近60年中國冷空氣過程的氣候變率分析*

朱萬林 李清泉 王遵婭 沈新勇

1 南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210044 2 國家氣候中心,中國氣象局氣候研究開放實(shí)驗(yàn)室，北京 100081 3 南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室(珠海)，珠海 519082

提 要： 使用1960—2019年中國2 400個(gè)氣象站逐日觀測(cè)氣溫，系統(tǒng)地分析了中國各類冷空氣過程的氣候?qū)W特征。結(jié)果表明：中國的寒潮和冷空氣過程主要發(fā)生在秋季和冬季，頻數(shù)和強(qiáng)度有明顯的月際和季節(jié)差異，區(qū)域型寒潮在秋季發(fā)生頻數(shù)最多，全國型寒潮、區(qū)域型冷空氣和全國型冷空氣在冬季發(fā)生頻數(shù)最多；區(qū)域型冷空氣總體過程(寒潮與冷空氣過程之和)平均強(qiáng)度在2月最大，全國型冷空氣總體過程平均強(qiáng)度在11月最大。近60年中國冬季氣溫可以分為兩個(gè)時(shí)期，即冷期(1960—1986年)和暖期(1987—2019年)。冷期，冬季全國型寒潮頻數(shù)呈顯著減少趨勢(shì)[-0.57次·(10 a)-1]，區(qū)域型冷空氣、全部型(全國型與區(qū)域型之和)冷空氣過程頻數(shù)呈顯著上升趨勢(shì)[分別為1.37 次·(10 a)-1、1.28次·(10 a)-1]；暖期，1月全國型寒潮頻數(shù)呈顯著下降趨勢(shì)[-0.17次·(10 a)-1]，而區(qū)域型冷空氣頻數(shù)呈顯著上升趨勢(shì)[0.53次·(10 a)-1]。

引 言

在全球氣候變化背景下，我國極端災(zāi)害事件頻發(fā)。冷空氣過程特別是強(qiáng)冷空氣過程和寒潮過程是我國重大的災(zāi)害性天氣之一，它具有發(fā)生頻率高、持續(xù)時(shí)間長、影響范圍廣、致災(zāi)嚴(yán)重等特點(diǎn)。冷空氣過程的頻繁發(fā)生不僅會(huì)造成我國國民經(jīng)濟(jì),特別是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的巨大損失，而且會(huì)對(duì)環(huán)境及人們對(duì)生活、健康造成嚴(yán)重的危害和影響。

陶詩言(1955)對(duì)東亞冷空氣活動(dòng)進(jìn)行了研究，并確定了影響我國的冷空氣源地和路徑。20世紀(jì)70年代，陳佑淑等(1974)對(duì)冷空氣標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行討論并將冷空氣分為寒潮、強(qiáng)冷空氣、中等強(qiáng)度冷空氣及弱冷空氣4個(gè)等級(jí)。國家氣象中心氣候應(yīng)用室(1996)根據(jù)過程總降溫把冷空氣過程分為區(qū)域型寒潮、全國型寒潮、強(qiáng)冷空氣、一般冷空氣。王遵婭和丁一匯(2006)認(rèn)為最低溫度不受太陽輻射的影響，可以較好地反映降溫的相對(duì)幅度，進(jìn)而用最低氣溫計(jì)算降溫幅度，并對(duì)寒潮及冷空氣過程進(jìn)行了更加細(xì)致的分類。王遵婭和丁一匯(2006)還利用1951—2004年中國740個(gè)站逐日溫度資料, 對(duì)中國寒潮頻次的氣候特征及其變化進(jìn)行了分析， 并在此基礎(chǔ)之上討論了中國寒潮頻次減少的可能原因，其結(jié)果表明，西伯利亞高壓和冬季風(fēng)強(qiáng)度的減弱使冬季中國地表溫度持續(xù)升高，而溫度的這種變化與中國寒潮頻次減少有密切的聯(lián)系。Ding(1990)、張培忠和陳光明(1999)在20世紀(jì)末分析了影響中國的寒潮冷高壓的活動(dòng)情況，指出冷高壓中心強(qiáng)度的發(fā)展增強(qiáng)對(duì)寒潮爆發(fā)具有重要意義。徐瑋平等(2020)通過研究20世紀(jì)90年代以后華北地區(qū)初春低溫增強(qiáng)的原因，表明歐亞大陸大氣環(huán)流異常會(huì)導(dǎo)致我國華北地區(qū)氣旋性增強(qiáng)和經(jīng)向環(huán)流加大，從而引起寒潮等極端低溫事件增多。

在全球升溫和未來持續(xù)升溫的大背景下，對(duì)中國極端溫度和極端溫度事件的研究已成為中國氣候變化領(lǐng)域的重要問題(胡宜昌等，2007；李金潔等，2019)。丁一匯等(2009)研究發(fā)現(xiàn)，上述變暖背景下的中國寒潮發(fā)生的頻數(shù)和強(qiáng)度也出現(xiàn)了明顯變化。姚永明等(2011)統(tǒng)計(jì)分析表明，從20世紀(jì)50—80年代，中國各類寒潮的發(fā)生頻次呈減少趨勢(shì)且強(qiáng)度減弱。黃煥卿和韓雪(2014)利用中國194個(gè)站1951年1月1日至2003年5月31日逐日氣溫資料，發(fā)現(xiàn)全國大部地區(qū)中強(qiáng)冷空氣和寒潮每年發(fā)生次數(shù)呈減少趨勢(shì)，但少部分地區(qū)出現(xiàn)的中強(qiáng)冷空氣每年發(fā)生次數(shù)呈增多趨勢(shì)；冬季冷空氣發(fā)生次數(shù)同比秋、春兩季減少明顯。周琳和孫照渤(2015)利用1960—2010年我國384個(gè)站逐日溫度資料研究指出我國單站冷空氣呈北多南少、北強(qiáng)南弱的分布特征，全國型冷空氣活動(dòng)頻數(shù)在20世紀(jì)60年代和90年代顯著減少，而北方冷空氣活動(dòng)頻數(shù)的年代際變化不大。

仇永康等(1992)、曹曉初等(2001)、紀(jì)忠萍等(2007)、劉向文等(2009)、岳艷霞等(2009)、王宗明等(2011)、閻琦等(2016)、朱晨玉等(2014)、毛煒嶧等(2016)、唐熠等(2019)等大量研究對(duì)不同區(qū)域冷空氣特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。還有學(xué)者對(duì)寒潮及冷空氣預(yù)報(bào)進(jìn)行研究，如任金聲等(1996)以數(shù)值預(yù)報(bào)為基礎(chǔ)，結(jié)合預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)，并運(yùn)用能量與診斷、人工智能和延伸預(yù)報(bào)等多種技術(shù)手段，通過綜合決策制作冷空氣過程中期預(yù)報(bào)；陶亦為等(2017)利用集合預(yù)報(bào)天氣預(yù)報(bào)指數(shù)(EFI)對(duì)2016年1月寒潮個(gè)例的預(yù)報(bào)進(jìn)行分析和檢驗(yàn)。

綜上所述，目前的研究大都針對(duì)不同地區(qū)冬季冷空氣過程，其結(jié)果具有很明顯的區(qū)域型和季節(jié)性；而且，很多研究是早期用有限的資料開展的，很少有人系統(tǒng)地研究中國寒潮和冷空氣的氣候?qū)W變化特征，特別是近年來寒潮和冷空氣活動(dòng)的新特征。因此，本研究的目的是使用最新的1960—2019年中國2 400 個(gè)國家級(jí)氣象站計(jì)算得到的冷空氣過程監(jiān)測(cè)資料，系統(tǒng)地分析中國各個(gè)季節(jié)寒潮及冷空氣過程頻數(shù)和強(qiáng)度的變化特征和規(guī)律，以便于全面認(rèn)識(shí)我國冷空氣過程的氣候特征，為極端天氣氣候預(yù)測(cè)提供參考依據(jù)。

1 資料和方法

1.1 資 料

本文使用了國家氣象信息中心提供的2 400個(gè)臺(tái)站逐日平均氣溫和日最低氣溫資料，以及國家氣候中心提供的中國冷空氣過程監(jiān)測(cè)指數(shù)，時(shí)間范圍是1960年1月1日至2019年6月30日。氣溫資料經(jīng)過國家氣象信息中心質(zhì)量控制，沒有做均一化處理。Wang et al(2012)研究指出，采用均一化和非均一化的逐日最低氣溫?cái)?shù)據(jù)不會(huì)改變極端氣溫的分析結(jié)果。此外，本文對(duì)冷空氣過程的判定是采用降溫幅度，也就是用本臺(tái)站的某個(gè)高溫值減去某個(gè)低溫值，已經(jīng)去掉了數(shù)據(jù)整體的系統(tǒng)誤差，因而資料均一性問題不會(huì)對(duì)冷空氣的分析產(chǎn)生較大的影響。

1.2 各類冷空氣過程的定義

根據(jù)中華人民共和國氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《冷空氣過程監(jiān)測(cè)指標(biāo)》(中國氣象局，2017)，定義冷空氣過程為冷空氣發(fā)生、發(fā)展、結(jié)束的天氣過程。采用中國2 400 個(gè)國家級(jí)氣象觀測(cè)站日最低氣溫(Tmin)資料，依據(jù)單站降溫幅度和日最低氣溫確定該單站的冷空氣強(qiáng)度等級(jí)，將強(qiáng)度劃分為中等強(qiáng)度冷空氣、強(qiáng)冷空氣和寒潮3級(jí)，劃分方法為：①單站中等強(qiáng)度冷空氣：8℃>單站ΔT48≥ 6℃的冷空氣；②單站強(qiáng)冷空氣：?jiǎn)握睛48≥8℃的冷空氣；③單站寒潮：?jiǎn)握睛24≥8℃或單站ΔT48≥10℃或單站ΔT72≥12℃，且Tmin≤4℃的天氣過程(其中48 h、72 h內(nèi)的日最低氣溫必須是連續(xù)下降的)。

每日監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)有20%及以上且少于55%觀測(cè)站單站出現(xiàn)中等及其以上冷空氣過程，且持續(xù)兩日及以上，判定為出現(xiàn)一次區(qū)域型冷空氣過程；每日監(jiān)測(cè)區(qū)域有超過55%觀測(cè)站單站出現(xiàn)中等及其以上冷空氣過程且持續(xù)兩日及以上，判定為一次全國型冷空氣過程。依據(jù)某次區(qū)域型(全國型)冷空氣中達(dá)到不同強(qiáng)度等級(jí)的單站比率確定該次冷空氣過程的強(qiáng)度指數(shù)(I)，計(jì)算公式為

(1)

式中：N3為監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)寒潮的站點(diǎn)數(shù)；N2為監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)強(qiáng)冷空氣的站點(diǎn)數(shù)；N1為監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)中等強(qiáng)度冷空氣的站點(diǎn)數(shù)。

依據(jù)I確定其強(qiáng)度等級(jí)，劃分為冷空氣過程(1≤I<1.95)和寒潮過程(1.95≤I<3)，并根據(jù)上述方法定義區(qū)域型寒潮過程、全國型寒潮過程、區(qū)域型冷空氣過程和全國型冷空氣過程。

本文把區(qū)域型寒潮(冷空氣)過程與全國型寒潮(冷空氣)過程之和稱為全部型寒潮(冷空氣)過程，寒潮過程與冷空氣過程之和稱為冷空氣總體過程。

在對(duì)寒潮過程和冷空氣過程頻數(shù)的變化特征進(jìn)行研究時(shí)，采用了線性回歸的方法，并利用時(shí)間和變量之間的相關(guān)系數(shù)對(duì)變化趨勢(shì)進(jìn)行顯著性水平檢驗(yàn)。梁蘇潔等(2014)指出對(duì)于較短的時(shí)間序列，傳統(tǒng)的Mann-Kendall(M-K)和滑動(dòng)t檢驗(yàn)無法有效檢測(cè)時(shí)間序列后期的突變點(diǎn)，而Rodionov(2016)提出的基于t檢驗(yàn)的循序算法STARS(sequentialt-test analysis of regime shift)更為嚴(yán)謹(jǐn)，能夠檢測(cè)出位于時(shí)間序列后期的突變。因此本文采用STARS檢驗(yàn)方法并結(jié)合11年滑動(dòng)平均曲線的變化趨勢(shì)對(duì)中國冬季的溫度進(jìn)行分析和研究。

2 各類冷空氣過程頻數(shù)的特征

本文的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，近60年來，全部型(區(qū)域型與全國型之和)寒潮共發(fā)生344次，其中全國型175次，區(qū)域型寒潮169次，全國型比區(qū)域型略偏多；全部型冷空氣共發(fā)生1 384次，約是全部型寒潮的4倍，其中區(qū)域型冷空氣發(fā)生1 256 次，全國型冷空氣則為128次，區(qū)域型冷空氣是全國型冷空氣的9.8倍；冷空氣總體過程(寒潮過程與冷空氣過程之和)共發(fā)生1 728次，其中區(qū)域型冷空氣總體過程發(fā)生1 425 次，全國型冷空氣總體過程發(fā)生303次，區(qū)域型是全國型的4.7倍(圖略)。由此可見，冷空氣過程發(fā)生的次數(shù)遠(yuǎn)比寒潮過程發(fā)生的次數(shù)多；區(qū)域型冷空氣過程發(fā)生的次數(shù)遠(yuǎn)比全國型冷空氣過程發(fā)生的次數(shù)多，但是全國型寒潮與區(qū)域型寒潮發(fā)生的次數(shù)接近。下面我們將系統(tǒng)地分析各類事件的月、季節(jié)、年代、長期變化趨勢(shì)特征。

2.1 不同月和季節(jié)的各類冷空氣過程頻數(shù)特征

首先，我們對(duì)每個(gè)月和季節(jié)各類冷空氣總體過程的累積頻數(shù)進(jìn)行分析。如圖1所示，冷空氣過程主要發(fā)生在除夏季(6—8月)以外的其他三個(gè)季節(jié)，其中11月累積頻數(shù)最多，9月累積頻數(shù)最少。區(qū)域型和全國型寒潮分別在10月和11月發(fā)生最多，區(qū)域型和全國型冷空氣過程分別在11月和12月發(fā)生次數(shù)最多。全部型寒潮、冷空氣、冷空氣總體過程累積頻數(shù)在各月特征基本相同，即10—12月的累積頻數(shù)明顯多于其他月份，尤其是11月最多。

1、3、4、11、12月全國型寒潮比區(qū)域型寒潮多，其中11月最多；2、5、9、10月區(qū)域型寒潮比全國型寒潮多，其中10月最多。對(duì)于全部型寒潮，冬季，12月和2月發(fā)生的寒潮比1月略偏多；春季，3月最多，其次是4月；秋季，11月最多，其次是10月。

圖2是各類冷空氣過程在冬、春、秋三個(gè)季節(jié)累積頻數(shù)。由圖2可見，對(duì)寒潮過程來說，秋季是區(qū)域型寒潮最為頻發(fā)的季節(jié)，冬季次之，春季最少；與之相反，秋季是全國型寒潮發(fā)生次數(shù)最少的季節(jié)；秋季和冬季是全部型寒潮頻發(fā)的季節(jié)，春季最少。冬季是區(qū)域型冷空氣(冷空氣總體過程)最為頻發(fā)的季節(jié)，秋季次之，春季最少；冬季也是全國型冷空氣(冷空氣總體過程)最為頻發(fā)的季節(jié)，春季次之，秋季最少。全部型冷空氣(冷空氣總體過程)在各個(gè)季節(jié)的累積頻數(shù)特征與冷空氣(冷空氣總體過程)過程的區(qū)域型季節(jié)特征一樣。

對(duì)于寒潮，全國型寒潮年總次數(shù)是區(qū)域型寒潮年總次數(shù)的1.3倍。全國型與區(qū)域型寒潮相比較，冬季一樣多，春季多37%，秋季少18%。全國型寒潮在冬季和春季一樣多，比秋季多10%；區(qū)域型寒潮在秋季最多，冬季次之，春季最少，秋季和冬季分別比春季多51%和37%。全部型寒潮在冬季和秋季一樣多，都比春季多16%。對(duì)于冷空氣過程，全國型在冬季發(fā)生最多，秋季最少；區(qū)域型和全部型在冬季最多，春季最少；區(qū)域型冷空氣年總次數(shù)是全國型冷空氣年總次數(shù)的10.2倍，全國型寒潮年總次數(shù)的7.5倍，區(qū)域型寒潮年總次數(shù)的7.6倍。對(duì)于冷空氣總體過程，全國型在冬季最多，秋季最少；區(qū)域型和全部型在冬季最多，春季最少；區(qū)域型冷空氣總體過程年總次數(shù)是全國型冷空氣總體過程年總次數(shù)的5倍。

圖1 1960—2019年各類冷空氣過程在不同月份的累計(jì)發(fā)生頻數(shù)(a1)區(qū)域型寒潮,(a2)全國型寒潮，(a3)全部型寒潮，(b1)區(qū)域型冷空氣,(b2)全國型冷空氣，(b3)全部型冷空氣，(c1)區(qū)域型冷空氣總體過程,(c2)全國型冷空氣總體過程，(c3)全部型冷空氣總體過程Fig.1 The cumulative occurrence frequency of various cold air processes in different months from 1960 to 2019 (a1) regional cold wave, (a2) national cold wave, (a3) all cold wave， (b1) regional cold air, (b2) national cold air, (b3) all cold air， (c1) regional cold air overall process, (c2) national cold air overall process, (c3) all cold air overall process

圖2 同圖1，但為冬季、春季和秋季Fig.2 Same as Fig.1, but for winter, spring and autumn

2.2 各類寒潮頻數(shù)的年代際變化趨勢(shì)

圖3給出了不同季節(jié)三類寒潮過程在每個(gè)年代(10年)累計(jì)發(fā)生次數(shù)。由圖3可見，在冬季，每個(gè)年代發(fā)生全部型寒潮12～28次，其中區(qū)域型6～13次，全國型6～18次；區(qū)域型寒潮經(jīng)歷了增加、減少、增加、減少的年代際變化，全國型和全部型寒潮經(jīng)歷了減少、增加、減少的年代際變化。區(qū)域型寒潮在20世紀(jì)70年代、90年代偏多，其他年代偏少；全國型寒潮在20世紀(jì)60年代發(fā)生的次數(shù)明顯多于其他年代，20世紀(jì)80年代以前，呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)，隨后平緩增加，21世紀(jì)后減少。全部型寒潮在冬季的年代際變化特征較為明顯，1960—1989年期間，呈現(xiàn)較明顯的下降趨勢(shì)，20世紀(jì)90年代作為過渡時(shí)期，隨后緩慢減少。

春季，每個(gè)年代發(fā)生全部型寒潮12～25次，其中區(qū)域型3～12次，全國型5～13次；區(qū)域型寒潮經(jīng)歷了減少、增加的年代際變化；全國型寒潮則呈減少、增加、減少的年代際變化；全部型寒潮則經(jīng)歷減少、增加、減少、增加、減少的年代際變化。區(qū)域型寒潮在20世紀(jì)60年代和70年代發(fā)生次數(shù)較多，到了80年代和90年代，發(fā)生次數(shù)較少，21世紀(jì)后有所增加。圖3b1～3b3很好地反映區(qū)域型寒潮在春季發(fā)生頻數(shù)的年代際差異，即1960—2000年，每10年發(fā)生的次數(shù)呈遞減趨勢(shì)，21世紀(jì)后，區(qū)域型寒潮發(fā)生頻數(shù)明顯增加。全國型寒潮發(fā)生次數(shù)在20世紀(jì)60年代和21世紀(jì)初較多，在20世紀(jì)70年代和最近10年較少，總體而言，21世紀(jì)前全國型寒潮每10年的累積頻數(shù)呈現(xiàn)先減少后增加的年代際特征，21世紀(jì)后為減少。全部型寒潮頻數(shù)在20世紀(jì)60年代和21世紀(jì)初累積頻數(shù)明顯多于其他年代，1970—2000年期間沒有明顯的年代際變化，該期間每10年發(fā)生的累積頻數(shù)基本一致，近10年發(fā)生的頻數(shù)最少。

秋季，每個(gè)年代發(fā)生全部型寒潮14～24次，其中區(qū)域型6～13次，全國型4～13次；區(qū)域型寒潮經(jīng)歷了增加、減少、增加、減少、增加的年代際變化，全國型寒潮則呈增加、減少的年代際變化，全部型寒潮則經(jīng)歷減少、增加、減少、增加的年代際變化。秋季寒潮頻數(shù)的年代際變化沒有春季明顯，20世紀(jì)80年代區(qū)域型寒潮次數(shù)偏少，只發(fā)生了6次，在其他年代發(fā)生的次數(shù)沒有明顯差異。全國型寒潮在20世紀(jì)60年代、90年代發(fā)生次數(shù)較多，70年代、80年代為一過渡時(shí)期， 21世紀(jì)后，全國型寒潮發(fā)生的次數(shù)偏少且呈現(xiàn)出遞減的變化趨勢(shì)。全部型寒潮在20世紀(jì)60、70和90年代偏多，在80年代及21世紀(jì)后偏少。

圖3 1960—2019年各季節(jié)寒潮每10年累積發(fā)生頻數(shù)(a1)冬季區(qū)域型寒潮,(a2)冬季全國型寒潮，(a3)冬季全部型寒潮，(b1)春季區(qū)域型寒潮,(b2)春季全國型寒潮，(b3)春季全部型寒潮，(c1)秋季區(qū)域型寒潮,(c2)秋季全國型寒潮，(c3)秋季全部型寒潮Fig.3 The cumulative frequency of cold waves in each season from 1960 to 2019 (a1) regional cold wave in winter, (a2) national cold wave in winter, (a3) all cold wave in winter， (b1) regional cold wave in spring, (b2) national cold wave in spring, (b3) all cold wave in spring， (c1) regional cold wave in autumn, (c2) national cold wave in autumn, (c3) all cold wave in autumn

統(tǒng)計(jì)三類(全國型、區(qū)域型、全部型)寒潮頻數(shù)在各個(gè)季節(jié)的變化趨勢(shì)(圖4)發(fā)現(xiàn)，除秋季的區(qū)域型寒潮表現(xiàn)為增加趨勢(shì)外，其他季節(jié)均表現(xiàn)為減少，其中全國型寒潮頻數(shù)在冬季和秋季的減少趨勢(shì)[分別為-0.17次·(10 a)-1、-0.14次·(10 a)-1]都通過了0.05顯著性水平檢驗(yàn)，全部型寒潮頻數(shù)在冬季的減少趨勢(shì)[-0.21次·(10 a)-1]通過0.10顯著性水平檢驗(yàn)。分析每個(gè)月寒潮頻數(shù)變化趨勢(shì)(圖略)發(fā)現(xiàn)，冬季1月的全國型寒潮和全部型寒潮的減少趨勢(shì)分別通過0.05和0.10的顯著性水平檢驗(yàn)。雖然秋季各類寒潮的變化趨勢(shì)沒有通過顯著性水平檢驗(yàn)，但是秋季10月和11月全國型寒潮頻數(shù)的下降趨勢(shì)通過0.10顯著性水平檢驗(yàn)。

3 各類冷空氣過程的強(qiáng)度特征

3.1 不同月和季節(jié)的各類冷空氣過程強(qiáng)度特征

每個(gè)月各類冷空氣過程累積強(qiáng)度(圖略)的特征與其累積頻數(shù)(圖1)特征基本一致。區(qū)域型寒潮在10月的累積強(qiáng)度最大，全國型冷空氣過程在12月的累積強(qiáng)度最大，其他過程(全國型寒潮和區(qū)域型冷空氣)在11月累積強(qiáng)度最大。值得注意的是三類全部型天氣過程(全部型寒潮、全部型冷空氣過程、全部型冷空氣總體過程)的累積強(qiáng)度在各月份呈現(xiàn)出相同特征，即10—12月的累積強(qiáng)度明顯大于其他月份，其中11月累積強(qiáng)度最大。9月各類冷空氣總體過程的累積強(qiáng)度最小。

下面分析不同月和季節(jié)各類冷空氣總體過程平均強(qiáng)度(定義為累積強(qiáng)度除以累積頻數(shù))的特征。由圖5可見，區(qū)域型、全國型和全部型冷空氣過程都在2月平均強(qiáng)度最大，區(qū)域型寒潮和全國型寒潮分別在5月和11月平均強(qiáng)度最大。因?yàn)?月沒有發(fā)生全國型寒潮(圖1)，其強(qiáng)度為零(圖5a2)。在除了9月以外的其他月份，全國型寒潮平均強(qiáng)度(為2.10～2.21)均大于區(qū)域型寒潮平均強(qiáng)度(2.01～2.11)，其中2月兩者平均強(qiáng)度的懸殊最大。對(duì)于全部型寒潮(區(qū)域型與全國型之和)來說，冬季，12月和2月發(fā)生的寒潮平均強(qiáng)度比1月略大；春季，3月和4月的平均強(qiáng)度比5月的略大；秋季，11月的平均強(qiáng)度則明顯大于9月和10月。

圖4 1960—2019年冬季(a)、春季(b)、秋季(c)區(qū)域型寒潮(淺藍(lán)柱)、全國型寒潮(深藍(lán)柱)和全部型寒潮(黑框)累積頻數(shù)及其線性趨勢(shì)(相應(yīng)顏色的虛線)Fig.4 The cumulative frequency of regional cold waves (light blue column), national cold waves (dark blue column) and all types of cold waves (black box) and their linear trends (corresponding color dotted line) in winter (a), spring (b), and autumn (c) from 1960 to 2019

圖6是各類冷空氣過程在冬、春、秋三個(gè)季節(jié)的平均強(qiáng)度，由圖6可見，每個(gè)季節(jié)寒潮平均強(qiáng)度(>2.0)大于冷空氣平均強(qiáng)度(<1.8)，全國型寒潮(冷空氣)平均強(qiáng)度大于區(qū)域型寒潮(冷空氣)強(qiáng)度。全國型寒潮平均強(qiáng)度(2.15～2.17)均大于區(qū)域型寒潮平均強(qiáng)度(2.03～2.09)，全國型冷空氣平均強(qiáng)度(1.74～1.78)明顯大于區(qū)域型冷空氣的平均強(qiáng)度(1.60～1.64)；全國型冷空氣總體過程平均強(qiáng)度(1.97～2.01)明顯大于區(qū)域型冷空氣總體過程的平均強(qiáng)度(1.66～1.69)。在冬季、春季、秋季，全國型寒潮平均強(qiáng)度大小分別是區(qū)域型寒潮平均強(qiáng)度的1.05、1.03、1.06倍，全國型冷空氣的平均強(qiáng)度大小分別是區(qū)域型冷空氣平均強(qiáng)度的1.06、1.10、1.11倍。對(duì)比三個(gè)季節(jié)，全國型寒潮(冷空氣)在春季和秋季的平均強(qiáng)度相當(dāng)，略大于冬季；區(qū)域型和全部型寒潮平均強(qiáng)度在春季最大，秋季次之，冬季最??；區(qū)域型冷空氣、全部型冷空氣在冬季、春季、秋季的平均強(qiáng)度依次減少。

3.2 寒潮強(qiáng)度長期變化趨勢(shì)

由圖7可見，1960—2019年，區(qū)域型寒潮和全部型的平均強(qiáng)度在春季最強(qiáng)，大小分別為2.09和2.14，全國型寒潮的平均強(qiáng)度(2.18)在秋季最強(qiáng)。除了區(qū)域型寒潮的平均強(qiáng)度在秋季和冬季的變化趨勢(shì)表現(xiàn)為上升外，其他類型寒潮的平均強(qiáng)度在各個(gè)季節(jié)的變化趨勢(shì)均為下降，全國型寒潮平均強(qiáng)度在秋季和冬季呈顯著下降趨勢(shì)，分別為-0.17 (10 a)-1和-0.14 (10 a)-1，分別通過0.05和0.10顯著性水平檢驗(yàn)，其中全國型寒潮的平均強(qiáng)度在11月和2月的下降趨勢(shì)超過0.10顯著性水平檢驗(yàn)(圖略)；雖然全部型寒潮的平均強(qiáng)度在冬季的下降趨勢(shì)不顯著，但是在12月的下降趨勢(shì)超過0.10顯著性水平檢驗(yàn)(圖略)。

圖5 同圖1，但為平均強(qiáng)度Fig.5 Same as Fig.1, but for the average intensity

圖6 同圖1，但為冬季、春季和秋季的平均強(qiáng)度Fig.6 Same as Fig.1, but for the average intensity in winter, spring and autumn

圖7 同圖4，但為平均強(qiáng)度及其線性趨勢(shì)Fig.7 Same as Fig.4, but for the average intensity and linear trend

4 變暖背景下冬季各類冷空氣過程的變化特征

4.1 冬季氣溫的變化

為了詳細(xì)地分析我國冬季的寒潮及冷空氣頻數(shù)變化特征，本文首先分析了1960—2019年冬季氣溫的變化特征，進(jìn)而對(duì)不同時(shí)期寒潮和冷空氣的特征。如圖8所示，冬季平均氣溫有很強(qiáng)的增暖趨勢(shì)，同時(shí)疊加有很明顯的年代際變化，這種變化在11年滑動(dòng)平均曲線上表現(xiàn)尤為明顯。使用STARS方法計(jì)算冬季氣溫的突變點(diǎn)，首先對(duì)59年(1960—2019年)冬季平均溫度預(yù)白化，設(shè)置顯著性檢驗(yàn)水平P=0.10，由于本文主要考察氣溫序列的年代際變化，因此將切斷長度L設(shè)在10～20，計(jì)算不同L下的RSI(regime shift index)值，發(fā)現(xiàn)全國春季、秋季、冬季氣溫均具有很強(qiáng)的年代際變化信號(hào)。由圖8可見，在59年冬季中，氣溫只發(fā)生了一次突變，即以1986年冬季為分界，因此可以將中國冬季氣溫劃分為兩個(gè)時(shí)期，即冷期(1960—1986年)和暖期(1987—2019年)。

圖8 1960—2019年中國大陸冬季平均氣溫的時(shí)間序列(柱狀圖表示氣溫距平,黑色實(shí)線表示突變檢驗(yàn),綠色實(shí)線表示線性趨勢(shì),綠色虛線表示11年滑動(dòng)平均)Fig.8 The time series of average winter temperature in mainland China from 1960 to 2019(The histogram indicates the temperature anomaly, the black solid line indicates the mutation test, the green solid line indicates the linear trend, the green dotted line indicates the 11-year running average)

4.2 冬季各類冷空氣過程頻數(shù)的變化

通過對(duì)比分析兩個(gè)時(shí)期冬季寒潮及冷空氣的頻數(shù)(表1和圖9)發(fā)現(xiàn)，除區(qū)域型冷空氣、全國型冷空氣和全部型冷空氣外，其他冷空氣過程在暖期(1987—2019年)內(nèi)平均每年發(fā)生的次數(shù)均比冷期(1960—1986年)內(nèi)發(fā)生的次數(shù)少，其中表現(xiàn)尤為明顯的為全國型寒潮和全部型寒潮。由圖8可以明顯地看出，冷期冬季我國氣溫表現(xiàn)為明顯的負(fù)異常，而暖期冬季我國氣溫表現(xiàn)為明顯的正異常，可見，寒潮及冷空氣發(fā)生的次數(shù)與冬季氣溫的溫度背景存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系：冬季溫度偏高，寒潮發(fā)生次數(shù)偏少，冷空氣發(fā)生次數(shù)偏多；冬季溫度偏低，寒潮發(fā)生次數(shù)偏多，冷空氣發(fā)生次數(shù)偏少。

由表1還可以看出，冬季三類寒潮頻數(shù)在兩個(gè)時(shí)期都表現(xiàn)為下降趨勢(shì)，但只有冷期冬季的全國型寒潮頻數(shù)下降趨勢(shì)通過了0.10的顯著性水平檢驗(yàn)，其大小為-0.57次·(10 a)-1；冬季三類冷空氣頻數(shù)在兩個(gè)時(shí)期主要表現(xiàn)為上升(只有全國型冷空氣頻數(shù)冷期的趨勢(shì)為下降)，其中區(qū)域型冷空氣和全部型冷空氣的頻數(shù)在冷期的上升趨勢(shì)超過0.05顯著性水平檢驗(yàn)，其大小分別為1.37次·(10 a)-1和1.27次·(10 a)-1；冬季三類冷空氣總體過程在兩個(gè)時(shí)期的變化趨勢(shì)主要表現(xiàn)為上升(只有全國型冷空氣總體過程在冷暖期表現(xiàn)為下降)，其中區(qū)域型冷空氣總體過程頻數(shù)在冷期的上升趨勢(shì)超過0.10顯著性水平檢驗(yàn)，為1.25次·(10 a)-1。此外，通過進(jìn)一步分析冬季的12月、1月和2月各類寒潮和冷空氣的頻數(shù)變化趨勢(shì)發(fā)現(xiàn)，冷期12月全國型寒潮頻數(shù)的下降趨勢(shì)[-0.27次·(10 a)-1]通過了0.10顯著性水平檢驗(yàn)，冷期2月全部型寒潮頻數(shù)[-0.37次·(10 a)-1]和暖期1月的全國型寒潮頻數(shù)[-0.17次·(10 a)-1]下降趨勢(shì)均通過了0.05的顯著性水平檢驗(yàn)，暖期1月的區(qū)域型冷空氣發(fā)生頻數(shù)的上升趨勢(shì)[0.53次·(10 a)-1]通過0.10顯著性水平檢驗(yàn)(圖略)。

4.3 冬季各類冷空氣過程強(qiáng)度的變化

本節(jié)定義冬季各類冷過程的次平均強(qiáng)度為冬季總累積強(qiáng)度除以總次數(shù)，用以表示平均每次冷過程的強(qiáng)度。

圖9 1960—2019年冬季寒潮(a)、冷空氣(b)、冷空氣總體過程(c)累積頻數(shù)及線性趨勢(shì)(淺藍(lán)柱表示區(qū)域型，深藍(lán)柱表示全國型，黑色框表示全部型；直線表示相應(yīng)的線性趨勢(shì))Fig.9 The cumulative frequency and linear trend of the winter cold wave (a), cold air (b), and cold air cold air overall process (c)(The light blue column represents the regional type, the dark blue column represents the national type, and the black box represents all types; the straight line represents the corresponding linear trend)

表1 1960—2019年冬季寒潮、冷空氣和冷空氣總體過程的平均發(fā)生次數(shù)及其變化趨勢(shì)Table 1 The average frequency and the linear trend of the cold wave, cold air and the overall process of cold air in the winter from 1960 to 2019

表2為1960—2019年冬季寒潮及冷空氣的強(qiáng)度及其變化趨勢(shì)。由表2可見，三類冷空氣過程的次平均強(qiáng)度在冷、暖期的特征變化與三類寒潮一致。對(duì)比冷、暖期冬季區(qū)域型冷空氣和全部型冷空氣強(qiáng)度的大小，暖期冬季的次平均強(qiáng)度比冷期冬季相應(yīng)值略偏小，暖期冬季全國型冷空氣的次平均強(qiáng)度則比冷期冬季時(shí)略偏大，說明暖期冬季全國型冷空氣的強(qiáng)度要略強(qiáng)于冷期冬季的。與冷期冬季相比，暖期冬季區(qū)域型寒潮次平均強(qiáng)度減小；暖期冬季全國型寒潮次平均強(qiáng)度呈增加；全部型寒潮在暖期冬季的次平均強(qiáng)度比冷期冬季的次平均強(qiáng)度小，由此可見，全部型寒潮(區(qū)域型寒潮與全國型寒潮之和)的次平均強(qiáng)度受區(qū)域型寒潮的次平均強(qiáng)度影響較大。

表2 同表1，但為強(qiáng)度及其變化趨勢(shì)Table 2 Same as Table 1, but for the intensity and the linear trend

如表2所示，冷期，冬季全國型寒潮強(qiáng)度(-0.120 a-1)和全部型寒潮強(qiáng)度(-0.147 a-1)呈顯著下降趨勢(shì)，通過了0.10顯著性水平檢驗(yàn)，冬季全部型冷空氣強(qiáng)度(0.154 a-1)呈顯著上升趨勢(shì)，通過了0.10顯著性水平檢驗(yàn)；暖期，只有全部型冷空氣總體過程強(qiáng)度(0.115 a-1)呈顯著上升趨勢(shì)，通過了0.10顯著性水平檢驗(yàn)，這表明近幾年來我國冬季的冷空氣總體過程強(qiáng)度相對(duì)于冷期有所增加。此外，分析表明12月全國型寒潮強(qiáng)度減弱趨勢(shì)通過了0.10 顯著性水平檢驗(yàn)，2月全部型寒潮強(qiáng)度減弱趨勢(shì)通過了0.05的顯著性水平檢驗(yàn)(圖略)。由表2還可以看出，暖期冬季的全國型寒潮和全國型冷空氣過程次平均強(qiáng)度比冷期大，其余7類冷空氣過程在暖期的次平均強(qiáng)度比冷期小。

5 結(jié)論與討論

本文系統(tǒng)地分析了近60年(1960—2019年)中國各類冷空氣過程發(fā)生頻數(shù)和強(qiáng)度的氣候特征，以及變暖背景下冬季各類冷空氣過程的變化特征，主要結(jié)論如下：

(1)近60年來，全部型(全國型與區(qū)域型之和)寒潮共發(fā)生344次，其中全國型175次，區(qū)域型寒潮169次；全部型冷空氣共發(fā)生1 384次，其中區(qū)域型冷空氣1 256次，全國型冷空氣128次；冷空氣總體過程(寒潮與冷空氣之和)共發(fā)生1 728次，其中區(qū)域型冷空氣總體過程1 425次，全國型冷空氣總體過程303次。各類冷空氣總體過程的累積頻數(shù)在11月最多，9月最少；區(qū)域型寒潮在秋季發(fā)生頻數(shù)最多，全國型寒潮和全部型冷空氣在冬季發(fā)生頻數(shù)最多。對(duì)各類寒潮在冬季、春季、秋季節(jié)累積頻數(shù)長期趨勢(shì)分析表明，除區(qū)域型寒潮累積頻數(shù)在秋季呈上升趨勢(shì)，全國型和區(qū)域型寒潮累積頻數(shù)在冬季和春季呈下降趨勢(shì)，其中冬季下降趨勢(shì)最顯著。

(2)區(qū)域型寒潮和全國型寒潮平均強(qiáng)度分別在5月和11月最大，9月最??；區(qū)域型和全國型冷空氣過程平均強(qiáng)度在2月最大；區(qū)域型冷空氣總體過程平均強(qiáng)度在2月最大，全國型冷空氣總體過程的平均強(qiáng)度在11月最大。對(duì)比三個(gè)季節(jié)，全國型寒潮(冷空氣、冷空氣總體過程)在春季和秋季的平均強(qiáng)度相當(dāng)，略大于冬季；區(qū)域型(全部型)寒潮平均強(qiáng)度在春季最大，冬季最?。粎^(qū)域型冷空氣和冷空氣總體過程、全部型冷空氣和冷空氣總體過程在冬季、春季、秋季的平均強(qiáng)度依次減少。三個(gè)季節(jié)三類寒潮累計(jì)強(qiáng)度都呈減少趨勢(shì)，其中全國型和全部型寒潮在秋季顯著減少。

(3)1960—2019年的中國冬季氣溫時(shí)間序列可分為兩個(gè)時(shí)期，1960—1986年為冷期，1987—2018年為暖期。暖期冬季的區(qū)域型冷空氣、全國型冷空氣和全部型冷空氣平均發(fā)生頻次比冷期略偏多；暖期冬季的其他冷空氣過程平均每年發(fā)生頻數(shù)較冷期偏少；其中冷期冬季全國型寒潮頻數(shù)呈顯著減少趨勢(shì)，為-0.57次·(10 a)-1。冷期全國型冷空氣和全部型冷空氣的增加趨勢(shì)超過0.05顯著性水平檢驗(yàn)，大小分別為1.37次·(10 a)-1和1.28次·(10 a)-1；暖期各類冷過程在各季節(jié)的變化趨勢(shì)都沒有通過顯著性水平檢驗(yàn)，但是暖期1月的全國型寒潮頻數(shù)下降趨勢(shì)[-0.17次·(10 a)-1]和區(qū)域型冷空氣頻數(shù)的上升趨勢(shì)[0.53次·(10 a)-1]分別通過0.05和0.10顯著性水平檢驗(yàn)。