0 引言
暴雪是我国冬季主要的灾害性天气之一， 其造成的大范围积雪对全球气候反馈、 生态环境和城市运行等都有重要影响［1-5］。我国对北方暴雪、 高原暴雪、 环渤海冷流暴雪等都已开展了系统的研究。东北暴雪［6-7］主要出现在春季和秋季， 近50年来东北地区春季暴雪呈显著增加趋势， 而秋季暴雪则呈显著减少趋势。天气学研究表明， 造成东北地区暴雪的主要天气系统是低涡、 暖锋和锢囚锋； 造成华北地区暴雪的天气系统主要是蒙古气旋、 黄河气旋［8-10］。西藏高原全年都可出现暴雪， 近年来西藏高原暴雪频次呈减少趋势； 造成西藏高原暴雪天气过程的环流形势分为印度低压型、 南北支槽型、 巴尔喀什湖低压型、 伊朗高压型和高原低涡-切变型5种类型； 其中南支槽在每类环流型中都起着重要作用［11-12］。环渤海冷流暴雪以山东半岛最为显著， 主要出现在每年的1 - 3月， 造成此类暴雪的冷空气主要有西北、 偏北和偏西三条路径， 其中偏北路径是造成冷流暴雪的主要路径［13-14］。
新疆虽然为干旱、 半干旱地区， 但暴雪过程在每年冬季都会出现［15-17］。研究表明， 新疆北部大到暴雪多发于西部、 北部和天山北坡一带， 其中阿勒泰地区、 塔城盆地、 伊犁河谷、 乌苏到木垒的天山北坡一带及天山中部的中山带是新疆北部4个大到暴雪过程的高频区［18］。冷锋是造成新疆暴雪的主要天气系统， 锋前、 锋面和锋后都有暴雪出现， 其中天山北坡一带和天山中部的中山带为锋面或锋后降雪， 而北疆西部、 北部的暴雪则常出现在冷锋前部的暖区之中。低空急流、 辐合线和切变线是新疆北部暴雪的主要触发机制［19-20］。新疆北部暴雪的水汽主要来自北大西洋、 巴伦支海、 地中海、 里咸海和红海， 以中低纬纬向水汽输送为主［21-23］。新疆暴雪过程中伴随着中尺度云团的生消， 暴雪落区与中尺度云团TBB等值线梯度大值区的对应关系较好［24-26］。
目前针对新疆北部暴雪的研究多为天气个例分析［27-29］， 针对暴雪气候特征的研究多将春、 秋季暴雪与冬季暴雪作为一个整体进行分析， 专门针对新疆北部冬季暴雪开展的研究相对较少。过去几十年新疆北部冬季暴雪的时空分布和变化趋势呈现何种特征， 特别是新疆气候由暖干向暖湿转型后， 冬季暴雪的时空分布和环流系统是否发生了变化， 是否呈现出新的特征？这些问题尚不明晰。此外， 目前新疆的暴雪研究多关注于单站暴雪， 对于区域暴雪和大范围暴雪的系统性研究尚不多见。近年来， 随着全球气候变暖新疆北部冬季暴雪降水量呈显著增加趋势， 冬季降水极端化特征愈加明显， 暴雪造成的灾害也日益凸显［30-32］， 因此系统分析新疆北部暴雪特征和环流配置对提高区域防灾减灾能力具有重要意义。本文利用1961 - 2018年冬季逐日降水资料， 给出新疆北部不同类型暴雪的客观定义， 研究各类暴雪的时空变化和大尺度环流系统特征， 以期为新疆暴雪天气预报提供有益的参考。
1 资料和方法
1.1 资料
本文所用资料包括： （1）新疆气象信息中心提供的1961 - 2018年冬季新疆北部地区45个国家气象站逐日降水资料； 文中冬季指当年12月至次年2月。（2）NCEP/NCAR 500 hPa高度场和风场的逐日再分析资料， 水平分辨率为2.5°×2.5°。
1.2 暴雪日及暴雪分类统计标准
新疆降水等级业务标准［3］中规定： 日降水量R， 当12.1 mm≤R≤24.0 mm时为暴雪， 24.1 mm≤R≤48.0 mm为大暴雪， R≥48.1 mm为特大暴雪。一日内有一个或以上观测站出现暴雪， 则定义该日为一个暴雪日。
本文将新疆北部暴雪划分为局地暴雪、 区域暴雪和大范围暴雪三类。综合新疆北部地域特征， 站点分布和实际预报经验确定如下划分标准， 即在一个暴雪日中， 出现暴雪的测站数为n， 若n<3站， 则定义该日为局地暴雪日； 若3站≤n<7站， 则定义为区域暴雪日； 若n≥7站， 则定义为大范围暴雪日。
2 暴雪时间变化特征
2.1 年际变化特征
由图1（a）可以看出， 1961 - 2018年冬季新疆北部共出现134个暴雪日， 平均每年冬季出现暴雪日2.3天， 其中最多可达10天（2009年）， 最少为0天， 9年冬季未出现暴雪。在各类暴雪中， 局地暴雪出现的日数最多， 共出现98天， 占总暴雪日的73.1%， 平均每年出现1.7天［图1（b）］； 区域暴雪次之， 共出现28天， 占总暴雪日的20.9%， 平均每年出现0.5天［图1（c）］； 大范围暴雪最少， 仅出现8天， 占总暴雪日的6.0%， 平均每年出现0.1天［图1（d）］。1961 - 2018年冬季新疆北部暴雪日数的年际变化较大， 暴雪日数总体呈增加趋势， 其中区域暴雪日数的增加趋势通过了0.01的信度检验， 总暴雪日数和大范围暴雪日数通过了0.05的信度检验， 局地暴雪日数虽也呈弱增加趋势， 但未通过显著性检验。
图1
图1
1961 - 2018年冬季新疆北部暴雪日数的年际变化（黑色直线为暴雪日数趋势线）
Fig.1
Annual variations of snowstorm days in northern Xinjing from 1961 to 2018： total snowstorm （a）， partly snowstorm （b）， regional snowstorm （c） and large regional snowstorm （d）
2.2 月变化特征
图2
图2
1961 - 2018年冬季新疆北部暴雪日数的月变化特征
Fig.2
Monthly variations of snowstorm days in northern Xinjing from 1961 to 2018： total snowstorm （a）， partly snowstorm （b）， regional snowstorm （c） and large regional snowstorm （d）
2.3 年代际变化特征
新疆北部冬季暴雪日数总体呈增加趋势， 20世纪60 - 80年代， 以局地暴雪为主， 20世纪90年代后， 区域暴雪和大范围暴雪日数增加。从不同类型暴雪日数在各年代所占的比例可以看出（图3）， 20世纪60年代仅有局地暴雪， 无区域暴雪和大范围暴雪发生； 进入70年代， 区域暴雪开始出现， 但仍无大范围暴雪， 局地暴雪和区域暴雪所占比例分别为75.0%和25.0%。80年代， 大范围暴雪开始出现， 三类暴雪的占比分别为局地暴雪85.7%、 区域暴雪4.8%、 大范围暴雪9.5%。90年代， 区域暴雪的占比大幅提高， 达34.8%， 局地暴雪和大范围暴雪分别占56.5%和8.7%。进入21世纪后， 三类暴雪的占比相对稳定， 局地暴雪在60.0%～73.0%， 区域暴雪在21.0%～31.0%， 大范围暴雪在5.0%～9.0%。
图3
图3
不同类型暴雪日数在各年代所占比例
Fig.3
Decadal snowstorm proportions （1960s， 1970s， 1980s， 1990s， 2000s and 2011 - 2018） of the three type snowstorms： partly snowstorm， regional snowstorm and large regional snowstorm
新疆北部不同类型暴雪在各月所占比例的年代际差异较大（图4）， 总暴雪日数在各年代际中以12月的占比最高， 1月次之， 2月最少。20世纪60年代， 新疆北部地区冬季无区域暴雪和大范围暴雪出现， 70年代， 区域暴雪出现， 主要集中在12月和2月； 80年代， 大范围暴雪开始出现， 区域暴雪和大范围暴雪都集中出现在2月； 90年代， 区域暴雪在冬季三个月均有出现， 其中以12月的占比最多； 大范围暴雪则主要出现在1月和2月， 二者的占比相当； 21世纪10年代， 区域暴雪和大范围暴雪在各月的占比与20世纪90年代类似， 2011 - 2018年区域暴雪日数在1月的占比最高， 大范围暴雪则主要出现在12月和2月。
图4
图4
各年代不同类型暴雪日数在各月所占比例
Fig.4
Decadal proportions （1960s， 1970s， 1980s， 2000s and 2011 - 2018） of monthly （Dec.， Jan. and Feb.） snowstorm days of total snowstorm （a）， partly snowstorm （b）， regional snowstorm （c） and large regional snowstorm （d）
3 暴雪空间变化特征
图5给出1961 - 2018年冬季新疆北部45站累计暴雪日数和年平均暴雪日数的空间分布， 可以看出， 新疆北部暴雪日数的空间差异较大， 暴雪高发区域主要分布在伊犁河谷、 塔城地区北部、 阿勒泰地区东部和天山北坡中段［图5（a）］。新疆北部地区暴雪日数最大中心位于伊犁河谷的伊宁县站， 58年累计出现暴雪37天， 平均每年出现0.6天； 吉木乃、 和布克赛尔、 克拉玛依、 北塔山、 精河、 炮台、 巴仑台、 大西沟和达坂城9站在过去58年的冬季未出现过暴雪。由年平均暴雪日数的空间分布可以看出［图5（b）］， 北疆地区年平均冬季暴雪日数均不足1天， 除伊犁河谷的部分区域暴雪日数超过0.5天外， 北疆其他地区大多不足0.4天。
图5
图5
1961 - 2018年新疆北部暴雪日数的空间分布
Fig.5
Spatial distribution of snowfall days in northern Xinjiang from 1961 to 2018： cumulative snowfall days （a） and average annual snowfall days （b）
从各年代累计暴雪站次的空间分布可以看出（图略）， 新疆北部冬季暴雪呈年代际增加趋势， 且从20世纪80年代开始， 暴雪的空间分布从伊犁河谷向东扩展， 至21世纪， 乌鲁木齐成为一个新的暴雪中心。20世纪60年代， 北疆仅出现20站次暴雪， 且主要集中在伊犁河谷（11站次）； 70年代， 暴雪增至27站次， 其中伊犁河谷17站次； 80年代， 出现暴雪43站次， 除伊犁河谷外（20站次）， 塔城地区北部、 阿勒泰地区和北疆沿天山的暴雪开始增加； 90年代， 出现暴雪59站次， 其中伊犁河谷33站次， 塔城地区10站次， 阿勒泰地区7站次， 北疆沿天山地区9站次。21世纪00年代， 出现暴雪84站次， 为20世纪60年代的4.2倍； 最大值仍位于伊犁河谷（31站次）， 北疆沿天山暴雪增加至19站次， 特别是乌鲁木齐的暴雪日数增加至5天， 成为北疆沿天山一带新的暴雪中心。
各年代各站累计暴雪日数距平的空间分布更加清晰的揭示了， 新疆北部暴雪从20世纪80年代开始， 从伊犁河谷向东扩展的特征。可以看出（图6）， 20世纪60年代， 北疆大部地区的暴雪日数均为负距平， 70年代， 伊犁河谷和沿天山西部区域为正距平， 北疆其他地区仍为负距平。80年代， 正距平的范围扩大， 伊犁河谷和北疆沿天山大部开始转为正距平。90年代， 伊犁河谷大部、 北疆北部为正距平区， 沿天山的正距平站点较80年代有所减少。进入21世纪， 北疆正距平站点显著增加， 特别是塔城、 阿勒泰地区的站点均为正距平， 西沿天山的正距平站点较20世纪90年代增加。2011 - 2018年， 北疆北部转为负距平区域， 伊犁河谷和沿天山中部和东部地区仍为正距平区域。
图6
图6
新疆北部各年代累计暴雪日数距平值空间分布
Fig.6
Spatial distributions of the decadal variation of snowstorm in northern Xinjiang in 1960s （a）， 1970s （b）， 1980s（c）， 1990s （d）， 2000s （e） and 2011 - 2018 （f）
综上， 在20世纪60 - 70年代， 北疆冬季暴雪站次相对较少， 暴雪主要出现在伊犁河谷和塔城地区北部； 20世纪80年代至今， 北疆冬季暴雪站次显著增加， 除伊犁河谷地区外， 塔城地区、 阿勒泰地区和北疆沿天山一带的暴雪站次明显增多， 特别是天山北坡中段成为新的暴雪高发区域。
4 暴雪环流特征
本文重点针对1961 - 2018年冬季新疆北部地区36例一日内同时出现3站及以上的暴雪天气过程（即区域暴雪和大范围暴雪）的500 hPa典型环流形势进行分类， 并将同类环流型的500 hPa 高度场进行合成分析。由表1可以看出， 造成新疆北部冬季区域暴雪和大范围暴雪的500 hPa环流形势主要分为3类6型， 其中锋区波动类最多（22例）， 占总个例数的61.1%； 低槽类次之（8例）， 占22.2%； 低涡类最少（6例）， 仅占16.7%。由表1还可以看出， 从20世纪70年代到21世纪， 锋区波动类系统增多， 低涡类系统的年代际变化不大； 低槽类系统在20世纪70年代到21世纪00年代的年代际变化不大， 进入21世纪10年代后开始增多。下面分别讨论各类型的主要环流特征。
表1 新疆北部暴雪影响系统分类
Table 1
| 锋区波动类 | 低槽类 | 低涡类 | 合计 | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 偏西型 | 西北型 | 横槽底部型 | 低槽前部型 | 低涡底部型 | 低涡前部型 | ||
| 总数 | 12 | 10 | 2 | 6 | 4 | 2 | 36 |
| 20世纪70年代 | 2 | 2 | 0 | 0 | 0 | 0 | 4 |
| 20世纪80年代 | 0 | 1 | 0 | 0 | 1 | 1 | 3 |
| 20世纪90年代 | 7 | 0 | 1 | 0 | 2 | 0 | 10 |
| 21世纪00年代 | 0 | 6 | 1 | 1 | 1 | 1 | 10 |
| 21世纪10年代 | 3 | 1 | 0 | 5 | 0 | 0 | 9 |
4.1 锋区波动类
锋区波动类是造成新疆北部区域暴雪和大范围暴雪天气过程最多的一种天气形势（表1）， 其包括偏西型和西北型2型， 其中偏西型（12例）略多于西北型（10例）。20世纪70年代新疆北部冬季暴雪均为锋区波动类， 其中偏西型和西北型各2例； 80年代， 仅出现1例锋区波动西北型暴雪； 90年代锋区波动类暴雪占总暴雪的70%， 7例均为偏西型； 21世纪00年代锋区波动类暴雪占总暴雪的60%， 6例均为西北型； 2011 - 2018年， 锋区波动类暴雪占总暴雪的44.4%， 其中偏西型3例， 西北型1例。
图7
图7
新疆北部锋区波动类暴雪天气过程500 hPa位势高度场（实线， 单位： dagpm）和风场（矢量， 单位： m·s-1）合成分布
Fig.7
The composition distribution of geopotential height （contour， unit： dagpm） and wind field （vector， m·s-1） at 500 hPa in a snowstorm weather in northern Xinjiang： by west type （a） and northwest type （b）
4.2 低槽类
低槽类可分为横槽底部型和低槽前部型2型， 其中低槽前部型（6例）多于横槽底部型（2例）。20世纪70和80年代均未出现过低槽类暴雪， 90年代出现1例横槽底部型暴雪， 占总暴雪的10%； 21世纪00年代， 横槽底部型和低槽前部型暴雪各出现1例， 占总暴雪的20%； 2011 - 2018年， 低槽类暴雪占总暴雪的比例达55.6%， 且均为低槽前部型。
图8
图8
新疆北部低槽类暴雪天气过程500 hPa位势高度场（实线， 单位： dagpm）和风场（矢量， 单位： m·s-1）合成分布
Fig.8
The composition distribution of geopotential height （contour， unit： dagpm） and wind field （vector， m·s-1） at 500 hPa in a snowstorm weather in northern Xinjiang： transverse groove bottom type （a） and low groove front type （b）
4.3 低涡类
低涡类暴雪相对较少， 主要分为低涡底部型和低涡前部型2型， 其中低涡底部型（4例）多于低涡前部型（2例）。20世纪70年代无低涡类暴雪出现， 80年代低涡类暴雪占总暴雪的66.7%， 低涡前部型和低涡底部型各出现1例； 90年代和21世纪00年代， 低涡类暴雪均占总暴雪的20.0%； 2011 - 2018年无低涡类暴雪出现。
图9
图9
新疆北部低涡类暴雪天气过程500 hPa位势高度场（实线， 单位： dagpm）和风场（矢量， 单位： m·s-1）合成分布
Fig.9
The composition distribution of geopotential height （contour， unit： dagpm） and wind field （vector， m·s-1） at 500 hPa in snowstorm weather in northern Xinjiang： vortex bottom type（a）and vortex front type （b）
5 结论与展望
通过分析1961 - 2018年冬季新疆北部不同类型暴雪的时空分布及环流特征， 得到以下主要结论：
（1） 近58年新疆北部冬季暴雪日数总体呈增加趋势， 其中总暴雪、 区域暴雪和大范围暴雪日数的增加趋势显著； 局地暴雪日数增加趋势不显著。1961 - 2018年冬季新疆北部共出现134个暴雪日， 其中局地暴雪最多（98天）， 占总暴雪日数的73.1%； 区域暴雪次之（28天）， 占20.9%； 大范围暴雪最少， 仅占6.0%。
（2） 新疆北部年平均总暴雪日数为2.3天， 局地暴雪为1.7天， 区域暴雪为0.5天， 大范围暴雪仅为0.1天。总暴雪、 局地暴雪和区域暴雪日数均为12月最多， 2月次之， 1月最少； 大范围暴雪日数为2月最多， 1月次之， 12月最少。
（3） 新疆北部暴雪日数呈现明显的阶段性差异， 20世纪60 - 80年代， 以局地暴雪为主， 区域暴雪和大范围暴雪日数较少； 20世纪90年代后， 特别是进入21世纪后， 区域暴雪和大范围暴雪日数明显增多， 占总暴雪日数的比例增加。
（4） 20世纪60 - 80年代， 新疆北部的暴雪中心主要位于伊犁河谷和塔城地区北部， 20世纪90年代后， 除伊犁河谷和塔城地区北部外， 阿勒泰地区、 天山北坡中段的暴雪日数明显增加， 乌鲁木齐成为天山北坡新的暴雪中心。
（5） 新疆北部暴雪的环流形势分为3类6型， 锋区波动类最多， 占61.1%， 包括偏西型和西北型2型。低槽类次之， 占22.2%， 包括横槽底部型和低槽前部型2型。低涡类最少， 仅占16.7%， 包括低涡底部型和低涡前部型2型。20世纪70年代新疆北部冬季暴雪均为锋区波动类； 80年代， 为锋区波动和低涡两类； 90年代， 以锋区波动类最多， 低涡类次之， 低槽类最少； 21世纪00年代， 锋区波动类仍最多， 低槽类次之， 低涡类最少； 2011 - 2018年， 为低槽和锋区波动两类。进入21世纪后， 低槽类暴雪显著增加， 特别是2011 - 2018年， 低槽类成为造成冬季北疆暴雪的主要环流类型。
新疆位于西北干旱区西部， 其降水变化和西北干旱区东部不同， 由于不受东亚夏季风影响， 因而降水的年代际变化也不同于我国季风区， 其气候在我国具有一定特殊性， 更多体现中亚气候特征。由前文分析可知新疆北部冬季暴雪与新疆气候由暖干向暖湿转型的时间变化趋势基本一致， 近58年来新疆北部暴雪增加， 特别是区域暴雪和大范围暴雪日数呈显著增加趋势， 暖湿背景下新疆冬季降水异常的成因还有待进一步研究。此外， 20世纪80年代开始， 新疆北部暴雪高发区的空间分布从伊犁河谷向北疆沿天山一带扩展， 至21世纪， 乌鲁木齐成为一个新的暴雪中心， 导致上述现象的物理机制目前尚不清晰， 下一步我们将利用数值模拟的方法， 开展更加深入的研究。
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