近50 a長(zhǎng)江中下游地區(qū)積雪日數(shù)時(shí)空變化及其氣候指示意義

閆軍輝，魏 然，王 娟，牛繼強(qiáng)*，計(jì)舒懷，盧 山，李雪婷

(1. 信陽(yáng)師范學(xué)院 地理科學(xué)學(xué)院/河南省水土環(huán)境污染協(xié)同防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/信陽(yáng)市氣候與環(huán)境演變重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 河南 信陽(yáng) 464000; 2. 陜西省氣候中心, 陜西 西安 710014; 3. 信陽(yáng)市氣象局, 河南 信陽(yáng) 464000; 4. 固始縣氣象局, 河南 信陽(yáng) 465200)

0 引言

積雪指降雪、冰粒、表霜、凍雨以及大部分已凍雨水形成的覆蓋在地球表面的雪層[1]。作為地球冰凍圈和氣候系統(tǒng)的重要組成部分，積雪覆蓋的下墊面對(duì)地表水文、大氣環(huán)流等產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響全球和區(qū)域氣候變化。同時(shí)，作為全球氣候變化的敏感指示器和放大器，積雪變化對(duì)全球氣候變化的監(jiān)測(cè)有重要的應(yīng)用價(jià)值[2-3]。隨著全球氣候增暖，積雪日數(shù)時(shí)空變化引起學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，并取得顯著進(jìn)展。最新研究顯示，中國(guó)年平均積雪日數(shù)呈微弱增加趨勢(shì)[4]，但存在季節(jié)和區(qū)域差異：春季和秋季積雪日數(shù)呈緩慢減小趨勢(shì)，而冬季則呈增加趨勢(shì)[5]；區(qū)域上，秦嶺和青藏高原積雪日數(shù)呈減少趨勢(shì)[6-7]，而西北干旱區(qū)、東北地區(qū)的積雪日數(shù)卻呈增加趨勢(shì)[8-9]，且積雪日數(shù)變化與海拔高度關(guān)系密切[10]。積雪日數(shù)變化的驅(qū)動(dòng)因素方面，眾多研究認(rèn)為氣溫和降水是導(dǎo)致積雪日數(shù)變化的直接因素[6]，除此之外，積雪日數(shù)還與ENSO、AO和BLOCKING等海氣因子存在時(shí)頻關(guān)聯(lián)性特征[4]。盡管前人做了大量工作，但這些研究區(qū)域多分布在高緯度或高海拔地區(qū)，且多集中分析積雪日數(shù)的時(shí)空演變特征。有關(guān)中低緯度和低海拔地區(qū)積雪日數(shù)時(shí)空變化的研究相對(duì)較少，積雪日數(shù)對(duì)氣候變化指示意義的研究尚不多見。中國(guó)東部地區(qū)的歷史文獻(xiàn)中，流傳大量有關(guān)積雪日數(shù)的記載。進(jìn)一步開展這些代用資料氣候指示意義研究，是歷史氣候?qū)W普遍關(guān)注的問題之一。

基于此，本文擬利用長(zhǎng)江中下游地區(qū)27個(gè)氣象站逐日積雪深度數(shù)據(jù)，在分析該地區(qū)積雪日數(shù)時(shí)空變化的基礎(chǔ)上，辨識(shí)影響積雪日數(shù)變化的敏感時(shí)段，并定量估算積雪日數(shù)對(duì)敏感時(shí)段溫度變化的指示意義。研究結(jié)果不僅對(duì)科學(xué)認(rèn)識(shí)中低緯度和低海拔地區(qū)積雪日數(shù)的變化規(guī)律有重要科學(xué)意義，還可為重建和復(fù)原歷史時(shí)期極端氣候事件提供參考依據(jù)和科學(xué)基礎(chǔ)。

1 資料和方法

1.1 資料來源

論文所用資料主要包括兩種類型：一為1961-2011年長(zhǎng)江中下游地區(qū)27個(gè)氣象站逐日積雪深度數(shù)據(jù)；二為這些氣象站同期逐月平均氣溫資料(圖1)。其中，1961-1970年積雪數(shù)據(jù)來自于《1961-1970年中國(guó)天氣日數(shù)資料》，1971-2011年積雪深度數(shù)據(jù)來自于《中國(guó)地面氣象記錄月報(bào)》(1996年之后改為《中國(guó)地面氣象記錄月冊(cè)》)，逐月平均氣溫?cái)?shù)據(jù)來源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)中國(guó)地面氣候資料月值數(shù)據(jù)集(http://data.cma.cn/)。這些資料均經(jīng)過嚴(yán)格的質(zhì)量控制和檢查，資料的完整性較好，可靠性較高。

圖1 長(zhǎng)江中下游地區(qū)氣象站空間分布圖Fig. 1 The spatial distribution of the meteorological stations for the Middle and Lower Reaches of Yangtze River region

1.2 積雪日數(shù)定義

關(guān)于積雪日的定義，學(xué)術(shù)界有兩種標(biāo)準(zhǔn)：一是根據(jù)天氣現(xiàn)象定義，即當(dāng)觀測(cè)場(chǎng)視野范圍內(nèi)的地表二分之一以上面積被雪覆蓋時(shí)，不論其積雪深度大小(包括微量積雪)，均作為1個(gè)積雪日[11]；二是根據(jù)積雪深度定義，即當(dāng)積雪面積達(dá)到觀測(cè)要求，且當(dāng)深度達(dá)到1 cm時(shí)，記為積雪日[12]。參照前人研究[13]，本文選取第一種方法定義積雪日數(shù)。需要說明的是，論文以本年7月1日至次年6月30日作為一個(gè)完整積雪年，年積雪日數(shù)為積雪年內(nèi)積雪日數(shù)的總和，長(zhǎng)江中下游地區(qū)積雪日數(shù)為27個(gè)氣象站積雪日數(shù)的算數(shù)平均值。

1.3 研究方法

論文采用一元線性回歸方法分析近50 a長(zhǎng)江中下游地區(qū)及各站積雪日數(shù)變化速率及其氣候指示意義。具體為：首先采用滑動(dòng)方法，分別計(jì)算逐站每3、4、5、6個(gè)月平均氣溫和積雪日數(shù)的相關(guān)關(guān)系，選取相關(guān)性最高的時(shí)段定義為積雪日數(shù)的氣候敏感時(shí)段；再以這些敏感時(shí)段平均氣溫為因變量，積雪日數(shù)為自變量，建立二者之間的一元線性回歸模型，用回歸系數(shù)來表示積雪日數(shù)對(duì)氣候變化指示作用的強(qiáng)度[14]。采用克里格插值分析積雪的空間變化特征，該方法是以區(qū)域化變量理論和空間自相關(guān)理論為依據(jù)，對(duì)變量進(jìn)行最優(yōu)估計(jì)的一種方法[15]。

2 結(jié)果與分析

2.1 積雪日數(shù)時(shí)間變化

圖2為1961-2010年長(zhǎng)江中下游地區(qū)逐年積雪日數(shù)變化。由圖2可知，近50 a長(zhǎng)江中下游地區(qū)平均積雪日數(shù)為5.6 d，其中最大值出現(xiàn)在1968年，積雪日數(shù)為17.7 d；最小值出現(xiàn)在2006年，區(qū)域平均積雪日數(shù)僅為0.7 d，極差為17.0 d，積雪日數(shù)年際差異顯著?？傮w而言，1961年以來長(zhǎng)江中下游地區(qū)積雪日數(shù)呈不顯著減小趨勢(shì)，一元線性回歸擬合顯示，減小速率為-0.50±0.77 d/10 a (p>0.05)，回歸方程未通過顯著性檢驗(yàn)。過去50 a，長(zhǎng)江中下游地區(qū)積雪日數(shù)減少約2.5 d。年代上，長(zhǎng)江中下游地區(qū)20世紀(jì)60、70年代積雪日數(shù)相對(duì)較多，年代平均積雪日數(shù)分別為6.9 d和6.0 d，較平均積雪日數(shù)分別高1.3 d和0.4 d；80年代長(zhǎng)江中下游地區(qū)平均積雪日數(shù)為5.6 d，與多年均值相當(dāng)；90年代積雪日數(shù)相對(duì)較少，年代平均積雪日數(shù)僅為4.5 d，較多年平均積雪日數(shù)低1.1 d；進(jìn)入21世紀(jì)后，積雪日數(shù)有所回升，2001-2010年平均積雪日數(shù)為4.9 d，但仍低于多年平均水平。

圖2 1961-2010年長(zhǎng)江中下游地區(qū)積雪日數(shù)變化Fig. 2 Changes in regional mean snow cover days for the Middle and Lower Reaches of Yangtze River region during 1961-2010

2.2 積雪日數(shù)空間變化

近50 a長(zhǎng)江中下游地區(qū)各站點(diǎn)年平均積雪日數(shù)在0.9～11.3 d之間，在溫度和降水的雙重影響下，研究區(qū)積雪日數(shù)大致呈“北高南低、東高西低”的分布特征。東北部地區(qū)積雪日數(shù)相對(duì)較多，東南部地區(qū)積雪日數(shù)相對(duì)較少。其中，亳州多年平均積雪日最多，為11.3 d；徐州、霍山、老河口等地平均積雪日數(shù)均在10 d以上；上海、贛州、溫州等地平均積雪日相對(duì)較少，溫州積雪日數(shù)最少，僅為0.9 d。從長(zhǎng)江中下游地區(qū)積雪日數(shù)平均值的總體分布來看，22.2%的站點(diǎn)多年平均積雪日數(shù)分布在6～7 d之間，29.6%的站點(diǎn)分布在3～4 d之間和4～5 d之間，11.1%的站點(diǎn)分布在1～2 d之間。各站平均積雪日數(shù)出現(xiàn)在其余區(qū)間的比例相對(duì)較少，均在10%以下，未有站點(diǎn)的積雪日數(shù)出現(xiàn)在5～6 d與8～9 d區(qū)間(圖3)。

空間上，1961年以來長(zhǎng)江中下游地區(qū)積雪日數(shù)變化速率區(qū)域差異明顯。東北地區(qū)和東南地區(qū)積雪日數(shù)減少速率最快，其中減少速率最快的為徐州，變化速率為-1.4 d/10 a，過去50 a積雪日數(shù)減少了7.0 d；霍山、衢州、杭州和贛榆等地減少速率也在-1.0 d/10 a以上；中部和北部地區(qū)變化幅度不大，變化速率為0.3～1.0 d/10 a；西部地區(qū)變化速率最小，其值多在0.3 d/10 a以下，西南地區(qū)甚至出現(xiàn)微弱增加的趨勢(shì)，增加速率最大的地區(qū)為芷江，變化速率為0.3 d/10 a(圖4)。對(duì)27個(gè)站點(diǎn)積雪日數(shù)的變化速率進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，僅有南昌和衢州通過了0.05顯著性檢驗(yàn)，徐州、定海和南城通過0.1顯著性檢驗(yàn)，其余站點(diǎn)變化速率均不顯著。

圖3 長(zhǎng)江中下游地區(qū)各站平均積雪日數(shù)的頻率分布Fig. 3 Frequency distribution of average snow cover days for each station in the Middle and Lower Reaches of Yangtze River region

圖4 長(zhǎng)江中下游地區(qū)積雪日數(shù)變化趨勢(shì)的空間格局Fig. 4 Spatial pattern of trends in snow cover days in the middle and lower reaches of Yangtze River

2.3 積雪日數(shù)變化的氣候指示意義

利用滑動(dòng)方法計(jì)算各站積雪日數(shù)與月平均氣溫的相關(guān)系數(shù)，辨識(shí)影響積雪日數(shù)變化的敏感時(shí)段。結(jié)果顯示，長(zhǎng)江中下游地區(qū)13個(gè)站點(diǎn)積雪日數(shù)變化的敏感時(shí)段為冬季，占比為48.1%，9個(gè)站點(diǎn)積雪日數(shù)的敏感時(shí)段為次年的1-3月，占比為33.3%，其余5個(gè)站點(diǎn)的敏感時(shí)段為秋末與冬季。以上分析表明，長(zhǎng)江中下游地區(qū)大部分站點(diǎn)的積雪日數(shù)對(duì)冬季平均氣溫具有較強(qiáng)的指示作用，約1/3站點(diǎn)對(duì)冬末和春初溫度變化的指示作用較好，約20%地區(qū)的積雪日數(shù)，除指示冬季溫度外，還對(duì)秋末氣溫具有一定的指示作用。

空間上，積雪日數(shù)與敏感時(shí)段溫度的相關(guān)系數(shù)呈現(xiàn)出地帶性規(guī)律：一般來說，緯度越低，相關(guān)性越好；越靠近沿海，相關(guān)系數(shù)越高。分析各站點(diǎn)積雪日數(shù)與敏感時(shí)段平均氣溫的相關(guān)系數(shù)可知，二者相關(guān)系數(shù)在-0.456～-0.722之間，超過一半站點(diǎn)相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值在0.600以上，占比為55.6%。其中衢州和南昌積雪日數(shù)與敏感時(shí)段的相關(guān)系數(shù)較高，相關(guān)系數(shù)在0.700以上，衢州最高為0.722；亳州和贛榆等地積雪日數(shù)與敏感時(shí)段的相關(guān)系數(shù)相對(duì)較低，其絕對(duì)值多在0.500以下(見表1)。

表1 長(zhǎng)江中下游地區(qū)積雪日數(shù)和敏感時(shí)段平均氣溫的關(guān)系Tab. 1 Relationship between snow cover days and average temperature of sensitive periods in the Middle and Lower Reaches of Yangtze River region

利用回歸方法定量計(jì)算積雪日數(shù)對(duì)敏感時(shí)段平均氣溫指示作用的強(qiáng)度。分析可知，溫州、恩施、贛州和上海等地積雪日數(shù)對(duì)敏感時(shí)段的指示作用最強(qiáng)，回歸系數(shù)均在-2.0 ℃/10 d以上。其中，溫州回歸系數(shù)最大，為-3.2 ℃/10 d，表明積雪日數(shù)每增加10 d，溫州敏感時(shí)段平均溫度降低3.2 ℃；長(zhǎng)江中下游地區(qū)中部和南部地區(qū)指示作用次之，回歸系數(shù)在-1.0～-2.0 ℃/10 d之間；東北部地區(qū)積雪日數(shù)對(duì)敏感時(shí)段平均溫度的指示作用相對(duì)較差，回歸系數(shù)多在-1.0 ℃/10 d以下。檢驗(yàn)顯示，所有回歸方程均通過0.001顯著性檢驗(yàn)(見表1)。

3 結(jié)論

基于1961-2011年長(zhǎng)江中下游地區(qū)積雪資料，分析了全球變暖背景下長(zhǎng)江中下游地區(qū)積雪日數(shù)的時(shí)空變化特征，辨識(shí)了積雪日數(shù)的氣候敏感時(shí)段，并定量估算了積雪日數(shù)對(duì)敏感時(shí)段的氣候指示意義。主要結(jié)論有：(1) 1961-2010年長(zhǎng)江中下游地區(qū)各站年平均積雪日數(shù)在0.9～11.3 d之間。其中，亳州積雪日數(shù)最多，溫州最少；過去50 a長(zhǎng)江中下游地區(qū)積雪日數(shù)呈不顯著減少趨勢(shì)，減少速率為-0.50±0.77 d/10 a；60年代和70年代積雪日數(shù)相對(duì)較多，80年代與多年均值相當(dāng)，90年代和21世紀(jì)10年代積雪日數(shù)相對(duì)較少。(2) 空間上，長(zhǎng)江中下游地區(qū)積雪變化速率由東北到西南遞減，東北地區(qū)積雪日數(shù)減少速率較快，其中減少速率最快的地點(diǎn)為徐州；中部地區(qū)減小幅度不大，西南地區(qū)甚至出現(xiàn)微弱增加的趨勢(shì)，芷江增加速率最大。(3) 長(zhǎng)江中下游地區(qū)積雪日數(shù)變化具有較強(qiáng)的氣候指示意義。近一半站點(diǎn)積雪日數(shù)對(duì)冬季平均氣溫的指示作用較強(qiáng)，約1/3站點(diǎn)對(duì)次年1～3月平均氣溫具有較強(qiáng)的指示作用?？臻g上，東南部和南部地區(qū)指示作用較強(qiáng)，東北部和北部地區(qū)指示作用較弱。

與以往研究相比，本文分析了長(zhǎng)江中下游地區(qū)這一中低緯度和低海拔地區(qū)積雪日數(shù)的變化特征。在分析積雪日數(shù)時(shí)空演變的基礎(chǔ)上，定量估算了積雪日數(shù)變化對(duì)敏感時(shí)段溫度變化的指示作用，研究結(jié)論對(duì)定量復(fù)原歷史時(shí)期極端冷冬事件具有重要的應(yīng)用價(jià)值。然而，本文只分析了積雪日數(shù)對(duì)溫度變化的平均敏感程度，沒有涉及積雪日數(shù)與溫度之間關(guān)系的穩(wěn)定性。不同冷暖背景下，積雪日數(shù)的溫度敏感時(shí)段和敏感度是否發(fā)生變化并未討論。鑒于自然物候?qū)囟茸兓史蔷€性響應(yīng)關(guān)系，積雪日數(shù)在不同冷暖階段對(duì)溫度變化的指示意義是否存在同樣情況，將是下一個(gè)階段研究的重點(diǎn)。