1961-2016年北疆冷空气过程变化特征及其环流指数分析

摘要：根据《冷空气过程监测指标》（QX/393-2017）分析1961—2016年北疆单站和区域不同等级冷空气时空变化特征以及环流指数与其相关性。结果表明：北疆单站冷空气频次中等强度冷空气最多，寒潮次多，强冷空气最少；各级冷空气在北疆北部高发，空间差异明显，一半以上站点寒潮减少趋势显著；区域冷空气寒潮最多，中等强度冷空气、强冷空气频次相当，其中寒潮减少速率为0.58次/10a，强冷空气变化不明显，中等强度冷空气增加速率为0.1次/10a；单站和区域寒潮在冬季高发，强冷空气和中等强度冷空气春秋季多发；冷空气初日无明显变化，终日呈推后趋势；不同等级冷空气过程均存在三个长短不一的变化周期，中等强度冷空气、强冷空气存在明显突变，寒潮未出现突变；88个大气环流指数中有27个与北疆不同时期冷空气发生频次显著相关，其中斯堪的纳维亚遥相关型指数偏高北疆地区气温偏低，亚洲区、北半球极涡指数偏大，新疆冬季气温偏低，冷空气发生概率增大，南极涛动指数强年北疆地区冷空气出现频次可能会减少。     

1971-2016年塔里木盆地冷空气过程频数变化特征

利用南疆塔里木盆地周边50个气象站1971年1月1日-2016年12月31日的最低气温资料,依据《冷空气等级标准》（GB/T20484-2006）,整理出塔里木盆地近46a来冷空气过程数据,采用合成、线性倾向估计、Morlet小波、Mann-kendall、滑动平均和累积距平检验等方法分析了单站及整个塔里木盆地冷空气频数的空间、时间变化特征。结果发现:（1）中等及以上等级冷空气高发地多分布于盆地西部的高原、北部的山区和东部的风口地带,单站各等级冷空气总体上呈线性减少趋势,整个塔里木盆地冷空气、寒潮减少趋势明显,递减率均为0.19次/10a,其余等级变化趋势不明显;（2）塔里木盆地冷空气年均103.2次,弱冷空气86.3次占总次数的83.6%,中等强度冷空气10.4次占10.1%,较强、强、寒潮分别为2.5、2.3、2.2次,合计占冷空气总次数的6.8%;（3）各等级冷空气持续1～3d的频率高达87.4～95.4%,弱冷空气持续1d的频率最高,其余等级持续2d的频率最高,3d及以上的频率随着持续时间的增加明显下降;（4）各等级冷空气的年代际频次变化不大,1970年代较强、强及寒潮频次最多,分别为2.8、2.4、2.9次,1980年代弱冷空气最多,达86.6次,近6a(2011-2016年)中等强度冷空气最多,达10.8次;（5）不同等级冷空气的出现具有较强的季节性,中等、较强冷空气夏季频率最高,分别占30.1%和57.9%,强冷空气春季最高,占到40.1%,寒潮冬季最高,占38.9%;（6）各等级冷空气均有8～10a的年际尺度周期,年代际周期却不一致,寒潮在1979年发生显著的减少突变。     

中国东北地区冬季冷空气活动特征研究

利用1961—2017年东北地区164个气象站逐日气温、最低温度资料,按照《冷空气过程监测指标》行业标准,建立东北地区中等强度冷空气、强冷空气和寒潮历史数据集,采用气象统计学方法分析了东北冬季气温、中等强度冷空气、强冷空气和寒潮年际、年代际变化特征。结果表明:东北地区冬季气温呈显著上升趋势,趋势系数为0.45,通过了α=0.01的显著性检验,1960s最低,2010s达到最大值;东北地区冬季气温突变时间为1981年,突变前气温负距平为主,突变后气温波动变化明显;东北地区冬季冷空气过程以寒潮为主,冷空气出现日数、发生强度以12月最多、最强;冷空气趋势变化不显著,其中1961—1970强度最强,2001—2010年最弱;东北地区冬季气温突变后冷空气日数减少,强度减弱。     

近56 a伊犁河谷冷空气过程气候变化特征

利用1961—2016年伊犁河谷10个气象站逐日观测资料,依据冷空气过程监测标准,采用线性趋势、Morlet小波和相关分析等方法,对河谷各站9月至次年5月期间不同等级冷空气过程的频数与强度气候变化特征进行分析。结果表明:(1)近56 a来,伊犁河谷年平均冷空气过程频数为18. 5次,河谷中、西部的冷空气过程频数较多,向东、西两侧明显减少。其中,寒潮和中等强度冷空气过程频数在河谷中部较多,向东、西两侧逐渐减少;强冷空气过程频数自西向东逐渐减少。(2)伊犁河谷冷空气过程频数1月最多,5月最少。其中,寒潮和强冷空气过程高发期在冬季,中等强度冷空气过程高发期在秋季9—10月。(3)各级冷空气过程平均最低气温均1月最低、5月最高,且寒潮和强冷空气过程降温幅度均以12月最强,而中等强度冷空气过程降温幅度最强在10月。(4) 1961—2016年,伊犁河谷寒潮过程频数、累积日数均呈显著减少趋势,而冷空气累积降温幅度整体呈显著减小趋势;寒潮频数于2004年发生由多到少的突变,且寒潮与强冷空气过程频数分别存在26 a和31 a的年代际变化周期。(5)伊犁河谷各级冷空气过程频数与同期平均最低气温呈反相关关系,其中寒潮频数与最低气温的相关程度最高,而与降水、平均风速相关程度较弱。     

上海地区冬季不同等级冷空气变化特征及其对风雨的影响

基于1960年12月至2016年2月上海地区地面气象站气温、气压、降水、风速等观测资料,采用趋势分析、相关分析、小波分析、功率谱分析等方法,对冬季影响上海地区不同等级冷空气的活动特征及其对风雨影响进行分析。结果表明:尽管近56 a冬季影响上海地区的冷空气频次未发生明显变化,但所致降温幅度呈现先由大变小、再由小变大的变化特征;冬季中等强度冷空气、弱冷空气次数有14 a和4 a的显著周期;冷空气过程平均最大风速呈明显下降趋势,其中强冷空气平均最大风速下降幅度最大;冷空气降水总量呈增多趋势,弱冷空气降水总量占冷空气所致总降水量的57%。     

1961—2019年北疆冬季不同等级降雪变化特征

利用1961—2019年冬季北疆45个国家站逐日降水观测资料,采用统计分析方法,对不同等级降雪的气候变化特征进行了分析。结果表明:近59 a北疆降雪日数、降雪量、降雪强度分别以0.41 d/10 a、3.13 mm/10 a、0.15(mm·d~(-1))/10 a的速率增加,其中降雪量对全年降水量的贡献以1.3%/10 a的速率增长。降雪日数、降雪量主要表现为中雪和大雪的增加,降雪强度主要表现为暴雪强度的增加。小雪对降雪日数、降雪量的贡献呈减少趋势,其余等级为增加趋势,以中雪降雪日和大雪降雪量的贡献最为明显。北疆降雪日数仅在1月表现为减少趋势,主要是小雪日数显著减少;冬季各月降雪量均表现为增加趋势,主要是中雪和大雪降雪量显著增加。21世纪前10 a是降雪日数和降雪量最多的时期,20世纪60年代和21世纪10年代是降雪日数较少的时期。北疆降雪量在1985年发生突变,突变后年平均降雪量增加了12.4 mm。对比丰雪年和枯雪年,丰雪年降雪量偏多主要是小雪以上等级降雪日数的增多。     

1976—2016年河北邯郸寒潮活动特征

利用1976-2016年河北邯郸16个气象观测站逐日最低气温资料,根据国家寒潮等级标准,采用线性趋势、M-K检验等方法,对邯郸各站24、48、72 h寒潮发生频次和降温持续日数及降温幅度等特征以及寒潮频次变化趋势进行统计分析。结果表明:邯郸寒潮活动出现在9月到翌年5月,深秋和初春发生最多。东部和北部为寒潮多发区,而中部发生频次最低。寒潮过程降温持续日数为1~6 d,降温持续日数与发生频次呈反相关,而与降温幅度呈正相关。24、48、72 h寒潮过程月平均最大降温幅度分别出现在5、9、11月,过程最低气温平均分别为-4.20、-4.99、-6.96℃,过程月平均最低气温1月最低,12月次低。邯郸寒潮过程的冷空气路径以西北和偏西路径为主,环流形势主要为一脊一槽型和横槽型。近41 a邯郸24、48、72 h寒潮过程整体均呈显著减少趋势,且具有明显的"先增后减"的年代际变化,突变时间为2009、2009、2012年。     

冬季冷空气短期预报经验

一、冷空气强度的预报(一)依据蒙古冷高压中心强度与本站气压差值大小判断冷空气强度:1.差值在15—25mb之间为弱冷空气;2.差值在26—35mb之间为中等冷空气;3.差值在36—45mb之间为较强冷空气;4.差值在46mb以上为强冷空气     

气候变暖背景下石家庄冷空气活动的气候特征

依据GB/T 20484—2006冷空气标准,对1972—2007年石家庄市17个地面观测站气温资料进行统计,分析了石家庄冷空气时空分布及强度变化基本特征。结果表明：受地域影响,石家庄东北部和南部是两个冷空气活动频次较高的中心;在气候变暖背景下,石家庄最低气温升高趋势与冷空气活动次数及强度减少趋势呈显著负相关;3—4月石家庄南部寒潮发生频次高于东北部地区,危害最大。     

中国大陆1960～2012年持续干旱日数的时空变化特征

采用1960~2012年508个地面观测站逐日降水量资料,分析了中国大陆近53 a四季持续干旱日数变化趋势。结果表明：近53 a来我国大陆春季和冬季持续干旱日数呈明显下降趋势,其中冬季气候倾向率为-0.7 d/10 a,夏季变化趋势比较平稳,秋季呈明显上升趋势。空间变化上持续干旱日数气候倾向率春季在-0.41~0.41 d/10 a之间,大部分地区呈减少趋势;夏季持续干旱日数气候倾向率508个测站中有59%的测站为减少趋势,41%为增加趋势;秋季大部分地区气候倾向率呈增加趋势,统计有302个测站呈上升趋势,占中国大陆总测站数的69%;冬季持续干旱日数气候倾向率在-0.62~0.44 d/10 a之间,统计508个测站中有66%的测站为减少趋势,34%为增加趋势。     

北疆冬季持续性低温事件特征及大气环流异常分析

利用新疆天山山区及其以北地区（北疆）45个气象站1961-2010年冬季逐日最低气温资料,提出了45站低温日标准和区域性持续性低温事件的定义,并分析了持续性低温事件的时空分布和变化特征,研究了低温事件的年代际变化环流差异特征、大尺度环流背景、冷空气影响路径及强度特征。结果表明：(1) 低温日阈值呈东北向西南升高的分布趋势,低温日阈值最小值分布于准噶尔盆地和新疆北部阿勒泰地区,阈值为-34～-30℃,而西部伊犁地区和天山山区低温日阈值为-24～-20℃;(2) 1961-2010年出现35次大范围持续性低温事件,1月和2月发生频次均为0.29次/年,12月为0.14次/年;低温事件持续时间为5~25 d,其中超过10 d有16次,5~9 d有19次。持续性低温事件发生频率呈年际和年代际显著减少趋势,但强度无显著变化趋势;(3) 北半球大范围环流异常造成新疆持续低温事件,以经向环流异常为主,根据冷空气影响路径可分为4类：西西伯利亚横槽、中西伯利亚低槽东灌、北风带和西北风带、北脊南槽（涡）,这4类冷空气影响路径表现为500 hPa冷空气从极地或西伯利亚以超极地、西北和偏东路径进入新疆后,-32℃冷空气南压位于北疆地区,海平面气压场同时表现为蒙古高压盘踞欧亚大陆,高压中心达1045 hPa以上且位于阿勒泰山地区,1035 hPa冷高压控制北疆地区,这种环流配置造成新疆持续性低温事件。     

近53年中国寒潮的变化特征及其可能原因

利用1951～2004年中国740站逐日温度资料, 对中国寒潮频次的气候特征及其变化进行了分析, 并在此基础上对中国寒潮频次减少的可能原因进行了讨论: 冬季西伯利亚高压和东亚冬季风强度与中国寒潮频次呈显著的正相关.秋冬季节西伯利亚上空低层冷堆温度和中国寒潮频次呈显著的负相关.在气候变暖的大背景下, 西伯利亚高压和冬季风强度的减弱使得冬季中国地表温度持续升高, 而温度的这种变化与中国寒潮频次及其相伴随大风频次的减少均有密切的联系.西伯利亚高压和冬季风强度的减弱, 西伯利亚上空低层冷堆温度和中国地表温度的显著升高是中国寒潮及其相伴随大风频次减少的可能原因.     

近50年我国日平均气温的气候变化

应用近50年我国234个测站的日平均温度资料，研究了最高(低)日平均温度、各种界限温度日数、生长季节长度及有效积温的变化趋势。结果表明:近50年，夏季最高日平均温度以上升为主，新疆南部和黄淮的部分地区为下降趋势；最低日平均温度北方大部地区有较明显的升温趋势，新疆南部及长江流域则有下降趋势；在冬季，无论是最高日平均温度还是最低日平均温度的变化趋势均以上升为主，北方尤为明显；日平均温度高于30℃的炎热日数近50年来基本上没有什么变化，但日平均温度为20~30℃的温暖日数却有增加。低于5℃的冷日日数基本上也是减少的。日平均温度低于-10℃的严寒日数，在40o~45 o N的新疆、内蒙古西部、东北中南部地区减少得更为明显。除西南东部等少数地方外，我国大部分地区近50年来生长季节延长，有效积温增加。     

全球变暖背景下南宁地区寒潮活动的变化

 利用1961-2005年南宁地区8个气象观测站的逐日平均气温和最低气温资料,分析近45 a南宁地区寒潮活动的特征及其多年变化特点,并且研究了环流场异常对寒潮事件发生频率的影响。结果表明,南宁地区寒潮活动期区域差异较大：东部开始早,结束晚;西北部开始晚,结束早,寒潮出现在12、1和2月。近45 a来,寒潮具有两次跃变异常,分别发生在20世纪70年代前期和90年代后期;寒潮活动总的趋势是减少的,减少频数为0.12次/10 a,这主要与日最低气温比较高有关。此外,针对强寒潮活动年和弱寒潮活动年,给出了500 hPa典型高度距平场特征。     

全球变暖背景下南宁地区寒潮活动的变化

利用1961-2005年南宁地区8个气象观测站的逐日平均气温和最低气温资料,分析近45 a南宁地区寒潮活动的特征及其多年变化特点,并且研究了环流场异常对寒潮事件发生频率的影响。结果表明,南宁地区寒潮活动期区域差异较大：东部开始早,结束晚;西北部开始晚,结束早,寒潮出现在12、1和2月。近45 a来,寒潮具有两次跃变异常,分别发生在20世纪70年代前期和90年代后期;寒潮活动总的趋势是减少的,减少频数为0.12次/10 a,这主要与日最低气温比较高有关。此外,针对强寒潮活动年和弱寒潮活动年,给出了500 hPa典型高度距平场特征。     

近60a阿勒泰地区不同等级降温日气候特征

利用阿勒泰地区7个气象站自建站至2014年12月31日的逐日气温资料,以日最低气温及其降温幅度为指标,整理出阿勒泰地区近60 a降温日数据库,按降温幅度将降温日分为寒潮、强降温、较强降温、中等强度降温和弱降温5个等级,分析了全地区各站不同等级降温日数的气候特征。结果表明:(1)阿勒泰地区寒潮日数和强降温日数在地区偏东、偏北多,向偏西偏南逐步递减,其它等级降温日数在河谷平原多,向西、向东逐步递减。寒潮、强降温和中等强度降温日数的EOF分解第一模态方差贡献率较大,全地区呈较好的一致性,较强降温和弱降温日数的EOF分解主要模态分别有3个和5个。(2)阿勒泰地区寒潮日数在冬季12月最多,强降温日数在秋季9月最多,较强降温日数主要集中在夏季6—8月,中等强度和弱降温日数在各季分布较平均。(3)近60 a来,阿勒泰地区各站的年寒潮和强降温日数呈明显减少趋势,年较强降温日数呈明显增多趋势,年中等强度降温日数没有明显的线性变化趋势,年弱降温日数呈地区西部减少、中、东部增多的趋势,且东部增多趋势较显著。     

塔城地区沙尘天气变化特征

 根据1961-2005年塔城地区9个气象站地面实测资料,用线性趋势分析、Mann-Kendall、相关分析和合成分析等方法对塔城地区沙尘天气的时空分布及变化特征进行了分析,并对其机理进行了讨论。结果表明：1) 沙尘天气高发区位于沙湾、乌苏一带,次高值中心位于额敏,沙尘日数与大风日数、降水量空间分布呈反向分布的特点;2) 年均沙尘暴日数为3.8 d,主要发生在4-9月;3) 沙尘日数呈减少的趋势,其中沙尘暴日数以1.0 d/10a的速率显著减少,大风日数以10.5 d/10a的速率显著减少;4) 沙尘暴、扬沙、浮尘日数分别在1993、1992、1973年发生了显著减少的突变;5) 近半个世纪来新疆的冷空气活动强度和频率有所减弱(小),而大风日数的显著减少是沙尘日数减少的主要原因。     

近64a阿勒泰市春季不同等级寒潮过程气候特征

本文整理出阿勒泰市64年各级别强度寒潮过程数据库，分析阿勒泰市近64a来各级别寒潮过程的频数以及强度相关6个指标的气候特征，结果表明：（1）1954～2017年春季阿勒泰市共发生一般寒潮过程109.5次，强寒潮过程75.5次，特强寒潮过程37.5次；平均每年春季分别发生1.7次、1.2次和0.6次；3种级别寒潮过程发生频次占寒潮过程发生总频次的48.2%、33.3%和16.5%，阿勒泰市春季主要以一般寒潮和强寒潮为主。（2）春季一般寒潮、强寒潮和特强寒潮过程频数年际变化均在递减，且不显著，其中4月一般寒潮和特强寒潮过程递增，特强寒潮过程频数递增明显；一般寒潮过程频数的年代际变化在1950年代最多，强寒潮过程1970年代最多，特强寒潮过程1960年代和2000-2009年代最多。（3）一般、强和特强寒潮过程持续时间分别在1～7d、1～6d和1～5d，均以持续1～3d为主，分别占各自寒潮过程总次数的94.5%、90.8%和90.0%，其中又都以持续2d最多。（4）一般寒潮、强寒潮和特强寒潮过程降温幅度平均值分别为-10.8℃、-13.0℃和-17.3℃，一般寒潮和强寒潮降温幅度均在5月最强，特强寒潮降温幅度在3月最强。（5）一般寒潮、强寒潮和特强寒潮降温过程最低气温平均值分别为-7.8℃、-12.8℃和-20.3℃，随时间的推移呈明显的抬升趋势。（6）1954～2017年阿勒泰市春季一般寒潮、强寒潮和特强寒潮中降温过程最低气温距平平均值分别为-5.7℃、-7.9℃和-10.5℃；三种级别寒潮过程最低气温距平为负值占该级别寒潮过程频数的比例分别为80.0%、97.4%和97.5%。     

2008年4月天山北坡一次强寒潮天气成因分析

利用T213 0场预报资料对2008年4月18日新疆天山北坡带中部石河子垦区发生的50 a不遇强寒潮天气过程的环流背景、影响系统及物理量场进行了综合分析。结果表明：“2008.04.18”强寒潮天气主要成因是：里黑海脊发展东移与东欧脊同位相叠加并顺转, 脊前东北风带建立并加强,诱导泰米尔半岛冷空气沿脊前东北气流西南下到横槽中, 迫使横槽转向强烈发展东南压,并形成高空急流,强锋区和强冷高压;由于高压脊部分东南垮,导致中高纬度强冷空气大举东南下,造成强寒潮天气过程;西南急流与冷空气的交汇产生了较强的动力辐合和水汽辐合,对大暴雪的形成起到了重要作用;大暴雪发生在较强的能量锋区、高湿区和水汽通量辐合区内。