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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.docx
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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.docx
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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
努尔苏丹
乌鲁木齐
过程等
级
频数/次
百分率
/%
频数/次
百分率
/%
寒潮
1 023
(15.74)
100.0
264
(4.06)
100.0
强寒潮
632(9.72)
61.8
107
(1.64)
40.5
超强寒
潮
385(5.92)
37.6
51(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 与图 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。
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