1951—2016年中亞努爾蘇丹與烏魯木齊寒潮過程頻數變化及其主要影響因子對比分析

段均澤，毛煒嶧，黃迤靜，陳 靜，迪麗努爾·托列吾別克，姚俊強，沈永平

（1.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆烏魯木齊830002；2.新疆氣候中心，新疆烏魯木齊830002；3.博州氣象局，新疆博爾塔拉833400；4.中國科學院西北生態環境資源研究院，甘肅蘭州730000）

0 引言

寒潮是中高緯度地區的主要災害性天氣，通常會造成劇烈降溫和大風，有時還伴有暴雪等一系列災害天氣，給當地農牧業生產、交通運輸以及公眾生活等帶來很大影響。國內外氣象專家對寒潮進行研究已經取得了許多成果，20世紀中葉以來，我國寒潮活動減少，北方各地寒潮減少最為顯著［1-2］。1961年以來，我國東北遼寧省的極端冷事件（冷晝日數、冷夜日數、結冰日數、霜凍日數和寒潮持續指數）呈減少趨勢，極端冷事件在20世紀80年代末期開始顯著減少［3］。新疆中等強度冷空氣和強冷空氣的年平均頻次呈不顯著減少趨勢，寒潮呈顯著減少趨勢［4］。我國東北［5］、內蒙古［6］、河北?。?］以及新疆北部阿勒泰［8］的寒潮減少與冬季增暖有明顯相關性，氣候變暖是寒潮過程減少的重要氣候背景。根據細化的降溫過程定義，給出了烏魯木齊市降溫過程［9］以及寒潮過程［10］的頻數與強度變化特征，并討論了單站寒潮過程強度的單因子、多因子指標及其在氣候評價業務中的應用［11］。北半球極渦面積指數與我國東北地區遼寧寒潮頻次呈明顯正相關關系，遼寧省寒潮偏多月份極渦較氣候平均位置偏南，50°N附近70°～180°E之間緯向風明顯偏大［12］。新疆冬季極端低溫事件異常多少與NAO、500 hPa烏拉爾山脊以及其以東50°～70°E西風強弱的綜合調制作用關系密切［13］。有研究將中國新疆與中亞五國視為中亞核心區域［14-15］，中亞地區是全球氣候變化最為劇烈的區域之一［16］。近些年來，有研究成果分析了中亞哈薩克斯坦東部天山北麓城市阿拉木圖1951—2006年的寒潮過程氣候變化特征，并與烏魯木齊進行了對比［17］。努爾蘇丹（51.1° N，71.5° E）是哈薩克斯坦首都，位于哈薩克斯坦中北部半沙漠草原，烏魯木齊（43.5° N，87.4°E）是中國新疆維吾爾自治區首府，地處天山北麓。兩個城市均為中亞北部寒潮頻發和受災較為嚴重的典型城市，地理位置見圖1。在蘇聯解體前后，努爾蘇丹觀測資料相對連續完整，對于研究中亞地區氣候變化規律顯得尤為難得。努爾蘇丹地理位置處于新疆天氣系統上游，是影響我國寒潮天氣南下的重要區域。在全球變暖的背景下，分析中亞與新疆的寒潮氣候變化特征及其異同具有一定的現實意義。通過對比努爾蘇丹和烏魯木齊寒潮過程氣候變化特征的異同，有利于建立覆蓋中亞區域的寒潮過程監測、預測等氣候業務提供參考依據，進而提高絲綢之路經濟帶中亞區域的氣象防災減災能力。

圖1 中亞城市努爾蘇丹、烏魯木齊地理位置Fig.1 Geographical location of the Nursultan and Urumqi in Central Asia

1 資料與分析方法

1.1 資料

本文選取努爾蘇丹和烏魯木齊1951—2016年的逐日最低氣溫，努爾蘇丹逐日氣溫資料來源于世界氣象組織國家間的數據交換共享網站（東英吉利大學氣候研究中心，CRU），烏魯木齊逐日氣溫資料來源于新疆氣候中心。北極濤動（AO）和北大西洋濤動（NAO）指數來源于國家氣候中心業務網站（https：//cmdp.ncc-cma.net/cn/download.htm）。

1.2 寒潮過程判定標準

國家標準《寒潮等級（GB/T 21987—2017）》中定義，寒潮是指某地日最低氣溫24 h內降溫幅度≥8℃或48 h內降溫幅度≥10℃，或72 h內降溫幅度≥12℃，且日最低氣溫≤4℃的冷空氣過程，其中48 h、72 h內的氣溫必須是連續下降。在此基礎上，對某測站某日的降溫幅度、最低氣溫資料進行分析，能夠判識該站當日是否出現寒潮，若達到寒潮標準，則記為該站的寒潮日?！逗钡燃墸℅B/T 21987—2017）》中還明確了強寒潮以及超強寒潮等級劃分標準。寒潮、強寒潮和超強寒潮是強度上逐級遞增的包含關系。本文借鑒了細化的單站降溫過程概念［9］，應用某站降溫過程中的最大24 h、48 h和72 h降溫幅度，結合過程最低氣溫，來判識該次降溫過程是否達到寒潮標準，還可以進一步判識該過程是否是強寒潮過程，甚至超強寒潮過程。根據此判識方法分別整理出了努爾蘇丹與烏魯木齊1951—2016年的寒潮、強寒潮和超強寒潮過程數據庫。

1.3 分析方法

寒潮過程頻數統計以7月至翌年6月為一個完整年，如，1951年寒潮過程頻數指1951年7月1日至1952年6月30日時段內出現的寒潮過程次數之和，以此類推。用1951年1月1日至2016年12月31日時段內的寒潮過程數據庫可以得到65個年寒潮過程頻數樣本。秋季指9—11月、冬季指12月—翌年2月，春季指3—5月。季、月寒潮過程頻數統計時段同上，均為65年樣本。

各季、月的寒潮過程頻數統計標準為：過程的開始和結束日期在同一季（月）的，則參與該季（月）統計；如果寒潮過程的開始和結束日期跨兩個相鄰季（月），則每個季（月）各統計0.5次。寒潮過程頻數的季、月頻數分布特征分析使用了同樣時段的寒潮過程數據庫。寒潮過程持續日數特征分析使用了1951年1月1日—2016年12月31日的所 有 寒潮過程數據。

線性趨勢分析采用最小二乘法，顯著性水平檢驗用t檢驗法［18］；周期分析采用Morlet小波變換方法，用對稱延伸法來部分消除小波變換法在資料開頭和結尾的邊緣效應［19］。相關分析通過計算兩個時間序列的線性相關系數以及顯著性檢驗［18］。

2 寒潮過程頻數氣候特征比較

2.1 年寒潮過程頻數

1951—2015年，努爾蘇丹和烏魯木齊分別出現了1 023次和264次寒潮過程，平均每年15.74次和4.06次（表1）。努爾蘇丹在2012年出現的寒潮過程最多，達26次，在2001年最少，僅9次；烏魯木齊在1952年出現的寒潮過程最多，共10次，另外有8年僅出現了1次寒潮過程。由表1可見，65年中，努爾蘇丹和烏魯木齊的強寒潮過程頻數分別為632次和107次，平均每年9.72次和1.64次；兩城市的超強寒潮過程頻數分別為385次和51次，平均每年5.92次和0.78次。努爾蘇丹的寒潮、強寒潮和超強寒潮過程頻數分別是烏魯木齊的3.88倍、5.91倍和7.55倍。努爾蘇丹的寒潮過程頻數遠多于烏魯木齊。努爾蘇丹和烏魯木齊的強寒潮過程分別占本市寒潮過程總頻數的61.8%和40.5%，超強寒潮過程分別占總頻數的37.6%和19.3%。努爾蘇丹寒潮活動強度遠高于烏魯木齊。

表1 努爾蘇丹與烏魯木齊寒潮過程頻數Table 1 The frequency of the cold wave in Nursultan and Urumqi

2.2 寒潮過程頻數月分布特征

對比努爾蘇丹與烏魯木齊的寒潮過程頻數月平均值，由表2與圖2可見，努爾蘇丹各月的寒潮過程頻數遠高于烏魯木齊，在冬季12月、1月和2月，前者分別是后者的6.09倍、7.06倍和6.08倍；在4月份兩城市的寒潮過程頻數最為接近，前者僅是后者的1.03倍。

表2 努爾蘇丹與烏魯木齊各月寒潮過程頻數（單位：次）Table 2 Monthly mean frequency of the cold wave in Nursultan and Urumqi（unit：time）

圖2 各月寒潮過程頻數倍數（努爾蘇丹/烏魯木齊）Fig.2 The rate of the monthly mean cold wave frequency（Nursultan and Urumqi）

由圖3可知，努爾蘇丹的寒潮過程在冬季高發，強寒潮和超強寒潮過程在1月最多，其中1月份的超強寒潮過程占全年的24.1%。烏魯木齊的寒潮過程在春、秋兩季高發，呈雙峰型，強寒潮和超強寒潮過程均在11月最多，4月其次，其中11月份的超強寒潮過程占全年的29.4%。

2.3 寒潮過程持續日數

1951—2015年，努爾蘇丹與烏魯木齊的寒潮過程持續日數平均值分別為2.40 d和2.86 d，努爾蘇丹持續2 d的寒潮過程最多，占37.9%，烏魯木齊持續3 d的寒潮過程最多，占34.0%。努爾蘇丹的強寒潮和超強寒潮過程均以持續2 d的最多，其次是3 d；烏魯木齊的強寒潮和超強寒潮過程均以持續3 d的最多，其次是2 d（圖4）。

圖4 努爾蘇丹和烏魯木齊不同級別寒潮過程的持續日數分布Fig.4 The duration of the different levels cold wave in Nursultan and Urumqi

由表3可見，努爾蘇丹的秋、冬、春季寒潮過程持續日數平均值分別為2.53 d、2.47 d和2.19 d，持續日數秋季長、春季短；烏魯木齊的秋、冬、春季寒潮過程持續日數平均值分別為3.04 d、3.41 d和2.31 d，持續日數冬季長、春季短。在秋、冬季，努爾蘇丹的強寒潮和超強寒潮過程持續日數均比烏魯木齊短；在春季，烏魯木齊的超強寒潮過程持續日數較短。

表3 努爾蘇丹與烏魯木齊寒潮過程持續日數季平均值（單位：d）Table 3 The seasonal average duration of the different levels cold wave in Nursultan and Urumqi（unit：d）

3 寒潮過程頻數異常年對比

3.1 寒潮過程頻數異常年

將過程頻數序列的標準化值大于1.0（小于-1.0）的年份定義為寒潮過程頻數的異常偏多（少）年。由圖5（a）可見，1951—2015年，努爾蘇丹的年寒潮過程頻數異常偏多年共11 a，其中有6 a出現在1980年以前，異常偏少年共10 a，其中有6 a出現在1980年后，近10 a中出現了4個異常偏多年。由圖5（b）可見，1951—2015年，烏魯木齊的年寒潮過程頻數異常偏多年共14 a，其中有10 a出現在1980年以前，異常偏少年共12 a，其中有9 a出現在1980年之后。努爾蘇丹和烏魯木齊的寒潮過程頻數偏多年份大部分出現在1980年以前，1952年、1956年和1957年同為異常偏多年；偏少年份大部分出現在1980年之后，2001年、2004年和2011年同為異常偏少年。

圖5 1951—2015年努爾蘇丹和烏魯木齊的寒潮過程頻數異常偏多（少）年Fig.5 The frequency of the more（less）cold wave years in Nursultan and Urumqi during 1951—2015

3.2 強寒潮和超強寒潮過程頻數異常年

同樣以標準化值超過1個標準差的年份定義為異常年。由圖5（c）～（f）可見，1951—2015年，努爾蘇丹的強寒潮和超強寒潮過程頻數的異常偏多年分別出現了9 a和11 a；烏魯木齊的強寒潮和超強寒潮過程頻數的異常偏多年均出現了5 a。近65 a來，努爾蘇丹的強寒潮和超強寒潮過程頻數的異常偏多年與偏少年在時間分布上相對均勻，烏魯木齊的強寒潮和超強寒潮過程的異常偏多年在早期較多。

4 寒潮過程頻數的氣候變化特征比較

4.1 努爾蘇丹與烏魯木齊的寒潮過程頻數相關分析

努爾蘇丹與烏魯木齊同為中亞區域重要城市，其地理位置以及城市周邊地形條件差異明顯，兩城市的寒潮過程頻數的變化是否有密切關聯？由表4和圖6可見，近65 a，阿拉木圖和烏魯木齊的年寒潮過程頻數之間的相關系數為0.237，通過了0.10信度水平顯著性檢驗；兩城市的春、秋季寒潮過程頻數之間的相關系數分別為0.329和0.207，分別通過了0.01和0.10信度水平顯著性檢驗。努爾蘇丹與烏魯木齊的年以及秋、冬、春季強寒潮過程頻數之間的相關不太顯著；兩城市的年和秋季超強寒潮過程頻數之間均為正相關，通過了0.10信度水平顯著性檢驗，春季超強寒潮過程頻數之間的相關系數為-0.135，未通過0.10信度水平檢驗。以上分析說明，努爾蘇丹與烏魯木齊之間的年寒潮、超強寒潮過程頻數的年際變化有一定的相關性，其中春季寒潮過程頻數的年際變化相關較顯著；兩城市的春季寒潮過程頻數之間呈顯著正相關關系，但春季超強寒潮過程頻數卻呈負相關。

圖6 1951—2015年努爾蘇丹（a）和烏魯木齊（b）秋、冬、春季寒潮過程頻數距平曲線Fig.6 The interannual variation of the cold wave frequencies anomaly index in autumn，winter and spring from 1951 to 2015 in Nursultan and Urumqi

表4 1951—2015年努爾蘇丹與烏魯木齊寒潮過程頻數序列的相關系數Table 4 The correlation coefficient of the cold wave between Nursultan and Urumqi during 1951—2015

努爾蘇丹和烏魯木齊市均位于歐亞大陸腹地中緯度地區，在冬半年，受來自極地的冷空氣南下影響，有相同或相近的大氣環流系統控制，寒潮過程頻數年際變化規律有相似特征，但是春季超強寒潮過程頻數年際變化呈負相關，隨時間推進，其變化幾乎呈反位相。

4.2 寒潮過程頻數的線性趨勢

1951—2015年，努爾蘇丹和烏魯木齊的年寒潮過程頻數的線性遞減率分別為-0.111次·（10a）-1和-0.445次·（10a）-1，烏魯木齊的變化通過了0.01信度水平顯著性檢驗。努爾蘇丹的秋、春季寒潮過程頻數均呈遞減趨勢，冬季寒潮過程頻數呈遞增趨勢，但變化均不顯著；烏魯木齊的秋、冬、春季寒潮過程頻數均呈線性遞減趨勢，其中秋季和冬季的變化分別通過了0.01和0.05信度水平顯著性檢驗（表5）。

由表5可見，努爾蘇丹的秋、春季強寒潮和超強寒潮過程頻數均呈線性遞減趨勢，冬季的均呈遞增趨勢，其中春季的強寒潮和超強寒潮過程頻數的變化通過了0.05信度水平顯著性檢驗。烏魯木齊的秋、冬季強寒潮和超強寒潮過程頻數均呈線性遞減趨勢，分別通過了0.05和0.01信度水平顯著性檢驗，春季的超強寒潮過程頻數呈略遞增趨勢，但變化不顯著。

表5 1951-2015年努爾蘇丹與烏魯木齊各季寒潮過程頻數線性趨勢顯著性檢驗Table 5 The trend correlation coefficient of the different levels cold wave in Nursultan and Urumqi from 1951 to 2015

4.3 寒潮過程頻數的年代際變化

將1951—2015年分為7個年代際時段，分別計算各時段的年、季寒潮過程頻數的年平均值，結果見表6。努爾蘇丹的年寒潮過程在20世紀50年代最多（18.1次·a-1），近5 a（17.8次·a-1）其次，明顯多于其他5個年代際時段，在20世紀60年代最少（14.6次·a-1）；烏魯木齊的年寒潮過程在20世紀50年代最多（6.0次·a-1），年平均頻數明顯多于其他6個年代際時段，次峰值在20世紀80年代（4.4次·a-1），在近5 a最少（2.0次·a-1）。努爾蘇丹的春、秋季寒潮過程均表現為在20世紀50年代與近5 a明顯多于其他年代際時段，冬季寒潮過程頻數在各年代際的差異不太明顯。烏魯木齊的秋、冬、春季寒潮過程頻數的年代際分布特征相似，均表現為在20世紀50年代最多，在近5 a最少。

表6 1951—2015努爾蘇丹和烏魯木齊各年代際的年平均寒潮過程頻數（單位：次·a-1）Table 6 The annual average frequencies of the cold wave in Nursultan and Urumqi during 1951—2015（unit：frequecy·a-1）

努爾蘇丹的年以及春、秋季強寒潮過程在20世紀50年代最多，冬季強寒潮過程在近5 a最少；年以及冬季超強寒潮過程在近5 a最多，春、秋季超強寒潮過程均在20世紀50年代最多，在近5 a其次。烏魯木齊的強寒潮和超強寒潮過程頻數有限，年以及秋、冬、春季強寒潮和超強寒潮過程頻數在20世紀50年代遠多于其他年代際時段，近5 a烏魯木齊的春季超強寒潮過程頻數與20世紀50年代相當。

努爾蘇丹和烏魯木齊兩城市的寒潮過程頻數總體上隨年代際增加而減少。近5 a，努爾蘇丹的寒潮過程頻數明顯偏多；21世紀以來，烏魯木齊的寒潮過程頻數遞減趨勢明顯。近5 a，努爾蘇丹的冬季超強寒潮過程最多，努爾蘇丹的春、秋季超強寒潮過程和烏魯木齊的春季超強寒潮過程頻數明顯偏多。

4.4 主要周期

圖7 分別為1951—2015年努爾蘇丹和烏魯木齊兩城市的年寒潮過程頻數距平序列的小波系數實部和模值。努爾蘇丹的年寒潮過程頻數距平序列以31 a、20 a左右的周期信號最為顯著，且年代際振蕩貫穿整個時域；2003年以后3～4 a周期信號也較明顯。烏魯木齊的年寒潮過程頻數距平序列以39 a、8 a左右的周期信號最為顯著，其中39 a周期年代際振蕩貫穿整個時域。

圖7 努爾蘇丹（a）與烏魯木齊（b）寒潮過程頻數距平指數Morlet小波變換實部（左）和模值（右）Fig.7 The Morlet wavelet real part（left）and modulus（right）of the cold wave anomaly index in Nursultan（a）and Urumqi（b）

5 AO和NAO指數與寒潮過程頻數變化關系比較

高、中、低緯地區的大氣環流系統相互配置及其演變會影響區域氣候以及極端天氣氣候事件，影響我國各地寒潮活動的環流系統主要有北半球極渦、中緯度西風帶槽脊以及副熱帶高壓等［20-22］。北極濤動（AO）描述的是在某大氣環流要素距平場上北半球極區與繞極中高緯地區的反位相分布模態。在500 hPa位勢高度場上，AO的不同位相能夠反映出西風帶極鋒鋒區位置的南北變化以及中高緯西風帶環流的經向度變化，可以作為是否有利于極區冷空氣南下活動的指示因子。北大西洋濤動（NAO）描述的是在某大氣環流要素距平場上北大西洋及下游歐洲地區高、低值中心典型配置型態。在500 hPa位勢高度場上，NAO的不同相位變化是影響歐亞大陸西風帶槽脊系統位相分布的關鍵因子，對應著中高緯冷空氣向南活動路徑通道的建立或維持，對中亞地區寒潮活動的影響非常明顯。

設計了兩套方案進行相關分析，一種是利用原始序列直接分析，另一種是濾去線性趨勢后再進行相關分析。原始序列方案下，相關系數反映的是AO指數與寒潮過程頻數之間整體上的相關關系，若序列具有顯著線性趨勢，相關系數一定程度上可能反映的是兩者之間的年代際趨勢變化關系是否顯著；濾去線性趨勢后，計算得到的相關系數更多地反映了兩者之間的年際變化關系是否顯著。分別計算得到了兩種方案下的年（7月至翌年6月）以及秋、冬、春季的AO、NAO指數與努爾蘇丹、烏魯木齊的同期寒潮過程頻數之間的相關系數，對比北極濤動、北大西洋濤動與中亞努爾蘇丹和烏魯木齊同期寒潮過程之間的關系。

5.1 AO指數與中亞城市寒潮過程頻數關系

年以及秋、冬、春季AO指數與努爾蘇丹、烏魯木齊同期寒潮過程頻數之間的相關系數見表7。在年尺度上，無論是原始序列方案還是去線性趨勢方案，AO指數與努爾蘇丹和烏魯木齊的寒潮過程頻數之間均呈顯著的負相關關系，原始序列方案下得到的相關系數絕對值更大，相關程度更高。

表7 AO與同期努爾蘇丹和烏魯木齊寒潮過程頻數相關系數Table 7 The correlation coefficients of the AO index with the cold wave frequencies in Nursultan and Urumqi

秋、冬、春季AO指數與努爾蘇丹同期寒潮過程頻數之間均呈負相關關系，在秋、春季，相關系數分別通過了0.01和0.05信度水平檢驗。圖8（a）給出了AO的年（7月至翌年6月）指數與同期努爾蘇丹、烏魯木齊寒潮過程頻數的標準化曲線。濾去線性趨勢后，與原始序列方案下的相關系數比較，在秋、春季變化不大，在冬季，與努爾蘇丹的相關系數通過了0.10信度水平顯著性檢驗。秋、冬、春季AO指數與烏魯木齊同期寒潮過程頻數之間均呈不顯著的負相關關系。

圖8 冬季AO（a）、NAO（b）指數分別與努爾蘇丹、烏魯木齊同期寒潮過程頻數標準化曲線Fig.8 Annual variations of the standardized values of cold wave frequencies of AO（a），NAO（b）indexes and cold wave frequencies in Nursultan and Urumqi in winter

5.2 NAO指數與中亞城市寒潮過程頻數關系

年以及秋、冬、春季NAO指數與努爾蘇丹、烏魯木齊的同期寒潮過程頻數之間的相關系數見表8。在年尺度上，NAO指數與努爾蘇丹和烏魯木齊的寒潮過程頻數之間均呈負相關關系，相關系數均通過了0.01或者0.05信度水平顯著性檢驗。圖8（b）給出了NAO的年（7月至翌年6月）指數與同期努爾蘇丹、烏魯木齊寒潮過程頻數的標準化曲線。濾去線性趨勢后，年NAO指數與努爾蘇丹、烏魯木齊的同期寒潮、強寒潮和超強寒潮過程頻數之間的相關系數絕對值更大，相關關系更密切。

表8 NAO與同期努爾蘇丹和烏魯木齊寒潮過程頻數相關系數Table 8 The correlation coefficients of the NAO index with the cold wave frequencies in Nursultan and Urumqi

秋、冬、春季NAO指數與努爾蘇丹的同期寒潮過程頻數之間均呈負相關關系，在冬、春季，相關系數分別通過了0.05和0.01信度水平顯著性檢驗；濾去線性趨勢后，在秋、冬、春季，相關系數系數絕對值明顯增大，秋季相關系數也通過了0.05信度水平檢驗，相關程度增強。秋、冬、春季NAO指數與烏魯木齊同期的寒潮過程頻數之間呈不顯著的負相關關系；濾去線性趨勢后，秋、春季的相關系數絕對值略增大，均通過了0.10信度水平顯著性檢驗。

5.3 AO及NAO的影響對比

5.3.1 北極濤動（AO）的影響

以冬季為例，1951—2015年AO指數異常偏高（低）年合成的北半球500 hPa位勢高度場及其距平場（圖9）。冬季AO指數異常偏高的12 a，是典型的AO正位相。在500 hPa位勢高度場上，北半球極渦偏強，極渦中心偏向北美大陸，高緯地區3個大槽分別位于東亞、北美和烏拉爾山地區；位勢高度距平場上，歐亞中高緯地區自西向東呈“+-+”分布。新疆位于高壓脊區，中亞區域存在偏南風，不利于冷空氣南下影響中亞。冬季AO指數異常偏低的8 a，是典型的AO負位相。在500 hPa位勢高度場上，北半球極渦分裂為兩個分中心，分別位于北美和東亞，高緯地區同樣分布有3個大槽，分別位于東亞、北美和北大西洋歐洲沿岸地區，中亞到新疆西風為主，烏拉爾山東側地區存在弱偏北風；位勢高度距平場上，歐亞中高緯地區自西向東呈“-+-”分布，烏拉爾山存在正距平中心，有利于烏拉爾山高壓脊建立，脊前偏北風帶引導高位冷空氣南下，引發中亞地區出現寒潮過程。

圖9 1951—2015年冬季AO異常強（a）、弱（b）年500 hPa位勢高度場合成及距平（等值線為合成，陰影為距平，單位：gpm）Fig.9 500 hPa geopotential height（contour）and anomaly field（shaded）of the anomaly strong（a）and anomaly weak（b）AO index in winter，1951—2015（unit：gpm）

5.3.2 北大西洋濤動（NAO）的影響

以冬季為例，1951—2015年NAO指數異常偏高（低）年合成的北半球500 hPa位勢高度場及其距平場（圖10）。冬季NAO指數異常偏高的11 a，是典型的NAO正位相。在500 hPa位勢高度場上，北半球極渦中心偏向北美大陸，高緯地區3個大槽分別位于東亞、北美和歐洲上空；位勢高度距平場上，北大西洋上空呈北負南正分布，除歐洲沿岸地區外，整個歐亞大陸位于正距平區。中亞到新疆上空位于高壓脊區，不利于北方冷空氣南下影響該區域。冬季NAO指數異常偏低的12 a，是典型的NAO負位相。在500 hPa位勢高度場上，北半球極渦分裂為兩個分中心，東亞上空的分中心偏強，高緯地區同樣分布有3個大槽，分別位于東亞、北美和北大西洋歐洲沿岸地區，中亞到新疆西風為主，烏拉爾山東側地區存在弱偏北風；位勢高度距平場上，北大西洋上空呈北正南負分布，歐亞中高緯地區自西向東呈“-+-”分布，烏拉爾山到里咸海位于正距平區域，亞洲大部位于負距平區。有利于烏拉爾山高壓脊建立，引導北方冷空氣沿脊前北風帶南下侵襲中亞地區，引發寒潮。

圖10 1951—2015年冬季NAO異常強（a）、弱（b）年500 hPa位勢高度場合成及距平（等值線為合成，陰影為距平，單位：gpm）Fig.10 500 hPa geopotential height（contour）and anomaly field（shaded）of the anomaly strong（a）and anomaly weak（b）NAO index in winter，1951—2015（unit：gpm）

5.3.3 AO與NAO對中亞城市冬季寒潮影響對比

中亞（中亞五國以及中國新疆）地域遼闊，努爾蘇丹、烏魯木齊均位于中亞的偏北地區，努爾蘇丹的緯度更高、位置偏西，周邊以丘陵平原為主，烏魯木齊相對偏南些，位置偏東，地處準噶爾盆地南緣，位于天山北麓烏魯木齊河出山口處。在500 hPa位勢高度場上，西風帶環流系統影響努爾蘇丹更直接，影響程度更加顯著。綜合以上分析，結合圖8可知，北大西洋濤動（NAO）與努爾蘇丹和烏魯木齊的寒潮過程的關聯程度比北極濤動（AO）與它們之間的關聯程度更為密切；努爾蘇丹的寒潮過程頻數受到NAO以及AO的影響程度更深。同時發現，雖然努爾蘇丹與烏魯木齊的春季超強寒潮過程頻數之間呈負相關，但是它們與同期NAO指數之間卻均呈正相關，相關系數分別通過了0.01和0.10信度水平顯著性檢驗，其中的影響機制有待進一步研究。

6 結論

利用1951—2016年努爾蘇丹和烏魯木齊的逐日最低氣溫資料，分析了中亞地區的努爾蘇丹與烏魯木齊的寒潮、強寒潮和超強寒潮過程頻數氣候變化特征，得到主要結論如下：

（1）努爾蘇丹年平均寒潮過程頻數為15.7次，烏魯木齊年平均寒潮過程頻數為4.1次，努爾蘇丹寒潮、強寒潮和超強寒潮過程頻數分別是烏魯木齊的3.88倍、5.91倍和7.55倍；努爾蘇丹寒潮過程頻數月分布為單峰型，冬季1月最多，而烏魯木齊為雙峰型，秋季11月最多，其次在春季4月。

（2）努爾蘇丹與烏魯木齊的寒潮過程平均持續日數分別為2.40 d和2.86 d，努爾蘇丹的年以及秋、冬季寒潮、強寒潮、超強寒潮過程持續日數短于烏魯木齊，但是，烏魯木齊的春季超強寒潮過程持續日數平均為1.84 d，比努爾蘇丹短。

（3）努爾蘇丹和烏魯木齊的寒潮過程頻數異常偏多年多出現在1980年以前，而異常偏少年多出現在1980年之后。近10 a努爾蘇丹的超強寒潮過程異常偏多年較集中，烏魯木齊的強寒潮和超強寒潮過程頻數的異常偏多年集中出現在早期，近期很少出現。

（4）65 a來，努爾蘇丹和烏魯木齊的年寒潮過程頻數分別以-0.111次·（10a）-1和-0.445次·（10a）-1的速率遞減，烏魯木齊的變化顯著。努爾蘇丹的強寒潮和超強寒潮過程頻數的線性變化趨勢均不顯著，秋、春季超強寒潮過程頻數呈遞減趨勢，而冬季超強寒潮過程頻數呈遞增趨勢。烏魯木齊的強寒潮和超強寒潮過程頻數均呈遞減趨勢，秋、冬季超強寒潮過程頻數遞減顯著，春季超強寒潮過程頻數呈略遞增趨勢。

（5）努爾蘇丹與烏魯木齊的年寒潮過程頻數隨年代際變化而減少。努爾蘇丹的年超強寒潮過程頻數以近5 a最多。努爾蘇丹的年寒潮過程頻數序列有31 a、20 a左右的顯著周期，烏魯木齊的年寒潮過程頻數序列有39 a、8 a左右的顯著周期。

（6）北大西洋濤動（NAO）與努爾蘇丹和烏魯木齊寒潮過程的關聯程度比北極濤動（AO）與它們之間的關聯程度更為密切；相對于烏魯木齊，努爾蘇丹寒潮過程頻數受到NAO以及AO的影響程度更深。