石羊河流域降雪初、終日及雪期特征分析

楊曉玲，丁文魁，王鶴齡

（1.武威市氣象局，甘肅 武威733099；2.中國氣象局蘭州干旱氣象研究所，甘肅 蘭州730020）

降雪作為氣候季節(jié)變化的天氣現(xiàn)象， 是水循環(huán)的重要環(huán)節(jié)之一，在兩極地區(qū)、冰緣地帶和高原高山地帶自然環(huán)境研究中普遍受到關(guān)注[1-2]。 相關(guān)研究包括降雪形成機理[3-5]、冰川臺站降雪觀測[6]、季節(jié)降雪積雪資源評價[7-9]以及雪災對種植業(yè)、畜牧業(yè)、林業(yè)、交通等行業(yè)的影響[10-15]。 隨著全球氣候變化發(fā)展，冰雪圈和降雪變化研究已成為新興方向[16-19]。中國大部分地區(qū)以冬季降雪和短期積雪為主，青藏高原、西北和西南地區(qū)的高山地帶形成季節(jié)積雪和長期積雪，并成為中國雪研究的重點區(qū)域[20-22]。

石羊河流域位于祁連山東段與騰格里沙漠和巴丹吉林沙漠南緣之間，東西長約240 km，南北寬約300 km，總面積4.16×104km2，地理位置36°29′～39°27′N，101°41′～104°16′E，地勢南高北低，由西南向東北傾斜， 海拔在1300～3100 m， 地形地貌極為復雜，從北向南依次為民勤、永昌、涼州、古浪、天祝（表1），其中，北部民勤為沙漠戈壁荒漠區(qū)，中部涼州為綠洲平原區(qū)，北部永昌和南部古浪為淺山區(qū)，天祝屬于祁連山邊坡高寒山區(qū)。石羊河流域深居大陸腹地，屬大陸性溫帶干旱、半干旱氣候區(qū)[23]，由于特殊的地理位置和區(qū)域環(huán)境， 是重要降雪區(qū)， 降雪出現(xiàn)在秋末、冬季和初春，以冬季為主，年降雪量占降水總量的9.8%～15.2%， 年降雪日占降水總?cè)盏?9.3%～55.1%，降雪日偏早或偏晚、雪期偏長都會對工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成嚴重影響。 研究表明，近50 a（1961—2010年）石羊河流域年平均氣溫升高1.895 ℃，升高幅度約為同期全球的2.9 倍[24]，氣溫升高導致石羊河流域降雪初、終日及雪期發(fā)生了明顯變化。目前對石羊河流域降雪初、終日及雪期研究文獻很少見，本文以1960—2017 年石羊河流域最新降雪資料為基礎，分析探討降雪初、終日及雪期的演變特征，為降雪預報提供參考依據(jù)， 同時對防御雪災、 科學利用降雪資源、 保護生態(tài)環(huán)境和促進區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展等方面有著重要意義。

表1 石羊河流域氣象站點的經(jīng)度、緯度和海拔高度

1 資料、指標和方法

1.1 資料與指標

選取1960—2017 年石羊河流域永昌、 民勤、涼州、古浪、天祝烏鞘嶺共5 個氣象站降雪和氣溫觀測資料。 58 a 來各氣象站均未曾遷移，觀測數(shù)據(jù)時間序列長，完整性和連續(xù)性好。降雪初日為后半年第一次出現(xiàn)降雪的日期， 降雪終日為前半年最后一次出現(xiàn)降雪的日期。 雪期為當年降雪初日至次年降雪終日所持續(xù)的日數(shù)， 如1960 年降雪初日至1961 年降雪終日所持續(xù)的日數(shù)記為1960 年的雪期，以此類推。

運用平均值（x）和均方差（s）判斷指標[25]對降雪初、終日和雪期進行異常性判別：若降雪初、終日和雪期波動數(shù)值在x±s 之間，為正常波動；若降雪初、終日和雪期波動數(shù)值在x±s 和x±2s 之間， 為偏晚（長）或偏早（短）；若降雪初、終日和雪期波動數(shù)值在x±2s 之外，為特晚（長）或特早（短）。

1.2 方法

全流域年降雪初、 終日及雪期為同一年份不同站點（n=5）的平均，各地年平均降雪初、終日及雪期為同一站點不同年份（m=58 a）的平均。 采用平均值和概率論分析各地降雪初、 終日及雪期的空間分布和異常性；運用線性傾向估計法[26]分析年降雪初、終日及雪期的變化趨勢，變化趨勢的顯著性，利用時間與變量序列間的相關(guān)系數(shù)即氣候趨勢系數(shù)進行檢驗[27]，根據(jù)蒙特卡羅模擬方法[28]：通過P=0.1、0.05、0.01 顯著性水平檢驗所對應的相關(guān)系數(shù)臨界值，依次為：0.305 8、0.365 3、0.443 0， 當氣候趨勢系數(shù)絕對值大于上述臨界值時， 分別認為氣候趨勢系數(shù)較顯著、顯著、很顯著；采用距平法分析降雪初、終日及雪期的年代變化； 運用Pearson 相關(guān)系數(shù)法和氣候趨勢法分析降雪初、 終日和雪期與氣溫和海拔高度的相關(guān)程度，其中Pearson 為積差相關(guān)，是計算連續(xù)變量或等間距測度變量間的相關(guān)分析方法[29]。

2 結(jié)果與分析

2.1 降雪初、終日及雪期的空間分布

2.1.1 平均及極值空間分布

石羊河流域地處祁連山東麓，境內(nèi)地形復雜，高山平原沙漠并存， 降雪天氣的地域分布存在一定差異。統(tǒng)計分析全流域及5 個縣（區(qū)）氣象站58 a 年降雪初、 終日及雪期發(fā)現(xiàn)， 全流域的平均降雪初日在10 月11 日；天祝最早，為9 月6 日；古浪次之，為10月7 日；再次為永昌，為10 月13 日；涼州為10 月25 日；民勤最晚，為11 月1 日，即降雪初日山區(qū)早于平原區(qū)，平原區(qū)早于荒漠區(qū)。最早和最晚降雪初日與平均降雪初日分布一致，均為天祝最早，1968 年8月2 日；民勤最晚，1983 年12 月29 日（圖1a），各地降雪初日發(fā)生最晚和最早日期相差56～91 d。 全流域的降雪終日為5 月2 日；民勤最早，為4 月4 日；涼州次之，為4 月16 日；再次為永昌，為5 月1 日；古浪為5 月5 日；天祝最晚，為6 月12 日；即降雪終日山區(qū)晚于平原區(qū)，平原區(qū)晚于荒漠區(qū)。最早和最晚降雪終日與平均降雪終日分布一致，均為民勤最早，1984 年2 月2 日；天祝最晚，1985 年7 月30 日（圖1b），各地降雪終日發(fā)生的最晚和最早日期相差69～116 d。全流域的平均雪期203 d；天祝最長，為279 d；古浪次之，為210 d；再次為永昌，為200 d；涼州為172 d；民勤最短，為155 d，即雪期山區(qū)長于平原區(qū)，平原區(qū)長于荒漠區(qū)。最長和最短雪期與平均雪期分布一致，均為天祝最長，發(fā)生在1984 年，為330 d；民勤最短，發(fā)生在1983 年和2008 年，為74 d（圖1c）。 各地降雪終日發(fā)生的最晚和最早日期相差100～147 d。

圖1 石羊河流域平均和極端降雪初日（a）、終日（b）及雪期（c）

首先，石羊河流域南北溫差大，為0.3～8.8 ℃[24]，南部山區(qū)氣溫低，易出現(xiàn)降雪，降雪初日早，降雪終日晚，雪期長；其次，雪日與地形有一定的關(guān)系，由于南部山區(qū)處于祁連山東北側(cè)迎風坡， 受地形抬升影響，易發(fā)生降雪，使山區(qū)降雪初日早，降雪終日晚，雪期長；再次，雪日與影響當?shù)靥鞖庀到y(tǒng)有關(guān)，平原區(qū)和荒漠區(qū)主要受西北和偏北氣流的環(huán)流背景影響，大氣攜帶的水汽相對較少， 降雪初日晚， 降雪終日早，雪期短，而山區(qū)位于祁連山東北側(cè)，受西南季風影響，西南暖濕氣流活躍，降雪初日早，降雪終日晚，雪期長。

2.1.2 異常性空間分布

由表2 可知，石羊河流域及各地降雪初、終日及雪期的異常性相對一致。 正常降雪初日出現(xiàn)年份最多為39～44 a，概率為67.2%～75.9%；異常降雪初日為14～19 a，概率為24.1%～32.8%，其中，特早0.0%～5.2%，偏早6.9%～17.2%，偏晚8.6%～10.3%，特晚1.7%～6.9%。正常降雪終日出現(xiàn)年份最多為39～45 a，概率為67.2%～77.6%；異常降雪終日為13～19 a，概率為22.4%～32.8%， 其中， 特早0.0%～5.2%， 偏早6.9%～19.0%，偏晚6.9%～13.8%，特晚1.7%～5.2%。正常雪期出現(xiàn)年份最多為40～46 a， 概率為69.0%～79.3%；異常雪期在12～18 a，概率為20.7%～31.0%，其中， 特短1.7%～3.4%， 偏短6.9%～15.5%， 偏長8.6%～15.5%，特長0.0%～3.4%。 由此可知，石羊河流域正常降雪初、 終日及雪期年概率均超過67%，偏早和特早降雪初日概率共為12.1%～17.2%， 偏晚和特晚降雪終日概率共為10.3%～17.2%， 偏長和特長雪期概率共為10.3%～15.5%。

表2 石羊河流域降雪初、終日及雪期異常年數(shù)a

2.2 降雪初、終日及雪期的時間變化

2.2.1 年際變化

分析石羊河流域降雪初、 終日及雪期隨時間變化發(fā)現(xiàn)， 隨著年份的增加降雪初日呈推遲趨勢（圖2a），（除涼州和古浪外） 降雪終日呈提早趨勢（圖2b），雪期呈縮短趨勢（圖2c）。 用線性傾向估計法計算各地降雪初、 終日及雪期的氣候傾向率及趨勢系數(shù)（表3），降雪初日氣候傾向率為天祝＞涼州＞永昌＞全流域＞民勤＞古浪，天祝推遲趨勢最明顯，古浪推遲趨勢最不明顯，根據(jù)蒙特卡羅模擬方法可知，天祝氣候趨勢系數(shù)通過了P=0.05 的顯著性水平檢驗，推遲趨勢顯著； 全流域及其他各地氣候趨勢系數(shù)沒有通過顯著性水平檢驗，推遲趨勢不顯著。降雪終日氣候傾向率的絕對值為天祝＞永昌＞民勤＞涼州＞全流域＞古浪，天祝、永昌提早趨勢最為明顯，而涼州、古浪呈弱推遲趨勢， 天祝、 永昌氣候趨勢系數(shù)通過了P=0.05 的顯著性水平檢驗，提早趨勢顯著；全流域及其他各地氣候趨勢系數(shù)均沒有通過顯著性水平檢驗，提早或推遲趨勢不顯著。 雪期氣候傾向率的絕對值為天祝＞永昌＞民勤＞全流域＞涼州＞古浪，天祝、永昌縮短趨勢最為明顯，古浪縮短趨勢最不明顯，天祝、永昌氣候趨勢系數(shù)通過了P=0.01 的顯著性水平檢驗，縮短趨勢很顯著；全流域及其他各地氣候趨勢系數(shù)均沒有通過顯著性水平檢驗，縮短趨勢不顯著。

圖2 石羊河流域降雪初日（a）、終日（b）及雪期（c）年際變化

表3 石羊河流域年降雪初、終日及雪期的氣候傾向率及趨勢系數(shù)

2.2.2 年代際變化

表4 為石羊河流域逐年代平均降雪初、終日及雪期距平（距平計算以58 a 平均值為基準）。表中正（負）值分別表示降雪初日來得晚（早）、降雪終日結(jié)束晚（早）、雪期長（短）。 全流域及各地平均降雪初、終日及雪期年代差異也比較明顯， 且變化不太一致。 總體來看，降雪初日20 世紀60—70 年代偏早，但古浪60 年代持平；80—90 年代偏晚， 但天祝偏早，古浪90 年代偏早；21 世紀前18 a 偏晚，但民勤偏早，涼州2010—2017 年略偏早。 降雪初日20 世紀60 年代至2010—2017 年全流域、永昌、民勤、涼州、古浪、天祝分別推遲8、6、3、5、1、14 d。 降雪終日20 世紀60 年代永昌、民勤和天祝偏晚，涼州和古浪偏早，全流域略偏早；70 年代偏晚；80 年代偏早，但古浪持平，天祝偏晚；90 年代偏晚，但永昌、天祝偏早；21 世紀前10 a 偏早；2010—2017 年民勤、 涼州和古浪偏晚，永昌、天祝偏早，全流域略偏早。 降雪終日20 世紀60 年代至2010—2017 年全流域、永昌、民勤、天祝分別提早0、12、6、16 d，涼州、古浪分別推遲18、13 d、。 雪期20 世紀60 年代偏長，但涼州、古浪偏短；70 年代偏長；80 年代偏短，但古浪、天祝偏長；90 年代偏短， 但古浪偏長；21 世紀前10 a 偏短；2010—2017 年偏短，但民勤、涼州偏長，古浪持平。雪期20 世紀60 年代至2010—2017 年全流域、永昌、民勤、天祝分別縮短12、25、15、32 d，涼州、古浪分別延長6、9 d。

表4 石羊河流域各年代平均降雪初、終日和雪期的距平/d

2.3 降雪初、終日及雪期與氣溫和海拔的關(guān)系

2.3.1 與氣溫的關(guān)系

石羊河流域氣溫分布趨勢是由西南向東北升高[24]，降雪初日與氣溫具有極顯著正相關(guān)，降雪終日和雪期與氣溫具有極顯著負相關(guān)， 其相關(guān)系數(shù)均通過了P=0.001 的顯著性水平檢驗，即氣溫越高，降雪初日越晚，降雪終日越早，雪期越短。 氣候趨勢法分析表明，氣溫每升高1 ℃，降雪初日推遲約6.3 d，降雪終日提早約7.6 d，雪期縮短約13.8 d（表5）。

表5 石羊河流域降雪初、終日及雪期與氣溫和海拔高度的關(guān)系

2.3.2 與海拔的關(guān)系

石羊河流域海拔高度分布趨勢是由西南向東北遞降。 石羊河流域降雪初日與海拔具有極顯著負相關(guān)，降雪終日和雪期與海拔具有極顯著正相關(guān)，其相關(guān)系數(shù)均通過了α=0.001 的顯著性水平檢驗， 即海拔越高，降雪初日越早，降雪終日越晚，雪期越長。氣候趨勢法分析表明，海拔每升高100 m，降雪初日提早約3.3 d，降雪終日推遲約4.0 d，雪期延長約7.3 d（表5）。

3 結(jié)論與討論

石羊河流域降雪初日山區(qū)最早，平原區(qū)次之，荒漠區(qū)最晚；降雪終日山區(qū)最晚，平原區(qū)次之，荒漠區(qū)最早；雪期山區(qū)最長，平原區(qū)次之，荒漠區(qū)最短。各地降雪初、 終日及雪期存在一定的異常性， 正常降雪初、終日及雪期的年份最多，依次向兩端遞減。 降雪初日呈推遲趨勢，氣候傾向率為0.844～3.101 d/10 a，天祝推遲最明顯；除涼州和古浪外，降雪終日總體呈顯著提早趨勢， 氣候傾向率為-3.702～1.604 d/10 a，天祝、永昌提早最明顯；雪期呈縮短趨勢，氣候傾向率為-7.447～-0.097 d/10 a，天祝、永昌縮短最明顯。降雪初、 終日及雪期與氣溫和海拔高度具有極顯著相關(guān)性，氣溫每升高1 ℃，初日推遲約6.3 d，終日提早約7.6 d，雪期縮短約13.8 d；海拔每升高100 m，初日提早約3.3 d，終日推遲約4.0 d，雪期延長約7.3 d。

海拔高度、 地形地勢和天氣系統(tǒng)影響了石羊河流域降雪初、終日及雪期的空間分布。 研究發(fā)現(xiàn)[30]，石羊河流域海拔越高，氣溫越低，越易出現(xiàn)降雪，這與本研究的結(jié)論相一致。 石羊河流域降雪初日偏早和特早、 降雪終日偏晚和特晚以及雪期偏長和特長的概率雖小， 但仍會對各行業(yè)安全生產(chǎn)會造成一定的危害。 相關(guān)分析表明，石羊河流域降雪初、終日與氣溫和海拔高度的關(guān)系非常密切，與緯度、經(jīng)度關(guān)系不明顯，這可能與研究的范圍較小有關(guān)。降雪終日對氣候變暖和海拔高度變化的響應程度比降雪初日更敏感， 降雪終日的提早對雪期的縮短比降雪初日的推遲貢獻更大， 進一步印證了氣候變暖使冷空氣強度減弱和頻次減少可能是石羊河流域降雪初日推遲、降雪終日提早和雪期縮短的主要原因的推測。