1954—2016年阿勒泰市春季寒潮过程频数及强度气候特征

博尔楠·哈不都拉，黄迆静，江远安，赵江伟，哈那提·阿依提看

（1.中国气象局乌鲁木齐乌鲁木齐沙漠气象研究所，新疆 乌鲁木齐830002；2.中亚大气科学研究中心，新疆乌鲁木齐 830002；3.阿勒泰地区气象局，新疆 阿勒泰836500；4.博州气象局，新疆 博乐833400；5.新疆农业气象台，新疆 乌鲁木齐830002）

阿勒泰市位于新疆北部，是阿勒泰地区的首府城市。寒潮是影响当地的主要灾害性天气，主要表现为剧烈降温并伴有大风和雨雪天气，可造成人畜伤亡、电线积冰和通信中断等事件。阿勒泰市是农业和畜牧业大区，春季是阿勒泰市主要的农作物、林果业种植、播种、生长的关键期，同时春季也是阿勒泰市牲畜由冬牧场转入春秋牧场以及产羔育幼的关键时节。寒潮天气引起气温剧降、大风和霜冻，使农作物遭受伤害，导致减产，同时对牧业生产造成严重的损失，给社会生产和人们生活带来较大的危害。自20世纪50年代气象学家就对寒潮进行研究探索[1-2]，分析侵袭中国冷空气的源地和路径，指出东亚寒潮可以分为3大类型。20世纪80年代，气象工作者进行大量的研究工作，仇永炎等[3-5]分析了发生寒潮天气的物理过程，并对3～7 d时间尺度上的寒潮进行了预报。20世纪80年代，我国的寒潮中期预报研究取得进展[6]，北方多个省区几乎都有寒潮预报研究[7-10]。2000年以来，各级冷空气天气过程分析及预报研究仍然是预报员持续关注的重点[11-18]，尤其是在我国西北地区，针对区域寒潮过程演变、形成机理等有大量成果[19-22]。李锋[23]等分析北极地区近30 a环流变化，研究其对中国强冷空气事件的影响，结果表明：由于极区和近极区环流系统的改变，造成近30 a中国强冷空气事件的爆发特性发生年代际变化。近年来的研究表明[24-27]中国气温变暖以冬季和西北、华北、东北地区最明显。

阿勒泰市受寒潮天气影响严重，尤其是在春季，但目前寒潮过程的业务评估产品无法满足社会公众服务的需求，关于寒潮降温过程气候评价的研究较少，不能定量评估寒潮过程的发生频数和强度。本文以阿勒泰市为研究区域，分析表征寒潮降温过程强度的指标，根据量化指标客观判识阿勒泰市春季寒潮降温过程的频数和强度，深入研究阿勒泰市寒潮降温过程的基本规律，对寒潮过程的强度进行定量评估研究，以期为提升阿勒泰市灾害防御水平提供技术支持。

1 资料与方法

1.1 资料来源

选取阿勒泰基准气候站日最低气温资料，资料长度从1954—2016年的春季（每年2月26日—5月31日，共计63 a）。阿勒泰市的春季为3—5月，即3月1日—5月31日。而根据《寒潮等级》（GB/T21987—2008）中的规定，寒潮的降温幅度涉及时间尺度包括24、48 h和72 h，即2月28日—3月1日（平年）24 h最低气温降幅≥8.0℃，或2月27日—3月1日48 h最低气温降幅≥10.0℃，或2月26日—3月1日低气温降幅≥12.0℃，且3月1日最低气温≤4.0℃，则为一次寒潮降温过程。根据本文的研究需要上述时段的寒潮过程均可算发生在3月（即春季）的寒潮过程，因此资料时段为每年的2月26日开始。

1.2 研究方法

1.2.1 寒潮过程定义

《寒潮等级（GB/T 21987-2017）》中定义了某地寒潮标准：某地日最低气温24 h内降温幅度≥8.0℃，或48 h内降温幅度≥10.0℃，或72 h内降温幅度≥12.0℃，而且日最低气温降至4.0℃或以下的冷空气，定义一次寒潮，本文从降温过程角度判识单站寒潮过程。

针对寒潮降温过程，借鉴毛炜峄等[26，27]研究乌鲁木齐单站降温过程、寒潮过程时提出的基本概念：降温日、降温过程初日、降温过程终日、降温过程、降温持续日数、过程降温幅度、过程最大24 h降温、过程最大48 h降温、过程最大72 h降温、过程最低气温、过程最低气温距平。

1.2.2 寒潮过程发生频数及强度特征指标统计标准

寒潮降温过程的初日与终日在同一月（旬）内，则记录该月（旬）出现1.0次寒潮过程；若寒潮降温过程初日和终日在相邻的2个月（旬），则2个月（旬）分别记录出现0.5次寒潮过程。

1.2.3 寒潮过程强度特征指标统计标准

寒潮降温过程的初日与终日在同一月（旬）内，则此次寒潮过程强度特征指标计入该月（旬）内；若寒潮降温过程的初日和终日分别在2个相邻月（旬），则此次寒潮过程强度特征指标均计入这2个相邻的月（旬）内。

2 寒潮过程频数

2.1 春季寒潮过程频数

1954—2016年春季（3—5月）阿勒泰市共发生寒潮过程226次（表1），平均每年3.6次。而根据毛炜峄[27]等研究的乌鲁木齐单站寒潮过程特征分析可知，乌鲁木齐市年平均寒潮过程频数为4.1次，即阿勒泰市春季（3—5月）平均寒潮过程发生频数仅比乌鲁木齐市全年平均寒潮发生频数少0.5次，可见阿勒泰市春季为寒潮多发区域。春季寒潮过程频数的年际差异较为明显，1955年和1961年春季出现寒潮过程最多，分别为9次和7次；2016年没有出现寒潮过程（图1）。

2.2 春季各月寒潮过程频数

1954—2016年阿勒泰市3月共发生寒潮过程116.5次，平均每年出现1.8次，占春季寒潮过程总数的51.5%（表1）；1999年3月出现寒潮过程最多，6次；共计有9 a在3月没出现寒潮过程。4月出现寒潮过程68.5次，平均每年出现1.1次，占春季寒潮过程总数的30.3%；1970年4月出现寒潮过程最多，3.5次；共计有20 a在4月没出现寒潮过程。5月出现寒潮过程41次，平均每年出现0.7次，占春季寒潮过程总数的18.1%；1961年5月出现寒潮过程最多，4次；共计有32 a在5月没出现寒潮过程（图 1）。

表1 1954—2016年阿勒泰市寒潮过程频数春季以及月际分布

图1 1954—2016年寒潮过程频数春季以及月际分布

从1954—2016年中挑选出春季寒潮过程≤2次的为异常偏少年份，共有17 a；寒潮过程≥5次的为异常偏多年份，共有16 a。在16个春季寒潮过程异常偏多年中，寒潮过程月分布呈单峰型，3月最多，平均每年3.1次；其次为4月，平均每年1.7次；5月最少，平均每年1.0次。从17个春季寒潮过程异常偏少年中分析可以发现，依然为单峰型；同样3月最多，4月次之，5月最少，分别为1.8、1.1次和0.7次。寒潮过程频数异常偏多年与偏少年比较，偏多年的各月寒潮频数都高于多年平均频数；3月的寒潮频数差异最大，偏多年与偏少年年平均发生频数相差2.3次；5月的寒潮频数差异最小，偏多年与偏少年年平均发生频数相差0.6次（图2a）。

2.3 春季各旬寒潮过程频数

对1954—2016年各旬发生寒潮过程情况进行分析发现，3月上旬和3月中旬寒潮过程频数最多，平均每年发生0.8次和0.7次，占春季寒潮过程总频数的21.0%和20.4%；其次为4月下旬、4月上旬和3月下旬，平均每年发生寒潮频数均为0.4次，占春季寒潮过程总频数的12.2%、11.9%和10.2%；5月上旬、5月中旬、4月中旬和5月下旬平均每年发生寒潮频数分别为0.3、0.2、0.2次和0.1次，占春季寒潮过程总频数的8.2%、6.9%、6.2%和3.1%（表2）。

在16个春季寒潮过程异常偏多年中，寒潮过程旬分布呈单峰型，3月中旬和3月下旬最多，平均每年出现1.4次和1.1次；4月中旬、5月中旬和5月下旬最少，平均每年发生0.3、0.3次和0.2次。17个春季寒潮过程异常偏少年的旬分布呈是双峰型，3月中旬和4月下旬最多，平均每年发生0.4次，且4月下旬发生频数与多年平均值相等。寒潮过程频数异常偏多年与偏少年比较，偏多年的各旬寒潮频数都高于偏少年；3月中旬的寒潮频数差异最大，偏多年与偏少年频数相差1.0次；4月中、下旬和5月中、下旬的寒潮频数差异最小，均相差0.1次（图2b）。

表2 1954—2016年阿勒泰市寒潮过程频数旬际分布

3 寒潮过程频数变化趋势

3.1 寒潮过程频数年际变化

春季寒潮频数的年际变化并不明显，春季寒潮频数以每0.1次/10 a的速率在递减；月际尺度上，3月和5月发生寒潮过程频数均以0.1次/10 a的速率在递减；4月以0.08次/10 a的速率在递增。旬际尺度上，3月上旬、3月下旬、4月上旬、5月上旬、5月中旬和5月下旬发生寒潮过程频数为减少趋势，分别以 0.07、0.05、0.01、0.03、0.04 次/10 a 和0.04 次/10 a的频率在递减；3月中旬、4月中旬和4月下旬分别以0.01、0.01次/10 a和0.08次/10 a的频率在递增。

图2 1954—2016年寒潮过程频数异常偏多偏少年寒潮过程频数

3.2 寒潮过程频数年代际变化

分析春季寒潮频数的年代际变化可以发现，20世纪50年代最多，平均每年春季发生寒潮频数4.2次，占春季寒潮发生频次的16.8%。20世纪60—80年代以及2000—2009年寒潮发生频数基本一致。2010—2016年寒潮发生频数最少，平均每年春季发生频数2.8次，占春季寒潮发生频数的11.1%，相比20世纪50年代减少33.3%。

3月寒潮过程发生频数的年代际变化依然为20世纪50年代最多，平均每年发生寒潮过程2.8次，占3月寒潮过程频数的21.3%；其次为20世纪60年代和2010—2016年，每年3月发生寒潮过程1.8次，占13.5%，与50年代相比减少了36%。4月寒潮过程发生频数在20世纪80年代和2000—2009年最多，平均每年发生1.6次；20世纪50年代最少，平均每年发生0.6次；2010—2016年平均每年发生0.9次，与20世纪80年代相比减少了44%。5月寒潮过程发生频次在70年代最多，平均每年发生1.1次；2010—2016年平均每年发生0.4次，减少了61%（表 3）。

表3 1954—2016年阿勒泰市寒潮过程年代际分布

4 寒潮过程持续日数

4.1 春季寒潮过程持续日数

1951—2016年，阿勒泰市春季226次寒潮过程持续日数在1～7 d，其中持续2 d的寒潮过程最多，有110次，占春季寒潮过程的49%；其次为持续1 d和3 d，发生频次分别为53次和46次，占23%和20%。持续时间在1～3 d的寒潮过程占92%。持续时间为4 d的寒潮过程出现过13次。持续时间达5、6 d和7 d的寒潮过程只出现过2、1次和1次（表4）。

4.2 各月寒潮过程持续日数

3月出现过117次寒潮过程，持续日数1～7 d，其中持续2 d的寒潮过程最多，有53次，占3月寒潮过程的45%；其次为持续1 d和3 d，发生频次分别为33次和22次，占28%和19%；持续时间在1～3 d的寒潮过程占92%；持续时间为4 d的寒潮过程在3月出现过6次；持续时间达5、6 d和7 d的寒潮过程均只出现过1次。

4月出现过67次寒潮过程，持续日数1～5 d，其中持续2 d的寒潮过程最多，有40次，占4月寒潮过程的59%；其次为持续1 d和3 d，发生频次均为12次，占18%；持续时间在1～3 d的寒潮过程占94%；持续时间为4 d和5 d的寒潮过程在4月只出现过2次和1次。

5月出现过42次寒潮过程，持续日数1～5 d，其中持续2 d的寒潮过程最多，有18次，占5月寒潮过程的38%；其次为持续3 d和1 d，发生频次分别为12次和8次，占29%和19%；持续时间在1～3 d的寒潮过程占86%；持续时间为4 d的寒潮过程出现过5次，持续时间为5 d的只出现过1次（表4）。

表4 1954—2016年阿勒泰市春季及各月不同持续日数寒潮过程频数分布

通过春季和春季各月的寒潮过程持续日数可知，持续时间为2 d的出现次数最多，其次为持续1 d和3 d。4月和5月持续日数最长的为5 d，且均只出现过1次，持续日数长达6 d和7 d的寒潮过程只出现在3月。

4.3 各旬寒潮过程持续日数

通过分析各旬的寒潮过程持续日数可知，除5月下旬外，其余各旬持续日数为2 d的寒潮过程出现频数最多，其中4月上旬和中旬所占比重最大，均为59%；比重最小的为3月下旬，占33%。5月下旬共计出现过8次过程，其中5次过程持续3 d，占5月下旬寒潮过程的62.5%；其次为1 d和3 d。各旬寒潮过程持续1～3 d出现的频数占各旬寒潮过程频数的比重最多的为3月中旬，占96%，最少的为5月中旬，占83%（图3）。

图3 1954—2016年寒潮过程持续日数各旬分布（a为频数；b为百分比）

5 降温幅度

5.1 寒潮过程降温幅度

1954—2016年阿勒泰市春季226次寒潮降温过程平均降温幅度为-12.7℃，降温幅度最强一次过程为1977年2月27日—3月1日，最低气温由2月26日的-5.3℃降至3月1日的-34.1℃，72 h降温幅度达28.3℃。月尺度上看，降温幅度平均值最强在3月，为-13.4℃；其次为5月，-12.2℃；4月为-11.9℃（图4）。旬尺度3月上旬最强，-14.3℃；其次为3月下旬，-13.4℃；4月上旬和4月中旬最小，均为-11.8 ℃（表5）。

5.2 过程最大24 h降温幅度

1954—2016年阿勒泰市春季226次寒潮降温过程最大24 h降温幅度平均值为-8.9℃，24 h降温幅度最强的一次过程出现在1960年3月8—9日，最低气温由8日的-5.0℃降至9日的-25.8℃，24 h降温达20.8℃。月尺度上看，3月的最大24 h降温幅度平均值最强，为-9.6℃；4月和5月均为-8.2℃（图5）；4月和5月寒潮过程的最大24 h降温幅度最强值分别为-14.9℃和-12.0℃。旬尺度上看，最大24 h降温幅度平均值最强在3月上旬，为-10.0℃；其次为3月中旬和3月下旬，分别为-9.3、-9.0℃；5月下旬最弱，为-7.4 ℃（表5）。

图4 1954—2016年寒潮过程降温幅度春季及月际分布

图5 1954—2016年寒潮过程最大24、48、72 h降温幅度春季及月际分布

表5 1954—2016年阿勒泰市春季各旬寒潮降温幅度及最大24、48、72 h降温幅度分布

5.3 过程最大48 h降温幅度

1954—2016年阿勒泰市春季174次寒潮降温过程持续日数在2 d或以上，这174次寒潮过程最大48 h降温幅度平均值为-12.5℃；48 h降温幅度最大值出现在1960年3月8—10日，最低气温由8日的-5.0℃降至10日的-30.3℃，48 h降温幅度达25.3℃。月尺度上看，3月的最大48 h降温幅度平均值最强，为-13.4℃；其次为4月和5月，分别为-11.7℃和-11.6℃；4月和5月寒潮过程最大48 h降温的最大值分别为-17.4℃和-16.6℃（图5）。旬尺度上看，3月上旬最大48 h降温幅度平均值最大，为-13.9℃；其次为3月中旬，分别为-13.4℃；5月下旬最小，为-10.4℃（表5）。

5.4 过程最大72 h降温幅度

1954—2016年阿勒泰市春季63次寒潮降温过程持续日数在3 d或以上，这63次寒潮过程最大72 h降温幅度平均值为-14.3℃；72 h降温幅度最强的一次过程出现在1977年2月26日—3月1日，最低气温由2月26日的-5.8℃降至3月1日的-34.1℃，72 h降温达28.3℃。月尺度上看，3月的最大72 h降温幅度平均值最强，为-15.9℃；其次为4月和5月，分别为-13.2℃和-12.8℃；4月和5月寒潮过程最大72 h降温的最强值均为-16.7℃（图5）。旬尺度上看，3月上旬72 h降温幅度平均值最强，为-16.7℃；其次为3月下旬，为-15.4℃；5月上旬最小，为-12.4℃（表5）。

6 寒潮过程最低气温及其距平

6.1 寒潮过程最低气温

1954—2016年阿勒泰市春季226次寒潮降温过程最低气温平均值为-11.8℃，过程最低气温为指标的最强一次过程出现在1971年2月28日—3月3日，3月3日最低气温降至-36.4℃；3月寒潮过程最低气温平均值为-20.3℃，4月为-4.5℃，5月为0.3℃（图6）。随着春季时间推移，过程最低气温有明显上升趋势。旬尺度上亦是如此，3月上旬过程最低气温的平均值最强，为-23.2℃；5月下旬过程最低气温平均值最高，为1.5℃（表6）。

6.2 寒潮过程最低气温距平

图6 1954—2016年阿勒泰市寒潮过程最低气温及最低气温距平值春季及月际分布

表6 1954—2016年阿勒泰市寒潮过程最低气温及最低气温距平值春季及月际分布

1954—2016年阿勒泰市春季226次寒潮降温过程最低气温距平值平均值为-7.6℃，其中最低气温距平偏低幅度最强的一次过程出现在1999年3月15—17日，过程最低气温为-30.8℃，最低气温距平值为-20.0℃。春季226次寒潮过程中有215次寒潮过程的最低气温距平值为负值，占寒潮过程频数比例达95%；有11次最低气温距平值为正值，占寒潮过程频数比例为5%。月尺度上，3月的过程最低气温距平偏低幅度最大，为-8.2℃；5月次之，为-7.8℃；4月最小，为-6.5℃。3月和4月寒潮过程最低气温距平呈负值的频数占3月寒潮过程总频数的比例为94%；5月为100%（表7）。旬尺度上，最低气温距平偏低幅度，3月下旬最强，平均为-11.5℃；其次为5月下旬，为-8.6℃；最小为4月中旬，为-6.6℃。各旬中，过程最低气温距平值呈负值的频数占当旬寒潮过程总频数的比例最大的为4月下旬至5月下旬，均为100%，最小为3月上旬和4月上旬，均为 90%（图 7）。

7 结论

（1）1954—2016年春季（3—5月）阿勒泰市共发生寒潮过程226次，平均每年春季3.6次；每年3月出现1.8次，4月1.1次，5月0.7次。共有17 a为春季寒潮过程异常偏少年份，16 a为异常偏多年份；3月上旬和3月中旬为寒潮过程发生相对较多时段。

表7 1954—2016年阿勒泰市寒潮过程最低气温距平呈负值的比例

图7 1954—2016年阿勒泰市寒潮过程最低气温距平值呈负值所占的比例各旬分布

（2）阿勒泰市春季寒潮频数的年际变化并不明显，以0.1次/10 a的速率在递减；月尺度上，3月和5月发生寒潮过程递减，4月递增。在20世纪50年代，春季寒潮过程出现最频繁，在2010—2016年年代际时段，寒潮过程频数最少。

（3）春季阿勒泰市寒潮过程持续日数在1～7 d，其中持续2 d的寒潮过程最多，占春季寒潮过程的49%；持续时间在1～3 d的寒潮过程占92%。

（4）春季阿勒泰市寒潮降温过程平均降温幅度为-12.7℃，降温幅度平均值最强在3月；旬尺度上，3月上旬最强，4月上旬和4月中旬最弱。春季阿勒泰市寒潮过程的最大24、48 h和72 h降温幅度平均值分别为-8.9、-12.5℃和-14.3℃。

（5）春季阿勒泰市寒潮过程最低气温平均值为-11.8℃，过程最低气温平均距平值为-7.6℃。