新疆阿勒泰地区冬季严寒天气的气候变化特征分析

樊 磊，郭玉琳，赵 勇，王天竺

（1.铁干里克气象站，新疆 库尔勒841000；2.阿勒泰地区气象局，新疆 阿勒泰836500；3.成都信息工程大学大气科学学院，四川 成都610225）

随着全球范围内极端天气气候事件发生频率及强度的加剧[1]，气候变化问题受到各国学者的关注。在全球气候变暖背景下，近百年来，我国气候明显变暖，气温上升了0.5 ℃左右[2-6]。干旱区是气候变化的敏感区，我国西北干旱区近30 a 的气候，也发生了显著变化。施雅风等[7-11]研究指出；1987 年以来，我国西北干旱区气候从“暖干”向“暖湿”转型。薛燕等[12]指出自20 世纪80 年代后期，新疆降水量明显增加，有湿润化趋势，同时气温也呈上升趋势，平均增幅为0.27 ℃/10 a。杨金虎等[13]通过对冬季年极端低温事件发生的频次及强度研究表明，指出了近45 a来西北地区冬季极端低温事件发生频次增加，但强度在减弱。李景林等[14]的研究表明，1961—2010 年新疆年平均气温显著升高，其中冬季气温升高幅度大于其它各季，气候变暖十分明显。

阿勒泰地区属于温带大陆性气候，位于新疆最北部，冬季严寒漫长，长达5 个月。冬季严寒天气日数与城市采暖、输水管道防冻及农牧业生产关系密切，对冬季设施农业生产的整体规划和布局，以及畜牧业的安全越冬等有重要意义。庄晓翠等[15]利用阿勒泰地区7 个气象站1961—2006 年的地面观测资料，概括出该地区寒潮天气的气候特征，并建立了该地区寒潮天气的预报指标。白松竹等[16]对气候变暖背景下阿勒泰地区寒潮活动变化特征进行研究，指出11 月—翌年2 月是阿勒泰地区寒潮高发期，近52 a来寒潮频数呈现减少趋势，并存在明显的年代际尺度变化特征。齐贵英[17]指出1962—2008 年阿勒泰地区冬季最高和最低气温呈显著上升趋势，且最低温度的上升趋势高于最高温度。张林梅等[18]指出阿勒泰冬季的低温事件呈减少趋势，强度呈减弱趋势。已有较多针对阿勒泰地区严寒天气日数时空特征的研究，但是针对不同极端严寒天气日数的持续性变化特征的研究还较少，后者对区域经济发展和人类活动具有更为重要的影响。本文基于阿勒泰地区7 站冬季日最低温度资料，给出了严寒天气日数的持续性变化特征。

1 资料与方法

本文所用资料为新疆气象信息中心提供的阿勒泰地区7 个气象站（吉木乃、哈巴河、布尔津、阿勒泰、福海、富蕴、青河站）1961—2017 年冬季（11月—翌年3 月）[18]逐日最低气温资料。资料在选取时，进行了简单的质量控制，剔除在研究时间段内任意一年数据缺测超过5%的站点。

本文以最低气温定义严寒天气，分析了两种不同程度的严寒天气频数变化，第一种，-30 ℃＜最低气温≤-20 ℃；第二种，最低气温≤-30 ℃。在此基础上，尤其分析了第二种情况的持续性特征。

2 结果分析

2.1 阿勒泰地区冬季极端最低气温的空间分布

图1 1962—2017 年阿勒泰地区各站冬季历史最低气温

区，如富蕴和青河县[15]；（2）积雪深度。积雪深度同最低气温呈显著负相关关系，即积雪深度越深，最低气温越低，富蕴和青河冬季积雪相对较深，因此冬季相对要更冷一些，吉木乃积雪较浅，因而更暖一些[19-20]；（3）最低气温还与各站的地形和海拔高度有关。山地和峡谷地形站点相对于盆地站点，冬季要更暖些，受积雪辐射降温影响，大气边界层呈逆温分布，海拔高度低的站点，气温要更低一些，反之，气温更高一些[21]。

2.2 阿勒泰地区冬季平均最低气温变化趋势

图2 给出了1962—2017 年阿勒泰地区平均的冬季最低温度变化趋势。阿勒泰地区冬季呈增暖趋势，平均最低温度的增温幅度为0.7 ℃/10 a，通过了95%的信度检验。20 世纪60 年代是阿勒泰地区最为寒冷的时期，其次为20 世纪70 年代。80 年代至90 年代中期，是阿勒泰地区最为温暖的时期。表1给出了阿勒泰地区7 站冬季最低气温的趋势变化和方差贡献，7 个站均呈增暖趋势，增暖幅度最小为吉木乃站，为0.4 ℃/10 a，增温幅度最大是富蕴站为1.2 ℃/10 a，其余各站增温幅度在0.5～0.9 ℃/10 a，都通过95%的信度检验，富蕴和青河站可以通过99%的信度检验。

图2 1962—2017 年阿勒泰地区冬季年平均最低温度变化趋势

表1 阿勒泰地区7 个气象站冬季最低气温线性倾向率和方差贡献

2.3 阿勒泰地区冬季年最低气温的趋势变化

图3 给出了1962—2017 年阿勒泰地区平均的冬季年最低气温趋势变化。冬季年最低气温可以用来表征一个区域极端寒冷事件强度。由图3 可见，阿勒泰地区极端寒冷事件的强度整体呈减弱趋势，对应年最低气温升高，幅度为0.6 ℃/10 a，但这种变化未能通过95%的信度检验。与冬季平均的最低气温线性变化相似，20 世纪60 年代，是阿勒泰地区最为寒冷的时期，年最低气温低于-40 ℃，20 世纪70 年代后期至2000 年，是阿勒泰地区极端严寒天气事件强度较弱时期，在-35 ℃左右，21 世纪前10 a，该地区极端严寒天气强度增大，仅次于20 世纪60 年代。

图3 1962—2017 年阿勒泰地区冬季年最低温度趋势变化

表2 给出了阿勒泰地区7 个站年最低气温线性倾向率和方差贡献。阿勒泰地区7 个站年最低气温均呈增加趋势，表明极端严寒天气事件强度在减弱，其中富蕴减弱程度最明显，对应年最低气温增加幅度为1.1 ℃/10 a，其次为青河，为0.8 ℃/10 a，且这两个站的增暖是显著的，可以通过95%的信度检验。其余各站的极端严寒天气事件强度也在减弱，但并不显著，未能通过95%的信度检验。

表2 阿勒泰地区7 个气象站冬季年最低气温线性倾向率和方差贡献

2.4 阿勒泰地区冬季严寒天气日数趋势变化

图4 给出了阿勒泰地区7 个站冬季严寒天气（-30 ℃＜最低气温≤-20 ℃）的日数变化。阿勒泰站位于该区间的严寒天气频数呈减少趋势，变化幅度为2.1 次/10 a，且这种变化趋势是显著的，可以通过99%的信度检验。20 世纪60—80 年代中前期，是位于该区间严寒天气频数最多的时期，其中1965 年超过60 次，再次为近10 a，超过40 次，20 世纪80 年代中后期至21 世纪前5 a，是位于该区间严寒天气频数最少的时期。布尔津站位于该区间的严寒天气频数也呈减少趋势，变化幅度为2.5 d/10 a，且这种变化趋势是显著的，可以通过99%的信度检验。20世纪60—80 年代中前期，是位于该区间严寒天气频数最多的时期，其中1986 年超过50 次，再次为近10 a，可达40 次左右，20 世纪80 年代至21 世纪前期，是位于该区间严寒天气频数最少时期。福海站位于该区间的严寒天气频数也呈减少趋势，但变化并不明显。富蕴站位于该区间的寒冷天气频数呈微弱的增加趋势。哈巴河站位于该区间的严寒天气频数呈减少趋势，变化幅度为2.7 次/10 a，且这种变化趋势是显著的，可以通过99%的信度检验。20 世纪60—80 年代中前期，是位于该区间严寒天气频数最多的时期，其中1977 年超过40 次，再次为近10 a，超过30 次，20 世纪80 年代至21 世纪前期，是最少时期。吉木乃站位于该区间严寒的天气频数也呈减少趋势，但并不显著。青河站位于该区间的严寒天气日数呈增加趋势，但未能通过0.05 的显著性检验。

图4 1962—2017 年冬季严寒天气（-30 ℃＜最低气温≤-20 ℃）的频数变化

图5 给出了阿勒泰地区7 个站冬季严寒天气（最低气温≤-30 ℃）的日数变化。7 个站位于该区间的严寒天气日数均呈减少趋势变化，除了富蕴站和青河站，其余5 站，并不是每年都能发生低于-30 ℃的严寒天气，20 世纪60 年代，是位于该区间严寒天气发生最集中的时期。富蕴站位于该区间的严寒天气日数以5 d/10 a 的幅度减少，青河站以4.6 d/10 a的幅度减少，均通过0.01 的显著性检验。从上述分析可知，严寒天气日数的减少，是导致各站冬季增暖的重要因素，其中富蕴站和青河站，主要由极端严寒天气（最低气温≤-30 ℃）频数减少贡献，其余各站则对不同区间严寒天气频数减少均有贡献。

2.5 阿勒泰地区冬季持续性严寒天气日数趋势变化

图5 1962—2017 年 冬季严寒天气（最低气温≤-30 ℃）的频数变化

图6 1962—2017 年阿勒泰地区冬季2 天持续性严寒天气（最低气温≤-30 ℃）发生频数变化

图6～8 给出了1962—2017 年阿勒泰地区各站冬季2、3 和5 d 持续性严寒天气（最低气温≤-30 ℃）的发生频数。各站冬季2 d 持续性严寒天气频数除哈巴河站（图6）外，均表现出减少的趋势，但减少趋势均不显著，均不超过0.12 次/10 a 。阿勒泰站（图6a）、布尔津站（图6b）、哈巴河站（图6e）和吉木乃站（图6f）均表现出在20 世纪90 年代2 d 持续性严寒天气频数发生较少的特征，而福海站（图6c）、富蕴站（图6d）和青河站（图6g）年际差异较大。各站冬季3 d 持续性严寒天气发生频数均表现出减少的趋势，尤以福海站（图7c）和富蕴站（图7d）减少趋势较为显著，分别为0.19 次/10 a 和0.15 次/10 a。除富蕴站和青河站（图7g）外，其余5 站冬季3 d 持续性严寒天气发生频数均表现出在20 世纪80 年代中期到90 年代末期极少的特征，富蕴站在2012 年发生频数最多，为5 次。各站冬季5 d 持续性严寒天气发生频数均表现出减少的趋势，其中尤以富蕴站（图8d）和青河站（图8g）减少趋势最为显著，分别为0.47 次/10 a 和0.34 次/10 a，其余各站减少趋势均不超过0.14 次/10 a。同样的，除福海站（图8c）、富蕴站和青河站外，其余4 站冬季5 d 持续性严寒天气发生频数均表现出在20 世纪80 年代中期到90 年代末期极少的特征，富蕴站在1969 年发生频数最多，为6 次。与李海花等[19]的研究一致。

3 结论

本文基于1961—2017 年阿勒泰地区7 个气象站逐日观测的最低气温资料，使用一元线性回归等方法，分析阿勒泰地区冬季（11 月—翌年3 月）最低气温的趋势变化趋势和不同强度严寒天气事件的频数变化以及持续性变化的特征。主要结论如下：

图7 1962—2017 年阿勒泰地区冬季3 d 持续性严寒天气（最低气温≤-30 ℃）发生频数变化

图8 1962—2017 年阿勒泰地区冬季5 d 持续性严寒天气（最低气温≤-30 ℃）发生频数变化

图9 1962—2017 年阿勒泰地区冬季持续性严寒天气（最低气温≤-30 ℃）的最长日数变化

（1）近56 a 来，阿勒泰地区整体呈增暖趋势，增暖幅度为0.7 ℃/10 a，可通过0.05 的显著性检验，青河站和富蕴站增暖更为突出，增暖幅度达1.2 ℃/10 a和0.9 ℃/10 a，可通过0.01 的显著性检验。阿勒泰地区冬季极端严寒天气的强度呈减弱趋势，对应年最低气温以0.6 ℃/10 a 的趋势升高，最高值出现在1982 年，为-25 ℃，最低值出现在1969 年，为-43 ℃，富蕴站和青河站升高趋势最为突出，增暖幅度为1.1 ℃/10 a 和0.8 ℃/10 a。

（2）分析了两种强度严寒天气频数变化特征，第一类，最低气温处于-30～-20 ℃，富蕴站和青河站冬季位于该区间严寒天气发生的频数较多，最高频数均接近70 次，其余各站该类型严寒天气频数呈减少趋势，尤以哈巴河站和布尔津站减少趋势最为显著，分别为2.7 次/10 a 和2.5 次/10 a，通过0.05 的显著性检验。第二类，最低气温低于-30 ℃，富蕴站和青河站的减少趋势可达5 次/10 a 和4.6 次/10 a，通过95%的信度检验。

（3）阿勒泰地区冬季各站2 d 持续性严寒天气发生频数均表现出减少的趋势，但未能通过0.05 的显著性检验。各站冬季3 d 和5 d 的持续性严寒天气发生频数均呈现出减少的趋势，尤其福海站和富蕴站，分别为0.19 次/10 a（0.47 次/10 a）和0.15 次/10 a（0.34 次/10 a），其余各站的减少趋势均不超过-0.14 次/10 a。各站冬季持续性严寒天气（低于-30 ℃）最长日数均表现出减少的趋势，其中以富蕴站和青河站减少幅度最为突出，达1.2 d/10 a，通过95%的信度检验。