1961—2017年新疆積雪期時空變化特征及其與氣象因子的關(guān)系

王 慧，王梅霞，王勝利，余行杰

（新疆維吾爾自治區(qū)氣候中心，新疆烏魯木齊830002）

0 引言

積雪是冰凍圈的主要存在形式之一［1］，在全球變暖背景下，積雪對氣候變化具有高度敏感性和重要反饋作用［2-3］。積雪對全球能量平衡、氣候、水文以及生態(tài)變化有顯著影響，是表征積雪氣候環(huán)境特征與水資源條件的重要指標［4-5］。隨著全球氣候變暖，各種冰凍圈災(zāi)害頻發(fā)，威脅人們生命財產(chǎn)安全，更使得積雪變化研究具有重要意義［6］。

近年來，許多學者對積雪進行了大量研究。北半球在1972—2000年間最大積雪面積從2月提前至1月［7］，歐亞大陸春夏季積雪覆蓋明顯衰退，秋冬季變化不大［8］，北美洲冬季積雪減少較顯著［9］。有研究指出，中國冰凍天氣空間分布差異性顯著，1979—2006年冬季青藏高原雪深、積雪日數(shù)隨時間逐漸減少，新疆和東北地區(qū)表現(xiàn)出與其相反的特征［10］。中國東北地區(qū)積雪存在減少趨勢［11-12］，而西部積雪表現(xiàn)為緩慢增加趨勢［13］。新疆地處西北，緯度相對較高，冬季漫長，對新疆積雪的研究較多。研究指出，新疆地區(qū)積雪最大深度呈增加趨勢，而積雪覆蓋周期變短［14-15］。20世紀80年代以來，新疆積雪厚度和最大積雪深度呈輕微增加趨勢，其中90年代增加最明顯［16］。但大部分研究針對新疆局部區(qū)域，如北疆［17-19］、天山山區(qū)［20］、阿勒泰［21］等進行探討，缺少基于氣象站點的新疆區(qū)域積雪期時空特征變化規(guī)律及其與氣象因子相關(guān)性研究。同時，在全球氣候變暖的大背景下，近幾年新疆氣候變暖幅度有所加大，最暖的5年中4年出現(xiàn)在2011年以后，因此積雪期也發(fā)生一些變化。

本文利用新疆89個氣象觀測站逐日積雪深度觀測資料，探討近57年來全球氣候變暖背景下新疆各地積雪期和積雪初日、終日的時空變化規(guī)律。新疆積雪主要分布在北疆和天山山區(qū)，南疆大部地區(qū)冬季少雪或無降雪，而冬季天山山區(qū)與北疆地區(qū)通常受同一天氣系統(tǒng)影響形成降雪，二者的積雪變化有較好的一致性［22］。因此，對北疆和天山山區(qū)積雪期的年代際和周期變化特征及其與氣溫、降水的關(guān)系進行研究探討，以期對新疆區(qū)域水資源管理、氣候變化預測提供參考。

1 數(shù)據(jù)與方法

本文選用1961—2018年新疆89個國家級氣象觀測站逐日積雪深度觀測資料，以及同期各站點逐日平均氣溫和降水量資料。選取當年7月至次年6月為一個積雪觀測年，即1961年7月至1962年6月作為1961年資料，以此類推得到1961—2017年57年時間序列，主要采用積雪期、積雪初日、積雪終日3個指標進行分析；積雪初日為每個積雪觀測年內(nèi)首次出現(xiàn)積雪深度≥0.5 cm的日期；積雪終日為每個積雪觀測年最后出現(xiàn)積雪深度≥0.5 cm的日期；積雪期是每個積雪觀測年內(nèi)積雪初日、積雪終日之間的日數(shù)為積雪期［12，17］；積雪初日、積雪終日多年平均值是以每一個積雪期觀測年當年7月1日為參考日期，即第1天，將每年積雪初日、終日轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的天數(shù)，然后計算多年平均天數(shù)，最后再以7月1日為參考日期將多年平均天數(shù)轉(zhuǎn)換為具體日期，記為積雪初日、積雪終日多年平均值。參照新疆氣候特點研究選取氣象代表站為北疆37站、天山山區(qū)14站、南疆38站，具體分布見圖1。

圖1 新疆氣象站點分布Fig.1 Distribution of meteorological stations in Xinjiang

積雪期的指標變化趨勢分析采用一元線性回歸進行。式中：y為積雪期的指標值；t為時間；a、b為經(jīng)驗常數(shù)。用最小二乘法通過實測資料計算出a、b的值，其中a為直線斜率，數(shù)值的正負反映氣候要素的年平均增加、減少速率。積雪期指標的變化趨勢顯著性檢驗采用相關(guān)系數(shù)的顯著性檢驗判斷，即相關(guān)系數(shù)通過0.05的顯著性水平則說明變化趨勢顯著。對于新疆積雪期、積雪初日、積雪終日多年平均的空間分布圖采用反距離權(quán)重法進行插值。使用小波函數(shù)研究北疆和天山山區(qū)積雪期指標特征尺度和周期性，通過北疆和天山山區(qū)地區(qū)積雪期指標的小波方差和小波分析系數(shù)實部進行周期變化分析［23-24］。

2 新疆積雪期時空變化特征

2.1 多年平均空間分布

由于新疆地域遼闊、地形復雜，各地氣候差異大，因此積雪期長短和積雪初日、終日相差很大。1961—2017年新疆積雪期平均為106 d，積雪初日平均出現(xiàn)在11月24日、積雪終日平均出現(xiàn)在3月13日。積雪期，北疆及天山山區(qū)平均為133 d、186 d，南疆僅為41 d；積雪初日，北疆及天山山區(qū)平均出現(xiàn)在11月11日、10月17日，南疆出現(xiàn)在12月29日；積雪終日，北疆及天山山區(qū)平均出現(xiàn)在3月23日、4月21日，南疆平均出現(xiàn)在2月10日。

從圖2（a）可見，1961—2017年積雪期多年平均空間分布以天山為界北多南少，天山山區(qū)及其以北的大部地區(qū)在120 d以上，南疆大部地區(qū)在50 d以下；其中天山西部和中部的山區(qū)氣象站可達200 d以上，其次新疆北部阿勒泰、塔城地區(qū)、伊犁河谷的大部地區(qū)和烏魯木齊以東的北疆沿天山一帶在150～200 d之間。積雪初日空間分布見圖2（c），北疆大部地區(qū)出現(xiàn)在11月上旬至中旬，南疆大部地區(qū)出現(xiàn)在12月中旬以后；天山山區(qū)和北疆北部、東部的部分地區(qū)積雪初日出現(xiàn)相對較早，多在10月，尤其是天山西部和中部的海拔3 500 m以上的山區(qū)氣象站（如大西溝、吐爾尕特氣象站）最早出現(xiàn)在7、8月，也就是說這些地區(qū)一年四季均有積雪出現(xiàn)。積雪終日的空間分布見圖2（e），分布特征與積雪初日基本一致，北疆和天山山區(qū)積雪結(jié)束相對較晚、南疆早；北疆大部地區(qū)出現(xiàn)在3月中下旬，天山山區(qū)和北疆北部、東部的部分地區(qū)出現(xiàn)相對更晚，多在4月上旬初，大西溝、吐爾尕特氣象站最晚出現(xiàn)在6月；南疆大部地區(qū)出現(xiàn)在1月下旬至2月上旬，部分山區(qū)氣象站出現(xiàn)在3月。

圖2 1961—2017年新疆積雪期和積雪初日、積雪終日多年平均值及其變化趨勢空間分布Fig.2 The spatial distributions of snow cover duration（a）and its variation trend（b），initial snow cover date（c）and its variation trend（d），final snow cover date（e）and its variation trend（f）in Xinjiang，1961—2017（The filled circle represents pass the test of significance and the hollow circle represents failed）

由于南疆區(qū)域冬季平均降水量僅有4.9 mm，總體冬季少雪或無雪。從表1可見，近57年南疆38個氣象站中35站（約占92%）積雪期≤5 d出現(xiàn)5 a以上、20站（約占53%）出現(xiàn)在20 a以上；33站（約占87%）積雪期≤1 d出現(xiàn)5 a以上，10站（約占26%）出現(xiàn)在20 a以上，其中20站（約占53%）5 a以上冬季無積雪、8站（約占21%）10 a以上冬季無積雪、3站20 a以上冬季無積雪。同時，南疆各地積雪出現(xiàn)早晚和積雪期的長短差異極大，即使同一氣象站不同年份積雪期差異也很大。近57年在南疆少雪或無雪區(qū)有30個氣象站出現(xiàn)積雪期大于100 d，出現(xiàn)這種情況多為某一年積雪初日出現(xiàn)相對較早、終日出現(xiàn)對較晚，因而積雪期長，但積雪日數(shù)仍然很少；如南疆西部相對降雪較多的拜城1961—2017年間僅4 a出現(xiàn)1 d積雪或無積雪，而積雪期出現(xiàn)100 d以上的年份有11 a，其中1995年最多為155 d，當年積雪初日出現(xiàn)在10月19日，積雪終日出現(xiàn)在3月21日，但積雪日數(shù)僅為27 d；而吐魯番地區(qū)的托克遜則近57年間31 a無積雪、積雪期20 d以上的只有6 a，吐魯番24 a無積雪、積雪期20 d以上的有14 a。因此，在后期分析近57年新疆區(qū)域積雪期變化趨勢時，重點分析北疆和天山山區(qū)，而對南疆少雪區(qū)的變化特征將不做進一步分析和闡述。

表1 1961—2017年南疆積雪期≤10 d的不同時間長度站數(shù)統(tǒng)計Table 1 The number of meteorological stations，which had the snow cover duration of 0 d，≤1 d，≤5 d and≤10 d for≥30 a，≥20 a，≥10 a and≥5 a in southern Xinjiang，1961—2017

2.2 年際變化

1961—2017年北疆及天山山區(qū)積雪期特征統(tǒng)計分析見表2，結(jié)果表明上述兩個區(qū)域均呈現(xiàn)積雪期減少、積雪初日顯著推遲、積雪終日略提早的變化趨勢，而積雪期的變化與積雪日數(shù)變化［19，25］一致，均呈略減少的趨勢。其中，北疆及天山山區(qū)積雪期減少速率分別為1.38 d·（10a）-1、3.67 d·（10a）-1，天山山區(qū)顯著減少；北疆及天山山區(qū)積雪初日分別以1.35 d·（10a）-1、2.16 d·（10a）-1的速率顯著推遲，積雪終日分別以0.01 d·（10a）-1、1.53 d·（10a）-1的速率略提早。由此可見，近57年北疆和天山山區(qū)積雪期減少主要是由于積雪初日的顯著推遲造成的。王秋香等［19］研究得到北疆1961—2006年積雪日數(shù)和穩(wěn)定積雪日數(shù)有長期增加的趨勢，主要增加在20世紀60—80年代；穩(wěn)定積雪日數(shù)20世紀80年代以來增速減緩；20世紀90年代有所減少，積雪日數(shù)在20世紀90年代中后期也是一個較少期，與本文中北疆地區(qū)積雪期變化趨勢有所不同，究其原因主要是由于選取積雪資料時間序列不同，導致積雪變化趨勢也有所改變。

表2 1961—2017年北疆和天山山區(qū)積雪期變化趨勢Table 2 Annual mean snow cover days and variation trend of snow cover duration and of initial snow cover date and final snow cover date in northern Xinjiang and the Tianshan Mountains，1961—2017

從圖2（b）、（d）、（f）可見，近57年北疆和天山山區(qū)51個氣象站中40站（約占78%）積雪期呈減少趨勢，12站（約占24%）顯著減少，主要分布在天山中東部一帶以及塔城北部、阿勒泰東部的部分地區(qū)，這些地區(qū)也是新疆積雪豐富的地區(qū)；積雪初日總體呈略推遲趨勢，34站（約占區(qū)域的67%）推遲，8站顯著推遲，主要分布區(qū)域與積雪期顯著減少的區(qū)域基本一致；積雪終日總體變化趨勢不明顯，51站中29站提早、22站推遲。

3 北疆和天山山區(qū)積雪期周期

圖3 （a）～（f）為1961—2017年北疆和天山山區(qū)積雪期以及積雪初日、終日的小波系數(shù)等值線圖，由圖可見，小波系數(shù)正值（實線）和負值（虛線）交替出現(xiàn)，形成了北疆和天山山區(qū)的積雪日數(shù)在不同時間尺度上的周期變化特征。

近57年來，北疆積雪期存在2 a、6 a、8 a、14 a的周期動態(tài)，其中14 a周期變化是在20世紀70年代至今表現(xiàn)明顯，經(jīng)歷3次“＋－”相位循環(huán)，20世紀60年代處于削弱狀態(tài)，8 a周期變化是在20世紀70年代中期至21世紀初期振蕩明顯，經(jīng)歷4次“＋－”相位循環(huán)，其他時間處于削弱狀態(tài)，6 a周期變化在20世紀90年代中后期開始表現(xiàn)比較明顯，2 a周期變化在近50年來一直存在，但是在20世紀60年代和20世紀90年代左右周期變化不明顯。北疆積雪初日存在3 a、12 a的周期，其中12 a在20世紀60年代中期至20世紀90年代中期之間周期振蕩明顯，經(jīng)歷了3次“＋－”相位循環(huán)，3 a周期變化是在20世紀70年代末至20世紀90年代末之間表現(xiàn)明顯，經(jīng)歷了5次“＋－”相位循環(huán)；積雪終日存在3 a、5 a的周期，但是周期信號較弱，周期變化不明顯。

圖3 北疆和天山山區(qū)積雪期、積雪初日和終日小波變換系數(shù)等值線圖Fig.3 The wavelet coefficient isolines of snow cover duration（a），initial snow cover date（c）and final snow cover date（e）in northern Xinjiang，and of snow cover duration（b），initial snow cover date（d）and final snow cover date（f）in the Tianshan Mountains

天山山區(qū)積雪期存在3 a、9 a、14 a的周期動態(tài)，其中14 a周期變化是在20世紀60年代至20世紀90年代末之間表現(xiàn)明顯，經(jīng)歷3次“＋－”相位循環(huán)，其余時間均處于削弱狀態(tài)，9 a周期變化在20世紀70年代中期開始至今一直存在表現(xiàn)明顯，經(jīng)歷5次“＋－”相位循環(huán)，3 a的周期近57年一直存在。天山山區(qū)積雪初日存在5 a和15 a的周期，其中15 a周期在近57年一直明顯存在，經(jīng)歷了3次“－＋”相位循環(huán)，5 a周期變化是在20世紀80年代末至21世紀初之間表現(xiàn)明顯，經(jīng)歷了4次“＋－”相位循環(huán)；積雪終日在20世紀70年代中期至90年代末存在9 a的周期動態(tài)，其他時期周期信號較弱。

總體上，北疆和天山山區(qū)在積雪期均出現(xiàn)一個14～15 a周期變化，均經(jīng)歷了3次“＋－”相位循環(huán)，北疆在20世紀60年代處于削弱狀態(tài)，天山山區(qū)在20世紀90年代末以來處于削弱狀態(tài)，北疆和天山山區(qū)的短周期振蕩一直都存在。北疆和天山山區(qū)的積雪初日均出現(xiàn)一個長周期振蕩，振蕩周期較為穩(wěn)定，北疆短周期振蕩進入20世紀90年代后逐漸減小，天山山區(qū)短周期振蕩在21世紀初才逐漸減小。北疆和天山山區(qū)兩地的積雪終日的振蕩周期信號均較弱，周期變化不明顯。

4 北疆和天山山區(qū)積雪期與氣溫、降水的關(guān)系

計算北疆和天山山區(qū)積雪關(guān)鍵指標與冬半年（9月至次年5月，下同）、各季節(jié)平均氣溫和降水量的相關(guān)系數(shù)見表3。結(jié)果表明，北疆和天山山區(qū)積雪日數(shù)3個關(guān)鍵指標與氣溫的關(guān)系更為密切，降水影響相對較小。北疆和天山山區(qū)積雪初、終日出現(xiàn)的早晚與其出現(xiàn)季節(jié)的平均氣溫顯著相關(guān)，即積雪初日與秋季氣溫顯著正相關(guān)、積雪終日與春季氣溫顯著負相關(guān)；同時，北疆積雪初、終日出現(xiàn)的早晚與其出現(xiàn)季節(jié)降水量也顯著相關(guān)，天山山區(qū)則與降水的相關(guān)不顯著。積雪期長短主要由積雪初日和積雪終日的早晚決定，因此積雪期與秋季和次年春季平均氣溫相關(guān)顯著；北疆和天山山區(qū)無論冬季氣溫高低，冬季都處于積雪期內(nèi)，因此其對積雪期長短影響不大。這與李培基［26］研究得到的新疆積雪日數(shù)與氣溫的關(guān)系更為密切的結(jié)論是一致的，與冬季降水的關(guān)系雖都表現(xiàn)為正相關(guān)，但相關(guān)關(guān)系的顯著性存在差異。由此可見，北疆及天山山區(qū)的積雪期減少、積雪終日略提早，但積雪初日顯著推遲，主要是與全球氣候變暖的背景下北疆和天山山區(qū)春季、秋季平均氣溫增暖有關(guān)［27-28］。

表3 北疆和天山山區(qū)積雪期與冬半年及各季平均氣溫、降水量的相關(guān)系數(shù)Table 3 The correlation coefficients between initial snow cover date，final snow cover date and snow cover duration and mean air temperature and precipitation in winter half year and autumn，winter and spring in northern Xinjiang and the Tianshan Mountains

積雪期和積雪初日、終日的年代際變化特征見表4。北疆和天山山區(qū)變化基本一致。20世紀60、80、90年代相對1961—2017年多年平均值是積雪期長、積雪初日早的時段，20世紀80年代是積雪期最長、積雪初日最早的10年；而20世紀70年代和2000年以來則是積雪期短、積雪初日晚的時段，21世紀前10年是積雪期最短、積雪初日最晚的10年。積雪終日，北疆年代際變化不大，與多年平均值相比偏早、偏晚均在2 d以內(nèi)；天山山區(qū)與多年平均值相比，20世紀60、80、90年代偏晚，20世紀80年代最晚，20世紀70年代與多年平均持平，2000年以來提早4～5 d。

北疆和天山山區(qū)冬半年平均氣溫、降水量的年代際變化一致，相對多年平均值均表現(xiàn)為20世紀60年代至20世紀80年代為氣溫偏低、降水偏少的時段，20世紀90年代以來進入氣溫偏高、降水偏多的時段。北疆冬半年平均氣溫年代際變化呈持續(xù)增暖的趨勢，天山山區(qū)冬半年平均氣溫在21世紀初呈持續(xù)增暖的趨勢，但近幾年年平均氣溫較21世紀初增暖的趨勢略有回落；北疆和天山山區(qū)冬半年降水除20世紀70年代較20世紀60年代減少，后期降水持續(xù)增加。這與施雅風等［29］研究得到1987年西北西中部出現(xiàn)由暖干向暖濕轉(zhuǎn)型的突變是一致的，尤其北疆和天山山區(qū)屬于顯著轉(zhuǎn)型區(qū)（出現(xiàn)顯著變濕）；同時，20世紀80年代和進入21世紀以來積雪期的劇烈變化，可能與20世紀80年代新疆氣候的轉(zhuǎn)型期［29］有關(guān)。李培基［26］也認為新疆冬季降雪量的年際波動并非是由于冬季氣溫年際波動所引起的，冬季氣溫和降雪量變化受不同的歐亞環(huán)流振蕩所控制，二者是相互獨立的。

表4 北疆和天山山區(qū)積雪期和年平均氣溫、降水量的年代平均值Table 4 Decadal average values of initial snow cover date，final snow cover date，snow cover duration，and air temperature and precipitation in winter half year in northern Xinjiang and the Tianshan Mountains

5 結(jié)論

（1）新疆積雪期、積雪初日和終日存在明顯的區(qū)域差異，積雪期以天山為界北多南少；從空間分布看，天山山區(qū)和新疆北部阿勒泰、塔城和伊犁河谷的大部地區(qū)是新疆積雪豐富的地區(qū)，也是積雪期相對較長的區(qū)域。

（2）北疆和天山山區(qū)積雪期均呈減少趨勢，天山山區(qū)減少趨勢顯著，積雪初日均呈顯著推遲趨勢，積雪終日呈略提早趨勢，但變化趨勢不顯著。近57年上述區(qū)域78%的氣象站積雪期呈減少趨勢，中天山一帶以及塔城地區(qū)和阿勒泰東部的12站顯著減少，這些地區(qū)也是新疆積雪豐富的地區(qū)；67%的氣象站積雪初日推遲，8站顯著推遲，主要分布區(qū)域與積雪期顯著減少的區(qū)域基本一致；各氣象站積雪終日總體變化趨勢不顯著。

（3）北疆和天山山區(qū)積雪期指標均存在不同時間尺度上的周期變化特征。北疆和天山山區(qū)積雪期均存在2～3 a的短周期、14～15 a的長周期。北疆積雪初日12 a長周期振蕩較為穩(wěn)定，3 a短周期的振蕩在1990年后逐漸減??；天山山區(qū)15 a周期在近50多年一直明顯存在，5 a周期在20世紀80年代末至21世紀初之間表現(xiàn)明顯。兩個區(qū)域積雪終日的周期信號均較弱。

（4）北疆和天山山區(qū)積雪期、積雪初日和終日受氣溫影響大于降水。北疆和天山山區(qū)積雪期長短與秋季和次年春季氣溫相關(guān)顯著，冬季氣溫對積雪期長短影響不大；積雪初、終日出現(xiàn)的早晚與其出現(xiàn)季節(jié)的平均氣溫顯著相關(guān)，因此該區(qū)域春季、秋季氣溫增暖是造成其積雪期減少、積雪初日顯著推遲、積雪終日略提早的主要原因；20世紀80年代和進入2000年以來積雪期的劇烈變化，可能也與20世紀80年代新疆氣候的轉(zhuǎn)型期有關(guān)。