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  • CN 62-1072/P 
  • ISSN 1000-0240 
  • 创刊于1979年
  • 主管单位:中国科学院
  • 主办单位:中国科学院寒区旱区
  •                  环境与工程研究所
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冰川冻土, 2021, 43(4): 1060-1072 doi: 10.7522/j.issn.1000-0240.2021.0071

冰冻圈与全球变化

1951—2016年中亚努尔苏丹与乌鲁木齐寒潮过程频数变化及其主要影响因子对比分析

段均泽,1,2, 毛炜峄,1, 黄迤静3, 陈静1, 迪丽努尔·托列吾别克1, 姚俊强1, 沈永平4

1.中国气象局 乌鲁木齐沙漠气象研究所, 新疆 乌鲁木齐 830002

2.新疆气候中心, 新疆 乌鲁木齐 830002

3.博州气象局, 新疆 博尔塔拉 833400

4.中国科学院 西北生态环境资源研究院, 甘肃 兰州 730000

Comparison and analyses on climate characteristics of the cold wave in Nursultan and Urumqi, Central Asia during 1951—2016

DUAN Junze,1,2, MAO Weiyi,1, HUANG Yijing3, CHEN Jing1, DILINUER Tuoliewubieke1, YAO Junqiang1, SHEN Yongping4

1.Institute of Desert Meteorology,China Meteorological Administration,Urumqi 830002,China

2.Xinjiang Climate Center,Urumqi 830002,China

3.Bozhou Meteorological Bureau,Bortala 833400,Xinjiang,China

4.Northwest Institute of Eco-Environment and Resources,Chinese Academy of Sciences,Lanzhou 730000,China

通讯作者: 毛炜峄, 正研级高级工程师, 主要从事短期气候预测、 干旱区气候、 区域气候变化及其影响研究.E-mail: mao6991@vip.sina.com

编委: 周成林

收稿日期: 2019-09-03   修回日期: 2020-07-29  

基金资助: 国家重点研发计划“气候变暖背景下极端强降温形成机理和预测方法研究”项目“多因子对极端强降温过程的协同作用和多时间尺度影响机理”课题.  2018YFC1505602
中亚大气科学研究基金项目“中亚北部典型城市寒潮活动变化特征对比研究”.  CAAS201807

Received: 2019-09-03   Revised: 2020-07-29  

作者简介 About authors

段均泽,高级工程师,主要从事短期气候预测、监测和气候变化研究.E-mail:djz8310@163.com , E-mail:djz8310@163.com

摘要

利用1951—2016年努尔苏丹和乌鲁木齐的逐日最低气温资料, 以当年7月到翌年6月为统计年, 对比分析了中亚地区的努尔苏丹与乌鲁木齐的寒潮、 强寒潮和超强寒潮过程频数气候变化特征, 并初步分析了冬季北极涛动(AO)、 北大西洋涛动(NAO)与中亚两个城市同期寒潮活动关系。结果显示: 努尔苏丹的年平均寒潮过程频数(15.7次·a-1)是乌鲁木齐(4.1次·a-1)的3.88倍, 强寒潮和超强寒潮过程频数分别是乌鲁木齐的5.91倍和7.55倍; 努尔苏丹的超强寒潮过程频数月分布呈单峰型, 1月最多, 乌鲁木齐的呈双峰型, 峰值分别出现在11月和4月。努尔苏丹的寒潮过程持续日数普遍比乌鲁木齐短。65 a来, 努尔苏丹与乌鲁木齐的春季寒潮过程频数之间的相关关系显著。努尔苏丹和乌鲁木齐的年寒潮过程频数的线性递减率分别为-0.111次·(10a)-1和-0.445次·(10a)-1; 两城市秋、 冬、 春季寒潮、 强寒潮和超强寒潮过程频数线性趋势大多以递减为主, 但是努尔苏丹冬季和乌鲁木齐春季的超强寒潮过程频数均呈递增趋势。努尔苏丹的年超强寒潮过程频数在近5 a最多。努尔苏丹的年寒潮过程频数序列有31 a、 20 a左右的显著周期, 乌鲁木齐的年寒潮过程频数序列有39 a、 8 a左右显著周期。北大西洋涛动(NAO)与努尔苏丹和乌鲁木齐寒潮过程的关联程度比北极涛动(AO)与它们之间的关联程度更为密切; 努尔苏丹的寒潮过程频数受NAO以及AO的影响程度更深。

关键词: 寒潮过程频数 ; AO ; NAO ; 努尔苏丹 ; 乌鲁木齐

Abstract

Using the daily minimum temperature of Nursultan and Urumqi from 1951 to 2016, the characteristics of cold waves were compared and the relationship between Arctic Oscillation (AO), North Atlantic Oscillation (NAO) and the cold wave in two cities were analyzed. From this July to next June was regarded as a statistic year in this paper.The results show that: (1) The average annual cold wave frequency of Nursultan (15.7 times·a-1) is 3.88 times that of Urumqi (4.1 times·a-1), strong cold wave and super cold wave is 5.91 and 7.55 times, respectively. The distribution of the super cold wave in Nursultan is unimodal, the most in January, and the Urumqi is bimodal, with peaks appearing in November and April. The cold wave process in Nursultan is generally shorter than Urumqi. (2) There was a significant correlation between Nursultan and Urumqi in recent 65 years. The annual frequency linear decline rates of the cold wave in Nursultan and Urumqi are -0.111 times·(10a)-1 and -0.445 times·(10a)-1, respectively. The linear trend of cold wave, strong and super cold wave frequencies were decline, except winter in Nursultan and spring in Urumqi. The cold wave in Nursultan is most frequent in the last 5 years, and it has a significant period with 31 years and 20 years. The frequency of the annual cold wave in Urumqi has a significant period of around 39 years and 8 years. (3) The NAO is more closely related to the cold wave of Nursultan and Urumqi than the AO. The frequency of the cold wave in Nursultan is more affected by NAO and AO.

Keywords: cold wave process ; Arctic Oscillation (AO) ; North Atlantic Oscillation (NAO) ; Nursultan ; Urumqi

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本文引用格式

段均泽, 毛炜峄, 黄迤静, 陈静, 迪丽努尔·托列吾别克, 姚俊强, 沈永平. 1951—2016年中亚努尔苏丹与乌鲁木齐寒潮过程频数变化及其主要影响因子对比分析[J]. 冰川冻土, 2021, 43(4): 1060-1072 doi:10.7522/j.issn.1000-0240.2021.0071

DUAN Junze, MAO Weiyi, HUANG Yijing, CHEN Jing, DILINUER Tuoliewubieke, YAO Junqiang, SHEN Yongping. Comparison and analyses on climate characteristics of the cold wave in Nursultan and Urumqi, Central Asia during 1951—2016[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2021, 43(4): 1060-1072 doi:10.7522/j.issn.1000-0240.2021.0071

0 引言

寒潮是中高纬度地区的主要灾害性天气, 通常会造成剧烈降温和大风, 有时还伴有暴雪等一系列灾害天气, 给当地农牧业生产、 交通运输以及公众生活等带来很大影响。国内外气象专家对寒潮进行研究已经取得了许多成果, 20世纪中叶以来, 我国寒潮活动减少, 北方各地寒潮减少最为显著1-2。1961年以来, 我国东北辽宁省的极端冷事件(冷昼日数、 冷夜日数、 结冰日数、 霜冻日数和寒潮持续指数)呈减少趋势, 极端冷事件在20世纪80年代末期开始显著减少3。新疆中等强度冷空气和强冷空气的年平均频次呈不显著减少趋势, 寒潮呈显著减少趋势4。我国东北5、 内蒙古6、 河北省7以及新疆北部阿勒泰8的寒潮减少与冬季增暖有明显相关性,气候变暖是寒潮过程减少的重要气候背景。根据细化的降温过程定义, 给出了乌鲁木齐市降温过程9以及寒潮过程10的频数与强度变化特征, 并讨论了单站寒潮过程强度的单因子、 多因子指标及其在气候评价业务中的应用11。北半球极涡面积指数与我国东北地区辽宁寒潮频次呈明显正相关关系, 辽宁省寒潮偏多月份极涡较气候平均位置偏南, 50° N附近70° ~ 180° E之间纬向风明显偏大12。新疆冬季极端低温事件异常多少与NAO、 500 hPa乌拉尔山脊以及其以东50° ~ 70° E西风强弱的综合调制作用关系密切13。有研究将中国新疆与中亚五国视为中亚核心区域14-15, 中亚地区是全球气候变化最为剧烈的区域之一16。近些年来, 有研究成果分析了中亚哈萨克斯坦东部天山北麓城市阿拉木图1951—2006年的寒潮过程气候变化特征, 并与乌鲁木齐进行了对比17。努尔苏丹(51.1° N, 71.5° E)是哈萨克斯坦首都, 位于哈萨克斯坦中北部半沙漠草原, 乌鲁木齐(43.5° N, 87.4° E)是中国新疆维吾尔自治区首府, 地处天山北麓。两个城市均为中亚北部寒潮频发和受灾较为严重的典型城市, 地理位置见图1。在苏联解体前后, 努尔苏丹观测资料相对连续完整, 对于研究中亚地区气候变化规律显得尤为难得。努尔苏丹地理位置处于新疆天气系统上游, 是影响我国寒潮天气南下的重要区域。在全球变暖的背景下, 分析中亚与新疆的寒潮气候变化特征及其异同具有一定的现实意义。通过对比努尔苏丹和乌鲁木齐寒潮过程气候变化特征的异同, 有利于建立覆盖中亚区域的寒潮过程监测、 预测等气候业务提供参考依据, 进而提高丝绸之路经济带中亚区域的气象防灾减灾能力。

图1

图1   中亚城市努尔苏丹、 乌鲁木齐地理位置

Fig.1   Geographical location of the Nursultan and Urumqi in Central Asia


1 资料与分析方法

1.1 资料

本文选取努尔苏丹和乌鲁木齐1951—2016年的逐日最低气温, 努尔苏丹逐日气温资料来源于世界气象组织国家间的数据交换共享网站(东英吉利大学气候研究中心, CRU), 乌鲁木齐逐日气温资料来源于新疆气候中心。北极涛动(AO)和北大西洋涛动(NAO)指数来源于国家气候中心业务网站(https://cmdp.ncc-cma.net/cn/download.htm)。

1.2 寒潮过程判定标准

国家标准《寒潮等级(GB/T 21987—2017)》中定义, 寒潮是指某地日最低气温24 h内降温幅度≥8 ℃或48 h内降温幅度≥10 ℃, 或72 h内降温幅度≥12 ℃, 且日最低气温≤4 ℃的冷空气过程, 其中48 h、 72 h内的气温必须是连续下降。在此基础上, 对某测站某日的降温幅度、 最低气温资料进行分析, 能够判识该站当日是否出现寒潮, 若达到寒潮标准, 则记为该站的寒潮日。《寒潮等级(GB/T 21987—2017)》中还明确了强寒潮以及超强寒潮等级划分标准。寒潮、 强寒潮和超强寒潮是强度上逐级递增的包含关系。本文借鉴了细化的单站降温过程概念9, 应用某站降温过程中的最大24 h、 48 h和72 h降温幅度, 结合过程最低气温, 来判识该次降温过程是否达到寒潮标准, 还可以进一步判识该过程是否是强寒潮过程, 甚至超强寒潮过程。根据此判识方法分别整理出了努尔苏丹与乌鲁木齐1951—2016年的寒潮、 强寒潮和超强寒潮过程数据库。

1.3 分析方法

寒潮过程频数统计以7月至翌年6月为一个完整年, 如, 1951年寒潮过程频数指1951年7月1日至1952年6月30日时段内出现的寒潮过程次数之和, 以此类推。用1951年1月1日至2016年12月31日时段内的寒潮过程数据库可以得到65个年寒潮过程频数样本。秋季指9—11月、 冬季指12月—翌年2月, 春季指3—5月。季、 月寒潮过程频数统计时段同上, 均为65年样本。

各季、 月的寒潮过程频数统计标准为: 过程的开始和结束日期在同一季(月)的, 则参与该季(月)统计; 如果寒潮过程的开始和结束日期跨两个相邻季(月), 则每个季(月)各统计0.5次。寒潮过程频数的季、 月频数分布特征分析使用了同样时段的寒潮过程数据库。寒潮过程持续日数特征分析使用了1951年1月1日—2016年12月31日的所有寒潮过程数据。

线性趋势分析采用最小二乘法, 显著性水平检验用t检验法18; 周期分析采用Morlet小波变换方法, 用对称延伸法来部分消除小波变换法在资料开头和结尾的边缘效应19。相关分析通过计算两个时间序列的线性相关系数以及显著性检验18

2 寒潮过程频数气候特征比较

2.1 年寒潮过程频数

1951—2015年, 努尔苏丹和乌鲁木齐分别出现了1 023次和264次寒潮过程, 平均每年15.74次和4.06次(表1)。努尔苏丹在2012年出现的寒潮过程最多, 达26次, 在2001年最少, 仅9次; 乌鲁木齐在1952年出现的寒潮过程最多, 共10次, 另外有8年仅出现了1次寒潮过程。由表1可见, 65年中, 努尔苏丹和乌鲁木齐的强寒潮过程频数分别为632次和107次, 平均每年9.72次和1.64次; 两城市的超强寒潮过程频数分别为385次和51次, 平均每年5.92次和0.78次。努尔苏丹的寒潮、 强寒潮和超强寒潮过程频数分别是乌鲁木齐的3.88倍、 5.91倍和7.55倍。努尔苏丹的寒潮过程频数远多于乌鲁木齐。努尔苏丹和乌鲁木齐的强寒潮过程分别占本市寒潮过程总频数的61.8%和40.5%, 超强寒潮过程分别占总频数的37.6%和19.3%。努尔苏丹寒潮活动强度远高于乌鲁木齐。

表1   努尔苏丹与乌鲁木齐寒潮过程频数

Table 1  The frequency of the cold wave in Nursultan and Urumqi

过程等级努尔苏丹乌鲁木齐
频数/次百分率/%频数/次百分率/%
寒潮1 023(15.74)100.0264(4.06)100.0
强寒潮632(9.72)61.8107(1.64)40.5
超强寒潮385(5.92)37.651(0.78)19.3

注:数据为1951 - 2015年过程总频数, 括号内数据为年平均值。

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2.2 寒潮过程频数月分布特征

对比努尔苏丹与乌鲁木齐的寒潮过程频数月平均值, 由表2图2可见, 努尔苏丹各月的寒潮过程频数远高于乌鲁木齐, 在冬季12月、 1月和2月, 前者分别是后者的6.09倍、 7.06倍和6.08倍; 在4月份两城市的寒潮过程频数最为接近, 前者仅是后者的1.03倍。

表2   努尔苏丹与乌鲁木齐各月寒潮过程频数 (次)

Table 2  Monthly mean frequency of the cold wave in Nursultan and Urumqi

7月8月9月10月11月12月1月2月3月4月5月6月
努尔苏丹1956.552144.5167.5183.5152121.5507312.51 023
乌鲁木齐0012.53638.527.526252248.5280264

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图2

图2   各月寒潮过程频数倍数(努尔苏丹/乌鲁木齐)

Fig.2   The rate of the monthly mean cold wave frequency (Nursultan and Urumqi)


图3可知, 努尔苏丹的寒潮过程在冬季高发, 强寒潮和超强寒潮过程在1月最多, 其中1月份的超强寒潮过程占全年的24.1%。乌鲁木齐的寒潮过程在春、 秋两季高发, 呈双峰型, 强寒潮和超强寒潮过程均在11月最多, 4月其次, 其中11月份的超强寒潮过程占全年的29.4%。

图3

图3   努尔苏丹和乌鲁木齐寒潮过程频数月分布

Fig.3   Monthly mean frequency of the cold wave in Nursultan and Urumqi, Central Asia


2.3 寒潮过程持续日数

1951—2015年, 努尔苏丹与乌鲁木齐的寒潮过程持续日数平均值分别为2.40 d和2.86 d, 努尔苏丹持续2 d的寒潮过程最多, 占37.9%, 乌鲁木齐持续3 d的寒潮过程最多, 占34.0%。努尔苏丹的强寒潮和超强寒潮过程均以持续2 d的最多, 其次是3 d; 乌鲁木齐的强寒潮和超强寒潮过程均以持续3 d的最多, 其次是2 d(图4)。

图4

图4   努尔苏丹和乌鲁木齐不同级别寒潮过程的持续日数分布

Fig.4   The duration of the different levels cold wave in Nursultan and Urumqi


表3可见, 努尔苏丹的秋、 冬、 春季寒潮过程持续日数平均值分别为2.53 d、 2.47 d和2.19 d, 持续日数秋季长、 春季短; 乌鲁木齐的秋、 冬、 春季寒潮过程持续日数平均值分别为3.04 d、 3.41 d和2.31 d, 持续日数冬季长、 春季短。在秋、 冬季, 努尔苏丹的强寒潮和超强寒潮过程持续日数均比乌鲁木齐短; 在春季, 乌鲁木齐的超强寒潮过程持续日数较短。

表3   努尔苏丹与乌鲁木齐寒潮过程持续日数季平均值 (d)

Table 3  The seasonal average duration of the different levels cold wave in Nursultan and Urumqi

过程等级城市秋季冬季春季夏季
寒潮努尔苏丹2.532.472.192.272.40
乌鲁木齐3.043.412.31-2.86
强寒潮努尔苏丹2.662.572.342.432.53
乌鲁木齐3.083.502.15-2.83
超强寒潮努尔苏丹2.802.572.472.002.58
乌鲁木齐3.223.722.05-2.92

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3 寒潮过程频数异常年对比

3.1 寒潮过程频数异常年

将过程频数序列的标准化值大于1.0(小于-1.0)的年份定义为寒潮过程频数的异常偏多(少)年。由图5(a)可见, 1951—2015年, 努尔苏丹的年寒潮过程频数异常偏多年共11 a, 其中有6 a出现在1980年以前, 异常偏少年共10 a, 其中有6 a出现在1980年后, 近10 a中出现了4个异常偏多年。由图5(b)可见, 1951—2015年, 乌鲁木齐的年寒潮过程频数异常偏多年共14 a, 其中有10 a出现在1980年以前, 异常偏少年共12 a, 其中有9 a出现在1980年之后。努尔苏丹和乌鲁木齐的寒潮过程频数偏多年份大部分出现在1980年以前, 1952年、 1956年和1957年同为异常偏多年; 偏少年份大部分出现在1980年之后, 2001年、 2004年和2011年同为异常偏少年。

图5

图5   1951—2015年努尔苏丹和乌鲁木齐的寒潮过程频数异常偏多(少)年

Fig.5   The frequency of the more (less) cold wave years in Nursultan and Urumqi during 1951—2015


3.2 强寒潮和超强寒潮过程频数异常年

同样以标准化值超过1个标准差的年份定义为异常年。由图5(c) ~ (f)可见, 1951—2015年, 努尔苏丹的强寒潮和超强寒潮过程频数的异常偏多年分别出现了9 a和11 a; 乌鲁木齐的强寒潮和超强寒潮过程频数的异常偏多年均出现了5 a。近65 a来, 努尔苏丹的强寒潮和超强寒潮过程频数的异常偏多年与偏少年在时间分布上相对均匀, 乌鲁木齐的强寒潮和超强寒潮过程的异常偏多年在早期较多。

4 寒潮过程频数的气候变化特征比较

4.1 努尔苏丹与乌鲁木齐的寒潮过程频数相关分析

努尔苏丹与乌鲁木齐同为中亚区域重要城市, 其地理位置以及城市周边地形条件差异明显, 两城市的寒潮过程频数的变化是否有密切关联?由表4图6可见, 近65 a, 阿拉木图和乌鲁木齐的年寒潮过程频数之间的相关系数为0.237, 通过了0.10信度水平显著性检验; 两城市的春、 秋季寒潮过程频数之间的相关系数分别为0.329和0.207, 分别通过了0.01和0.10信度水平显著性检验。努尔苏丹与乌鲁木齐的年以及秋、 冬、 春季强寒潮过程频数之间的相关不太显著; 两城市的年和秋季超强寒潮过程频数之间均为正相关, 通过了0.10信度水平显著性检验, 春季超强寒潮过程频数之间的相关系数为-0.135, 未通过0.10信度水平检验。以上分析说明, 努尔苏丹与乌鲁木齐之间的年寒潮、 超强寒潮过程频数的年际变化有一定的相关性, 其中春季寒潮过程频数的年际变化相关较显著; 两城市的春季寒潮过程频数之间呈显著正相关关系, 但春季超强寒潮过程频数却呈负相关。

表4   1951—2015年努尔苏丹与乌鲁木齐寒潮过程频数序列的相关系数

Table 4  The correlation coefficient of the cold wave between Nursultan and Urumqi during 1951—2015

过程等级年度秋季冬季春季
寒潮0.237*0.207*0.0940.329***
强寒潮0.1590.0740.0600.008
超强寒潮0.209*0.237*0.074-0.135

注:*、 **和***分别表示通过0.10、 0.05和0.01信度水平检验。

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图6

图6   1951—2015年努尔苏丹(a)和乌鲁木齐(b)秋、 冬、 春季寒潮过程频数距平曲线

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


努尔苏丹和乌鲁木齐市均位于欧亚大陆腹地中纬度地区, 在冬半年, 受来自极地的冷空气南下影响, 有相同或相近的大气环流系统控制, 寒潮过程频数年际变化规律有相似特征, 但是春季超强寒潮过程频数年际变化呈负相关, 随时间推进, 其变化几乎呈反位相。

4.2 寒潮过程频数的线性趋势

1951—2015年, 努尔苏丹和乌鲁木齐的年寒潮过程频数的线性递减率分别为-0.111次·(10a)-1和-0.445次·(10a)-1, 乌鲁木齐的变化通过了0.01信度水平显著性检验。努尔苏丹的秋、 春季寒潮过程频数均呈递减趋势, 冬季寒潮过程频数呈递增趋势, 但变化均不显著; 乌鲁木齐的秋、 冬、 春季寒潮过程频数均呈线性递减趋势, 其中秋季和冬季的变化分别通过了0.01和0.05信度水平显著性检验(表5)。

表5   1951 - 2015年努尔苏丹与乌鲁木齐各季寒潮过程频数线性趋势显著性检验

Table 5  The trend correlation coefficient of the different levels cold wave in Nursultan and Urumqi from 1951 to 2015

过程等级努尔苏丹乌鲁木齐
秋季冬季春季秋季冬季春季
寒潮-0.0670.124-0.144-0.062-0.400***-0.286**-0.067-0.452***
强寒潮-0.0690.105-0.300**-0.085-0.400***-0.258**-0.053-0.413***
超强寒潮-0.1030.191-0.312**-0.001-0.507***-0.352***0.015-0.424***

注:在0.10、 0.05和0.01信度水平下的相关系数临界值分别为0.204、 0.244和0.320。*、 **和***分别表示通过0.10、 0.05和0.01信度水平检验。

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表5可见, 努尔苏丹的秋、 春季强寒潮和超强寒潮过程频数均呈线性递减趋势, 冬季的均呈递增趋势, 其中春季的强寒潮和超强寒潮过程频数的变化通过了0.05信度水平显著性检验。乌鲁木齐的秋、 冬季强寒潮和超强寒潮过程频数均呈线性递减趋势, 分别通过了0.05和0.01信度水平显著性检验, 春季的超强寒潮过程频数呈略递增趋势, 但变化不显著。

4.3 寒潮过程频数的年代际变化

将1951—2015年分为7个年代际时段, 分别计算各时段的年、 季寒潮过程频数的年平均值, 结果见表6。努尔苏丹的年寒潮过程在20世纪50年代最多(18.1次·a-1), 近5 a(17.8次·a-1)其次, 明显多于其他5个年代际时段, 在20世纪60年代最少(14.6次·a-1); 乌鲁木齐的年寒潮过程在20世纪50年代最多(6.0次·a-1), 年平均频数明显多于其他6个年代际时段, 次峰值在20世纪80年代(4.4次·a-1), 在近5 a最少(2.0次·a-1)。努尔苏丹的春、 秋季寒潮过程均表现为在20世纪50年代与近5 a明显多于其他年代际时段, 冬季寒潮过程频数在各年代际的差异不太明显。乌鲁木齐的秋、 冬、 春季寒潮过程频数的年代际分布特征相似, 均表现为在20世纪50年代最多, 在近5 a最少。

表6   1951—2015 努尔苏丹和乌鲁木齐各年代际的年平均寒潮过程频数 ( 次·a-1)

Table 6  The annual average frequencies of the cold wave in Nursultan and Urumqi during 1951—2015 (unit: frequecy·a-1

过程

等级

年代际努尔苏丹乌鲁木齐
寒潮1951—196018.14.77.55.76.02.22.01.8
1961—197014.64.07.42.94.01.81.01.2
1971—198015.73.57.83.83.80.81.61.5
1981—199014.73.58.13.04.41.51.11.8
1991—200015.33.78.23.14.31.51.01.8
2001—201015.03.77.53.72.90.70.81.4
2011—201517.84.87.84.92.00.40.80.8

寒潮

1951—196011.02.95.12.92.51.20.80.6
1961—19709.42.45.21.82.10.80.70.6
1971—19809.61.85.91.81.50.30.50.7
1981—19909.82.16.21.51.90.80.40.7
1991—20008.51.75.51.21.60.60.30.7
2001—201010.22.65.91.60.80.10.20.5
2011—20159.42.55.01.90.60.00.20.4

超强

寒潮

1951—19606.91.63.41.91.80.80.70.4
1961—19705.51.33.50.81.00.40.40.2
1971—19805.41.03.80.60.60.10.20.3
1981—19906.11.04.40.80.70.30.20.2
1991—20005.11.23.30.50.40.10.00.3
2001—20106.00.94.40.60.40.00.10.3
2011—20157.01.54.60.90.40.00.00.4

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努尔苏丹的年以及春、 秋季强寒潮过程在20世纪50年代最多, 冬季强寒潮过程在近5 a最少; 年以及冬季超强寒潮过程在近5 a最多, 春、 秋季超强寒潮过程均在20世纪50年代最多, 在近5 a其次。乌鲁木齐的强寒潮和超强寒潮过程频数有限, 年以及秋、 冬、 春季强寒潮和超强寒潮过程频数在20世纪50年代远多于其他年代际时段, 近5 a乌鲁木齐的春季超强寒潮过程频数与20世纪50年代相当。

努尔苏丹和乌鲁木齐两城市的寒潮过程频数总体上随年代际增加而减少。近5 a, 努尔苏丹的寒潮过程频数明显偏多; 21世纪以来, 乌鲁木齐的寒潮过程频数递减趋势明显。近5 a, 努尔苏丹的冬季超强寒潮过程最多, 努尔苏丹的春、 秋季超强寒潮过程和乌鲁木齐的春季超强寒潮过程频数明显偏多。

4.4 主要周期

图7分别为1951—2015年努尔苏丹和乌鲁木齐两城市的年寒潮过程频数距平序列的小波系数实部和模值。努尔苏丹的年寒潮过程频数距平序列以31 a、 20 a左右的周期信号最为显著, 且年代际振荡贯穿整个时域; 2003年以后3 ~ 4 a周期信号也较明显。乌鲁木齐的年寒潮过程频数距平序列以39 a、 8 a左右的周期信号最为显著, 其中39 a周期年代际振荡贯穿整个时域。

图7

图7   努尔苏丹(a)与乌鲁木齐(b)寒潮过程频数距平指数Morlet小波变换实部(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指数与寒潮过程频数变化关系比较

高、 中、 低纬地区的大气环流系统相互配置及其演变会影响区域气候以及极端天气气候事件, 影响我国各地寒潮活动的环流系统主要有北半球极涡、 中纬度西风带槽脊以及副热带高压等20-22。北极涛动(AO)描述的是在某大气环流要素距平场上北半球极区与绕极中高纬地区的反位相分布模态。在500 hPa位势高度场上, AO的不同位相能够反映出西风带极锋锋区位置的南北变化以及中高纬西风带环流的经向度变化, 可以作为是否有利于极区冷空气南下活动的指示因子。北大西洋涛动(NAO)描述的是在某大气环流要素距平场上北大西洋及下游欧洲地区高、 低值中心典型配置型态。在500 hPa位势高度场上, NAO的不同相位变化是影响欧亚大陆西风带槽脊系统位相分布的关键因子, 对应着中高纬冷空气向南活动路径通道的建立或维持, 对中亚地区寒潮活动的影响非常明显。

设计了两套方案进行相关分析, 一种是利用原始序列直接分析, 另一种是滤去线性趋势后再进行相关分析。原始序列方案下, 相关系数反映的是AO指数与寒潮过程频数之间整体上的相关关系, 若序列具有显著线性趋势, 相关系数一定程度上可能反映的是两者之间的年代际趋势变化关系是否显著; 滤去线性趋势后, 计算得到的相关系数更多地反映了两者之间的年际变化关系是否显著。分别计算得到了两种方案下的年(7月至翌年6月)以及秋、 冬、 春季的AO、 NAO指数与努尔苏丹、 乌鲁木齐的同期寒潮过程频数之间的相关系数, 对比北极涛动、 北大西洋涛动与中亚努尔苏丹和乌鲁木齐同期寒潮过程之间的关系。

5.1 AO指数与中亚城市寒潮过程频数关系

年以及秋、 冬、 春季AO指数与努尔苏丹、 乌鲁木齐同期寒潮过程频数之间的相关系数见表7。在年尺度上, 无论是原始序列方案还是去线性趋势方案, AO指数与努尔苏丹和乌鲁木齐的寒潮过程频数之间均呈显著的负相关关系, 原始序列方案下得到的相关系数绝对值更大, 相关程度更高。

表7   AO与同期努尔苏丹和乌鲁木齐寒潮过程频数相关系数

Table 7  The correlation coefficients of the AO index with the cold wave frequencies in Nursultan and Urumqi

方案城市秋季冬季春季
原始序列努尔苏丹-0.433***-0.198-0.287**-0.294**
乌鲁木齐-0.029-0.158-0.054-0.275**
去线性趋势努尔苏丹-0.429***-0.220*-0.280**-0.288**
乌鲁木齐0.062-0.124-0.049-0.217*

注:*、 **和***分别表示通过了0.10、 0.05和0.01信度水平显著性检验。

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秋、 冬、 春季AO指数与努尔苏丹同期寒潮过程频数之间均呈负相关关系, 在秋、 春季, 相关系数分别通过了0.01和0.05信度水平检验。图8(a)给出了AO的年(7月至翌年6月)指数与同期努尔苏丹、 乌鲁木齐寒潮过程频数的标准化曲线。滤去线性趋势后, 与原始序列方案下的相关系数比较, 在秋、 春季变化不大, 在冬季, 与努尔苏丹的相关系数通过了0.10信度水平显著性检验。秋、 冬、 春季AO指数与乌鲁木齐同期寒潮过程频数之间均呈不显著的负相关关系。

图8

图8   冬季AO(a)、 NAO(b)指数分别与努尔苏丹、 乌鲁木齐同期寒潮过程频数标准化曲线

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指数与中亚城市寒潮过程频数关系

年以及秋、 冬、 春季NAO指数与努尔苏丹、 乌鲁木齐的同期寒潮过程频数之间的相关系数见表8。在年尺度上, NAO指数与努尔苏丹和乌鲁木齐的寒潮过程频数之间均呈负相关关系, 相关系数均通过了0.01或者0.05信度水平显著性检验。图8(b)给出了NAO的年(7月至翌年6月)指数与同期努尔苏丹、 乌鲁木齐寒潮过程频数的标准化曲线。滤去线性趋势后, 年NAO指数与努尔苏丹、 乌鲁木齐的同期寒潮、 强寒潮和超强寒潮过程频数之间的相关系数绝对值更大, 相关关系更密切。

表8   NAO与同期努尔苏丹和乌鲁木齐寒潮过程频数相关系数

Table 8  The correlation coefficients of the NAO index with the cold wave frequencies in Nursultan and Urumqi

计算方案城市秋季冬季春季
原始序列努尔苏丹-0.213*-0.264**-0.327***-0.391***
乌鲁木齐-0.041-0.204-0.204-0.247**
去线性趋势努尔苏丹-0.259**-0.301**-0.336***-0.407***
乌鲁木齐-0.229*-0.150-0.206*-0.364***

注:*、 **和***分别表示通过了0.10、 0.05和0.01信度水平显著性检验。

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秋、 冬、 春季NAO指数与努尔苏丹的同期寒潮过程频数之间均呈负相关关系, 在冬、 春季, 相关系数分别通过了0.05和0.01信度水平显著性检验; 滤去线性趋势后, 在秋、 冬、 春季, 相关系数系数绝对值明显增大, 秋季相关系数也通过了0.05信度水平检验, 相关程度增强。秋、 冬、 春季NAO指数与乌鲁木齐同期的寒潮过程频数之间呈不显著的负相关关系; 滤去线性趋势后, 秋、 春季的相关系数绝对值略增大, 均通过了0.10信度水平显著性检验。

5.3 AO及NAO的影响对比

5.3.1 北极涛动(AO)的影响

以冬季为例, 1951—2015年AO指数异常偏高(低)年合成的北半球500 hPa位势高度场及其距平场(图9)。冬季AO指数异常偏高的12 a, 是典型的AO正位相。在500 hPa位势高度场上, 北半球极涡偏强, 极涡中心偏向北美大陆, 高纬地区3个大槽分别位于东亚、 北美和乌拉尔山地区; 位势高度距平场上, 欧亚中高纬地区自西向东呈“+-+”分布。新疆位于高压脊区, 中亚区域存在偏南风, 不利于冷空气南下影响中亚。冬季AO指数异常偏低的8 a, 是典型的AO负位相。在500 hPa位势高度场上, 北半球极涡分裂为两个分中心, 分别位于北美和东亚, 高纬地区同样分布有3个大槽, 分别位于东亚、 北美和北大西洋欧洲沿岸地区, 中亚到新疆西风为主, 乌拉尔山东侧地区存在弱偏北风; 位势高度距平场上, 欧亚中高纬地区自西向东呈“-+-”分布, 乌拉尔山存在正距平中心, 有利于乌拉尔山高压脊建立, 脊前偏北风带引导高位冷空气南下, 引发中亚地区出现寒潮过程。

图9

图9   1951—2015年冬季AO异常强(a)、 弱(b)年500 hPa位势高度场合成及距平(等值线为合成, 阴影为距平, 单位: 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 北大西洋涛动(NAO)的影响

以冬季为例, 1951—2015年NAO指数异常偏高(低)年合成的北半球500 hPa位势高度场及其距平场(图10)。冬季NAO指数异常偏高的11 a, 是典型的NAO正位相。在500 hPa位势高度场上, 北半球极涡中心偏向北美大陆, 高纬地区3个大槽分别位于东亚、 北美和欧洲上空; 位势高度距平场上, 北大西洋上空呈北负南正分布, 除欧洲沿岸地区外, 整个欧亚大陆位于正距平区。中亚到新疆上空位于高压脊区, 不利于北方冷空气南下影响该区域。冬季NAO指数异常偏低的12 a, 是典型的NAO负位相。在500 hPa位势高度场上, 北半球极涡分裂为两个分中心, 东亚上空的分中心偏强, 高纬地区同样分布有3个大槽, 分别位于东亚、 北美和北大西洋欧洲沿岸地区, 中亚到新疆西风为主, 乌拉尔山东侧地区存在弱偏北风; 位势高度距平场上, 北大西洋上空呈北正南负分布, 欧亚中高纬地区自西向东呈“-+-”分布, 乌拉尔山到里咸海位于正距平区域, 亚洲大部位于负距平区。有利于乌拉尔山高压脊建立, 引导北方冷空气沿脊前北风带南下侵袭中亚地区, 引发寒潮。

图10

图10   1951—2015年冬季NAO异常强(a)、 弱(b)年500 hPa位势高度场合成及距平(等值线为合成, 阴影为距平, 单位: 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与NAO对中亚城市冬季寒潮影响对比

中亚(中亚五国以及中国新疆)地域辽阔, 努尔苏丹、 乌鲁木齐均位于中亚的偏北地区, 努尔苏丹的纬度更高、 位置偏西, 周边以丘陵平原为主, 乌鲁木齐相对偏南些, 位置偏东, 地处准噶尔盆地南缘, 位于天山北麓乌鲁木齐河出山口处。在500 hPa位势高度场上, 西风带环流系统影响努尔苏丹更直接, 影响程度更加显著。综合以上分析, 结合图8可知, 北大西洋涛动(NAO)与努尔苏丹和乌鲁木齐的寒潮过程的关联程度比北极涛动(AO)与它们之间的关联程度更为密切; 努尔苏丹的寒潮过程频数受到NAO以及AO的影响程度更深。同时发现, 虽然努尔苏丹与乌鲁木齐的春季超强寒潮过程频数之间呈负相关, 但是它们与同期NAO指数之间却均呈正相关, 相关系数分别通过了0.01和0.10信度水平显著性检验, 其中的影响机制有待进一步研究。

6 结论

利用1951—2016年努尔苏丹和乌鲁木齐的逐日最低气温资料, 分析了中亚地区的努尔苏丹与乌鲁木齐的寒潮、 强寒潮和超强寒潮过程频数气候变化特征, 得到主要结论如下:

(1) 努尔苏丹年平均寒潮过程频数为15.7次, 乌鲁木齐年平均寒潮过程频数为4.1次, 努尔苏丹寒潮、 强寒潮和超强寒潮过程频数分别是乌鲁木齐的3.88倍、 5.91倍和7.55倍; 努尔苏丹寒潮过程频数月分布为单峰型, 冬季1月最多, 而乌鲁木齐为双峰型, 秋季11月最多, 其次在春季4月。

(2) 努尔苏丹与乌鲁木齐的寒潮过程平均持续日数分别为2.40 d和2.86 d, 努尔苏丹的年以及秋、 冬季寒潮、 强寒潮、 超强寒潮过程持续日数短于乌鲁木齐, 但是, 乌鲁木齐的春季超强寒潮过程持续日数平均为1.84 d, 比努尔苏丹短。

(3) 努尔苏丹和乌鲁木齐的寒潮过程频数异常偏多年多出现在1980年以前, 而异常偏少年多出现在1980年之后。近10 a努尔苏丹的超强寒潮过程异常偏多年较集中, 乌鲁木齐的强寒潮和超强寒潮过程频数的异常偏多年集中出现在早期, 近期很少出现。

(4) 65 a来, 努尔苏丹和乌鲁木齐的年寒潮过程频数分别以-0.111次·(10a)-1和-0.445次·(10a)-1的速率递减, 乌鲁木齐的变化显著。努尔苏丹的强寒潮和超强寒潮过程频数的线性变化趋势均不显著, 秋、 春季超强寒潮过程频数呈递减趋势, 而冬季超强寒潮过程频数呈递增趋势。乌鲁木齐的强寒潮和超强寒潮过程频数均呈递减趋势, 秋、 冬季超强寒潮过程频数递减显著, 春季超强寒潮过程频数呈略递增趋势。

(5) 努尔苏丹与乌鲁木齐的年寒潮过程频数随年代际变化而减少。努尔苏丹的年超强寒潮过程频数以近5 a最多。努尔苏丹的年寒潮过程频数序列有31 a、 20 a左右的显著周期, 乌鲁木齐的年寒潮过程频数序列有39 a、 8 a左右的显著周期。

(6) 北大西洋涛动(NAO)与努尔苏丹和乌鲁木齐寒潮过程的关联程度比北极涛动(AO)与它们之间的关联程度更为密切; 相对于乌鲁木齐, 努尔苏丹寒潮过程频数受到NAO以及AO的影响程度更深。

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