安徽省積雪效率和積雪密度特征分析

魏凌翔， 童 金， 邱學(xué)興

(安徽省氣象臺(tái)，合肥 230031)

引 言

暴雪天氣是我國(guó)冬季重大災(zāi)害性天氣之一，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通、通信、電力等行業(yè)造成不同程度的不利影響[1-5]，在降雪過(guò)程中及過(guò)程結(jié)束后形成的積雪也會(huì)給交通運(yùn)輸、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等帶來(lái)諸多危害[2,6,7]，積雪還是雪災(zāi)形成的主要致災(zāi)因子[8,9]。目前日常降雪預(yù)報(bào)主要是降雪量的預(yù)報(bào)，對(duì)積雪深度的預(yù)報(bào)和估計(jì)比較少[10]。對(duì)積雪深度的預(yù)報(bào)經(jīng)常基于積雪效率為1的經(jīng)驗(yàn)值[11]，但如果使用了錯(cuò)誤的積雪效率，降雪量預(yù)報(bào)再完美也無(wú)法預(yù)報(bào)出準(zhǔn)確的積雪深度。積雪效率[12]為某時(shí)段內(nèi)積雪深度的變化值與該時(shí)段內(nèi)降水量的比值(單位：cm·mm-1)。為了滿足氣象預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)精細(xì)化的要求，提供準(zhǔn)確的積雪深度預(yù)報(bào)產(chǎn)品，開(kāi)展積雪效率的研究是十分必要的。當(dāng)遇到暴雪天氣時(shí)，深厚、沉重的積雪常常會(huì)超出溫室設(shè)施的承載負(fù)荷，導(dǎo)致拱架坍塌或墻體損毀[13]，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成重大的經(jīng)濟(jì)損失[14]。因此對(duì)雪壓的準(zhǔn)確預(yù)報(bào)能給政府部門(mén)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者等提供技術(shù)支撐，提前防范雪災(zāi)帶來(lái)的災(zāi)害。積雪密度[15-17]是用雪壓除以相應(yīng)時(shí)效的積雪深度來(lái)計(jì)算(單位：g·cm-3)。有了精細(xì)化的積雪深度預(yù)報(bào)和積雪密度研究，就能對(duì)雪壓進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)報(bào)，從而為雪災(zāi)的監(jiān)測(cè)預(yù)警服務(wù)和防災(zāi)減災(zāi)提供支持。因此對(duì)積雪密度的研究是十分重要的。

楊琨等[10]利用2009-2011年加密站和常規(guī)站降雪資料，得到我國(guó)冬季積雪深度變化值和降雪量的比值分別為0.75、0.70 cm·mm-1。崔錦等[11]利用沈陽(yáng)站1981-2012年08時(shí)的觀測(cè)資料，分析得出積雪深度和降水量的擬合系數(shù)為0.84 cm·mm-1。馬麗娟等[15]利用1957-2009年中國(guó)地面氣象臺(tái)站觀測(cè)的積雪資料，分析得出中國(guó)年平均積雪深度、雪水當(dāng)量和積雪密度分別為0.49 cm，0.7 mm，0.14 g·cm-3。魏玥等[16]分析得出新疆北部積雪密度約為0.11～0.22 g·cm-3。戴禮云等[17]利用1999-2008年的地面積雪觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)全國(guó)積雪密度的時(shí)空特征進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)不同地域和不同季節(jié)的積雪密度均有不同。上述研究在分析積雪深度和降水量之間的關(guān)系時(shí)，沒(méi)有考慮降雪前地面的情況。作者在安徽省降雪預(yù)報(bào)工作中發(fā)現(xiàn)，降雪前地面有、無(wú)積雪對(duì)積雪深度和降水量之間的關(guān)系有著重要影響。目前我國(guó)對(duì)積雪深度和降水量之間的關(guān)系、積雪密度的研究主要集中在東北和西北地區(qū)，對(duì)江淮地區(qū)的研究比較少。而強(qiáng)降雪對(duì)江淮地區(qū)造成的災(zāi)害也比較嚴(yán)重，如2008年的南方大雪在安徽的雪深為全國(guó)之最[18]、2018年年初的兩次大雪是安徽省繼2008年以來(lái)出現(xiàn)的范圍最大、強(qiáng)度最強(qiáng)、積雪最深的降雪過(guò)程[19]等。因此本文以安徽省為例，研究積雪深度和降水量之間的關(guān)系及積雪密度，為安徽省和周邊江淮其他地區(qū)的降雪預(yù)報(bào)和防災(zāi)減災(zāi)提供參考。

1 資料和方法

1 mm降雪能積多少雪與地面溫度和雪中的含水量等因素關(guān)系都很大。如果地面溫度較高，雪落到地面立馬融化，就不能形成積雪；雪中含水量多少也會(huì)直接影響積雪深度，如果含水量大，積雪就相對(duì)薄一些，而含水量少，積雪深度就相對(duì)厚一些。

利用安徽省80個(gè)氣象觀測(cè)站2000年1月至2018年2月的常規(guī)觀測(cè)資料，包括24 h降水量，12 h降水量(08-20時(shí),20時(shí)-次日08時(shí))，08時(shí)積雪深度,08時(shí)雪壓和日平均氣溫等，來(lái)分析安徽省積雪效率和積雪密度的特征。本文對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行以下三點(diǎn)質(zhì)量控制。

(1)降水量處理：24 h降水量有數(shù)據(jù)但其對(duì)應(yīng)的兩個(gè)12 h降水量若至少有一個(gè)為無(wú)效數(shù)據(jù)，則該數(shù)據(jù)剔除。

(2)新增積雪深度為當(dāng)日08時(shí)的積雪深度減去前一日08時(shí)的積雪深度，當(dāng)兩個(gè)時(shí)次的積雪深度均為有效數(shù)值時(shí)，才被認(rèn)定為有效降雪事件。

(3)積雪深度處理：根據(jù)中國(guó)氣象局《地面氣象觀測(cè)規(guī)范》規(guī)定，在測(cè)量積雪深度時(shí)讀取厘米整數(shù)，小數(shù)四舍五入[20]，當(dāng)積雪深度大于等于0.5 cm時(shí)就記為1 cm。因此為了減小計(jì)算誤差，當(dāng)新增積雪深度大于等于2 cm時(shí)，資料才被用于分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 積雪效率特征

2.1.1 總體特征

計(jì)算新增積雪深度時(shí)，根據(jù)降雪前地面是否有積雪分為前期有積雪和前期無(wú)積雪兩類(lèi)。本文中所用有效降雪事件總共為1989個(gè)，其中前期有積雪的事件為918個(gè)，前期無(wú)積雪的事件為1071個(gè)。新增積雪深度小于5 cm的事件為1058個(gè)，占總數(shù)的53.2%;新增積雪深度小于10 cm的事件為1678個(gè)，占總數(shù)的84.4%。從安徽省降雪事件發(fā)生頻次的空間分布圖(圖1)可以看到，安徽省降雪事件發(fā)生頻次最高的3個(gè)觀測(cè)站分別是黃山風(fēng)景區(qū)、九華山和霍山。這3個(gè)觀測(cè)站均在海拔較高的地區(qū)，而在沿江江南西部發(fā)生的降雪事件則相對(duì)較少。

圖1 安徽省降雪事件發(fā)生頻次的空間分布

圖2為安徽省積雪效率的分析結(jié)果。從圖2中可以看到，不區(qū)分地面前期有無(wú)積雪時(shí)，積雪效率平均為0.75 cm·mm-1。該值和楊琨[10]、馬麗娟[15]等的研究結(jié)果比較接近，卻比崔錦等[11]的研究結(jié)果小。該積雪效率平均值之所以小于崔錦的研究結(jié)果，可能是因?yàn)榇掊\的研究區(qū)域沈陽(yáng)站所處的地理位置偏北，下雪時(shí)氣溫較低。

圖2 安徽省降雪事件的積雪效率標(biāo)注的數(shù)值為平均值，單位：cm·mm-1

將所有有效降雪事件分類(lèi)后分別計(jì)算積雪效率，得到地面前期有積雪的降雪事件積雪效率為0.81 cm·mm-1，前期無(wú)積雪的降雪事件積雪效率為0.69 cm·mm-1。這表明安徽省在下雪時(shí)，前期地面有無(wú)積雪對(duì)積雪效率有著明顯的影響，同樣的降雪量造成的積雪深度變化有較為顯著的區(qū)別。圖2中還可以看到，當(dāng)?shù)孛媲捌谟蟹e雪時(shí)，圖中箱體更加扁平，說(shuō)明地面前期有積雪時(shí)的降雪事件，其積雪效率更加集中，而地面前期無(wú)積雪時(shí)，積雪效率比較發(fā)散。因此在平時(shí)的降雪預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中，預(yù)報(bào)時(shí)應(yīng)考慮降雪前地面是否有積雪。

2.1.2 積雪效率在全省的分布情況

圖3(a)、3(b)分別為安徽省80個(gè)國(guó)家站地面前期無(wú)積雪和有積雪時(shí)的積雪效率分布圖。從中可以看出,不管地面前期有、無(wú)積雪，淮河以北東北部的積雪效率都比較大，而沿江的積雪效率則相對(duì)較小。這可能是因?yàn)槎狙亟浇臏囟容^其他地區(qū)的高，淮河以北東北部因地理位置原因，氣溫比安徽省其他地區(qū)的低。溫度對(duì)積雪效率的影響將在下一小節(jié)中分析。絕大多數(shù)觀測(cè)站前期無(wú)積雪時(shí)的積雪效率都小于前期有積雪時(shí)的積雪效率。山區(qū)而言，前期無(wú)積雪時(shí)，大別山區(qū)和皖南山區(qū)的積雪效率高于同緯度其他地區(qū)的積雪效率；前期有積雪時(shí)，皖南山區(qū)的積雪效率高于同緯度其他地區(qū)的積雪效率，大別山區(qū)與其他地區(qū)的積雪效率差異不明顯。

圖3 安徽省平均積雪效率空間分布(a)為前期無(wú)積雪時(shí)，(b)為前期有積雪時(shí)；單位：cm·mm-1

整體上看，積雪效率在安徽省呈現(xiàn)北部大南部小的情況。為研究其南北差異，本文根據(jù)安徽省的地理分布情況，計(jì)算了淮河以北、江淮之間和江南三片地區(qū)的積雪效率，結(jié)果如表1所示。由表1可以看到，三片地區(qū)前期有積雪時(shí)的積雪效率都明顯大于前期無(wú)積雪時(shí)的積雪效率。在不區(qū)分前期有無(wú)積雪時(shí)，淮河以北的積雪效率達(dá)到0.86 cm·mm-1，江淮之間的積雪效率為0.72 cm·mm-1，江南的積雪效率是0.69 cm·mm-1，積雪效率自北向南逐漸減小，淮河以北的積雪效率明顯大于其他兩個(gè)區(qū)域；當(dāng)區(qū)分前期有、無(wú)積雪時(shí)，也得到一樣的結(jié)論。此外，還發(fā)現(xiàn)江淮之間的積雪效率和江南的差異不是很大。雖然江南比江淮之間緯度偏南，但由于江南多山地和丘陵，海拔相對(duì)較高，對(duì)氣溫影響很大[21]，致使江南地區(qū)積雪效率增大，縮小和江淮之間積雪效率的差距。

表1 安徽省不同區(qū)域的積雪效率 cm·mm-1

2.1.3 氣溫對(duì)積雪效率的影響

為了分析日平均氣溫對(duì)積雪效率的影響，本研究將日平均氣溫-6 ℃至4 ℃之間劃分為2 ℃間隔的多個(gè)氣溫區(qū)間。從降雪事件的分布來(lái)看，在0 ℃以下，降雪事件隨平均氣溫的上升逐漸增多。小于-6 ℃共有40個(gè)降雪事件，最低日平均氣溫為-15.4 ℃；當(dāng)日平均氣溫在-2 ℃至0 ℃之間的降雪事件最多，共有805個(gè)；0 ℃以上，降雪事件隨平均氣溫的上升開(kāi)始減少，當(dāng)日平均氣溫在0 ℃至2 ℃之間共有632個(gè)降雪事件；而在2 ℃至4 ℃之間減少明顯，有62個(gè)降雪事件，其中前期有積雪的降雪事件僅為6個(gè)；4 ℃以上僅有2個(gè)降雪事件，且均為前期無(wú)積雪的降雪事件，最高日平均氣溫為4.2 ℃?？梢钥吹?，當(dāng)日平均氣溫超過(guò)4 ℃時(shí)，就很難形成2 cm及以上的積雪。

不同氣溫區(qū)間積雪效率變化曲線圖(圖4)可以看到，整體上看，在不考慮地面前期有無(wú)積雪時(shí)，當(dāng)日平均氣溫在-2 ℃以下時(shí)，積雪效率變化不大，在1 cm·mm-1左右;當(dāng)日平均氣溫大于-2 ℃時(shí)，隨著氣溫的上升，積雪效率呈明顯減小的趨勢(shì)。楊琨等[10]指出,不同氣溫條件下，降雪性質(zhì)和雪的狀態(tài)也不同，當(dāng)氣溫較高時(shí)，其濕度和密度較大，導(dǎo)致產(chǎn)生的地面積雪深度相對(duì)較小。

圖4 不同氣溫區(qū)間積雪效率的變化曲線

當(dāng)日平均氣溫小于-2 ℃時(shí)，地面前期有積雪和無(wú)積雪的積雪效率有著較為明顯的區(qū)別。其中，當(dāng)日平均氣溫小于-6 ℃、前期有積雪時(shí)，積雪效率達(dá)到1.12 cm·mm-1;前期無(wú)積雪時(shí)，積雪效率僅為0.85 cm·mm-1。當(dāng)日平均氣溫大于-2 ℃時(shí)，地面前期有無(wú)積雪對(duì)積雪效率的影響不大。日平均氣溫小于-2 ℃時(shí)，前期有積雪和前期無(wú)積雪的積雪效率通過(guò)了0.05的顯著性檢驗(yàn)。

2.1.4 積雪效率的時(shí)間變化特征

2000年1月-2018年2月，11月份之前安徽省內(nèi)沒(méi)有觀測(cè)到積雪達(dá)到2 cm及以上的降雪事件，3月份以后只有4月份在黃山風(fēng)景區(qū)(高海拔)觀測(cè)到2例積雪達(dá)到2 cm及以上的降雪事件，因數(shù)據(jù)量過(guò)少不作分析。因此本文只分析了安徽省11、12、1、2和3月共5個(gè)月的積雪效率特征。

分析結(jié)果如圖5所示。由圖5(a)可看出，11月份積雪效率最低，為0.59 cm·mm-1，之后逐漸增大至1月份的0.79 cm·mm-1，2月份開(kāi)始積雪效率有所減小，到3月份積雪效率減小為0.61 cm·mm-1。12、1和2月的積雪效率較為接近，均超過(guò)了0.7 cm·mm-1，而11月和3月的積雪效率僅在0.6 cm·mm-1左右。從降雪事件發(fā)生時(shí)的平均溫度來(lái)看，12月和1月的溫度最低，分別為-1.1 ℃和-1.3 ℃，其他3個(gè)月的溫度較高，在-0.1～-0.4 ℃。在月際分布上，積雪效率和氣溫有著比較好的一致性，在1月份降雪發(fā)生時(shí)的溫度最低，積雪效率則最高。圖5(b)中可以看到，降雪事件在1月份發(fā)生最多，共951例，其次是2月份的614例，11月份、12月份和3月份都只有100多例降雪事件發(fā)生。

圖5 2000年1月-2018年2月安徽省積雪效率和降雪時(shí)日平均氣溫(a)和降雪事件個(gè)例數(shù)(b)的月際變化

從以上結(jié)果可以看出，積雪效率、降雪時(shí)日平均氣溫均在安徽省有著較為明顯的時(shí)間變化特征，都在1月份達(dá)到極值。楊琨等[10]卻認(rèn)為江淮區(qū)域降雪量和積雪深度的關(guān)系沒(méi)有明顯的時(shí)間變化特征，波動(dòng)較大。但楊琨等是按旬來(lái)分析，在文中提到有兩旬江淮地區(qū)降雪很少，對(duì)計(jì)算結(jié)果有影響，而本文是按月來(lái)分析，這可能是結(jié)果不一致的原因。

2.2 積雪密度特征

雪壓是單位水平面積上所受到積雪的重量，通常是建筑工程上計(jì)算雪荷載的設(shè)計(jì)依據(jù)[13]。業(yè)務(wù)工作中可根據(jù)積雪效率和降水量預(yù)報(bào)對(duì)積雪深度進(jìn)行有效估測(cè)，若再結(jié)合積雪密度，可以進(jìn)一步對(duì)雪壓進(jìn)行預(yù)報(bào)。

2.2.1 總體特征

根據(jù)我國(guó)氣象觀測(cè)的規(guī)范，當(dāng)積雪深度小于5 cm時(shí)，雪壓不作測(cè)量。本文所用的有效雪壓數(shù)據(jù)共347個(gè)，其中積雪深度小于等于20 cm的雪壓數(shù)據(jù)有315個(gè)，占總數(shù)的90.8%。

魏文壽等[22]研究表明，不同氣候與區(qū)域條件下形成的積雪密度有很大的差別。安徽屬于暖溫帶向亞熱帶的過(guò)渡型氣候，淮河以北屬溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，淮河以南(包括江淮之間和江南)屬亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候[23]，這可能造成安徽省內(nèi)不同區(qū)域積雪密度的差異。分區(qū)域計(jì)算的安徽省內(nèi)的積雪密度結(jié)果如表2所示。由表2可看出，江南地區(qū)有效積雪密度的個(gè)例數(shù)明顯比其他兩個(gè)地區(qū)的少，原因是江南地區(qū)地理位置偏南，較難形成5 cm及以上的積雪；淮河以北、江淮之間和江南的積雪密度分別為0.122、0.147和0.144 g·cm-3，可見(jiàn)淮河以北和淮河以南的積雪密度有著明顯的差異，而同屬一個(gè)氣候帶的江淮之間和江南的差異則很小。

表2 安徽省不同區(qū)域的積雪密度

此外，Paterson[24]和Goodison[25]的研究表明，新降干雪的平均密度約為0.1 g·cm-3，新降濕雪平均密度約為0.1～0.2 g·cm-3。戴禮云等[17]進(jìn)一步指出,雪中含水量大,導(dǎo)致雪密度增大。由此可見(jiàn)，淮河以北的降雪性質(zhì)更接近于干雪，而淮河以南的降雪中含水量則相對(duì)較高。

2.2.2 氣溫對(duì)積雪密度的影響

研究指出,積雪密度受氣象因素影響很大，如降水、氣溫、風(fēng)速等[17,26]。本節(jié)研究氣溫對(duì)積雪密度的影響，結(jié)果如圖6所示。從圖6中可以看到，當(dāng)日平均氣溫小于0 ℃時(shí)，隨著氣溫的升高，積雪密度明顯增大。當(dāng)日平均氣溫小于等于-4 ℃時(shí)，積雪密度僅為0.11 g·cm-3，接近于新降干雪的密度；當(dāng)日平均氣溫高于0 ℃時(shí)，雖然積雪密度也隨著氣溫的升高而增大，但增大的幅度明顯減小。

圖6 不同氣溫區(qū)間積雪密度的變化曲線

3 結(jié) 論

(1)平均而言，安徽省積雪效率為0.75 cm·mm-1。地面前期有、無(wú)積雪對(duì)積雪效率有較大影響，二者積雪效率分別為0.81和0.69 cm·mm-1。絕大多數(shù)觀測(cè)站前期有積雪時(shí)的積雪效率大于前期無(wú)積雪時(shí)的積雪效率。整體上看，積雪效率自北向南逐漸減小，淮河以北的積雪效率明顯大于江淮之間和江南的，后兩者之間的差異則較小。

(2)日平均氣溫在-2 ℃以下時(shí)，積雪效率變化不大，在1 cm·mm-1左右；但在地面前期有、無(wú)積雪時(shí)，積雪效率差異較明顯，特別是當(dāng)氣溫小于-6 ℃時(shí)，二者分別為1.12和0.85 cm·mm-1。日平均氣溫在-2 ℃以上時(shí)，積雪效率隨著氣溫的上升呈明顯減小的趨勢(shì)，此時(shí)地面前期有、無(wú)積雪對(duì)其影響不大。

(3)淮河以北的積雪密度明顯小于淮河以南的，降雪性質(zhì)更接近于干雪，淮河以南的降雪中含水量較高，其中江淮之間和江南的積雪密度差異較小。日平均氣溫在0 ℃以下時(shí)，隨氣溫升高積雪密度明顯增大；0 ℃以上時(shí)，積雪密度也隨氣溫升高而增大，但幅度明顯減小。

以上研究工作能對(duì)降雪天氣中的預(yù)報(bào)服務(wù)和防災(zāi)減災(zāi)提供一定的支持，但資料的局限性，如雨雪相態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)，只有部分降水量是以雪的形式降落，會(huì)導(dǎo)致計(jì)算的積雪效率減小，從而對(duì)積雪深度和雪壓作出不合理的估算。因此有必要利用更多高質(zhì)量、高分辨率的降雪觀測(cè)資料來(lái)進(jìn)行更加細(xì)致深入的研究。