降后升，但不同等級主要周期有差異：Ⅰ和Ⅱ級近7年明顯高于前5個年代際，逐年代際呈起伏升降的趨勢。Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ級20世紀(jì)60年代最多，隨年代際呈遞減趨勢。

（4）Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ級48 h年平均降溫幅度分別為2.3、6.8、8.5、8.8和11.7℃，Ⅴ級24、72 h平均降溫幅度分別為9.3、13.8℃。各站冷空氣的平均降溫幅度只有Ⅴ級季節(jié)性明顯，其中Ⅰ級春季和民勤最大，夏季最??；Ⅱ級秋季略大；Ⅲ級春夏季大，冬季無；Ⅳ級各站季節(jié)相近；Ⅴ級24 h降溫幅度涼州冬季和古浪夏季較大均為9.9℃；Ⅴ級48 h降溫幅度永昌夏季最大，為12.2℃，最小在烏鞘嶺，為10.4℃；Ⅴ級72 h降溫幅度古浪春季最大，達14.3℃。

（5）近57 a河西走廊東部寒潮次數(shù)有8個顯著偏多年，4個顯著偏少年，4月頻率最多占15.1%，10月差異最大，夏季差異較小。500 hPa位勢高度場顯著偏多年河西走廊東部受明顯的西北氣流控制，配合高度負距平中心；烏拉爾山脊利于極地干冷空氣向南輸送，有利于寒潮及強降溫天氣發(fā)生。顯著偏少年以緯向平直西風(fēng)氣流為主，有明顯的正距平，烏拉爾山附近是明顯的風(fēng)場輻合，冷空氣活動少，冷害天氣不易發(fā)生。