河西走廊東部降雪量變化特征及其與大氣環(huán)流因子的關(guān)系

楊曉玲，孫占鋒，李巖瑛，王 勝

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

降水是水循環(huán)的主要驅(qū)動(dòng)，主要包括固態(tài)和液態(tài)兩種形態(tài)，降水形態(tài)的變化將導(dǎo)致區(qū)域水循環(huán)過程的改變。降雪變化是氣候變化的重要內(nèi)容之一，也是影響全球氣候的重要因素。降雪也是重要的淡水資源，全球至少1/6的人口生活用水是以降雪為主要補(bǔ)給［1］；中國(guó)寒區(qū)面積占43.5%［2］，降雪是該地區(qū)域水資源的主要組成部分；全球變暖驅(qū)動(dòng)了降水由雪向雨轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)，尤其是冬季降雪量變化［3］；總降水量不變，降雪比例的下降將直接影響可利用的水資源總量［4］；美國(guó)西部山區(qū)及高緯度地區(qū)觀測(cè)顯示，受氣候變暖影響，降雪減少導(dǎo)致春季徑流增加以及春汛提前，改變了流域年徑流分布，惡化了夏季農(nóng)業(yè)和生活用水情勢(shì)［5-7］。近年來，氣象學(xué)者對(duì)降雪多有研究，楊成芳等［8］探討了降雪過程的觸發(fā)機(jī)制；王東海等［9］分析了低溫雨雪冰凍天氣動(dòng)力學(xué)成因；王洪麗等［10］、周顯偉等［11］研究了暴雪過程天氣學(xué)特征；王文等［12］利用數(shù)值模擬了高原暴雪過程濕對(duì)稱不穩(wěn)定；孫秀忠等［13］、劉玉蓮等［14］、章誕武等［15］、陸桂榮等［16］、周曉宇等［17］研究了中國(guó)不同地區(qū)降雪數(shù)據(jù)長(zhǎng)序列的氣候變化特征；劉金平等［18］、秦艷等［19］分析了積雪時(shí)空變化及對(duì)氣候變化的響應(yīng)。以上研究為降雪的預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)和氣候變化研究提供了有益參考。

河西走廊東部人口密集，水資源開發(fā)利用程度高，用水矛盾突出，生態(tài)環(huán)境問題嚴(yán)重。在氣候變化和人類活動(dòng)雙重干擾下，河西走廊東部生態(tài)環(huán)境逐漸惡化，引發(fā)了水資源短缺、水土流失、冰川萎縮、河川斷流等一系列水環(huán)境問題。降雪是河西走廊東部水資源的來源之一，一方面，降雪可以緩解旱情，增加土壤墑情，利于冬小麥的安全過冬和增強(qiáng)春季作物返青生長(zhǎng)能力；另一方面，降雪可以增加祁連山積雪和水庫(kù)蓄水，利于增加河流來水量，因此，在氣候變暖及水資源嚴(yán)重短缺背景下，研究當(dāng)?shù)刈匀唤笛┳兓卣骶陀葹橹匾?。目前?duì)河西走廊東部降雪已進(jìn)行了一些研究［20，21］，但缺乏對(duì)降雪量時(shí)空變化特征的系統(tǒng)性分析，特別是降雪量變化與大氣環(huán)流特征量的遙相關(guān)性尚不明確。因此，本研究基于河西走廊東部降雪量長(zhǎng)時(shí)間序列數(shù)據(jù)集（1960—2018年），研究河西走廊東部降雪量變化特征及其與大氣環(huán)流的關(guān)系。這將對(duì)提高當(dāng)?shù)亟笛┑念A(yù)報(bào)預(yù)測(cè)水平、應(yīng)對(duì)氣候變化能力、適時(shí)開展人工增雪、科學(xué)利用水資源和改善生態(tài)環(huán)境有重要參考價(jià)值。

1 研究區(qū)概況

河西走廊東部地處青藏高原東北坡，南靠祁連山脈，北鄰騰格里和巴丹吉林兩大沙漠，東接黃土高原西緣。地理位置在101°06′—104°14′E，37°10′—39°24′N，海拔為1 300～3 100 m，從北向南依次為民勤縣、永昌縣、武威市、古浪縣、天?？h（圖1）。地勢(shì)南高北低，由西南向東北傾斜，地形地貌極為復(fù)雜，其中，北部民勤縣為沙漠戈壁干旱區(qū)，中部武威市為綠洲平原區(qū)，北部永昌縣和南部古浪縣為淺山區(qū)，天?？h屬于祁連山邊坡高寒山區(qū)。河西走廊東部深居大陸腹地、遠(yuǎn)離水汽源地，近地層水汽通道受到山系強(qiáng)烈阻擋較難到達(dá)當(dāng)?shù)兀又硟?nèi)地形和海拔的影響，長(zhǎng)期高溫干旱，年平均氣溫為0.2～8.6℃，空氣干燥，降水稀少，分布不均，年降水量為113.2～407.1 mm，其中，年降雪量為9.5～122.2 mm，蒸發(fā)和輻射強(qiáng)烈，日照充足，夏季短而炎熱，冬季長(zhǎng)而寒冷，晝夜溫差大，是季風(fēng)氣候與大陸氣候、高原氣候與沙漠氣候的交匯處，是較典型的氣候過渡帶，屬于溫帶干旱、半干旱氣候區(qū)［22］。

圖1 河西走廊東部海拔高度空間分布

2 資料來源與研究方法

2.1 資料來源

降雪資料來源于河西走廊東部永昌縣、民勤縣、武威市、古浪縣、天?？h的烏鞘嶺共5個(gè)氣象站，時(shí)段為1960—2018年。日降雪量（含雨夾雪，單位：mm）統(tǒng)計(jì)日界為20：00。5個(gè)氣象站在59年來均未曾遷移，觀測(cè)數(shù)據(jù)完整性和連續(xù)性較好。1960—2018年大氣環(huán)流特征量資料來源于國(guó)家氣候中心診斷預(yù)測(cè)室。

2.2 研究方法

全區(qū)域雪量為同一年份不同站點(diǎn)（n=5）的平均值，年平均雪量為同一站點(diǎn)不同年份（m=59年）的平均值。采用距平方法分析降雪量年代際變化。采用線性趨勢(shì)方法分析年際、季節(jié)降雪量的變化趨勢(shì)［23］，xi為樣本量n的氣候變量，ti表示xi所對(duì)應(yīng)時(shí)間，建立xi和t i之間的一元線性回歸方程，xi=ati+b，i=1，2，3，…，n，其中，a為氣候傾向率。變化趨勢(shì)的顯著性采用氣候趨勢(shì)系數(shù)進(jìn)行檢驗(yàn)，根據(jù)蒙特卡羅模擬方法［24］，通過信度α=0.10、0.05、0.01顯著性檢驗(yàn)所對(duì)應(yīng)的相關(guān)系數(shù)臨界值，依次為0.306、0.365、0.443，分別為較顯著、顯著、極顯著。運(yùn)用平均值（x）和均方差（σ）判斷指標(biāo)［25］對(duì)年降雪量進(jìn)行異常性判別：若波動(dòng)值在x±s，為正常年；若波動(dòng)值在x±σ和x±2σ之間，為偏多年或偏少年；若波動(dòng)值在x±2σ之外，為特多年或特少年。采用Pearson相關(guān)系數(shù)法［26］分析降雪量與大氣環(huán)流特征量的相關(guān)性。

3 降雪量時(shí)空變化

3.1 空間變化

河西走廊東部年平均降雪量和極值表現(xiàn)為自西南向東北呈快速遞減趨勢(shì)（圖2），全區(qū)域年平均降雪量為52.9 mm，其中，南部高寒山區(qū)天?？h降雪量最多，為122.2 mm；其次為南部淺山區(qū)古浪縣，為85.5 mm；再次為北部淺山區(qū)永昌縣，為26.4 mm；中部綠洲平原區(qū)武威市降雪量為21.2 mm；北部荒漠干旱區(qū)民勤縣最少，只有9.5 mm，南北差值高達(dá)112.7 mm。降雪量年極值與年平均的空間分布基本相同，南部山區(qū)明顯多于北部，其中，極多值南北差值高達(dá)155.7 mm，極少值南北差值高達(dá)72.3 mm。這一分布規(guī)律與該地區(qū)年降雪日［20］、年降雨日［27］和年降水量［28］的空間分布相一致。

圖2 河西走廊東部降雪量年平均和極值空間分布

河西走廊東部降雪量的空間分布與海拔高度密切相關(guān)，相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.923 8，通過了α=0.01的顯著性水平檢驗(yàn)，即降雪量隨海拔高度的增加而增多，可能是由于海拔越高，氣溫越低，越易出現(xiàn)降雪，河西走廊東部南北溫差高達(dá)8.4℃，南部山區(qū)氣溫低，易出現(xiàn)降雪，且降雪時(shí)段比北部長(zhǎng)，降雪量比北部多；其次，降雪量與地形地貌有一定的關(guān)系，南部山區(qū)處于祁連山東北邊坡，地形垂直落差大，地形抬升作用明顯，水汽易集聚，降雪天氣頻繁；再次，降雪量的分布與所受天氣系統(tǒng)有關(guān)，平原區(qū)和荒漠區(qū)主要受西風(fēng)帶環(huán)流影響，大氣攜帶的水汽相對(duì)較少，降雪量少；而山區(qū)位于祁連山東北側(cè)，西南季風(fēng)活躍，水汽充沛，降雪量自然多。由此可見，海拔高度、地形地貌以及天氣系統(tǒng)是影響河西走廊東部降雪量空間變化的主要原因。

3.2 時(shí)間變化

3.2.1 年代際變化 河西走廊東部全區(qū)域及各地降雪量各年代差異較大，總體在增多（表1）。全區(qū)域在20世紀(jì)60年代偏少、80年代略偏少、70年代和90年代偏多，21世紀(jì)00年代偏少，21世紀(jì)10年代（2010—2018年）略偏多；永昌縣在20世紀(jì)的60年代略偏多、70年代持平、80—90年代略偏少，21世紀(jì)00年代偏少，21世紀(jì)10年代偏多；民勤縣在20世紀(jì)的60年代略偏多、70年代略偏少、80—90年代偏少，21世紀(jì)00年代略偏多，21世紀(jì)10年代偏多；武威市在20世紀(jì)的60—70年代略偏多，80年代偏少、90年代偏多，21世紀(jì)00年代略偏少，21世紀(jì)10年代持平；古浪縣在20世紀(jì)的60年代偏少、70年代和90年代特多，20世紀(jì)80年代和21世紀(jì)00年代特少，21世紀(jì)10年代略偏多；天?？h在20世紀(jì)的60年代特少、70年代和90年代偏多、80年代特多，21世紀(jì)前19年略偏少。20世紀(jì)60年代至21世紀(jì)10年代全區(qū)域、永昌縣、民勤縣、古浪縣、天?？h降雪量分別增加了4.2、3.1、2.0、5.1、10.8 mm，武威市減少了0.1 mm。

表1河西走廊東部逐年代降雪量距平 （單位：mm）

3.2.2 年際變化 河西走廊東部全區(qū)域及各地（除古浪縣外）年降雪量總體呈增多趨勢(shì)（圖3）。用線性趨勢(shì)統(tǒng)計(jì)了全區(qū)域及各地年降雪量的氣候傾向率和趨勢(shì)系數(shù)（表2），古浪縣減少明顯，其他各地均在增多，天?？h增多最明顯。根據(jù)蒙特卡羅模擬方法規(guī)定，全區(qū)域及各地氣候趨勢(shì)系數(shù)均沒有通過顯著性水平檢驗(yàn)，增多或減少趨勢(shì)不顯著。楊曉玲等［28，29］、孟秀敬等［30］研究發(fā)現(xiàn)，河西走廊東部年氣溫呈升高趨勢(shì)、年降水量呈增多趨勢(shì)，但古浪縣年降水量呈減少趨勢(shì)，與降雪量的變化趨勢(shì)一致。由此可知，在氣候變暖的背景下，河西走廊東部年降水量和年降雪量均呈增多趨勢(shì)，并沒有出現(xiàn)雪向雨轉(zhuǎn)化的明顯態(tài)勢(shì)。

圖3 河西走廊東部降雪量年際變化

表2河西走廊東部年降雪量的氣候傾向率及趨勢(shì)系數(shù)

3.2.3 季節(jié)變化 河西走廊東部降雪主要出現(xiàn)在春、秋、冬季，夏季7—8月未出現(xiàn)降雪，6月永昌縣、古浪縣和天?？h只有個(gè)別年份出現(xiàn)了降雪。全區(qū)域及各地降雪量季節(jié)變化明顯，均為春季最多，為4.3～56.7 mm；秋季次之，為3.1～45.0 mm；再次為冬季，為2.2～12.7 mm（表3）。各季節(jié)降雪量的極多值變化差異也很大，春季為17.3～111.2 mm，秋季為19.9～85.1 mm，冬季為11.9～32.9 mm。

各季節(jié)降雪量的變化趨勢(shì)不盡相同（表3），春季全區(qū)域及永昌縣、天?？h降雪量呈增多趨勢(shì)，民勤縣、武威市、古浪縣呈減少趨勢(shì)；秋季民勤縣和天祝縣呈增多趨勢(shì)，全區(qū)域及永昌縣、武威市和古浪縣呈減少趨勢(shì)，春、秋季全區(qū)域及各地氣候趨勢(shì)系數(shù)均沒有通過顯著性水平檢驗(yàn)，增多或減少趨勢(shì)不顯著。冬季全區(qū)域及各地均呈增多趨勢(shì)，天?？h氣候趨勢(shì)系數(shù)通過了α=0.01的顯著性水平檢驗(yàn)，增多趨勢(shì)極顯著，全區(qū)域和永昌縣氣候趨勢(shì)系數(shù)通過了α=0.05的顯著性水平檢驗(yàn)，增多趨勢(shì)顯著，民勤縣、武威市和古浪縣氣候趨勢(shì)系數(shù)均沒有通過顯著性水平檢驗(yàn)，增多趨勢(shì)不顯著。

表3 河西走廊東部各季節(jié)降雪量、氣候傾向率及趨勢(shì)系數(shù)

3.3 降雪量異常變化

河西走廊東部各地年降雪量的異常性相對(duì)一致，正常年份最多，依次向兩端迅速減少（表4）。降雪量正常年為37～43年，發(fā)生概率為62.7%～72.9%；降雪量異常年為16～22年，發(fā)生概率為27.1%～37.3%，其中，特多年發(fā)生概率為1.7%～6.8%，偏多年發(fā)生概率為8.5%～18.6%，偏少年發(fā)生概率為11.9%～20.3%，特少年發(fā)生概率為0～1.7%［31，32］。

表4 河西走廊東部降雪量異常年數(shù) （單位：年）

4 降雪量與大氣環(huán)流因子的關(guān)系

氣候尺度大氣環(huán)流活動(dòng)是天氣尺度系統(tǒng)變化的大背景場(chǎng)，而天氣尺度系統(tǒng)變化是對(duì)氣候尺度大氣環(huán)流活動(dòng)的響應(yīng)［33-35］。降雪天氣的產(chǎn)生要求有冷空氣配合相應(yīng)的水汽條件，充足的水汽是出現(xiàn)較強(qiáng)降雪的必要條件［36］。為了更好地了解影響河西走廊東部降雪的氣候尺度大氣環(huán)流因子，選取了表征冷空氣強(qiáng)度、面積以及冷空氣移動(dòng)和水汽條件、水汽輸送路徑等的大氣環(huán)流特征量共14個(gè)，進(jìn)行河西走廊東部降雪量與環(huán)流特征量的相關(guān)性分析，由于各季節(jié)降雪的形成機(jī)制不同，河西走廊東部春、秋、冬季降雪量與大氣環(huán)流特征量的相關(guān)性差異較大（表5）。

表5 河西走廊東部季節(jié)降雪量與環(huán)流特征量的相關(guān)系數(shù)

季節(jié)降雪量與同一季環(huán)流特征量相關(guān)分析表明，①春季。降雪量與印度副熱帶高壓面積相關(guān)性最高，相關(guān)系數(shù)為0.440，通過了α=0.01顯著性水平檢驗(yàn)；其次，與北半球極渦強(qiáng)度、西太平洋副熱帶高壓強(qiáng)度和面積、南海副熱帶高壓強(qiáng)度、東亞槽位置相關(guān)性高，均通過了α=0.05顯著性水平檢驗(yàn)；再次，與南方濤動(dòng)相關(guān)性較高，通過了α=0.10顯著性水平檢驗(yàn)。②秋季。降雪量與西太平洋副熱帶高壓面積相關(guān)性最高，相關(guān)系數(shù)為-0.337，通過了α=0.01顯著性水平檢驗(yàn)；其次，與西太平洋副熱帶高壓強(qiáng)度、南海副熱帶高壓強(qiáng)度、東壓槽強(qiáng)度相關(guān)性高，均通過了α=0.05顯著性水平檢驗(yàn)；再次，與西藏高原相關(guān)性較高，通過了α=0.10顯著性水平檢驗(yàn)。③冬季。降雪量與東亞槽強(qiáng)度相關(guān)性最高，相關(guān)系數(shù)為0.368，通過了α=0.01顯著性水平檢驗(yàn)；其次，與亞洲區(qū)極渦強(qiáng)度、西太平洋副熱帶高壓強(qiáng)度、北半球極渦面積相關(guān)性高，通過了α=0.05顯著性水平檢驗(yàn)；再次，與亞洲區(qū)極渦面積、西太平洋副熱帶高壓面積、北半球極渦強(qiáng)度、印度副熱帶高壓面積相關(guān)性較高，通過了α=0.10顯著性水平檢驗(yàn)。

季節(jié)降雪量與上一季環(huán)流特征量相關(guān)分析表明，①春季。降雪量與亞洲經(jīng)向環(huán)流相關(guān)性最高，相關(guān)系數(shù)為-0.391，通過了α=0.01顯著性水平檢驗(yàn)；其次，與亞洲區(qū)極渦面積、亞洲緯向環(huán)流、西太平洋副熱帶高壓面積相關(guān)性高，均通過了α=0.05顯著性水平檢驗(yàn)；再次，與西太平洋副熱帶高壓強(qiáng)度、印度副熱帶高壓面積相關(guān)性較高，通過了α=0.10顯著性水平檢驗(yàn)。②秋季。降雪量與南方濤動(dòng)相關(guān)性較高，通過了α=0.10顯著性水平檢驗(yàn)。③冬季。降雪量與北半球極渦強(qiáng)度、東亞槽強(qiáng)度相關(guān)性最高，相關(guān)系數(shù)分別為-0.443、0.437，通過了α=0.01顯著性水平檢驗(yàn)；其次，與亞洲經(jīng)向環(huán)流、西太平洋副熱帶高壓強(qiáng)度和面積、北半球極渦面積、南海副熱帶高壓強(qiáng)度相關(guān)性高，通過了α=0.05顯著性水平檢驗(yàn)；再次，與亞洲區(qū)極渦強(qiáng)度相關(guān)性較高，通過了α=0.10顯著性水平檢驗(yàn)。

總之，季印度副熱帶高壓面積、西太平洋副熱帶高壓面積、東亞槽強(qiáng)度分別對(duì)同季春、秋、冬季降雪量的影響最明顯；季亞洲經(jīng)向環(huán)流、北半球極渦強(qiáng)度和東亞槽強(qiáng)度分別對(duì)下一季春、冬降雪量的影響最明顯。因此，以上環(huán)流特征量是河西走廊東部降雪的主要大尺度環(huán)流背景，是降雪預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)的強(qiáng)信號(hào)。說明極渦強(qiáng)度和面積、副熱帶高壓強(qiáng)度和面積、東亞槽強(qiáng)度和亞洲經(jīng)向環(huán)流等中高緯度環(huán)流系統(tǒng)與河西走廊東部降雪關(guān)系較為密切。各季節(jié)沒有通過相關(guān)性檢驗(yàn)的各大氣環(huán)流量對(duì)降雪量的影響較小。

5 小結(jié)與討論

受海拔高度、地形地貌以及天氣系統(tǒng)的影響，河西走廊東部年平均降雪量及極值的空間分布從西南向東北呈快速遞減趨勢(shì)。除古浪縣外，河西走廊東部年及年代降雪量呈增多趨勢(shì)，天祝縣降雪量增多趨勢(shì)最明顯，在氣候變暖的背景下，河西走廊東部年降雪量呈增多趨勢(shì)，并沒有出現(xiàn)雪向雨轉(zhuǎn)化的明顯態(tài)勢(shì)。降雪主要出現(xiàn)在春、秋、冬三季，春季最多，秋季次之，再次冬季，全區(qū)域與各地春、秋、冬季降雪量的年變化不太一致，春、冬季在增多，秋季在減少。各地年降雪量的異常性比較一致，正常年份發(fā)生概率為62.7%～72.9%，依次向兩端迅速遞減，特多或特少降雪量出現(xiàn)概率雖小，但對(duì)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人類生命財(cái)產(chǎn)造成嚴(yán)重影響。

季印度副熱帶高壓面積、西太平洋副熱帶高壓面積、東亞槽強(qiáng)度分別對(duì)同季春、秋、冬季降雪量的影響最明顯；季亞洲經(jīng)向環(huán)流、北半球極渦強(qiáng)度和東亞槽強(qiáng)度分別對(duì)下一季春、冬季降雪量的影響最明顯。各季節(jié)沒有通過相關(guān)性檢驗(yàn)的各大氣環(huán)流量對(duì)降雪量的影響較小。

目前，對(duì)河西走廊東部降雪的研究主要集中在分析降雪日時(shí)空變化［20］，討論降雪與人工增雪的關(guān)系［21］，降雪初、終日及雪期特征［37］，分析冬季降雪變化［38］等方面。本研究不僅系統(tǒng)分析了降雪量時(shí)空變化特征，還初步探討了降雪量變化與大氣環(huán)流特征的遙相關(guān)性，對(duì)提高當(dāng)?shù)亟笛┑念A(yù)報(bào)預(yù)測(cè)水平、研究區(qū)域氣候變化以及改善生態(tài)環(huán)境有一定的參考依據(jù)。但降雪的形成機(jī)制和引起降雪變化的原因極其復(fù)雜，本研究對(duì)降雪的形成機(jī)理和變化原因涉及較少，缺乏深層次的降雪變化與大氣環(huán)流量之間物理機(jī)制分析，以后的工作中有待于進(jìn)一步深入探究。