引言

强降温(寒潮)天气过程是一种大规模的强冷空气活动，强降温天气的主要特点是剧烈降温和大风(朱乾根等，2007；康志明等，2010)。强降温引发大风、霜冻、雪灾、雨凇等灾害对农业、交通、电力、航海以及人们健康都有很大的影响(罗晓玲等，2006；陈豫英等，2009；李江波等，2009)。在气候变暖的大背景下，强降温虽出现概率小，但其来势猛、范围大、危害大、损失重，是天气预报工作的重点和难点(高凤荣等，1996；朴春兰，2005；许爱华等，2006；周鸣盛等，1997)。如2004年5月1—2日河西走廊出现的大范围强降温和寒潮天气引发了3—5日的强霜冻灾害，共造成经济损失103903万元(钱莉等，2005)；2008年1月中下旬到2月上旬中国经历了历史上罕见的大范围强降温、雨雪和冰冻灾害天气, 给人们带来了前所未有的寒冷，也给国民经济和人民生命财产造成了巨大损失，引起了国内外政府部门的高度关注(伍东亮等, 2008；王遵娅等，2008；司东等，2014；王颖等，2013)。因此，强降温的准确预报和防御不容忽视。据中国气象局令(2007年第16号)规定，气象部门应向社会公众发布不同级别强降温预警信号，并提出合理的防御措施和建议。

河西走廊东部地处青藏高原东北斜坡面上，地理位置在37°10′~39°24′N、101°06′~104°14′E，海拔高度在1300~4872 m，地势南高北低，由西南向东北倾斜。冬半年经常受极地南下强冷空气侵袭，易出现强降温天气(白肇烨等，1988)。强降温对河西走廊东部农业、畜牧业及建筑业等造成严重影响，是该地的主要气象灾害之一。从已有的文献来看，针对河西走廊东部强降温的分析和研究还比较少见(李岩瑛等，2004；罗晓玲等，2012)，因此有必要详细分析当地强降温的气候特征及环流形势，将对提高强降温的监测、预报、预警能力都有非常重要的作用，还会为地方政府提供准确及时的决策依据，对为农服务、防灾减灾、促进地方经济发展都有着极其重要的现实意义。

1 资料来源及研究方法 1.1 强降温标准

据中国气象局 < (气发〔2005〕109号)文关于转发《中短期天气预报质量检验办法》的通知>规定：强降温标准为24(48) h日最低气温下降≥8(10)℃，最低气温≤4℃。根据日常对强降温的统计分析和强降温造成的灾害程度做以下规定：有一站24(48) h最低气温下降≥8(10)℃，日最低气温≤4℃定为一次强降温天气过程；同时有两站或以上达到上述标准定为一次区域性强降温天气过程；24(48) h最低气温下降8~10(10~12)℃，日最低气温≤4℃定为一次一般性降温过程；24(48) h最低气温下降10~12(12~14)℃，日最低气温≤4℃定为一次较强降温天气过程；24(48) h最低气温下降≥12(14)℃，日最低气温≤4℃定为一次特强降温天气过程。

1.2 资料的选取

选取河西走廊东部武威市永昌、民勤、凉州、古浪、天祝(乌鞘岭站)5个气象站1961—2010年逐日最低气温观测资料，资料长度50 a。5个气象站在50 a来均未曾迁移，观测数据完整性和连续性较好，且时间序列长，能够满足研究的需要。以逐日最低气温为基础，计算当日与次日或第三日最低气温的差值，根据强降温的标准划分出强降温次数，并规定只要有一站或以上达到强降温的标准，就确定为一个强降温个例。同时，利用1991—2010年ECMWF(2.5°×2.5°)数值预报格点资料，分析了河西走廊东部强降温的环流特征。1961—2010年大气环流特征量资料由国家气候中心气候系统诊断预测室提供。

1.3 研究方法

分析强降温的空间特征时，多年平均强降温次数为同一站点不同年份的平均(n=50)，并分析强降温的区域性特征。分析强降温的时间特征时，全区域年强降温次数为同一年份不同站点(n=5) 的平均值，并统计各量级强降温次数。强降温次数的年代际变化采用距平分析方法，强降温次数的年际变化趋势采用线性趋势计算方法(魏凤英，2007)：用x_i表示样本量为n的气候变量，用t_i表示x_i所对应的时间，建立x_i和t_i之间的一元线性回归方程：x_i=a+bt_i，i=1, 2, 3, …, n，其中，b为气候变量的倾向率，b＞0表示直线递增，b＜0表示直线递减，b×10表示每10 a的变化率。变化趋势的显著性，采用时间t与序列变量x之间的相关系数即气候趋势系数进行检验(施能等，1995)。根据蒙特卡罗模拟方法(Livezey et al，1983；施能等，2001)：通过α=0.1、α=0.05、α=0.01显著性水平检验所对应的气候趋势系数临界值，依次为：0.3058、0.3653、0.4430，当气候趋势系数绝对值大于上述临界值时，分别认为变化趋势较显著、显著、很显著。运用方差分析方法进行了周期分析(周石清等，2001)。运用累计距平和信噪比方法对强降温次数进行突变分析(杜军等，2007)。运用Pearson相关系数法分析了强降温与环流因子的相关程度，Pearson为积差相关，是计算连续变量或等间距测度的变量间的相关分析方法。

2 结果分析 2.1 河西走廊东部强降温空间分布及区域性 2.1.1 强降温空间分布

河西走廊东部地处祁连山东麓，境内地形复杂，海拔较高，山区平原并存，强降温天气频繁发生，且强降温的地域分布存在明显差异。分析各地强降温资料发现(图 1)：24 h年平均强降温次数民勤最多，占总站次数的28.6%；其次为永昌，占21.1%；再次为古浪、天祝，分别占18.2%、17.1%；凉州最少，占14.9%。48 h强降温次数古浪最多，占总站次数的24.4%；其次为天祝、民勤，分别占22.6%、22.3%；再次为永昌，占16.8%；凉州最少，占13.9%。24 h强降温次数民勤最多，这是由于民勤与巴丹吉林沙漠、腾格里沙漠接壤，沙漠气候显著，当冷空气过境时，除平流降温外，夜间辐射降温特别明显，强降温次数多；凉州处于中部绿洲平原区，地势低，植被茂密，以平流降温为主，强降温次数少；永昌、古浪、天祝地处山区，海拔较高，辐射降温也比较明显。但是南部山区古浪、天祝48 h强降温的次数明显多于24 h，这主要是由于受祁连山脉的阻挡作用，冷空气易在山区堆积，滞留时间较长(马玉芬等，2012)，故48 h更容易达到强降温。

2.1.2 强降温区域性特征

分析50 a来河西走廊东部5站强降温次数发现，强降温天气具有明显的区域性特征，同时2站及以上出现强降温次数24 h共116次，48 h共133次，分别占全区域平均强降温次数的89.9%、98.2%，其中，同时2站的强降温24 h、48 h均为67次，分别占51.9%、49.5%；同时3站的强降温24 h为27次，48 h为33次, 分别占20.9%、24.4%；同时4站的强降温24 h为16次，48 h为19次，分别占12.4%、14.0%；同时5站的强降温24 h为6次，48 h为14次, 分别占4.7%、10.3%(图 2)，且同时出现的站点一般为相邻的站。由此可知，河西走廊东部强降温天气绝大多数为区域性强降温，且随着强降温站数的增多，强降温的次数在减少，24 h减小的速度比更48 h更大。

2.2 河西走廊东部强降温时间变化 2.2.1 强降温年代际变化

表 1为河西走廊东部逐年代年平均强降温次数及距平。由表 1可知，河西走廊东部24和48 h强降温次数随年代总体呈减少趋势。24 h强降温次数20世纪60—70年代较多，80年代到21世纪10年代减少，60年代到21世纪10年代减少的次数为1.1次；48 h强降温次数20世纪60—70年代较多，80—90年代减少，21世纪10年代增多，60—80年代减少的次数为1.0次。

2.2.2 强降温年际变化

河西走廊东部24和48 h年强降温次数逐年总体呈减少趋势(图 3)。用线性趋势方法计算50 a强降温次数的气候倾向率：24 h为-0.274次·(10 a)^-1，48 h为-0.052次·10 a^-1，气候趋势系数分别为-0.387、-0.061。根据蒙特卡罗模拟方法规定，24 h气候趋势系数通过了α=0.05的显著性水平检验，减少趋势显著；48 h气候趋势系数没有通过显著性水平检验，减少趋势不显著。全球气候变暖使得冷空气强度减弱和频次减少，这可能是强降温次数减少的主要原因之一(王遵娅等，2006；姚永明等, 2011)。运用方差分析强降温年次数时间序列的周期发现，24和48 h年强降温次数的时间序列均存在4~6 a的准周期变化，经F检验，均通过了α=0.05的显著性水平检验。运用累计距平法对强降温次数进行突变分析，24和48 h强降温次数转折年份分别在1983和1981年，均没有发生突变现象。

河西走廊东部24 h多年平均强降温次数2.6次，最多4.8次(1971年)，次多4.4次(1963和1998年)；最少0.4次(2007年)，次少1.0次(1985和1987年)。48 h多年平均强降温次数2.7次，最多5.4次(1981年)，次多4.8次(2010年)；最少0.4次(1975年)，次少0.6次(1985年)。

2.2.3 强降温月际变化

在月际分布上，24、48 h强降温次数均为4月最多，其次为3月，7—8月无强降温出现，6月只有个别年出现了强降温，9月强降温相对较少(表 2)。其中，24 h强降温次数4月占总次数的17.1%；3月占13.2%；1—5月共占64.4%；9—12月共占34.2%；6月只占1.4%。48 h强降温次数4月占总次数的18.5%；3月占11.8%；1—5月共占59.4%；9—12月共占39.6%；6月只占1.0%。由以上分析可知，强降温主要出现在春、秋、冬三个季节，春季最多，冬季次之。

2.3 河西走廊东部强降温强度特征

河西走廊东部各强度强降温次数变率很大(表 3)，其中，24 h一般性强降温次数占强降温总次数的76.1%，较强降温占18.3%，特强降温占5.6%；48 h一般性的强降温次数占强降温总次数的64.4%，较强降温占24.5%，特强降温占11.1%。由此可见，随着降温强度的增大，强降温次数迅速减少。

河西走廊东部24 h强降温强度逐年呈较弱减弱趋势(图 4)，20世纪60—70年代降温强度较强，较强降温年份有1961、1962、1963、1967、1972、1979和1980年；80年代降温强度总体较小，较强降温年份只有1986年；90年代到21世纪10年代降温强度有所增强，较强年份有1993、1995、1997、1999、2001、2004、2008和2010年；特强降温年份总共只有1970、1971和1998年。48 h强降温强度逐年呈较弱增强趋势(图 4)，20世纪60—70年代较强降温年份较多，有1963、1968、1969、1970、1976、1978、1979和1980年；80年代降温强度总体较小，较强降温年份只有1983、1986和1987年；90年代到21世纪10年代降温强度有所增强，较强的年份有1991、1992、1993、1995、1997、2005、2008、2009和2010年；特强降温年份总共有1962、1971、1981、1994、1998、1999、2004和2006年。

河西走廊东部24 h降温最强12.9℃(1998年)，次强12.4℃(1971年)；最弱7.8℃(2007年)，次弱7.9℃(2003年)。48 h降温最强15.4℃(1981年)，次强15.2℃(2004年)；最弱9.5℃(1975年)，次弱9.7℃(1985年)。

2.4 河西走廊东部强降温环流形势特征

本文选取1991—2010年发生在河西走廊东部的强降温个例，24 h共45例，48 h共53例，利用1991—2010年逐日ECMWF 500 hPa数值预报格点场资料，对500 hPa环流形势进行天气分型，归纳出河西走廊东部强降温天气发生的典型环流形势主要为两大类：西北气流型(西北路径)和偏北气流型(北方路径)。环流形势分型的确定是以研究区域甘肃河西走廊东部为基准，如果南下的冷空气(气流)在甘肃河西走廊东部西北方，为西北气流型；如果南下的冷空气(气流)在甘肃河西走廊东部北方，为偏北气流型。

2.4.1 西北气流型(24 h 27例，占59.0%；48 h 30例，占56.8%)

高空500 hPa图上，乌拉尔山附近为高压脊或阻塞高压，高压脊前新疆一带(35°~45°N、75°~95°E)有一明显的低压槽，变高配置为西北—东南向，正负变高差较大，有较强冷温槽伴随，冷中心强度在-45℃左右，且温度槽落后于高度槽，新疆至河西走廊东部的温差较大，温差ΔT可达-15℃，冷空气在新疆天山一带堆积达到一定程度，当乌拉尔山附近的阻塞高压崩溃，高压脊前强西北气流引导冷空气翻越天山，冷空气东移南下影响河西走廊东部，24或48 h内河西走廊东部将出现强降温天气(图 5)。配合地面有较强的冷高压和强冷锋东移，中心强度可达到1050.0 hPa，锋面为东北—西南走向，地面冷高压在强冷平流的推进下东移南压，促进了强降温的爆发，一般都伴有大风和较强的降水。

2.4.2 偏北气流型(24 h 18例，占41.0%；48 h 23例，占43.2%)

高空500 hPa图上，乌拉尔山东部为一东北斜伸的高压脊，脊前蒙古一带(40°~50°N、95°~115°E)有一明显的东—西向横槽，变高配置为南—北向，正负变高差大，且有较强冷温槽落后高度槽，冷中心强度在-50℃左右，蒙古至河西走廊东部的温差大，温差ΔT可达-20℃，当冷空气在蒙古一带堆积达到一定程度，横槽快速转竖东移南下，在强劲的偏北气流引导下冷空气向南推进，24或48 h内河西走廊东部将爆发强降温天气(图 6)。配合地面有明显的强冷高压中心，中心强度可达到1060.0 hPa，且有近东—西向的冷锋，蒙古横槽诱发冷空气南压，使地面冷高压前沿气压梯度的不断加大，也加剧了强降温爆发南下的速度。并伴有大风、霜冻和强降水等剧烈的天气，这种形势产生降温幅度比西北气流型更大，伴随的风速和降水量级也偏大。

2.5 河西走廊东部强降温次数与大气环流特征量的相关分析

造成强降温的主要原因是高空冷空气强度和移动路径(高玲等，2006；王丽等，2006)。牛若芸等(2009)、赵俊荣等(2010)在寒潮研究中指出，高空强冷平流是造成气温骤降的主要因素。气候尺度的冷空气活动为天气尺度强降温的发生提供了大尺度背景场，而天气尺度强降温是对气候尺度冷空气活动的响应。由2.4节分析可知，高空冷空气的强度和移动路径是影响河西走廊东部强降温的直接原因，为了定量地分析河西走廊东部强降温次数与高空冷空气强度和移动路径的关系，选取74个特征量中表征高空冷空气的强度和移动路径3个典型气候特征量：冷空气、亚洲经向环流指数(TM，60°~150°E)、欧亚经向环流指数(TM，0°~150°E)(赵振国，1999)。采用相关系数法分析了河西走廊东部月平均强降温次数和3个特征量的相关性(表 4)。

由表 4可知，河西走廊东部24、48 h月强降温次数和3个特征量都表现为显著正相关，相关性均通过了0.01显著性水平检验，说明月冷空气次数、亚洲经向环流指数和欧亚经向环流指数是河西走廊东部强降温的大尺度环流背景。月冷空气次数、亚洲经向环流指数和欧亚经向环流指数对该地强降温次数预测预报具有较好的指示效果，特别是前一月环流特征量对强降温次数气候预测指示意义更好。进一步说明高空冷空气的强度和移动路径是河西走廊东部强降温预测的强信号。

3 结论

(1) 受地形地貌、地表植被及山脉阻挡的影响，河西走廊东部强降温的地域分布存在明显差异，24 h强降温次数为沙漠区多于山区多于平原区，48 h强降温次数为山区多于沙漠区多于平原区。强降温有明显的区域性特征，随着强降温站次的增多，强降温次数在减少，24 h减小速度比48 h更大。

(2) 河西走廊东部24 h强降温次数年代际变化为20世纪60—70年代较多，80年代到21世纪10年代减少；48 h强降温20世纪60—70年代较多，80—90年代减少，21世纪10年代增多。24、48 h年强降温次数总体呈减少趋势，气候趋势系数通过了α=0.05的显著性水平检验；48 h气候趋势系数没有通过显著性水平检验。24和48 h年强降温次数时间序列均存在4~6 a的准周期变化，无突变现象；24和48 h强降温主要发生在1—5和9—12月，强降温次数均为4月最多，3月次之。

(3) 河西走廊东部各强度强降温次数的变率较大，随着降温强度的增大，强降温次数迅速减少，24 h降温强度呈弱减小趋势，48 h降温强度呈弱增强趋势。

(4) 河西走廊东部强降温天气发生的典型环流形势为西北气流型和偏北气流型2类，西北气流型冷空气移动路径由西北向东南，出现强降温的次数较多，造成的降温幅度和伴随的天气现象相对较弱；偏北气流型冷空气移动路径由北向南，出现强降温的次数相对较少，造成的降温幅度和伴随的天气现象要比西北气流型强烈。

(5) 河西走廊东部月降温次数与表征高空冷空气强度和冷空气移动路径的大气环流特征量表现为显著正相关，说明河西走廊东部强降温次数与高空冷空气强度和冷空气移动路径的关系密切，高空冷空气的强度和移动路径是强降温预测的强信号。