增暖背景下2023 年4—5 月新疆低溫維持機制分析

劉 艷，鄭育琳，劉 精，陳 穎*

（1.新疆氣候中心，新疆 烏魯木齊830002；2.新疆氣象臺，新疆 烏魯木齊830002）

春季是冬季環流向夏季環流轉換的過渡季節，中高緯冷空氣和低緯的暖濕氣流激烈交綏，造成大氣層結不穩定，引起氣溫冷暖變化劇烈，甚至帶來一些極端天氣氣候事件[1-6]。全球增暖背景下，春季氣溫明顯偏暖，但短時劇烈降溫和低溫霜凍災害出現可能性增加[7-8]。春季正值農牧業生產的關鍵期，較為嚴重的低溫現象將導致低溫冷害事件的發生，給農牧業造成較大損失[9-13]。2023 年春季全疆氣溫變化顯著，前暖后冷，3 月氣溫異常偏高，4—5 月氣溫驟降且異常偏低，整個春季影響新疆的冷空氣活動頻次多，強度大，針對這一罕見的氣候現象，有必要對其特點進行總結，分析診斷氣候異常的成因，對氣候預測服務以及防災減災有重要意義。

氣溫是氣候系統最顯著的特征量之一[14]，我國春季氣溫的年際變化劇烈，春季歐亞大氣環流系統異常對我國氣溫異常影響顯著[3，15-16]。研究表明，春季東大西洋/西俄羅斯遙相關型異常與我國西北地區春季氣溫異常顯著正相關[17]；格陵蘭島東側海溫異常熱力強迫，可激發出EU 型遙相關，有利于華北地區低溫維持[18]；北半球副熱帶高壓體強弱變化對西南地區春季氣溫變化指示性較好[19]；西西伯利亞橫槽、中西伯利亞低槽東灌、北風帶和西北風帶、北脊南槽（渦）四類大氣環流異?？稍斐尚陆掷m性低溫[20]；近10 年中國東部春季極端低溫事件的頻次和強度有所增加[21]；新疆冬季極端冷事件隨氣候背景轉變而發生區域一致變化[22]；新疆冬季區域性持續極端低溫事件發生頻次減少，單站事件持續時間并沒有明顯減少，且影響范圍在擴大[23]。

新疆地域廣闊，地形復雜，氣候不受季風系統的直接影響，這使它的天氣氣候有別于東部的季風氣候區[24-25]。目前對于新疆春季異常低溫的研究還相對較少，本文將從大氣環流的角度出發，分析2023年春季新疆氣溫的主要特征以及季節內變化特點，通過分析春季氣溫對應的大氣環流異常和冷空氣的活動特征，進一步梳理春季階段性低溫的維持機制，為新疆春季氣候預測提供一定的參考依據。

1 資料與方法

本文使用1961 年3 月1 日—2023 年5 月31日全疆89 個臺站逐日平均氣溫資料；大氣環流資料采用NCEP 提供的1981—2023 年分辨率為2.5°×2.5°的逐月平均海平面氣壓場、700 hPa 風場和500 hPa位勢高度場再分析資料；歐洲天氣中期預報中心（ECMWF）第五代（ERA5）1991—2023 年3 月1日—5 月31 日精度為0.25°×0.25°的逐日100 m 風場及2 m 溫度場再分析資料。

春季指北半球春季（3—5 月平均），所有變量的氣候態（常年）均為1991—2020 年的平均值。采用了相關分析、合成分析等常規統計方法，應用T 檢驗對相關系數和環流合成分析結果做顯著性檢驗[26]。

2 2023 年春季新疆氣候異常特征

2.1 氣溫特征

2023 年春季，新疆平均氣溫為11.1 ℃，接近常年同期（11.0 ℃）（圖1a）。從空間分布來看，全疆平均氣溫西高東低，北疆東部、巴州、阿克蘇地區大部、吐魯番大部、哈密市氣溫偏低，其中巴州北部和阿克蘇東部局地偏低1～2 ℃。全疆其余大部地區接近常年或偏高，其中伊犁州西部、喀什地區部分區域及和田地區局地偏高1 ℃以上（圖1b）。

圖1 1961—2023 年新疆春季平均氣溫距平變化（a）和2023 年春季平均氣溫距平分布（b）

春季全疆氣溫變化顯著，前暖后冷（圖2）。3 月全疆平均氣溫為6.5 ℃，較常年同期（3.2 ℃）偏高3.3 ℃，偏高幅度居歷史同期第四位，多站氣溫偏高幅度突破歷史極值。4 月全疆平均氣溫為10.9 ℃，較常年同期（12.5 ℃）偏低1.6 ℃，為近20 年4 月歷史最低；全疆大部分地區氣溫偏低，其中北疆北部東部、克拉瑪依市、昌吉州東部、阿克蘇地區東部、巴州大部和東疆氣溫偏低2～3 ℃，阿勒泰地區東部偏低3 ℃以上。5 月全疆平均氣溫為16.1 ℃，較常年（17.6 ℃）偏低1.5 ℃，與1998 年并列為近30 年同期最低；全疆大部氣溫偏低或略偏低，僅阿克陶、英吉沙略偏高。北疆東部、東疆北部、巴州北部和阿克蘇東部偏低2～3 ℃，阿克蘇東部局地偏低3 ℃以上。

圖2 2023 年春季新疆各月平均氣溫距平分布（單位：℃）

在氣候變暖、近10 年春季氣溫持續偏高背景下，4—5 月氣溫持續偏低實屬少見。2023 年4—5 月新疆平均氣溫為13.5 ℃，較常年同期（15.0 ℃）偏低1.5 ℃，為近20 年4—5 月歷史第二低。近63 年來4和5 月氣溫持續偏低的年份共25 a，其中2000 年以后的年份僅4 a；另外，4 和5 月平均氣溫均偏低1 ℃以上的年份僅有2003、2010 和2023 年，唯獨2023 年4 和5 月均偏低1.5 ℃以上。

2.2 冷空氣活動特征

2023 年春季新疆平均氣溫雖接近常年略偏高，但階段性變化顯著，冷暖振蕩明顯（圖3）。2023 年春季氣溫可以分為2 個階段，第一階段是3 月，區域平均氣溫異常偏高，20 日雖有短暫降溫，但降溫幅度偏弱；第二階段是4—5 月，區域平均氣溫偏低至特低，僅5 月中旬氣溫有明顯回升。整個春季，全區共出現11 場中度以上的天氣過程，其中有3 次區域性寒潮過程。分別是3 月30 日—4 月3 日全疆性寒潮過程（為2000 年以來4 月歷史第四強，全疆41%的站點達到寒潮標準），4 月17—20 日全疆性雨雪風沙寒潮過程（全疆29%的站點達到寒潮標準），5 月1—7 日全疆大部降水大風寒潮天氣過程，其中2—4日全疆性近5 a 5 月上旬最強寒潮過程（全疆23%的站點達到寒潮標準）、6—7 日南疆區域性寒潮過程（南疆26%的站點達到寒潮標準）。受多次寒潮過程影響，新疆多站出現極端低溫事件。

圖3 2023 年春季新疆區域逐日平均氣溫序列

2023 年春季全疆氣候冷暖振蕩劇烈，強冷空氣入侵新疆主要發生在4—5 月，4 月開始冷空氣活動頻繁，氣溫驟降且異常偏低。

3 2023 年4—5 月新疆持續低溫大尺度環流特征

3.1 500 hPa 環流異常

500 hPa 高度及高度距平場上（圖4a），2023 年4—5 月北半球環流呈三波型分布，大西洋至歐亞中高緯地區位勢高度距平呈“- + -”的緯向波列，對應東大西洋/西俄羅斯遙相關型負位相[17]。北半球阻塞高壓顯著偏強，里咸海長脊與烏拉爾山高壓脊相連，斯堪的納維亞半島—烏拉爾山—西西伯利亞地區西部為明顯正高度距平，西伯利亞低槽寬廣深厚，從極區經西伯利亞地區延伸至新疆，貝加爾湖—新疆為負距平控制。烏拉爾山高壓脊異常偏強，西伯利亞低值系統強盛，脊前偏北氣流引導冷空氣南下，新疆位于西伯利亞低槽內，有利于冷空氣在新疆長時間停留，使2023 年4—5 月氣溫異常偏低并得以維持和發展。

圖4 500 hPa 位勢高度場及異常場

對比1981 年以來新疆區域4、5 月平均氣溫均偏低1 ℃以上的6 a（1983、1987、1993、2003、2010、2023 年）500 hPa 位勢高度距平場合成（圖4b），歐亞環流形勢與2023 年較為接近，歐亞中高緯總體呈“西高東低”分布，烏拉爾山上空為正高度距平，西伯利亞—新疆為負高度距平，中層配置有利于北方冷空氣向南輸送影響新疆，并在新疆上空盤踞，造成全疆氣溫異常偏低。

3.2 700 hPa 風場特點

2023 年4—5 月700 hPa 風場顯示，中西伯利亞高原上空為氣旋式環流，中亞上空為反氣旋式環流，反氣旋東側及氣旋西側（新地島—西西伯利亞—新疆）為明顯的西北風主導，有利于極地冷空氣南下。同時，北疆上空為偏北風控制，南疆上空為偏西風，配合新疆大部風場輻合，特別是天山南麓。對照4—5 月低層風場的氣候態（圖5a），歐亞中高緯為明顯的平直西風，新疆主要受西風氣流影響，北疆上空有弱偏北風，南疆上空為弱偏南風，南疆西部有較強的風場輻合，有利于西南暖濕氣流輸送。與常年同期相比（圖5b），2023 年4—5 月西西伯利亞—巴爾喀什湖為強勁的東北風異常，北歐大陸為顯著的異常反氣旋，蒙古上空為異常氣旋。低層風場經向風距平場顯示（圖5b），新地島—西伯利亞地區為顯著的北風距平，新疆西部北部同樣受北風距平影響，不利于南方暖濕氣流北上。緯向風距平場顯示（圖5c），新疆為西風距平，歐洲—中亞—西伯利亞地區一帶為強大的東風距平，有利于極地冷空氣南下，對比北風分量和東風分量，北風分量異常程度更為明顯。歐洲大陸較強的反氣旋式異常，配合蒙古—中西伯利亞氣旋式異常，低層風場配置，有利于西西伯利亞地區北風加強，即利于極區冷空氣直驅南下侵入新疆，這是引起4—5 月新疆氣溫較歷史同期偏低的重要原因之一。

圖5 700 hPa 風場（矢量箭頭，單位：m/s）及散度場（填色，單位：s-1）

3.3 海平面氣壓場分布

春季新疆氣溫異常與大氣環流形勢密切相關。2023 年4—5 月海平面氣壓場表現為，歐亞大陸40°～70°N 和我國西部為明顯的正異常區，地中?！诤！锖Ｒ粠б约岸趸舸慰撕樨摦惓Ｖ行?，斯堪的納維亞半島—西伯利亞地區為強大的冷高壓控制（圖6a）。海平面氣壓距平場合成圖（圖6b）中，斯堪的納維亞半島—西伯利亞地區均呈現明顯正異常分布特征，新疆同樣受正距平控制，中緯度地區依然存在負異常中心。由此可見，歐亞大陸冷高壓明顯偏強，阿留申低壓加深，正負距平交界處存在較大的氣壓梯度，高壓脊前偏北氣流引導北方冷空氣南下，有利于冷空氣南侵，新疆—青藏高原為冷高壓控制，冷空氣在我國西部盤踞，有利于2023 年4—5 月新疆氣溫持續偏低。

圖6 海平面氣壓場異常分布

對比合成年份，2023 年歐亞大陸冷高壓明顯更強，新疆—青藏高原高壓系統明顯偏強，歐亞大陸冷高壓與新疆4—5 月氣溫呈顯著負相關（相關系數為-0.60），即歐亞大陸高壓偏強，對應新疆同期氣溫偏低。進一步說明了歐亞冷高壓2023 年異常偏強是造成新疆4—5 月氣溫異常偏低的重要原因之一。

4 2023 年4—5 月新疆低溫維持機制

4.1 關鍵影響因子

烏拉爾山位勢高度場異常偏高和西伯利亞低值系統異常偏強是2023 年500 hPa 環流場最顯著的特征之一。烏拉爾山區域位勢高度場的高低易造成新疆冬季平均氣溫的區域性變化[27-28]，新疆冬季極端冷事件的頻次與烏拉爾山區域的高度場有顯著的正相關[29]。根據陳穎等[28-30]方法，結合相似年合成距平場通過顯著性檢驗區域，定義30°～60°E，60°～70°N 范圍內500 hPa 位勢高度的平均值作為烏拉爾山以西高壓脊關鍵區因子（以下簡稱“烏拉爾山高壓脊”）；80°～90°E，40°～60°N 范圍內500 hPa 位勢高度的平均值作為西伯利亞—新疆低槽關鍵區因子（以下簡稱“西伯利亞低槽”）。春季及季內各月平均氣溫與同期關鍵區因子的相關系數顯示（表1），新疆春季平均氣溫與烏拉爾山高壓脊顯著負相關，與西伯利亞低槽顯著正相關，相關系數均通過0.01 的顯著性檢驗，說明春季烏拉爾山位勢高度場偏高（低），西伯利亞地區位勢高度場偏低（高），對應新疆平均氣溫偏低（高）。

表1 1961—2023 年春季及其春季各月平均氣溫與同期關鍵區因子的相關系數

從2023 年春季關鍵區因子逐日演變（圖7）可知，3 月末烏拉爾山高壓脊迅速抬升，西伯利亞低槽快速加深，導致環流經向度加大，冷空氣活動頻繁，對應3 月30 日—4 月3 日寒潮天氣。4 月上旬前期，關鍵區因子波動明顯，4 月7—26 日西伯利亞低槽持續偏強，負異常維持20 d，同時烏拉爾山高壓脊總體呈現較強正異常，導致新疆氣溫回升緩慢持續偏低，在這期間，14 日前后高壓脊加強低槽加深，2個關鍵區因子達到強盛后出現4 月17—20 日寒潮天氣過程。20 日開始烏拉爾山高壓脊急劇減弱至負異常，25 日達到最低后再次回升，19 日西伯利亞低槽持續減弱，28 日達到最弱后迅速加強，5 月2—3日達到最強，對應5 月上旬強寒潮，導致5 月上旬全疆氣溫出現歷史最低。5 月3 日以后環流再次調整，烏拉爾山高壓脊突然轉為負異常，西伯利亞低槽轉為正異常之后，中旬氣溫迅速回升，且超過氣候態同期。中旬后期，烏拉爾山高壓脊又一次增強，西伯利亞低槽加強，與5 月下旬氣溫偏低相對應。烏拉爾山高壓脊的增強和西伯利亞低槽的加深，對應著新疆區域的降溫過程，烏拉爾山高壓脊的增強有利于冷空氣的南下，西伯利亞低槽長時間維持，導致冷空氣在新疆盤踞，多次環流調整，冷空氣不斷補充，造成新疆氣溫持續偏低。

圖7 2023 年春季逐日關鍵區因子距平分布

4.2 低溫維持機制

從2023 年春季新疆經度范圍（73°～97°E）風場距平、氣溫距平的緯度—時間剖面圖（圖8a）可知，春季全疆冷空氣過程頻繁，有明顯的5 次強冷空氣過程，其中4 月上旬、中旬末以及5 月上旬，對應3次全疆性的區域寒潮過程。進入4 月伴隨著北風的異常加大，4 月1—5 日全疆大部地區氣溫偏低8℃，4 月7 日新疆上空逐漸轉為南風距平主導，暖空氣增強北上，新疆南部氣溫短暫回升。4 月17 日偏北風再次加強，強冷空氣第二次南下，全疆迅速降溫，4 月17—24 日氣溫再次偏低6 ℃。隨著季節的進程以及南風加強，氣溫稍微回暖。5 月1 日較強冷空氣再度南下，新疆上空持續受北風影響，北風距平主導長達8 d，使得全疆氣溫較氣候態同期明顯偏低，且新疆南部偏低幅度更大。5 月10 日前后暖空氣不斷加強，北風減弱，南風逐漸加強并取而代之占據主導，使得5 月中旬新疆氣溫持續攀升并超過氣候態同期。5 月下旬冷空氣又一次南下，北風再次主導，冷空氣強度稍弱，冷暖空氣對峙，使得氣溫再度低于氣候態同期。4 月—5 月上旬新疆南部氣溫持續偏低，雖然在4 月上旬末至中旬前期有短暫的回升，但受多次冷空氣的入侵，導致氣溫無法回升，且明顯低于氣候態同期。春季新疆氣溫的波動與冷暖空氣的強度、冷空氣南下的次數和持續時間長短密切相關。季節內氣溫波動的分析表明，4 月—5 月上旬受冷空氣的影響程度較大，這也是造成4—5 月新疆氣溫異常偏低的重要原因。

圖8 73°～97°E 風場距平、氣溫距平緯度—時間剖面

結合氣溫和風場分布（圖8b）可以看到，4 月開始不斷有冷空氣南下，北疆大部北風分量偏強，偏北風向南延伸至天山附近，北風持續，使冷空氣得以較長時間盤踞在新疆，導致4 月上旬連續7 d 氣溫異常偏低。4 月中旬降溫過程，偏北風分量強度相對較弱，持續時間相對較短，但影響范圍較大，南伸至南疆盆地，冷空氣補償，使得低溫繼續維持，受地形影響且沒有較強暖空氣補充，新疆氣溫持續11 d 異常偏低。5 月上旬降溫過程，降溫幅度最大，持續時間最長，北風分量最大，影響范圍廣，貫穿南、北疆，加上前期冷空氣堆積，致使5 月上旬新疆局部地區氣溫低于0 ℃。5 月下旬降溫過程雖北風分量大，但中旬暖空氣偏強，導致此次降溫過程氣溫回落幅度相對較小。2023 年4—5 月冷空氣多次南侵并占據主導地位，造成了4—5 月新疆氣溫偏低。

5 結論

（1）2023 年春季新疆氣候冷暖振蕩劇烈，3 月氣溫異常偏高，4—5 月氣溫突轉為異常低溫，為近20年同期第二低，增暖背景下春季連續2 個月氣溫偏低實屬罕見。新疆4—5 月氣溫偏低主要受3 次寒潮過程影響。第一次寒潮過程冷空氣強度強，影響范圍廣，導致冷空氣在新疆堆積；第二次寒潮過程冷空氣持續補充，導致低溫長時間維持；第三次過程降溫幅度最大，持續時間最長，冷空氣不斷向南輸送，造成新疆氣溫持續偏低。因此新疆4—5 月氣溫異常受冷空氣活動的影響，即氣溫與南下冷空氣的強度、頻次和持續時間密切相關。

（2）2023 年4—5 月新疆平均氣溫受不同層次環流變化的影響。歐亞中高緯正、負海平面氣壓異常中心形成的南北氣壓梯度力有利于冷空氣南侵，歐亞大陸冷高壓偏強利于冷空氣活動加劇，同時新疆—青藏高原高壓加強，有利于冷空氣在新疆積聚；中層大氣環流波動不穩定發展條件下，歐亞中高緯環流斜壓性發展，高空槽加深，高壓脊發展，脊前偏北氣流引導冷空氣南下；低層西風氣流的減弱和西北氣流的異常加強，歐洲大陸及蒙古—中西伯利亞上空異常反氣旋和氣旋分布利于極區冷空氣南下影響新疆，造成新疆氣溫偏低。另外，烏拉爾山高壓脊和西伯利亞低槽關鍵區因子的異常演變，以及4 月西伯利亞低槽維持時間長達20 d，是造成4—5 月新疆氣溫持續偏低的重要原因。

大氣環流異常引起了2023 年新疆春季階段性低溫，多次冷空氣補充南下，造成新疆低溫維持。需要指出的是，本文僅對大尺度環流的影響進行了討論，但造成新疆氣溫異常的成因比較復雜，是否還有其他可能的因子影響2023 年新疆春季氣溫異常，還需進一步深入研究。