不同气候背景下新疆冬季极端冷（暖）事件的变化特征

陈　颖，李维京，史红政，刘　精

（1.新疆气候中心，新疆　乌鲁木齐830002；2.国家气候中心，北京100081；3.新疆气象局，新疆　乌鲁木齐830002）

不同气候背景下新疆冬季极端冷（暖）事件的变化特征

陈颖1，李维京2，史红政3，刘精1

（1.新疆气候中心，新疆乌鲁木齐830002；2.国家气候中心，北京100081；3.新疆气象局，新疆乌鲁木齐830002）

利用1961—2013年新疆89站逐日气温和NCEP再分析高度场资料，分析了不同气候背景下新疆1961年以来冬季（12月—翌年2月）出现的极端冷（暖）事件年代际变化及与其相联系的环流特征。根据对新疆冬季极端冷（暖）事件的气候背景划分，认为新疆冬季极端冷（暖）事件在不同气候背景中都有明显的不同，全疆冬季极端冷事件存在随气候背景转变而发生区域一致变化的特征，但冬季极端暖事件的变化则有南北反相的区域差异。总体而言，新疆极端冷暖事件发生的日数趋于减少，极端冷暖事件强度也具有显著减小的趋势；北疆西部和天山两侧是气候极端性变化最显著的区域。从冷暖期环流特征的差异来看，北疆型极端冷事件减少的主要原因来自于突变后极涡减弱，而南疆型极端冷（暖）事件减少（增加）则主要受欧亚范围内大片正变高区的影响。

冬季气候；极端冷暖事件；环流特征；新疆

陈颖，李维京，史红政，等.不同气候背景下新疆冬季极端冷（暖）事件的变化特征[J].沙漠与绿洲气象，2016，10（4）：17-24. doi：10.3969/j.issn.1002-0799.2016.04.003

极端气温是重要的冷暖指标，它蕴含了冬季的寒冷和夏季的炎热,其异常气候变化不仅会引起农业气象灾害,而且对人类的生存和居住环境也会产生一定的影响。随着全球气候变暖，新疆区域气温上升、降水增加，呈现出明显的“暖湿化”特征，其中气温上升，尤其表现在新疆冬季气温上升最为显著[1]。但在近年来，极端低温、极端降雪等事件也屡屡发生[2-6]。

当前，已有很多针对中国或者中国北方的极端气候事件的研究，王绍武[7]分析了百年来中国冷冬的气候特征，任福民等[8]和翟盘茂等[9]分析了中国年、季极端气温变化趋势的时空特征和中国北方近50年温度极端事件变化；严中伟等[10]讨论了近几十年中国极端气候变化格局。刘学华等[11]认为，北方地区极端气温指数变化最大，而且对应气候突变的时段，极端气温也有了显著的变化。李维京等[12]认为，我国冬季气温在1985年之前处于冷期,之后为暖期;我国冬季气温异常与影响因子的关系发生了显著的年代际变化,而且影响因子之间的关系也发生了显著的年代际变化。

对于新疆极端气候事件的研究，杨莲梅[13]分析了1961—2000年以来新疆极端降水的气候变化、发展趋势和空间分布差异；赵勇[14]分析了北疆地区极端降水事件的区域性和持续性特征。对于冬季气候的分析和预测，季元中等[15]认为1980年代新疆的气候变暖从地域上讲主要在北疆，从季节上讲主要在冬季，从时间上来讲主要在夜间；毛炜峄等[16]利用新疆33站1961—2011年冬季气温和前期108项月环流特征量指数，考虑各站冬季气温及前期月环流特征量的线性变化趋势影响，建立了统计预测模型。对于新疆冬季极端低温事件，虽然在研究中国北方和西北地区的文献中有所涉及，陈少勇等[17]对中国西北地区的极端低温事件做了统计分析，认为西北地区极端低温的低值主要出现在北疆和青海高原，这些地方的阈值在-20℃以下，利用合成分析给出了西北地区冬季极端低温出现时的环流特征。然而，自全球气候变暖以后，在不同的气候背景下新疆冬季极端气候事件是否发生了不同的变化，与其相联系的大气环流特征又有了怎样的变化，都是需要重新去认识的。因此，采用完整、连续以及可靠的资料对新疆冬季极端气温事件的区域性气候特征及相联系的欧亚中高纬度的环流进行研究，了解其发生发展规律和时空变化特点以及影响因子的年代际变化是十分有必要的。

本文对1961—2013年冬季（12月—翌年2月）极端冷（暖）事件及其相联系的环流特征以及它们在不同气候背景下的变化特点进行分析，得出气候变暖以来新疆冬季极端冷（暖）事件在不同气候背景下的分布特点和一般规律，并尝试对这种分布特点和规律加以解释。

1　资料及分析方法

1.1资料

本文选用新疆1961年1月—2014年2月资料完整的89个测站的逐日最低气温和逐日最高气温，时间序列采用当年的全部测站取算术平均值建立，多年平均值取1961—2013年平均，冬季平均采用当年12月至次年2月作为当年冬季值。环流高度场资料来自NCEP再分析资料。

1.2分析方法

当前对于极端气候事件的判定方法和定义很多，目前国际上主要采用极端气温指数来研究极端气温事件。①标准差法：取距平值大于标准差一定倍数的值作为极端事件阈值，如将降水距平大于0.5σ（标准方差）为异常强降水事件等[18]；③百分位法：这是目前运用最为广泛的一种方法，翟盘茂[9]将某站1961—1990年中同日的最高（低）温度资料按升序排列，得到该日第96（5）个最高（低）温度的百分位值，照此方法可得到366个最高（低）温度的第95（5）个百分位值，将之作为极端高（低）温阈值。如果某日的最高温度超越了该日极端高温阈值，则认为该日出现了极端暖事件；同理如果某日的最低温度超越了该日极端低温阈值，则认为该日出现了极端冷事件。2003年ETCCDMI（Expert Team on Climate Change Detection and Indices）定义了一系列代用气候指数[19]，也是采用百分位法定义，主要集中在对极端事件的描述上。

本文根据ETCCDMI的代用气候指数，利用百分位法来定义极端气候事件，即分别分析新疆89个1961—2013年冬季资料完整的测站的逐日最高（低）气温，将日最高气温的第90分位作为暖事件的阈值，日最低气温的第10分位作为冷事件的阈值；低（高）于阈值则记为1个冷（暖）事件日，分别建立各站冷（暖）事件日数序列。涉及对于极端冷暖事件偏多年分析的时候，采用标准差法，通过判断日数距平绝对值是否大于1倍标准差的方法确定异常年。

采用REOF方法分析新疆冬季极端冷（暖）事件的空间一致性来确定研究区域；采用Mann-Kendall方法和滑动t检验共同确定气候突变点。

2　新疆冬季极端冷（暖）事件的空间一致性及气候背景划分

2.1新疆冬季极端冷（暖）事件频次的空间一致性

对新疆各站冬季极端冷事件频次序列进行旋转经验正交展开（REOF）分析，前3个旋转空间模的累计方差贡献解释了总方差的72.1%，认为已经可以代表新疆冬季极端冷事件出现频次的特征，因此对前3个旋转空间模进行分析。前3个旋转空间模分别解释了总方差的37.7%、25.8%、8.6%，基本都反映了全疆一致变化，只有第一旋转空间模中，在帕米尔高原上的塔什库尔干与全疆其他区域表现出不同的变化特征。其中第一旋转空间模（图1a）中，冷事件的变化中心位于北疆；第二旋转空间模（图1b）中，冷事件的变化中心位于南疆西部；第三旋转空间模（图1c）中，冷事件的变化中心位于南疆东部一带。因此，新疆冬季冷事件虽然表现了全疆一致的变化，但在空间分布上则有以北疆为主或者以南疆为主的不同。

图1　1961—2013年冬季新疆极端冷事件频次REOF前3个旋转空间模

同样对新疆冬季极端暖事件进行REOF分析，前5个旋转空间模的累计方差贡献解释了总方差的76.8%，认为已经可以代表新疆冬季极端暖事件的特征，因此对前5个旋转空间模进行分析。前5个旋转空间模分别解释了总方差的15.1%、22.1%、11.1%、15.3%、13.2%，其中前3个旋转空间模表征了冬季暖事件区域变化的差异，解释了总方差的48.3%，第四和第五旋转空间模代表了冬季暖事件一致变化的特征，解释了总方差的28.5%。这也说明，新疆冬季极端暖事件的发生和变化是有区域差异的。第一、三旋转空间模表征了南疆西部和其余地区的反相变化的特征（图2a、2c），但区别在高载荷中心分别在北疆中部和北疆西部；第二旋转空间模表现了北疆北部和其余地区的反相变化（图2b），第四旋转空间模和第五旋转空间模表现了全疆冬季极端暖事件一致增加和一致减少的特征（图2d、2e）。综合来看，前5个旋转空间模虽然体现了不同区域的空间特征，但大致依然反映的是南北疆差异。2.2新疆冬季极端冷（暖）事件的气候背景划分

利用Mann-Kendall方法对1961—2013年冬季新疆极端冷事件进行突变检验分析，结果表明1977年以来新疆冬季极端冷事件日数呈下降趋势，1989年以来下降趋势通过了显著性水平0.05的临界线，表明1989年以来新疆冬季极端冷事件减少是十分显著的。根据交点位置,确定新疆冬季极端冷事件日数下降这一突变现象具体是从1978年开始的。因此，在下文的分析中，将新疆冬季极端冷事件分为1978年前（冷期）和1978年后（暖期）2个气候背景进行年代际背景分析。

根据新疆冬季极端暖事件的REOF前3个模态的分析结果，同样利用Mann-Kendall方法分别对1961—2013年冬季北疆、南疆极端暖事件进行突变检验分析，但均存在出现多个交点的情况，结合滑动T检验的分析，确定北疆无明显突变年；对于南疆极端暖事件序列，滑动T检验取3 a的滑动窗口，确定1984年为南疆冬季极端暖事件的突变年。因此，在下文的分析中，对于南疆冬季极端暖事件则采用1984年作为界限，分为1984年前（冷期）和1984年后（暖期）2个气候背景进行年代际背景分析。

3　不同气候背景下新疆冬季极端冷（暖）事件的频次变化特征

3.1新疆冬季极端冷事件

图2　1961—2013年冬季新疆极端暖事件频次REOF前5个旋转空间模

图3　1961—2013年冬季新疆极端冷（暖）事件频次变化图

对比冷期和暖期的各站冬季极端冷事件的分布，在1978年前后，冬季极端冷事件整体减少了，但在突变之前冬季极端冷事件出现频次少的区域减少的幅度小，出现频次大的区域减少的幅度大，大致是在北疆沿天山一带的变化幅度小，南疆西部的变化幅度大（图4a）。

3.2新疆冬季极端暖事件

1961—2013年冬季，北疆平均每年出现极端暖事件日数6.5日/站。由图3b可见，1961年以来共有24 a北疆平均极端暖事件日数偏多，这24 a在53 a中基本上是均匀分布，没有明显的集中时段。

1961—2013年冬季，南疆平均每年出现极端暖事件日数6.6日/站。其中，冷期平均每年出现极端暖事件日数5.1日/站；暖期绝大部分年份冬季极端冷事件平均日数为7.8日/站。由图3c可见，1961年以来共有24 a区域平均极端暖事件日数偏多，其中，冷期共24 a，仅有7 a冬季极端暖事件日数偏多，2 a异常偏多；暖期共29 a，有13 a冬季极端暖事件日数偏多，8 a异常偏多。

对比冷期和暖期的冬季极端暖事件空间分布，南疆极端暖事件明显增加了，而北疆西部却表现出极端暖事件减少的特征（图4b）。

4　不同气候背景下新疆冬季极端冷（暖）事件频次、强度的极端性分析

为了检验新疆冬季极端冷（暖）事件在气候背景变化过程中是否增强（减弱）了气候极端性，将各站逐年新疆冬季极端冷事件日数和极端暖事件日数相加，得到的序列用于表征极端气温事件的频次变化；用各站极端冷暖事件时间序列的标准差反映其偏离平均值的离散程度，标准差越大，表示偏离平均值的离散程度越大，该站的气候极端性的频次变化则越大。根据Mann-Kendall检验和滑动T检验等突变检测方法对该序列的分析，1978年为其气候突变点，因此用1978年之前表示冷期、1978年之后表示暖期，分别分析冷暖期极端事件频次和强度的变化幅度。

图5a中的色斑表示了冷期和暖期的这种极端冷暖事件频次的标准差变化，表现为暖期较冷期区域总体的频次标准差减少，北疆北部和西部是减少最明显的区域；图中黑色实心圆点表示极端冷暖事件频次显著减少的区域，主要分布在北疆西部和天山两侧。因此，在北疆西部和天山两侧不仅极端冷暖事件的频次显著减少，而且极端冷暖事件的频次变化幅度也趋于减小。

图4　1961—2013年冬季新疆极端冷（暖）事件频次空间分布在不同气候背景下的差异

图5　1961—2013年冬季新疆极端冷（暖）事件气候极端性分析

同样将各站的逐年冬季极端最高气温减去冬季极端最低气温，得到的序列用于表征极端冷暖事件的强度变化。同样地以1978年为界，分析了冷期转为暖期背景下的强度标准差变化和强度的趋势变化。图5b中，极端冷暖事件的强度在冷期转为暖期背景后同样有着明显的变化，表现为北疆、天山两侧和南疆西部强度标准差减小，强度呈显著减少的区域大致位于北疆、天山南麓和南疆西部，因此，北疆、天山南麓和南疆西部不仅极端冷暖事件的强度显著减小，而且极端冷暖事件的强度变化幅度也趋于减小。

国外现在的挖沟机都是体积庞大的履带式挖沟机,不太适合在复杂的城市空间进行沟渠挖掘.国内通常采用挖掘机开沟或者人工挖掘,挖掘机通常不太适合对复杂的城市空间进行沟渠挖掘,人工挖掘不但效率低,而且沟渠的品质很难得到保证.因此,研发一款体积小、适应性强的小型挖沟机很有必要[1].

5　新疆冬季冷（暖）事件异常偏多年的环流特征

5.1新疆冬季极端冷（暖）事件异常偏多年对应的时空分布型

根据前文应用REOF对新疆冬季极端冷事件进行空间分布的分析，按照前3个旋转空间模的模态分布，虽然都反映新疆冬季冷事件的空间一致变化，但根据重点影响区域的不同将新疆冬季冷事件异常偏多年对应的空间型分为北疆型、南疆型和东疆型三类空间型，分别对应REOF前3个模态；同样的，虽然新疆冬季极端暖事件选取了前5个旋转空间模，但归结起来，主要是分南北两个区域的变化不同，因此将新疆冬季极端暖事件分为北疆型和南疆型两类空间型。

5.2新疆冬季极端冷（暖）事件的环流特征

将新疆冬季极端冷（暖）事件偏多年各空间型按表1中冷暖年份分别进行500 hPa高度场的合成见图6。

表1　新疆冬季极端冷（暖）事件偏多年对应的空间分布型

冬季北疆型极端冷事件偏多年，北半球中高纬度为三波型，50°N以北、乌拉尔山及其以西的欧洲大陆为正高度距平区，欧洲槽偏弱，乌拉尔山地区高度场抬升；我国范围内为大片的负距平区，负距平中心位于巴尔喀什湖至贝加尔湖之间，新疆受这个负距平区的控制。北疆型冬季极端冷事件对应的环流特征类似于斯堪的纳维亚型遥相关环流型，刘毓赟等[20]认为，在欧亚大陆上空存在非常明显的与EU相联系的准定常波的活动，波动活动的辐散区主要位于副热带北大西洋，西伯利亚是主要的辐合区。在大气内部确实有与EU相联系的波列从北大西洋传播到乌拉尔山以东的欧亚大陆地区。结合槽脊位置可见,欧亚范围内中高纬度的环流经向度加大，槽脊都有所发展,有利于气流的经向运动（图6a）。

冬季南疆型极端冷事件偏多年，北半球中高纬度的三波型配置较北疆型极端冷事件偏多年明显，极涡偏向于东半球且异常偏南，乌拉尔山至蒙古一带为正变高区，乌拉尔山地区位于正高度距平区的后部，且这个正距平区较北疆型更加偏南，此时，中亚南部有一个负距平中心，中心位置在30°N附近，利于南支气流上的低值系统发展，造成以南疆为主要区域的冷空气活动（图6b）。

冬季东疆型极端冷事件偏多年，北半球中高纬的三波型配置接近北疆型，但欧洲槽的位置偏东于北疆型，受高度负距平区的影响，发展偏强；新地岛至乌拉尔山为一个较强的高度正距平区，这个正距平区引导乌拉尔山脊向东发展，贝加尔湖以南的我国北方地区为较强的高度负距平区，这个负距平区对于新疆来说位置较偏东，因此主要影响新疆偏东区域的气候（图6c）。

冬季北疆型极端暖事件偏多年，整个北半球500 hPa高度场上大部分区域为正高度距平区，位于乌拉尔山的负距平区通过极区延伸至北美，欧洲东部槽偏强而宽广，它扩展至乌拉尔山地区，乌拉尔山地区的负变高区和西西伯利亚地区的正变高区域共同作用使得极端暖事件以北疆为中心形成（图6d）。

冬季南疆型极端暖事件偏多年，欧亚中高纬度55°N以北的区域为负距平区，25°～50°N范围内，自中亚至北太平洋上空为一个宽广的正变高区，中亚至新疆偏南区域，中高纬度高度场整体北抬，易造成新疆自南部开始发展的升温，因此引发南疆型极端暖事件频次偏多（图6e）。

5.3不同气候背景下新疆冬季极端冷（暖）事件偏多年环流特征变化

将新疆冬季极端冷（暖）事件偏多年按冷期和暖期分别合成，将暖期合成环流减去冷期合成环流，得到由冷期转为暖期的环流差异，由于东疆型极端冷事件偏多年和北疆型极端暖事件偏多年在突变前后没有年数差异，因此不做具体讨论，仅对北疆型、南疆型极端冷事件偏多年和南疆型极端暖事件偏多年进行分析。

对比由冷期转为暖期的北疆型冬季极端冷事件偏多年，乌拉尔山区域为正变高，但极区为较大的正变高区，极涡减弱。北疆型极端冷事件偏多年的差异，可认为大部分原因来自于极涡减弱。由对国家气候中心74项环流特征量的分析也证实，冬季亚洲区（60°～150°E）极涡的确在1980年代初发生了面积减小和强度减弱的变化（图7a）。

对比由冷期转为暖期的南疆型冬季极端冷（暖）事件偏多年，欧洲东部槽减弱，乌拉尔山及其以东区域高度下降，受欧亚中高纬度大片正变高区的影响，南疆型冬季极端冷事件减少、暖事件增加（图7b、7c）。

6　结论

本文通过对新疆冬季极端冷（暖）事件的时空分布特点及其联系的北半球中高纬度环流特征的分析，得到如下结论：

图6　新疆冬季极端冷（暖）事件偏多年500 hPa位势高度场合成

图7　新疆冬季极端冷（暖）事件偏多年500 hPa位势高度场冷暖期差异

（1）根据对新疆冬季极端冷（暖）事件的气候背景划分，新疆冬季极端冷（暖）事件在气候背景转换的过程中都有明显的变化，极端冷事件的变化幅度要大于暖事件的变化幅度。全疆冬季极端冷事件都存在随气候背景转变而发生一致变化的特征，但冬季极端暖事件在北疆没有这种随气候背景转变而一致变化的特征，甚至在北疆西部还出现了极端暖事件在暖期出现频次比冷期还少的逆变化；南疆西部是冷暖期气候转变的最明显的区域。

（2）总体而言，新疆极端冷暖事件发生的日数趋于减少，极端冷暖事件强度也具有显著减小的趋势；北疆西部和天山两侧是气候极端性变化最显著的区域。在北疆西部和天山两侧不仅极端冷暖事件的频次显著减少，而且极端冷暖事件的频次变化幅度也趋于减小；而在北疆、天山南麓和南疆西部不仅极端冷暖事件的强度显著减小，而且极端冷暖事件的强度变化幅度也趋于减小。

（3）从冷暖期环流特征的差异来看，北疆型极端冷事件减少的主要原因来自于突变后极涡减弱，而南疆型极端冷（暖）事件减少（增加）则主要受欧亚范围内大片正变高区的影响。

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Variations of Extreme Cold（Warm）Events in Winter in Xinjiang under Different Climate Background

CHEN Ying1，LI Weijing2，SHI Hongzheng3，LIU Jing1
（1.Xinjiang Climate Center，Urumqi 830002，China；2.National Climate Center，Beijing 100081，China；3.Xinjiang Meteorological Bureau，Urumqi 830002，China）

The variability of extreme cold（warm）events in winter in Xinjiang since 1961 has been analyzed based on the daily air temperature and NCEP reanalysis data under different climate background.According to the different climate background,the variation characteristics of the extreme cold events are anomalies in the whole Xinjiang,but the extreme warm events show the regional differences in the north and south parts of Xinjiang.The frequency of extreme cold（warm）events in Xinjiang tends to increase,but the intensity of extreme cold（warm）events decreases significantly.The climate has more significant extreme changes in the west parts of northern Xinjiang and both side of Tianshan Mountains.The weakened polar vortex plays an important role in the decreased extreme cold events,and the extreme warm events in southern Xinjiang are well related to the positive height anomalies of Eurasian circulation.

inter climate；extreme cold and warm events；circulation characteristics；Xinjiang

P468.021

B

1002-0799（2016）04-0017-08

2015-08-05；

2015-09-05

新疆气象局面上项目（MS201607）、国家自然科学基金委-新疆联合基金项目（U1138301）和中国气象局气候变化专项（CCSF201425）共同资助。

陈颖（1977-），女，高级工程师，主要从事气候监测、预测工作。E-mail：meihuazui1206@qq.com