1971—2015年北疆地区不同等级冷空气时空统计特征分析

刘红霞，王 飞，杨温萍，黄 玲

（1.中亚大气科学研究中心，新疆 乌鲁木齐830002；2.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，新疆 乌鲁木齐830002；3.塔城地区气象局，新疆 塔城834700； 4.青河县气象局，新疆 阿勒泰836200；5.呼图壁县气象局， 新疆 昌吉831200）

冷空气过程是冬半年影响我国最主要的灾害性天气，它不仅会导致人体免疫功能下降、引发呼吸疾病，同时对农业、牧业、交通运输等造成破坏[1]。黄焕卿等[2]发现，全国大部中强冷空气和寒潮年发生次数呈减少趋势，但少部分地区出现中强冷空气年发生次数增多趋势，冬季冷空气发生次数比秋、春两季减少明显。朱晨玉[3]等指出，1961—2010年寒潮冷空气活动频数呈年代际减少趋势，1980年之前频数偏多，1990年后频数偏少。周琳[4]等指出，我国单站冷空气呈北多南少、北强南弱的分布特征，新疆北部冷空气频次较多，大多出现在12月—次年1月，呈现先减少再增加，20世纪90年代后波动较小的特征。毛炜峄[5]等人对乌鲁木齐市1961—2015年寒潮过程的频数、持续日数和6项强度要素的气候特征进行了分析。段均泽等[6]对近56 a伊犁河谷冷空气过程气候变化特征进行了分析。

每年的11月—次年5月，新疆北部常遭受北方冷空气的侵袭，造成不同程度的大风、降温、降雪、冰霜冻等灾害天气，给人们生活带来不利影响。而近几年大多数研究成果[7-19]都是针对寒潮和强冷空气这样的强过程，而弱冷空气、中强冷空气和较强冷空气的研究较少，本文在前人研究的基础上，选取近45 a北疆区域50个国家站点资料，对北疆各站历年的不同等级冷空气活动，从时间和空间分布等方面进行统计分析，希望得到有意义的结论，为进一步提高冷空气预报的准确率，做出更为准确的短期气候预测起到一定的作用。

1 资料与方法

1.1 资料

为保证资料的完整性和连续性，建立均一、稳定的气温序列，本研究依据资料的连续性及完整性等标准，共选取了北疆区域阿勒泰、塔城、博州、伊犁、克拉玛依、石河子、昌吉、乌鲁木齐、哈密9个地区50个气象观测站（图1）的逐日平均气温和最低气温数据，资料时间跨度为1971—2015年，所选站点均经过了严格的质量检查和控制，包括极值检验和时间一致性检验等，以上数据来源于新疆维吾尔自治区气象信息中心。个别站点缺失数据采用线性回归等插值方法进行插补，并进行显著性检验。

图1 北疆50个气象观测站点分布

1.2 研究方法

毛炜峄等人[12]在研究乌鲁木齐降温过程时，为弥补《冷空气等级》定义的不完备性，制作了不同等级降温过程标准表，博尔楠等人[13]在研究阿勒泰地区不同等级降温日气候特征时也引用了上述研究成果；本研究依据日最低气温下降幅度及日最低气温两个指标，结合冷空气等级[14]，将冷空气划分为弱冷空气、中等强度冷空气、较强冷空气、强冷空气、寒潮等5个等级，具体定义见表1。根据以上定义整理出北疆地区1971—2015年期间4316次冷空气活动过程，借鉴曹兴等[15]、马建勇等[16]、庄晓翠等[17]研究方法，针对不同等级冷空气活动频次分别采用非参数化趋势分析、线性趋势分析方法计算变化趋势，并进行显著性检验；使用Mann-Kendall法分析冷空气突变特征；使用小波分析法对冷空气活动周期演变特征进行研究。

表1 不同等级冷空气划分标准

2 结果分析

2.1 冷空气过程持续日数特征

1971—2015年，北疆4316次冷空气过程持续日数在1～15 d，平均持续日数为1.79 d。其中持续1 d、2 d的冷空气过程最多，分别出现2229次、1230次，占冷空气过程总数的51.7%、28.5%，合计达80.2%；持续日数6 d及以上的冷空气过程频数极少，均不足2%（表2）。弱冷空气、中等强度冷空气、较强冷空气、强冷空气和寒潮过程平均持续日数分别为 1.57、2.3、2.28、2.66 d 和 1.43 d。其中弱冷空气过程持续日数以1～2 d为主，合计占弱冷空气过程总数的86.5%；中等强度冷空气、较强冷空气和寒潮过程持续日数均以1～3 d为主，分别占同级别寒潮过程总数的86.4%、90.6%和85%；而强冷空气过程持续日数以2～4 d为主，合计占强冷空气过程总数的91.2%。冷空气过程持续日数超过10 d的共有10个站次，其中弱冷空气过程8站次，强冷空气1站次（石河子12 d），寒潮1站次（霍尔果斯11 d）。

表2 北疆不同持续日数的冷空气过程频数

2.2 北疆单站不同等级冷空气时空分布特征

2.2.1 空间分布特征

1971—2015年北疆单站冷空气总频次（图2a）在3918～4747次之间，平均95.3次/a，呈现出自盆地向山地减少的特征。4个高频次区分别位于北疆南部的柴窝堡—达坂城盆地、中部的准噶尔盆地、东部的淖毛湖盆地、西部的昭苏山间盆地，均在4400～4747次范围内，其中高值中心出现在达坂城，为4747次；3个低频次区分别位于天山中段北麓的小渠子—米泉、木垒—北塔山、西北部的吉木乃—和布克赛尔，在3900～4200次范围内，以小渠子—米泉频次最低，分别为3918次、3976次。

北疆单站弱冷空气（图2b）频次在2600～3700次之间，平均70.9次/a，自西南向东北逐渐减少。西南部出现弱冷空气次数最多，尤其是昭苏—特克斯—新源至精河—博乐一带，在3400～3605次范围内，期间有2个高值中心，分别是：新源3605次、昭苏3563次；天山中段北麓的达坂城出现一个次高值中心，为3506次；东北部阿勒泰地区最低，在2648～2672次，低值中心出现在吉木乃，为2648次；准噶尔盆地中部及北疆东部较大范围弱冷空气次数在2700～3400次。

北疆单站中等强度冷空气（图2c）频次在400～796次，平均11.8次/a，东西分布特征较明显，自东向西逐渐减少，受盆地叠加效应影响，准噶尔盆地出现频次较高。西南部和北疆天山山区出现中等强度冷空气频次最低，为400～540次；小渠子和新源出现两个低值中心，分别为400、401次，西南部的伊犁地区和西部的塔城地区分别有一个相对的高值中心，分别是尼勒克（572次）和裕民（576次）；北疆南部的柴窝堡—达坂城盆地、中部的准噶尔盆地、东部的淖毛湖盆地出现660～800次，高值中心出现在达坂城和蔡家湖，为796次、699次；东北部的阿勒泰地区、北疆沿天山一带、东部的哈密地区中等强度冷空气次数为540～660次。

北疆单站较强冷空气（图2d）频次在1～543次之间，大多在160次以下，平均1.8次/a，总体呈现出由南向北减少的趋势，其中西部由西南向东北减少，东部由东向西减少。3个高值中心均位于高海拔地区（1800 m以上），分别是伊吾、昭苏和大西沟，出现频次分别为543、459次和436次，低值中心分别出现巴里坤—青河、小渠子—天池、特克斯—温泉一带，均在10次以下。

北疆单站强冷空气（图1e）频次在120～267次之间，平均4.2次/a，总体呈由南向北增加的特征，在天山山区和北疆沿天山一带又呈现出由西向东增加的趋势特点。在伊犁地区出现次数最低（130～173次），阿勒泰地区最高（209～267次）。西部伊犁、博州、塔城南部、克拉玛依一带在120～170次之间，石河子、昌吉、哈密伊吾一带多在170～210次之间，塔城北部、阿勒泰地区、哈密巴里坤一带多在210～267次之间；其中3个高值中心分别出现在阿勒泰、吉木乃和裕民，分别为267、248、244次，一个低值中心出现在阿拉山口，为120次。

图2 北疆单站1971—2015年平均年不同等级冷空气频次

北疆单站寒潮（图2f）频次在104～703次之间，平均7.3次/a，与强冷空气频次特征基本相同，总体呈由南向北增加的特征，在天山山区和北疆沿天山一带呈现东多西少的特点。博州地区出现频次最低（104～206次），阿勒泰地区出现频次最高（457～703次）。西南部的阿拉山口—新源一线为低值中心，均在154次以下，以此为界，向东北和西南逐渐增加，西南部伊犁地区出现频次最高的是尼勒克和察布查尔，分别为464次和403次，最低值出现在新源，为146次；西北部的塔城地区从北向南逐步减少，最低值出现在乌苏，为166次，最高值出现在额敏，为507次；北疆东部最高值出现在巴里坤，为559次，以此为界向伊吾和木垒方向逐渐减少；乌鲁木齐、昌吉、石河子大部分地区出现寒潮多在150～300次，一个低值中心在米泉，为139次；北疆寒潮出现频次的高值中心在青河，为703次。

2.2.2 时间变化特征

1971—2015年北疆单站冷空气年频次倾向率（图3a）大部区域呈下降趋势，除北疆沿天山一带的精河—乌苏—呼图壁—阜康，北部的阿勒泰—和布克赛尔，东部的伊吾及达坂城冷空气呈增加趋势外，其它区域均为减少趋势，其中只有玛纳斯通过了α=0.01水平下的显著性检验。西南部、东部明显较中部、北部减少趋势大，巴里坤为东部负值高中心，中心值达-1.108/10 a，通过了0.05的显著性水平检验，西南部在霍尔果斯—昭苏—新源出现3个负值高中心，中心值分别为-1.475/10 a、-1.012/10 a、-1.157/10 a，其中霍尔果斯通过了α=0.001水平下的极显著性检验，新源通过了α=0.01水平下的显著性检验；西北部的托里出现一个负值高中心，中心值为-1.034/10 a，托里和北部的富蕴均通过了α=0.05水平下的显著性检验，除上述之外的其余大部倾向率均＜1.0/10 a，且显著性不明显。

图3 北疆单站1971—2015年不同等级冷空气线性倾向率

弱冷空气各站倾向率大多为正值（图3b），仅有西部的伊犁大部、北部的哈巴河、吉木乃、东部山区的北塔山、奇台倾向率为负值，其余都为正值，其中正值高中心出现在莫索湾和炮台，倾向率为1.277/10 a、0.754/10 a，负值高中心出现在霍尔果斯，倾向率为-0.915/10 a，通过了α=0.01水平下的显著性检验，其余大部分地区变化趋势不明显。中等强度冷空气年频次变化趋势（图3c）大部分地区呈减少趋势，除北疆沿天山的玛纳斯一带、达坂城、西部的伊宁县-霍尔果斯、西北部的裕民—额敏、北部的阿勒泰一带倾向率为正值，有增加趋势外，其余为负值，负值的高值中心位于莫索湾和特克斯，倾向率为-2.054/10 a、-1.409/10 a，通过了 α=0.01 水平下的显著性检验，正值的高值中心位于玛纳斯和达坂城，倾向率为1.75/10 a、1.15/10 a，通过了α=0.05水平下的显著性检验，其它各站只有大西沟和炮台通过α=0.05水平下的显著性检验，其余区域均未通过检验，变化趋势不明显。

较强冷空气各站大多呈现增加趋势（图3d），只有哈密地区、部分山区站、北疆沿天山一带和伊犁少部分地区为减少趋势。温泉和莫索湾减少趋势最明显，倾向率为-5.738/10 a、-4.542/10 a，莫索湾通过了α=0.001水平下的极显著性检验，增加趋势最明显的是天池和巴里坤，倾向率为17.5/10 a、10.125/10 a，天池通过了α=0.05水平下的显著性检验，其它各站只有北塔山、吉木乃、托里、霍尔果斯、木垒、巩留通过了α=0.05水平下的显著性检验，其它区域变化趋势不明显。

强冷空气（图3e）各站大多呈减少趋势，仅有北疆北部的哈巴河—富蕴、西南部的昭苏—伊宁—精河、东部的哈密—奇台一带为增加趋势，增加趋势最显著的是精河和富蕴，倾向率分别为1.849/10 a、1.702/10 a，其余大部分地区均为减少趋势，其中莫索湾、克拉玛依减少趋势最明显，倾向率为-2.903/10 a、-2.653/10 a，并通过了α=0.01水平下的显著性检验，其它各站只有炮台和西北部的额敏通过了α=0.05水平下的显著性检验，其它区域变化趋势不明显。

寒潮（图3f）各站大多呈现减少趋势，只有昌吉和阿勒泰部分区域寒潮过程呈增加趋势，其它区域均呈现减少趋势。米泉、新源、托里、吉木萨尔、乌苏、沙湾线性倾向率均超过-2.0/10 a以上，托里减少趋势最显著，通过了α=0.001水平下的极显著性检验，其次是吉木萨尔和巴里坤，通过了α=0.01水平下的显著性检验，还有20%的站通过了α=0.05水平下的显著性检验，其余各站变化趋势均不明显。

2.3 北疆不同等级冷空气变化的气候特征

2.3.1 不同等级冷空气频次年际变化

为研究北疆冷空气频次的年际变化特征，将该区域内各年不同等级冷空气频次进行算术平均后得到逐年各等级冷空气的频次演变，然后进行9 a滑动和线性拟合。由图可见，近45 a北疆冷空气频次（图4a）总体为减少趋势，呈现先减少后增加的特点，减少速率为-0.33/10 a，20世纪90年代初之前在波动中略有减少，后呈减少趋势，在1998年达最低值，后又呈现明显增加趋势，在2010年后有所回落，最高值出现在2008年；弱冷空气（图4b）呈增加趋势，增加速率为0.17/10 a，1989年出现最多，2010年最少，20世纪90年代中期之前在波动中保持稳定，之后呈现减少—增加的趋势，2010年后又呈稳定状态；中等强度冷空气（图4c）呈减少趋势，减少速率为-0.13/10 a，1985年之前明显偏多，1985—2003年明显偏少，1972年最多，1981年最少；较强冷空气（图4d）略有增加，增加速率为0.03/10 a，但增加趋势不明显，20世纪80—90年代中期偏少，进入21世纪后偏多，1993年、2003年最少，1980年、2015年最少；强冷空气（图4e）减少趋势不明显，减少速率为-0.07/10 a，70年代处于偏多阶段，自80年代开始在波动中变化不大，1985年最多，2008年最少；寒潮（图4f）呈显著的下降趋势（通过了α=0.05水平下的显著性检验），减少速率为-0.37/10 a，90年代之前呈减少趋势，之后在波动中保持稳定略有增加，2003年后显著减少，最多年份出现在1998年，最少年份在2007年，其次是1982年。

2.3.2 不同等级冷空气频次年代际变化

由表3看出，不同等级冷空气各年代之间变幅不明显。冷空气频次从20世纪70—90年代逐渐减少，在90年代达最少，进入21世纪后又增加至20世纪80年代水平；弱冷空气在20世纪70年代和90年代较少，80年代最多，进入21世纪后略有增加且基本稳定；中等强度冷空气20世纪70年代最多，80—90年代频次持平，2001—2010年略有增加后又减少；较强冷空气20世纪70年代和2001—2010年最多，20世纪80—90年代、2011—2015年有所回落且变化不大；强冷空气在20世纪70年代最多，80年代减少，90年又开始增加，后进入21世纪后略有减少且维持不变；寒潮亦在20世纪70年代最多，之后逐年代下降，90年代略有波动，2011—2015年减至最少。

表3 北疆不同等级冷空气频次年代际变化（次）

图4 1971—2015年北疆不同等级冷空气频次年际变化

2.3.3 不同等级冷空气频次周期特征

对近45 a北疆不同等级冷空气活动频次进行小波分析（图5），由图5可知，北疆不同等级冷空气活动频次均有着明显的年代际和年际尺度变化，经历了偏多时期（浅色部分）到偏少时期（深色部分）的往复过程，其中冷空气总频次（图5a）年代际振荡贯穿整个低频段，30 a周期明显，时期上呈现出“偏多—偏少—偏多（未闭合）”的特点，因数据序列只有45 a，故30 a周期不可信，从图中可看出还存在一个15 a左右的显著振荡周期，2000年后，该周期逐渐变短，至2015年变为5 a的周期；弱冷空气（图5b）在20世纪70—80年代存在5 a、20 a的振荡周期，到90年代合并为一个10 a左右的显著周期，且周期随时间逐渐变短；中等强度冷空气（图5c）30 a和15 a的年代际准周期明显且贯穿始终，另外在年际尺度上1975—2010年还存在一个3～5 a的显著周期；较强冷空气（图5d）年代际尺度上始终存在一个25 a左右的周期，呈现偏多—偏少—偏多的特点，在年际尺度上存在一个5～8 a的振荡周期，且非常显著，另外在1990—2010年期间还存在一个3 a左右的弱振荡周期；强冷空气（图5e）年代际尺度上，一直存在一个20 a的弱周期，年际尺度上1995年之前存在一个5 a的显著周期，之后变为3 a的弱振荡周期；寒潮（图5f）年代际尺度上，准18 a的周期十分显著，年际尺度上1995年以前准10 a的周期振荡强烈，之后3～5 a的周期持续到2015年。

2.3.4 不同等级冷空气频次突变特征

图5 1971—2015年北疆不同等级冷空气周期变化

Mann-kendall作为非参数统计检验方法已被广泛应用于气候要素的突变分析中，在给定显著性水平 α=0.05（既 U0.05=±1.96）条件下，把 U（dk）沿时间轴绘成曲线UF，而后将此序列反向再次计算U（dk），绘成曲线UB，若UF与UB相交且交点位于置信区间内，则交点即为突变点。由北疆1971—2015年不同等级冷空气突变检验结果看出：冷空气在1980年发生突变（图6a），由稳定变为显著减少趋势；弱冷空气（图6b）天气过程频次曲线相交频繁，结合CA检验法（累积距平法），发现突变点发生在1993年和2004年；中等强度冷空气20世纪70年代初显著减少（图6c），1975年发生突变，后减少趋势变缓，2010年后曲线又有交叉，但通过CA检验法验证，发现未发生突变；较强冷空气在1980年、2003年发生突变（图6d），2010年后增加较为明显；强冷空气曲线相交频繁（图6e），结合CA检验法进一步检验，结果显示突变点出现在2000年，由明显的增加趋势变为稳定波动；寒潮在1981、1996、2003年发生3次曲线交叉（图6f），通过CA检验法进一步检测结果显示，1981年和2003年为突变发生点，由显著减少趋势转变为稳定波动阶段，在2003年又转变为显著减少趋势。

3 结论与讨论

（1）统计分析了近45 a来北疆地区4316次不同等级冷空气过程，冷空气持续日数特征表现为：平均持续日数为1.79 d，其中弱冷空气持续日数以1～2 d为主，中等强度冷空气、较强冷空气和寒潮过程平均持续日数以1～3 d为主；冷空气持续日数与冷空气发生季节[12]、冷空气源地、移动路径及环流分型[18]有关，具体形成机制有待进一步研究。

（2）1971—2015年，北疆各站不同等级冷空气过程平均出现频次为95.3次/a，空间分布特征表现为：自盆地向山地逐渐减少，最大值出现在达坂城（4747次），最低值出现在小渠子（3918次）；其中弱冷空气呈现自西南向东北逐渐减少的特征；中等强度冷空气东西分布特征较明显，自东向西逐渐减少，受叠加盆地效应影响，准噶尔盆地出现次数较多；较强冷空气呈现由南向北递减的趋势，其中西部由西南向东北递减，东部由东向西递减，3个高值中心均位于高海拔地区（1800 m以上）；强冷空气则呈由南向北递增的趋势，在天山山区和北疆沿天山一带呈现出由西向东递增的趋势特点，高值中心出现在阿勒泰（267次），低值中心出现在阿拉山口（120次）；寒潮空间分布特征与强冷空气基本相同，高值中心位于青河（703次），低值中心位于阿拉山口（104次）。冷空气空间分布特征反映出北疆地区冷空气活动频次、强度主要受纬度、地形及拔海高度影响，其中地形、拔海高度对冷空气总频次、弱冷空气及中等强度冷空气影响明显，表现为盆地多于山地，随海拔高度呈递增趋势；强冷空气和寒潮主要受纬度影响，呈现由南向北递增趋势。

图6 1971—2015年北疆不同等级冷空气突变变化

（3）受全球气候变暖的影响，近45 a北疆地区大部区域冷空气活动频次呈减少趋势，且具有明显地域变化特征，空间分布表现为西南部、东部减少趋势明显大于中部、北部的特征；年代际变化总体呈递减趋势，具体表现为先减少后增加，减少速率为0.33次 /10 a，其中20世纪70年代最多，80年代减少，90年代又开始增加，后振荡维持。

（4）应用小波分析法对北疆地区近45 a冷空气活动频次周期特征分析发现：在年代际尺度上，一直存在一个30 a的显著振荡周期，在2000年之前还存在一个15 a左右的显著周期，随后周期逐渐缩短，并在1980年发生突变；冷空气活动表现出周期变短，突变增多的特点，笔者初步认为与近年来各类极端温度事件的频繁发生[18]有关，具体成因有待进一步研究讨论。