不同定义指标下的乌鲁木齐寒潮过程气候特征对比分析

曹兴，毛炜峄，尹冰霞，万瑜

（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.新疆维吾尔自治区气象局，新疆乌鲁木齐 830002；3.乌鲁木齐市气象局，新疆乌鲁木齐 830002；4.新疆气象台，新疆乌鲁木齐 830002）

不同定义指标下的乌鲁木齐寒潮过程气候特征对比分析

曹兴1，2，毛炜峄1，尹冰霞3，万瑜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.新疆维吾尔自治区气象局，新疆乌鲁木齐 830002；3.乌鲁木齐市气象局，新疆乌鲁木齐 830002；4.新疆气象台，新疆乌鲁木齐 830002）

利用乌鲁木齐市1951—2015年逐日最低气温（TD）、日平均气温（TT）资料，依据《寒潮等级》国家标准，以TD、TT为定义指标来普查寒潮降温过程，采用数理统计方法对2种指标统计的寒潮降温气候变化特征进行对比分析。结果表明：2种指标方法统计的降温频数存在显著性差异，在年际、季节时间尺度上均呈不显著减少趋势，TT法统计的年降温频数减少趋势显著强于TD法；90%的降温过程持续时间在1～3 d，TD、TT法统计的最长降温持续日数均出现在11月，且不同降温幅度的频数最大值亦在秋季；以TD、TT法统计的全年95.5%和94.6%的降温过程达不到寒潮的标准，2种方法统计的寒潮等级频数均表现为一般寒潮＞强寒潮＞特强寒潮；2种方法统计的寒潮频数在年际、季节尺度上均呈现减少趋势，峰值期分别为4月和10月，20世纪50年代为多发期，2001—2015年为相对少发期；TT法统计寒潮频数未来持续性强度弱于TD法；相关性分析发现，寒潮频数与年均TD、TT呈极显著的负相关关系，且年均TD的相关性强于年均TT，表明TD是影响寒潮频数变化的一个重要指标参数。

乌鲁木齐；寒潮；降温；气候；对比

在特定的天气形势下，高纬度地区大规模的强冷空气南下，往往造成剧烈的降温和大风雪天气，当降温幅度达到一定强度的标准时，就形成一次寒潮过程。寒潮天气的发生常伴有雨、雪、冻雨或霜冻，是冬半年主要的灾害性天气之一，给农牧业生产、交通运输、人民生活带来极大不利影响。近年来，在全球变暖的大背景下，极端灾害性天气频发，许多学者对寒潮活动的源地和途径、时空分布特征、发生频次和强度、形成机制及预报方法等进行了深入的研究[1-10]。仇永康[11]等对我国38个冬半年的冷空气活动统计分析发现，寒潮和强冷空气过程频数存在较大的年际变化。李峰[12]等研究认为，北极区和近极区环流系统的改变，造成1971—2000年我国强冷空气爆发的事件特性发生年代际变化。王遵娅[13]等、康志明[14]等的研究表明，近50 a来中国寒潮强冷空气活动频次逐年下降，强度减弱。王遵娅[13]等还指出，冬季西伯利亚高压和东亚冬季风强度与中国寒潮频次呈明显正相关关系。钱维宏[15]等分析了1960—2005年我国寒潮时空变化与冬季增暖的关系，结果表明在过去的45 a中，寒潮和极端寒潮事件普遍呈减少趋势，新疆、华北、东北和华东减少最为显著。魏凤英[16]研究亦表明，自20世纪90年代初我国冬春季气温显著增暖以来，全国性的寒潮灾害频次显著减少，新疆是寒潮强度减弱的最显著区域之一。以上文献，对了解我国寒潮的时空变化特征提供了有益的参考。

新疆是我国寒潮发生最为频繁的地区之一[17]，秋冬春季受寒潮影响严重。近年来，学者对新疆寒潮开展了广泛的研究。牟欢[18]等、赵俊荣等[19]、肉孜·阿基等[20]分别对新疆春季、冬季寒潮爆发的原因进行了深入的分析。庄晓翠等[21]对气候变暖背景下的阿勒泰地区寒潮变化特征进行了研究。满苏尔·沙比提[22]分析了南疆1949—2008年间寒潮发生频次、持续时间及其对农业生产的影响。毛炜峄等[23-25]以日最低气温为指标，详细地分析了乌鲁木齐市1951—2015年之间的降温过程、寒潮过程的基本气候特征，及其频数、强度变化和季节评估指标等。以往的研究多以最低气温作为寒潮定义的指标，根据《寒潮等级》（GB/T21987—2008）[26]，最低气温和日平均气温均可作为寒潮定义的指标，而以日平均气温定义寒潮的相关研究极少。这2种寒潮定义指标在统计上是否存在显著差异？文章拟以乌鲁木齐单站为例，采用2种定义指标，对寒潮降温气候特征进行对比分析，以期为寒潮定量影响评估提供参考依据。

1 资料和方法

1.1 数据来源

选取乌鲁木齐市气象站1951—2015年的逐日平均气温和最低气温数据，分别以日最低气温（TD）、日平均气温（TT）作为寒潮定义指标，对寒潮降温过程进行分析，以下分别简称为TD法、TT法。季节划分为3—5月为春季，6—8月为秋季，12月—翌年2月为冬季，根据文献[26]将11月—翌年4月划分为冷季。

1.2 寒潮标准选定

降温过程：单站24 h变温ΔT24由≥0转为＜0的第一天定义为降温初日，持续到ΔT24再次出现≥0的前一天，称为降温终日；从初日到终日定义为降温过程。降温过程终日与初日前一天的气温差定义为过程降温幅度（FD）。

寒潮标准：日最低气温（TD）或平均气温（TT）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℃，记为1次寒潮过程[23]。

1.3 分析方法

利用线性回归、R/S等方法分析寒潮降温过程的变化特征，并引入气候异常事件和严重事件的判断标准，对乌鲁木齐寒潮活动的异常特征进行分析，方法详见文献[28]。

R/S分析法：通过计算Hurst指数值（H值），来判断时间序列趋势性成分的持续性，并由Hurst指数值的大小来判断趋势性成分的持续性或反持续性强度大小。0.5＜H＜1，表明时间序列过程具有持续性，反映在气候要素上，则表明未来的气候总体将和过去的变化趋势一致，反之亦然。且H值越接近1，持续性就越强。0＜H＜0.5，表明时间序列总体趋势与过去相反。

2 不同定义指标的降温过程分析

2.1 降温过程总频数变化特征

根据降温过程的定义，以TD、TT作为指标来普查乌鲁木齐市1951—2015年降温天气过程。结果表明，以TD、TT法统计的降温过程分别5834次和5159次，年均降温频数为89.6和79.4次，TD法偏多13.1%。从图1可知，近65 a以来，TD、TT法统计的降温频数表现为不显著的减少趋势，倾向率分别为-0.1次·（10a）-1、-0.7次·（10a）-1（P＞0.05），TT法减少趋势明显强于TD法。在时间序列上，TD法统计降温频数曲线总体维持在TT法曲线之上，但呈基本一致的波动过程。其中，TD法统计的年降温频数最大值为102次，最小值为76次；TT方法统计最大值和最小值分别90和69次。对降温频数年代分布特征分析表明，在各个年代上TD法统计的降温频数均高于TT法，TD法降温频数年代分布呈现为先升后降再升的过程，其中，20世纪80年代降温过程出现最多，累计发生918次；TT法统计的降温频数表现为先降后升再缓降的年代分布特征，20世纪50年代降温过程出现最多，为820次。

图1 乌鲁木齐市降温过程频数逐年变化曲线

为分析TD、TT定义的降温频数的差异，对2组数据序列进行T检验以及描述性统计分析。结果表明，TD、TT法统计的降温频数序列存在显著性差异（P=0.009），且数据离散程度大，表明降温频数年际间变化差异明显。进一步的相关性分析表明，2种方法统计的年降温频数呈弱相关性，相关系数为0.32，且通过了双侧显著性检验（P＜0.01），表明2种方法统计的年降温频数相关性较弱，且存在显著性差异。

2.2 降温过程季节变化特征

由表1可知，降温过程在一年四季均有发生，冬季出现相对偏多，春秋季略少。在各个季节TD法统计的降温频数均高于TT法。2种方法统计的降温频数在各个季节均呈不显著减少趋势，TD法统计的降温频数在春、冬季减少趋势强于夏季和秋季，TT法却是春、秋季减少趋势强于夏、冬季。各个季节的降温频数与年总频数呈极显著的正相关关系（P＜0.01），其中，TD法统计的降温频数在夏季相关性最强，TT法统计的在秋冬季相关性最强。2种方法统计的降温频数在季节上的相关性分析认为，在冬季相关性最强，相关系数为0.52（P＜0.01），其次为春季、夏季、秋季，其中秋季和夏季均呈弱相关性，相关系数＜0.4。以上分析表明，2种方法统计的降温频数在冬季具有较好的一致性。

表1 不同定义指标下的降温频数季节分布特征

2.3 降温过程持续日数分析

由图2可知，乌鲁木齐市1951—2015年降温过程持续时间范围为1～12 d，90%以上的降温过程持续时间为1～3 d；随着持续日数的增加，降温过程频数呈指数式递减过程。其中，持续时间大于8 d的仅为个别强降温过程；降温持续10 d以上的，TD法统计的仅出现在2002年的11月28日—12月8日，过程极端低温为-17.1℃；TT法统计的3次降温过程持续时间超过10 d，分别为2009年11月6日—17日、1973年11月30日—12月11日、2005年11月14日—24日，过程极端低温分别为-13.8、-14.5、-13.0℃。由此可见，TD、TT法统计的降温持续日数虽有差异，最长降温持续日数却均出现在秋季的11月。

图2 降温过程持续日数曲线

2.4 降温幅度特征分析

分别利用TD、TT为指标，普查出温度降幅大于8、10和12℃的降温过程，分别记为TDFD8、TTFD10（依次类推）。结果表明，近65 a以来不同降温幅度的频数均呈不显著的减少趋势（P＞0.05），其中TDFD8频数变化倾向率为-0.4次·（10 a）-1（P＞0.05），明显强于其它降温幅度频数。基于TD、TT法统计的降温幅度在8℃以上，10℃以下的降温频数占总频数的百分比分别为16.3%和21.4%。这表明，大部分降温过程的降幅在8℃以内，发生激烈降温相对较少。TDFD8、TDFD10、TDFD12的降温过程年均发生次数分别为14.8、8.2和4.4次，TTFD8、TTFD10、TTFD12的降温过程年均为17.0、10.1和5.5次。由图3可知，TD法统计的不同降幅的降温过程频数均表现为秋季＞冬季＞春季＞夏季，TT法统计的表现为秋季＞春季＞冬季＞夏季的季节分布特征，2种统计方法在不同温度降幅上的季节分布差异，可能是因为冬季随着强冷空气的入侵，降温激烈，TD较TT降幅表现明显。

图3 不同降温幅度频数占总降温频数的百分比

3 不同定义指标下的寒潮变化特征

3.1 寒潮占总降温频数百分比分析

以TD、TT作为定义指标，普查出1961—2015年乌鲁木齐市寒潮频数分别为265、279次，分别占总降温频数的4.5%、5.4%。由此可知，以TD、TT法统计的全年95.5%、94.6%的降温过程达不到寒潮的标准，仅是气温波动下降过程。由表2可知，TD法统计的结果中，寒潮频数占总降温频数的百分比的季节分布由大到小依次为：春季、秋季、冬季；TT法统计结果中，寒潮频数在秋季出现最多，其次为春季和冬季。这表明，乌鲁木齐市寒潮主要为发生在春、秋季的剧烈降温过程；原因可能是，夏季为一年中气温最高的季节，基础气温较高，天气系统主要受副热带高压控制，降温较弱、降温后的最低气温难以降至4℃以下；春、秋季天气系统不稳定，气温处在较低水平，在强冷空气频繁影响下，降温幅度大、且最低气温较低，导致寒潮多发。

表2 不同定义指标下的寒潮占总降温频数及百分比

3.2 不同定义指标下的寒潮等级分析

根据文献[26]单站寒潮等级划分标准，将寒潮划分为特强寒潮、强寒潮、一般寒潮3个等级。由表3可知，TD法统计结果中，近65 a以来3个等级的寒潮频数由多到少依次为一般寒潮、强寒潮和特强寒潮，其中，一般寒潮过程频数占寒潮总频数的51.3%，特强寒潮和强寒潮的频数合计占寒潮总频次的48.7%；特强寒潮、强寒潮和一般寒潮在季节的分布上基本一致，均在春季出现最多。TT法统计结果中，不同等级寒潮频数的排序与TD法统计结果相同，一般寒潮最多，占寒潮总频数的49.9%，特强寒潮和强寒潮的频数合计占寒潮总频数的50.1%；在季节分布上，特、超强寒潮和强寒潮频数由多到低依次为春季、秋季和冬季，而一般寒潮在秋季最多，其次为春季和冬季。这与TD法统计的结果有所差异。这表明，以TT为指标定义寒潮时，温度降幅较小的一般寒潮过程在秋季出现频率最高。

由表3可知，TD法统计结果中，冷季寒潮过程出现188次，占寒潮总频数的71.0%；TT法统计结果中，冷季寒潮过程出现176次，占寒潮总频数的63.1%。在冷季TD法统计的各等级寒潮过程占寒潮总频数的百分比均高于TT法统计的结果。这可能是因为在冷季，进入深冬季节，日最低气温较日平均气温变化更为剧烈，更易达到寒潮的降温标准。

表3 不同定义指标下的乌鲁木齐寒潮等级特征

3.3 寒潮年代际变化特征分析

对乌鲁木齐市寒潮频数的统计分析得出，TD法统计的年均寒潮频数为4.1次，其中在1952年最多，为10次，1972年未出现寒潮。由图4可知，近65 a以来寒潮频数呈显著的减少趋势，倾向率为-0.39次·（10 a）-1（P＜0.05），这与王遵娅[10]等研究的全国寒潮变化趋势较为一致。分析发现，20世纪50年代寒潮频数为正距平状态，减少趋势较为明显；20世纪60年代前期，寒潮频数基本维持稳定；60年代后期至90年代末，寒潮频数呈频繁的波动态势；21世纪以来，寒潮减少趋势增强，为负距平状态。从年代际平均的寒潮频数来看，由多到少依次排列为20世纪50年代、60年代、90年代、80年代和70年代，21世纪最近15 a，进入寒潮相对少发期。TT方法统计的年均寒潮频数为4.3次，在1952年最多，为9次，1980年未出现寒潮。寒潮频数呈显著的减少趋势，倾向率为-0.26次·（10 a）-1（P＜0.05），减少趋势弱于TD法。年代际平均寒潮频数由多到少排列依次：20世纪50年代、90年代、60年代、70年代和80年代，21世纪以来为寒潮相对少发期。寒潮频数年代际分布上与TD法结果有所差异，但是寒潮多发期和少发期较为一致。进一步对两种方法统计的年寒潮频数序列进行相关分析，65 a来2个年寒潮频数序列之间的相关系数为0.62（P＜0.01）。

图4 乌鲁木齐市寒潮过程总频数逐年变化曲线

表4 不同定义指标下的寒潮频数相关系数

对寒潮频数与TD、TT的相关分析表明，两种方法下，寒潮频数和年均TD、TT均呈极显著的负相关关系，均通过了信度为0.01的显著性检验。TD法统计的寒潮频数与年均TD的相关性强于年均TT，相关系数为-0.43。TT法统计的寒潮频数与气温（TD、TT）的相关性均强于TD法。由表4可知，在冷季，两种方法统计的寒潮频数与年均TD的相关性均强于年均TT。由此可推断，在寒潮多发的冷季，TD在一定程度上决定了TT的变化，年均TD与寒潮频数关系最为显著，是影响寒潮频数变化的一个重要指标参数。

3.4 寒潮季节变化特征分析

乌鲁木齐市寒潮活动具有明显的季节性特点，主要发生在9月—翌年5月，即除夏季外，其它季节均有寒潮发生，且在各个季节寒潮频数均呈减少趋势。其中，TD法统计的寒潮频数春季减少趋势最为明显，倾向率为-0.27次·（10 a）-1（P＜0.01），依次为冬季和春季，在冷季寒潮频数减少趋势进一步增大，倾向率为-0.38次·（10 a）-1（P＜0.01）；TT法统计的寒潮频数季节变化趋势基本与TD法一致，但其在全年及各季节寒潮频数减少趋势弱于TD法。

由图5可知，寒潮频数月际分布呈双峰型，寒潮发生的峰期为4月和10—11月。TD法统计的寒潮在4月出现最大值（累计49次），占寒潮总数的18.5%；依次为11月、10月，分别占寒潮总数的15.1%和13.2%；9月寒潮频数为最小值，仅为14次；从季节分布上，春季寒潮最多，其次为秋季、冬季。TT法统计的寒潮最大值出现在10月（累计63次），占寒潮总数的22.3%，依次为4月和11月，12月—翌年3月为寒潮少发期，9月寒潮最少；在季节分布上表现为：秋季＞春季＞冬季，这与TD法统计的结果有所差异。综上分析，两种指标方法寒潮主要集中发生在4月、10月和11月，12月—翌年的3月为少发期，有关研究认为这种月际分布特点与西风环流及相应的天气系统活动有关[19]。4月和10—11月，处在季节转换期，大气环流调整和变动较为剧烈，冷空气活动频繁，易导致大幅度降温；12月—翌年3月，乌鲁木齐处在冬季，天气系统稳定少动，虽有冷空气入侵，但因其气温处在较低水平，导致大幅度降温的过程相对较少，寒潮活动少。

图5 1951—2015年乌鲁木齐市寒潮频数月际分布特征

进一步对TD和TT作为定义指标统计的寒潮频数在季节上的相关性分析表明，在春季、秋季、冬季均呈极显著的相关性（P＜0.01），其中在秋季相关系数最大，为0.62，其次为冬季、春季。根据以上分析可以认为，两种方法统计的寒潮频数在秋季具有较好的一致性，频数差异较小。

3.5 寒潮气候异常特征分析

对乌鲁木齐寒潮活动的异常特征进行分析，结果表明：近65 a以来TD法统计的寒潮无异常偏少年份，在1952、1953、1968年寒潮异常偏多；寒潮频繁的年份累计有7 a，主要集中在20世纪50年代前期；寒潮少有年份有9 a，集中在最近15 a。TT法统计的寒潮在1980年异常偏少，在1952、1958年寒潮异常偏多，寒潮频繁年份有9 a，集中在20世纪50年代前期、90年代后期；寒潮少有年分别出现在1980、1988、1999年。由此可知，两种方法的寒潮异常偏多和频繁年份均出现在20世纪50年代，但寒潮异常偏少和少有年份存在一定差异。

3.6 寒潮变化趋势分析

对乌鲁木齐市寒潮频数进行R/S分析表明，TD法统计的寒潮H值大于0.5（表5），表明寒潮未来变化趋势具有持续性，即寒潮在年际及季节的时间尺度上，未来还将维持减少的趋势；在持续性强度上，持续性强度季节特征为：秋季＞冬季＞春季。由此可推断，秋季寒潮将维持较强的减少趋势，春季未来持续减少的强度较弱，结合倾向率，春季寒潮未来将保持相对稳定的状态。

利用TT法统计的寒潮未来变化趋势亦表现为持续性特征，但持续性强度弱于TD法；在季节上表现为：冬季＞春季＞秋季，表明冬季寒潮未来维持较强的减少趋势，秋季寒潮维持减少强度较弱，这与TD法差异明显。在冷季，TT法计算的Hurst指数值为0.74，明显高于TD法计算的Hurst指数值，说明利用TT法统计的冷季寒潮维持减少的趋势更强。

表5 不同定义指标下的寒潮Hurst指数值及倾向率

4 结论

（1）以TD、TT作为降温定义指标，普查出乌鲁木齐市近65 a以来的降温频数均呈不显著减少趋势，倾向率分别为-0.1次·（10 a）-1和-0.7次·（10 a）-1；在各个季节两种方法统计的降温频数均呈不显著减少趋势，TD法统计的降温频数在春、冬季减少趋势强于夏季和秋季，而TT法却是春、秋季强于夏、冬季。

（2）90%的降温过程持续时间为1～3 d，TD、TT法统计的最长降温持续日数均出现在秋季的11月。大部分降温幅度在8℃以内，剧烈降温过程相对较少；两种方法统计的不同降温幅度的频数均在秋季出现最大值，但在其他季节上分布存在明显差异。

（3）以TD、TT法统计的全年95.5%、94.6%的降温过程达不到寒潮的标准，两种方法普查的寒潮等级频数均表现为一般寒潮＞强寒潮＞特强寒潮；在冷季TD法统计的各个等级寒潮占总寒潮百分比均高于TT法统计结果。

（4）近65 a以来TD、TT法统计的寒潮频数均呈显著的减少趋势，20世纪50年代为多发期，最近15 a为相对少发期；寒潮频数在季节上均表现为减少趋势，峰值期分别为4月和10月；寒潮频数与年均TD的相关性均强于年均TT，表明TD是影响寒潮频数变化的重要指标参数。

（5）寒潮异常偏多和频繁年份均出现在20世纪50年代，但异常偏少和少有年份两种方法存在差异。R/S未来趋势分析表明，寒潮频数在未来均具有持续性，即维持减少的趋势，但在年际尺度上，TT法统计寒潮频数未来持续性强度弱于TD法。

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Analysis on the Climatic Characteristics of Cold Wave Processes with Different Indices in Urumqi

CAO Xing1，2，MAO Weiyi1，YIN Bingxia3，WAN Yu4
（1.Institute of Desert Meteorology，Chinese Meteorological Administration，Urumqi 830002，China；2.Xinjiang Meteorological Administration，Urumqi 830002，China;3.Urumqi Meteorological Administration，Urumqi 830002，China;3.Xinjiang Meteorological Observatory，Urumqi 830002，China）

Based on the data of daily minimum temperature（TD）and daily mean temperature（TT）of Urumqi from 1951 to 2015，TD and TT were taken as the defining indexes to survey the processes of cold wave according to the GB of“Grades of clod wave”，and the climatic characteristics of cold wave was analyzed by mathematical statistics.The results showed that there were significant differences in the frequency of cooling by both methods，and no significant decrease in the annual and seasonal time scales，the decreasing tendency of the TT method was significantly stronger than that of the TD method.90%of the cooling process was maintained with 1～3d，and the longest days in the fall of November.95.5%and 94.6%of the cooling process by two methods couldn’t reach to standard of clod wave，the grades frequency of cold wave with two methods manifestations included：cold wave＞strong cold wave＞super strong.The frequency of cold wave were decreased in the annual and seasonal time scales，the peak period was appeared in April and in October and the frequent period of cold wave was appeared in the 1950s，the relatively less occurred period over the last 15 years.The development intensity of cold wave with TT method was weaker than TD method;The correlation analysis indicated that there was a negative correlation between frequency of cold wave and TD、TT.The analysis showed that TD was important parameters of the variation of cold wave frequency.

Urumqi;cold wave;cooling process;climate;comparison

P468

B

1002-0799（2017）03-0031-07

曹兴，毛炜峄，尹冰霞，等.不同定义指标下的乌鲁木齐寒潮过程气候特征对比分析[J].沙漠与绿洲气象，2017，11（3）：31-37.

10.12057/j.issn.1002-0799.2017.03.005

2016-12-22；

2017-03-18

中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目（IDM201502）“新疆区域降温过程及极端低温事件的年、季定量评估研究及应用”资助。

曹兴（1984-），男，高级工程师，主要研究方向为气候变化。E-mail：cxidm@163.com