博爾楠,趙江偉,紅都孜,王 紅,特列克
(1.中國(guó)氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所,新疆 烏魯木齊830002;2.阿勒泰地區(qū)氣象局,新疆 阿勒泰836500)
寒潮通常會(huì)造成劇烈降溫、大風(fēng),有時(shí)還伴有雨、雪或霜凍。新疆寒潮多發(fā)生在秋末、冬季和初春時(shí)節(jié),對(duì)農(nóng)業(yè)、牧業(yè)、交通和人民生活影響極大,春播關(guān)鍵期的寒潮危害更為嚴(yán)重。李憲之[1]早在1955 年就指出東亞寒潮可以分為三大類型。劉傳鳳[2]研究了影響中國(guó)大陸的冷空氣源地和路徑。丁一匯[3]和張培忠等[4]進(jìn)一步研究指出侵襲中國(guó)的寒潮冷空氣源地主要有3 個(gè)。大量有關(guān)寒潮主要源地、統(tǒng)計(jì)特征、天氣系統(tǒng)及其成因、預(yù)報(bào)等研究,形成了比較系統(tǒng)和經(jīng)典的寒潮理論[5-7]。全球變暖背景下,中國(guó)寒潮的發(fā)生頻率和強(qiáng)度也出現(xiàn)了明顯變化,寒潮頻次減少,強(qiáng)度減弱[8]。進(jìn)入新世紀(jì)以來(lái),Chan 等[9]對(duì)東亞冬季風(fēng)進(jìn)行了全面總結(jié),分析了寒潮形成的環(huán)流背景條件。陳豫英等[10]揭示了寧夏境內(nèi)一場(chǎng)寒潮的影響系統(tǒng)配置、冷空氣路徑,高振榮等[11]得出高空急流在甘肅河西寒潮爆發(fā)的作用,趙玉廣等[12]分析了河北的寒潮天氣的形勢(shì)特征和預(yù)報(bào)著眼點(diǎn)。新疆老一輩預(yù)報(bào)專家揭示了新疆寒潮的大尺度環(huán)流和演變特征[13]。近年來(lái),關(guān)于新疆寒潮過(guò)程中伴隨各類災(zāi)害性天氣的環(huán)流成因也有不少研究成果,譚艷梅[14]分析了一次強(qiáng)寒潮過(guò)程中的鋒生作用,莊曉翠等[15-17]分析了新疆寒潮天氣及預(yù)報(bào)指標(biāo),李海燕等[18]總結(jié)了新疆一次超極地路徑的寒潮天氣特征,張林梅等[19]應(yīng)用實(shí)況和T213 物理量場(chǎng)分析了2009 年2 月阿勒泰寒潮強(qiáng)降溫及降水成因。新疆寒潮定量評(píng)價(jià)指標(biāo)不夠細(xì)致,精細(xì)化評(píng)估能力亟待增強(qiáng)。近年來(lái),毛煒嶧等[20,21]給出了細(xì)化的單站“降溫過(guò)程”、“寒潮過(guò)程”定義,并分析了烏魯木齊市降溫過(guò)程、寒潮過(guò)程的頻數(shù)及強(qiáng)度氣候特征,段均澤等[22]對(duì)比分析了阿拉木圖與烏魯木齊寒潮氣候特征,博爾楠等[23]初步分析了阿勒泰市春季降溫過(guò)程氣候特征。本文按照業(yè)務(wù)規(guī)范將寒潮過(guò)程分為一般、強(qiáng)和特強(qiáng)3 個(gè)等級(jí),深入研究阿勒泰市春季各級(jí)寒潮過(guò)程基本規(guī)律,為寒潮季節(jié)定量評(píng)估提供支持。
選取阿勒泰基準(zhǔn)氣候站1954—2016 年的春季(3—5 月)日最低氣溫資料,降溫過(guò)程涉及24、48 和72 h 變溫,為滿足寒潮樣本整理要求,資料時(shí)段為每年的2 月26 日—5 月31 日。根據(jù)《寒潮等級(jí)》(GB/T21987—2008)中的規(guī)定(表1),將寒潮過(guò)程分為一般、強(qiáng)和特強(qiáng)3 個(gè)等級(jí)。
表1 不同等級(jí)寒潮過(guò)程標(biāo)準(zhǔn)
1.2.1 寒潮過(guò)程定義
根據(jù)細(xì)化后的單站寒潮降溫過(guò)程定義[20,21],給出了降溫日、降溫過(guò)程初日、降溫過(guò)程終日、降溫過(guò)程、降溫持續(xù)日數(shù)、過(guò)程降溫幅度、過(guò)程最大24、48、72 h 降溫、過(guò)程最低氣溫、過(guò)程最低氣溫距平(表2)。
1.2.2 寒潮過(guò)程頻數(shù)及強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)
寒潮降溫過(guò)程的初日與終日在同一月(旬)內(nèi),則記錄該月(旬)出現(xiàn)1.0 次寒潮過(guò)程;若初日和終日在相鄰的兩個(gè)月(旬),則兩個(gè)月(旬)分別記錄出現(xiàn)0.5 次寒潮過(guò)程。結(jié)束日期在3 月上旬的寒潮過(guò)程,無(wú)論開(kāi)始日期是否在3 月,均記為1.0 次春季(3月、3 月上旬)寒潮過(guò)程;開(kāi)始日期在5 月下旬的寒潮過(guò)程,無(wú)論結(jié)束日期是否在5 月,同樣均記為1.0次春季(5 月、5 月下旬)寒潮過(guò)程。
表2 降溫過(guò)程相關(guān)概念及其定義
寒潮降溫過(guò)程的初日與終日在同一月(旬)內(nèi),則此次寒潮過(guò)程強(qiáng)度特征指標(biāo)計(jì)入該月(旬)內(nèi);若寒潮降溫過(guò)程的初日和終日分別在兩個(gè)相鄰月(旬),則此次寒潮過(guò)程強(qiáng)度特征指標(biāo)均計(jì)入這兩個(gè)相鄰的月(旬)內(nèi)。
2.1.1 春季寒潮過(guò)程頻數(shù)季節(jié)特征
1954—2017 年阿勒泰市春季(3—5 月)共出現(xiàn)寒潮過(guò)程226 次(表3),平均每年3.5 次,幾乎與烏魯木齊市全年寒潮過(guò)程頻數(shù)(4.1 次)[20]相當(dāng)。阿勒泰市緯度更高,寒潮頻發(fā)。近64 a,阿勒泰市春季一般、強(qiáng)和特強(qiáng)寒潮過(guò)程頻數(shù)分別為110 、76 和40次,平均每年出現(xiàn)1.7、1.2 和0.6 次,3 個(gè)等級(jí)的寒潮過(guò)程頻數(shù)分別占48.7%、33.6%和17.7%。阿勒泰市春季寒潮多發(fā),但是特強(qiáng)寒潮占比不高。
阿勒泰市春季一般寒潮過(guò)程頻數(shù)在1955 和2004 年最多,均為5 次;強(qiáng)寒潮過(guò)程頻數(shù)在1989 和2010 年最多,均為4 次;特強(qiáng)寒潮過(guò)程頻數(shù)在1999年最多,為3 次。烏魯木齊市一般、強(qiáng)和特強(qiáng)寒潮過(guò)程頻數(shù)在最多年份分別達(dá)到5、4 和5 次[21]。1954—2017 年,阿勒泰市春季有10 a 沒(méi)有出現(xiàn)一般寒潮,18 a 沒(méi)有出現(xiàn)強(qiáng)寒潮,33 a 沒(méi)有出現(xiàn)特強(qiáng)寒潮過(guò)程。不論是多年平均,還是極端偏多年,阿勒泰市春季一般和強(qiáng)寒潮過(guò)程頻數(shù)基本上與烏魯木齊市全年的相應(yīng)等級(jí)寒潮過(guò)程頻數(shù)相當(dāng)。
2.1.2 寒潮過(guò)程頻數(shù)月分布
由表3 可見(jiàn),1954—2017 年,阿勒泰市3 月一般、強(qiáng)和特強(qiáng)寒潮過(guò)程頻數(shù)分別為43.0、42.0 和31.5次,平均每年0.7、0.6 和0.5 次,分別占春季各級(jí)寒潮過(guò)程頻數(shù)的38.8%、55.0%和77.3%;4 月3 個(gè)等級(jí)寒潮過(guò)程頻數(shù)分別為40.5、20.5 和7.5 次,平均每年0.6、0.3 和0.1 次,分別占春季各級(jí)寒潮過(guò)程頻數(shù)的37.0%、27.2%和20.0%;5 月3 個(gè)等級(jí)寒潮過(guò)程頻數(shù)分別為26.5、13.5 和1 次,平均每年0.4、0.2 和0.01次,占春季各級(jí)寒潮過(guò)程頻數(shù)的24.2%、17.9%和2.7%。阿勒泰市3、4 月一般寒潮過(guò)程頻數(shù)接近,明顯多于5 月;強(qiáng)和特強(qiáng)寒潮過(guò)程頻數(shù)主要出現(xiàn)在3月。
表3 1954—2017 年阿勒泰市各級(jí)寒潮過(guò)程頻數(shù)春季以及月際分布
1954—2017 年阿勒泰市春季一般和強(qiáng)寒潮過(guò)程頻數(shù)均在3 月中旬最多,年平均分別為19 和18次,特強(qiáng)寒潮天氣過(guò)程頻數(shù)在3 月上旬最多,為15次。
2.1.3 寒潮過(guò)程持續(xù)日數(shù)特征
1954—2017 年,阿勒泰市春季一般、強(qiáng)和特強(qiáng)寒潮過(guò)程持續(xù)時(shí)間分別在1~7、1~6 和1~5 d,平均持續(xù)日數(shù)分別為2.0、2.3 和2.3 d;3 個(gè)等級(jí)的寒潮過(guò)程均以持續(xù)1~3 d 的為主,分別占各級(jí)寒潮過(guò)程頻數(shù)的94.5%、90.8%和90%,均以持續(xù)2 d 的最多。隨著寒潮強(qiáng)度增強(qiáng),過(guò)程持續(xù)日數(shù)也越長(zhǎng)(表4)。一般、強(qiáng)和特強(qiáng)寒潮過(guò)程持續(xù)時(shí)間,均是在3 月最短,4月次之,5 月最長(zhǎng)。
表4 近64 a 阿勒泰市春季各級(jí)別寒潮不同持續(xù)日數(shù)頻數(shù)分布
2.2.1 各級(jí)寒潮過(guò)程頻數(shù)年際變化
1954—2017 年,阿勒泰市春季一般、強(qiáng)和特強(qiáng)寒潮過(guò)程頻數(shù)分別以-0.10、- 0.05 和-0.005 次/10 a的速率遞減,變化均不顯著。3 月三種等級(jí)的寒潮過(guò)程頻數(shù)均遞減;4 月強(qiáng)寒潮過(guò)程頻數(shù)遞減,一般和特強(qiáng)寒潮過(guò)程頻數(shù)遞增,其中特強(qiáng)寒潮過(guò)程頻數(shù)的線性趨勢(shì)通過(guò)了0.01 的顯著性檢驗(yàn);5 月一般和強(qiáng)寒潮過(guò)程頻數(shù)均遞減,其中一般寒潮頻數(shù)的變化趨勢(shì)通過(guò)了0.10 的顯著性檢驗(yàn)(圖1)。
圖1 1954—2017 年寒潮過(guò)程頻數(shù)春季以及月際分布
2.2.2 各級(jí)寒潮過(guò)程頻數(shù)年代際分布
將1954—2017 年分為7 個(gè)年代際時(shí)段,分析阿勒泰市春季3 個(gè)等級(jí)寒潮過(guò)程頻數(shù)的年代際分布特征。由表5 可見(jiàn),一般寒潮過(guò)程頻數(shù)在21 世紀(jì)前10 a 最多,平均每年出現(xiàn)2.1 次;在2011—2017 年,平均每年1 次。強(qiáng)寒潮過(guò)程頻數(shù)在20 世紀(jì)70 年代最多,平均每年1.8 次;在2011—2017 年,平均每年1.6 次。特強(qiáng)寒潮過(guò)程頻數(shù)在20 世紀(jì)60 年代最多,平均每年0.9 次;在2011—2017 年,平均每年0.6次。
表5 1954—2017 年阿勒泰市春季各級(jí)寒潮過(guò)程頻數(shù)年代際分布
2.3.1 寒潮過(guò)程降溫幅度
由圖2 可見(jiàn),1954—2017 年,阿勒泰市春季共出現(xiàn)110 次一般寒潮過(guò)程,過(guò)程降溫幅度平均值為-10.8 ℃,1976 年3 月4—10 日和1982 年4 月23—26 日最強(qiáng),過(guò)程降溫-15.2 ℃。3、4、5 月一般寒潮過(guò)程降溫幅度平均值分別為-10.3、-10.9、-11.3 ℃;5 月下旬過(guò)程降溫幅度最強(qiáng),平均為-12.6 ℃。76 次強(qiáng)寒潮過(guò)程降溫幅度平均值為-13.0 ℃,1958 年3月21—24 日最強(qiáng),過(guò)程降溫-22.1 ℃。3、4、5 月強(qiáng)寒潮過(guò)程降溫幅度平均值分別為-13.1、-12.6、-13.1 ℃;3 月下旬過(guò)程降溫幅度最強(qiáng),平均為-14.3 ℃。40 次特強(qiáng)寒潮過(guò)程降溫幅度平均值為-17.3 ℃,1977 年2月27 日—3 月1 日最強(qiáng),過(guò)程降溫-28.3 ℃。3、4、5月特強(qiáng)寒潮過(guò)程降溫幅度平均值分別為-17.9、-15.3、-16.6 ℃;4 月上旬的過(guò)程降溫幅度最強(qiáng),平均為-19.0 ℃。阿勒泰市春季特強(qiáng)寒潮過(guò)程降溫幅度月尺度上3 月最強(qiáng),旬尺度上4 月上旬最強(qiáng)。
2.3.2 寒潮過(guò)程24 h 最大降溫幅度
由圖3a 可見(jiàn),1954—2017 年阿勒泰市春季一般寒潮過(guò)程24 h 最大降溫幅度平均值為-7.8 ℃,3、4、5 月分別為-7.9、-7.5、-8.0 ℃;5 月上旬過(guò)程24 h最大降溫幅度最強(qiáng),平均-8.6 ℃。強(qiáng)寒潮過(guò)程24 h最大降溫幅度平均值為-9.0 ℃,3、4、5 月24 h 最大降溫幅度分別為-9.3、-8.5、-8.6 ℃;3 月下旬過(guò)程24 h 最大降溫幅度最強(qiáng),平均-9.4 ℃。特強(qiáng)寒潮過(guò)程24 h 最大降溫幅度平均值為-12.0 ℃,3 月、4 月、5 月分別為-12.2、-11.4 和-8.8 ℃;3 月上旬過(guò)程24 h最大降溫幅度最強(qiáng),平均-13.0 ℃。阿勒泰市春季特強(qiáng)寒潮過(guò)程最大24 h 降溫幅度月尺度上3 月最強(qiáng),旬尺度上3 月上旬最強(qiáng)。
圖2 1954—2017 年各級(jí)寒潮過(guò)程降溫幅度春季及月際分布
2.3.3 寒潮過(guò)程48 h 最大降溫幅度
由圖3b 可見(jiàn),1954—2017 年,阿勒泰市春季持續(xù)日數(shù)在2 d 或以上的一般、強(qiáng)和特強(qiáng)寒潮過(guò)程頻數(shù)分別為74、66 和34 次。74 次一般寒潮過(guò)程48 h最大降溫幅度平均值為-10.7 ℃,3、4、5 月48 h 最大降溫幅度平均值分別為-10.4、-10.7 和-10.9 ℃;5月上旬過(guò)程48 h 最大降溫最強(qiáng),平均-11.0 ℃。66次強(qiáng)寒潮過(guò)程48 h 最大降溫幅度平均值為-12.4 ℃,3、4、5 月平均值分別-12.5、-12.1 和-12.3 ℃;3 月下旬過(guò)程48 h 最大降溫最強(qiáng),平均-13.0 ℃。34 次特強(qiáng)寒潮過(guò)程48 h 最大降溫幅度平均值為-16.7 ℃,3、4、5月平均值分別為-17.3、-14.2 和-16.6 ℃;3 月上、中旬過(guò)程48 h 最大降溫幅度最強(qiáng),平均-17.8 ℃。阿勒泰市春季特強(qiáng)寒潮過(guò)程48 h 最大降溫幅度月尺度上3 月最強(qiáng),旬尺度上3 月上、中旬最強(qiáng)。
2.3.4 寒潮過(guò)程72 h 最大降溫幅度
由圖3c 可見(jiàn),1954—2017 年,阿勒泰市春季持續(xù)日數(shù)在3 d 或以上的一般、強(qiáng)和特強(qiáng)寒潮過(guò)程頻數(shù)分別為28 、21 和14 次。28 次一般寒潮過(guò)程72 h最大降溫幅度平均值為-12.3 ℃,3、4、5 月分別為-12.6、-12.2 和-11.8 ℃;3 月中旬過(guò)程72 h 最大降溫幅度最強(qiáng),平均-13.4 ℃。21 次強(qiáng)寒潮過(guò)程72 h最大降溫幅度平均值為-13.9 ℃,3、4、5 月72 h 最大降溫幅度分別為-14.0、-13.9、-13.7 ℃;3月下旬過(guò)程72 h 最大降溫幅度最強(qiáng),平均為-15.5 ℃。14 次特強(qiáng)寒潮過(guò)程72 h 最大降溫幅度平均值為-19.1 ℃,3、4月72 h 最大降溫幅度分別為-19.3、-16.2 ℃,5 月未出現(xiàn)3 d 或以上的特強(qiáng)寒潮過(guò)程;3 月上旬過(guò)程72 h 最大降溫幅度最強(qiáng),平均-20.3 ℃。阿勒泰市春季特強(qiáng)寒潮過(guò)程72 h 最大降溫幅度月尺度上3 月份最強(qiáng),旬尺度上3 月上旬最強(qiáng)。
圖3 1954—2017 年春季各級(jí)別寒潮過(guò)程最大24 h(a)、48 h(b)、72 h(c)降溫幅度春季及月際分布
2.4.1 寒潮過(guò)程最低氣溫
1954—2017 年,阿勒泰市春季一般、強(qiáng)和特強(qiáng)寒潮過(guò)程最低氣溫平均值分別為-7.8、-12.8、-20.3 ℃。3、4、5 月一般寒潮過(guò)程最低氣溫平均值分別為-14.1、-5.2、-1.4 ℃,3 月上旬最低,平均-18.1 ℃。一般、強(qiáng)和特強(qiáng)寒潮過(guò)程最低氣溫的平均值在月尺度上3 月最低,旬尺度上3 月上旬最低,3 種等級(jí)寒潮過(guò)程最低氣溫在月、旬分布上具有相同特征,隨春季時(shí)間推移明顯上升(圖4)。
圖4 1954—2017 年阿勒泰市各級(jí)別寒潮過(guò)程最低氣溫
2.4.2 寒潮過(guò)程最低氣溫距平
1954—2017 年,阿勒泰市春季一般、強(qiáng)和特強(qiáng)寒潮過(guò)程最低氣溫距平平均值分別為-5.7、-7.9、-10.5 ℃。110 次一般寒潮過(guò)程中,3、4、5 月過(guò)程最低氣溫距平平均值分別為-2.0、-7.2、-9.3 ℃;5 月上旬過(guò)程最低氣溫距平偏低幅度最強(qiáng),平均為-9.5 ℃。76 次強(qiáng)寒潮過(guò)程中,3、4、5 月過(guò)程最低氣溫距平平均值分別為-8.0、-6.8、-8.7 ℃;3 月下旬過(guò)程最低氣溫距平偏低幅度最強(qiáng),平均為-11.3 ℃。40 次特強(qiáng)寒潮過(guò)程中,3、4、5 月過(guò)程最低氣溫距平平均值分別為-10.6、-10.5、-9.6 ℃;3 月下旬過(guò)程最低氣溫距平偏低幅度最強(qiáng),平均為-12.9 ℃(圖5)。
阿勒泰市春季一般、強(qiáng)和特強(qiáng)寒潮過(guò)程最低氣溫距平為負(fù)值的百分率分別為80.0%、97.4%和97.5%。阿勒泰市春季三種等級(jí)的寒潮過(guò)程中,大多數(shù)寒潮過(guò)境后最低氣溫下降到多年平均值以下,但是也存在寒潮過(guò)境后,最低氣溫仍然會(huì)高于多年同期平均值的情況,即便是特強(qiáng)寒潮過(guò)程也有這種現(xiàn)象(圖6)。
(1)1954—2017 年春季(3—5 月)阿勒泰市共發(fā)生一般寒潮過(guò)程110 次,強(qiáng)寒潮過(guò)程76 次,特強(qiáng)寒潮過(guò)程40 次;平均每年春季分別發(fā)生1.7 次、1.2 次和0.6 次;3 種等級(jí)的寒潮過(guò)程頻數(shù)分別占寒潮過(guò)程總頻數(shù)的48.2%、33.3%和16.5%。阿勒泰市春季以一般和強(qiáng)寒潮過(guò)程為主。
(2)阿勒泰市春季一般、強(qiáng)和特強(qiáng)寒潮過(guò)程持續(xù)平均持續(xù)時(shí)間分別為2.0、2.3 和2.3 d,均以持續(xù)1~3 d 為主,其中又都以持續(xù)2 d 最多。隨著寒潮強(qiáng)度增強(qiáng),過(guò)程持續(xù)時(shí)間也越長(zhǎng)。一般、強(qiáng)和特強(qiáng)寒潮均是在3 月出現(xiàn)次數(shù)最多,4 月次之,5 月最少,而持續(xù)時(shí)間分布規(guī)律則相反,均是在3 月最短,4 月次之,5月最長(zhǎng)。
(3)64 a 來(lái),阿勒泰市春季各級(jí)寒潮過(guò)程頻數(shù)均呈線性減少趨勢(shì),變化不顯著。3 和5 月各級(jí)寒潮過(guò)程頻數(shù)均減少,但4 月特強(qiáng)寒潮過(guò)程頻數(shù)顯著增多。春季特強(qiáng)寒潮在20 世紀(jì)60 年代和21 世紀(jì)前10 a 最多。
圖5 1954—2017 年阿勒泰市各級(jí)別寒潮過(guò)程最低氣溫距平月際分布
圖6 1954—2017 年阿勒泰市各級(jí)別寒潮過(guò)程最低氣溫距平呈負(fù)值百分率
(4)1954—2017 年,阿勒泰市春季110 次一般寒潮過(guò)程降溫幅度平均值為-10.8 ℃,76 次強(qiáng)寒潮過(guò)程降溫幅度平均值為-13.0 ℃,40 次特強(qiáng)寒潮過(guò)程降溫幅度平均值為-17.3 ℃。春季過(guò)程降溫幅度最強(qiáng)一次特強(qiáng)寒潮過(guò)程發(fā)生在1977 年2 月27 日—3月1 日,降幅為-28.3 ℃。3、4、5 月特強(qiáng)寒潮過(guò)程降溫幅度平均值分別為-17.9、-15.3、-16.6 ℃。
(5)阿勒泰市春季一般、強(qiáng)、特強(qiáng)寒潮過(guò)程24 h最大降溫幅度平均值分別為-7.8、-9.0、-12.0 ℃,過(guò)程48 h 最大降溫幅度平均值分別為-10.7、-12.4、-16.7 ℃,過(guò)程72 h 最大降溫幅度平均值分別為-12.3、-13.9、-19.1 ℃。特強(qiáng)寒潮過(guò)程的24、48 和72 h 最大降溫幅度均在3 月上旬最強(qiáng),最大降溫幅度平均值分別為-13.0、-17.8、-20.3 ℃。
(6)阿勒泰市春季一般、強(qiáng)和特強(qiáng)寒潮過(guò)程最低氣溫平均值分別為-7.8、-12.8、-20.3 ℃,過(guò)程最低氣溫距平平均值分別為-5.7、-7.9、-10.5 ℃。特強(qiáng)寒潮過(guò)程最低氣溫3 月上旬最低,平均-18.1 ℃,特強(qiáng)寒潮過(guò)程最低氣溫距平偏低幅度3 月下旬最強(qiáng),平均-12.9 ℃。阿勒泰市春季特強(qiáng)寒潮過(guò)程中存在寒潮過(guò)境后最低氣溫仍然高于多年同期平均值的現(xiàn)象。