1970—2019年內蒙古大興安嶺林區(qū)降雪特征分析

郝晨陽 馬秀枝 李長生 田泓 張茹 吳昊 武玉龍

（1.內蒙古農(nóng)業(yè)大學林學院，內蒙古呼和浩特 010019；2.呼和浩特市氣象局，內蒙古呼和浩特 010051；3.內蒙古自治區(qū)氣象干部培訓學院，內蒙古呼和浩特 010051）

引言

1979—2018年中國全國年平均降水量呈現(xiàn)出較為顯著的增長趨勢，大概每10 a增加22 mm左右，且未來幾年持續(xù)增加的可能性極大［1］。降雪作為降水的一部分，是氣候系統(tǒng)的重要組成部分，也是森林水循環(huán)的重要組成部分，對于農(nóng)作物的生長發(fā)育、水資源保障、生態(tài)環(huán)境保護等均有積極的影響。但大范圍或極端降雪的發(fā)生［2-4］，也會給農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)、電力設施、交通運輸?shù)仍斐蓸O大的危害［5］。目前，國內外學者在積雪［6-7］、總降雪及極端降雪變化特征［8-10］等方面已取得一定的研究進展。新疆、青藏高原和東北—內蒙古地區(qū)是中國的三大積雪區(qū)［11］，對于這些重點區(qū)域，不同等級的降雪量變化有所不同。李校收［12］對新疆降雪的分析表明，新疆各等級降雪量均呈上升的趨勢，其中小雪降雪量上升趨勢不明顯，中雪和大暴雪降雪量上升趨勢顯著；而劉義花等［13］對青海高原降雪研究表明，青海高原地區(qū)降雪量呈明顯的減少趨勢；秦艷等［14］分析表明，天山的小雪降雪量呈減少趨勢，中雪量變化平穩(wěn)，大雪和極端降雪量增加顯著；周曉宇等［15-16］對東北降雪特征研究表明，近57 a降雪量呈增加趨勢，小雪和中雪最多出現(xiàn)在11月和12月，大雪和暴雪多出現(xiàn)在冬末春初；王波等［17］分析表明，黑龍江省年平均降雪量大部分地區(qū)呈增加趨勢。降雪初始和終止日研究表明，黑龍江省降雪初始日集中在9月下旬至10月，吉林省集中在10月和11月；降雪終止日期黑龍江省集中在4月中旬至5月上旬，吉林省主要出現(xiàn)在3—5月［17-18］。

內蒙古大興安嶺林區(qū)地處北半球中高緯度地區(qū)，位于內蒙古東北部，是中國最大的集中連片的國有林區(qū)。林區(qū)屬寒溫帶大陸性季風氣候，是亞歐大陸北方森林帶的重要組成部分，由于緯度高，冬季寒冷漫長，除夏季外，其余季節(jié)均有可能出現(xiàn)降雪。降雪對森林生態(tài)系統(tǒng)具有重要意義，降雪形成的雪被可以覆蓋森林中的易燃物，有助于減少森林火災的發(fā)生，雪層可以阻隔土壤熱量散失，起到保溫的作用［19］，同時還能有效地抑制森林病蟲害發(fā)生。內蒙古大興安嶺林區(qū)作為中國重要的生態(tài)屏障，在應對氣候變化方面其作用不可替代［20］。目前，已有研究主要為內蒙古大興安嶺林區(qū)的降水［21-22］和積雪［23］變化特征，但對降雪天氣研究較少。本文對大興安嶺林區(qū)不同等級降雪事件的趨勢和分布特征進行研究，以期為林區(qū)生態(tài)環(huán)境保護、農(nóng)林業(yè)發(fā)展，區(qū)域水資源的管理和防災減災提供參考。

1 資料與方法

1.1 資料來源

選取內蒙古大興安嶺林區(qū)11個氣象站（額爾古納、扎蘭屯、圖里河、牙克石、鄂倫春、小二溝、博克圖、根河、阿榮旗、阿爾山、索倫）1970—2019年逐日（08時至翌日08時）平均氣溫和逐日降水數(shù)據(jù)資料，建立1970—2018年49個降雪年的降雪序列（不包含雨夾雪）。區(qū)域上，以大興安嶺山脈為界限，以西的根河、圖里河、額爾古納、牙克石、阿爾山為嶺西區(qū)；以東的鄂倫春、小二溝、博克圖、索倫、阿榮旗、扎蘭屯為嶺東區(qū)。

圖1 大興安嶺林區(qū)氣象站分布Fig.1 Spatial distribution of meteorological stations in Daxing'anling forest region

本文不考慮海拔、氣壓等因素的影響，只根據(jù)逐日降水量和氣溫來確定逐日降雪量［24］。當逐日平均氣溫≤-2℃時，降水的形式全部為降雪；當逐日平均氣溫≥2℃時，降水的形式全部為降雨；當逐日平均氣溫為-2～2℃時，降水的形式為降雨和降雪的混合。

1.2 研究方法

整理大興安嶺林區(qū)11個氣象站數(shù)據(jù)，利用一元線性回歸、距平法、Mann-Kendall非參數(shù)突變檢驗、滑動t檢驗等［25-27］方法分析總降雪量和不同等級降雪量在時間序列上的變化趨勢、突變特征；對雪季時長，降雪初、終日期進行趨勢分析，并分析總降雪量和不同等級降雪量在空間上的分布特征。表1為降雪相關指標的定義。

表1 降雪指標定義Table 1 Definition of snowfall indicators

2 結果分析

2.1 不同等級降雪量年際變化

2.1.1 不同等級降雪量距平的年際變化

1970—2018年大興安嶺林區(qū)降雪量距平變化見圖2，從圖2可知（圖2a）20世紀70年代總降雪量負距平顯著，其中1973—1977年連續(xù)5 a為負距平，進入21世紀10年代正距平明顯，2008—2017年10 a中有8 a為正距平，在2012年出現(xiàn)了近49 a最大的正值，為23.3 mm，主要是因為當年多地出現(xiàn)大暴雪天氣，增加了總降雪量。不同等級降雪量中（圖2b至圖2e），小雪降雪量20世紀70年代負距平顯著，80年代正負距平變化不大，基本在平均值上下波動，進入90年代正距平偏多，到21世紀10年代中后期距平又變?yōu)樨撝?。中雪降雪量距平和總降雪量的變化相似，以負距平為主，進入21世紀后正距平偏多。大雪降雪量從20世紀70—90年代基本為負距平，進入21世紀正距平偏多，其中1979年為大雪量49 a中正距平最大值，為5.5 mm，當年實際年平均大雪降雪量為9.1 mm。暴雪降雪量在20世紀70—80年代正負距平年份大致相同，1991年后負距平明顯增多，1998—2009年12 a間僅有2002年和2008年為正距平，21世紀00年代后期正距平又增多。從總體線性趨勢看，總降雪量以1.55 mm／10 a的速率增加，通過了0.05顯著性檢驗。各等級降雪量變化差異顯著，其中，小雪降雪量有增加趨勢，速率為0.08 mm／10 a，未通過0.05的顯著性檢驗；中雪和大雪等級降雪量的增加趨勢較為明顯，速率為0.78 mm／10 a和0.54 mm／10 a，均通過了0.05顯著性檢驗；暴雪降雪量以0.15 mm／10 a的速率增加，未通過0.05顯著性檢驗。綜上，大興安嶺林區(qū)降雪量為增加趨勢，其中中雪、大雪降雪量增加顯著，小雪和暴雪降雪量增加趨勢較弱。

圖2 1970—2018年大興安嶺林區(qū)總降雪（a）、小雪（b）、中雪（c）、大雪（d）、暴雪（e）降雪量距平變化Fig.2 Variations of total snowfall（a），light snow（b），moderate snow（c），heavy snow（d），and snowstorm（e）in Daxing'anling forest region from 1970 to 2018

2.1.2 不同等級降雪量對總降雪量貢獻率的年際變化

1970—2018年大興安嶺林區(qū)不同等級降雪量貢獻率變化見圖3，小雪、中雪、大雪、暴雪對年降雪量的平均貢獻率為61.1%、20.8%、12.4%和5.7%，即小雪＞中雪＞大雪＞暴雪。從圖3可以看出，對于小雪量，其年降雪貢獻率以3.0%／10 a的速率呈下降趨勢，通過了0.05顯著性檢驗，貢獻率峰值出現(xiàn)在1992年，占當年總降雪量貢獻率的86.2%。對于中雪降雪量貢獻率總體以1.6%／10 a的速率呈增加趨勢，通過了0.05顯著性檢驗，波動范圍為6.7%～36.7%，其中，1979—1983年、2010—2015年上升趨勢明顯，峰值出現(xiàn)在2003年。對于大雪降雪量貢獻率總體也呈增加趨勢，增加的速率為1.5%／10 a，通過了0.05顯著性檢驗，波動較明顯，范圍為2.1%～28.8%，峰值出現(xiàn)在2018年。暴雪降雪量貢獻率總體的減少趨勢較小，未通過0.05顯著性檢驗，峰值出現(xiàn)在1997年，占當年總降雪量貢獻率的23.4%，其中有19 a貢獻率為0%。從5 a滑動平均曲線來看，小雪和中雪的波動幅度較小，大雪和暴雪的波動幅度較大。

圖3 1970—2018年大興安嶺林區(qū)小雪（a）、中雪（b）、大雪（c）、暴雪（d）降雪量貢獻率變化Fig.3 Variations of contribution rate of light snow（a），moderate snow（b），heavy snow（c），and snowstorm（d）Daxing'anling forest region from 1970 to 2018

2.2 不同等級降雪量年代際變化

1970—2018年大興安嶺林區(qū)不同等級降雪量年代際變化見圖4。由圖4可知，不同等級降雪量有明顯的年代變化特征（其中21世紀10年代缺少2019年），不同年代降雪量始終為小雪＞中雪＞大雪＞暴雪，不同等級降雪量的年代際變化的趨勢不同，峰值出現(xiàn)的年代也不同步。20世紀70年代到21世紀10年代總降雪量一直呈明顯增加趨勢。20世紀70—80年代小雪降雪量逐步上升，80—90年代基本無變化，21世紀00年代后又以微弱趨勢上升，之后至21世紀10年代又呈下降趨勢。中雪降雪量變化趨勢經(jīng)歷了先增加后減少的過程，即20世紀70年代至21世紀00年代呈增加趨勢，在21世紀00年代達到最大值，之后呈下降趨勢。大雪降雪量經(jīng)歷了先減少后增加的凹型變化趨勢，在21世紀10年代達到最大峰值，20世紀70年代為第二個峰值，從20世紀80年代至21世紀10年代一直為增長的趨勢。暴雪降雪量年代際呈現(xiàn)下降—上升—下降—上升的變化趨勢，49 a中21世紀10年代的8 a中降雪量最大。

圖4 1970—2018年大興安嶺林區(qū)不同等級降雪量年代際變化Fig.4 Interdecadal variation of snowfall for different grades in Daxing'anling forest region from 1970 to 2018

2.3 不同等級降雪量年內變化

1971—2018年大興安嶺林區(qū)不同等級降雪量年內變化見圖5。從圖5可知，大興安嶺林區(qū)降雪量年內變化呈M型分布，降雪量最多出現(xiàn)在11月，為6.4 mm，占年降雪量的22.4%；12月次之，為5.5 mm，3月出現(xiàn)第二個峰值，為5.1 mm；6—8月降雪量均為0 mm。不同等級降雪量變化中，小雪、中雪、大雪以及暴雪降雪量均呈M型分布，其中，小雪降雪量在12月最多，占年小雪降雪量的20.5%；中雪和大雪降雪量兩個高峰值分別出現(xiàn)在3月和11月；暴雪降雪量的最大值出現(xiàn)在3月和10月?？傮w看來，大興安嶺林區(qū)除夏季外，其余3個季節(jié)均有降雪，在冬季中末期及春季中末期降雪量較大，其中，中雪及大雪等級降雪易發(fā)生在冬末春初，暴雪易發(fā)生在冬初和春末時期。

圖5 1970—2018年大興安嶺林區(qū)不同等級降雪量月變化Fig.5 Monthly variation of snowfall for different grades in Daxing'anling forest region from 1970 to 2018

2.4 不同等級降雪量空間分布

1970—2018年大興安嶺林區(qū)降雪量空間分布見圖6。由圖6可知，大興安嶺林區(qū)平均年降雪量（圖6a）為自東南向西北減少的空間分布特征，其中，阿爾山降雪量最大，達到46 mm，嶺東地區(qū)年降雪量較低，阿榮旗、扎蘭屯、索倫為16～17 mm。不同等級降雪量（圖6b至圖6e），年平均小雪量與總降雪量分布特征相似，整體為嶺西大于嶺東，嶺西小雪量較多，為20～35 mm，而嶺東較少，為8～20 mm。年中雪量的分布，東南少，西南次之，東北部最多，北部及嶺西的降雪量基本在6.5 mm以上，鄂倫春最多達8.7 mm。年平均大雪量分布北部多于南部，低值區(qū)主要位于林區(qū)偏南部地區(qū)的索倫和扎蘭屯，高值中心位于北部的鄂倫春和圖里河，均在5.0 mm以上。平均年暴雪量空間差異不大，基本在3.5 mm以內，額爾古納和阿榮旗不足1.0 mm，暴雪量中心位于牙克石為3.3 mm。

圖6 1970—2018年大興安嶺林區(qū)總降雪（a）、小雪（b）、中雪（c）、大雪（d）、暴雪（e）降雪量空間分布Fig.6 Spatial distributions of total snowfall（a），light snow（b），moderate snow（c），heavy snow（d），and snowstorm（e）in Daxing'anling forest region from 1970 to 2018

1970—2018年大興安嶺林區(qū)不同等級降雪量與海拔和緯度關系見圖7。由圖7可知，總降雪量和不同等級降雪量與海拔和緯度均呈正相關，其中總降雪量和小雪降雪量與海拔的相關性顯著，相關系數(shù)為0.6132和0.6929（P＜0.01），總降雪量和不同等級降雪量與緯度的相關性均不顯著（P＞0.05）。可見，大興安嶺林區(qū)降雪量空間分布上，總降雪量和小雪量呈自嶺東向嶺西遞增，中雪和大雪量大體呈北多南少分布，暴雪降雪量無明顯的空間變化趨勢。

圖7 1970—2018年大興安嶺林區(qū)不同等級降雪量與海拔（a）和緯度（b）的相關分析Fig.7 Correlation of snowfall with altitude（a）and latitude（b）for different grades in Daxing'anling forest region from 1970 to 2018

2.5 不同等級降雪量的突變

1970—2018年大興安嶺林區(qū)降雪量M-K突變見圖8。由圖8a可知，大興安嶺林區(qū)年平均總降雪量的UF曲線和UB曲線在1995—1996年有交點，說明年平均降雪量的突變發(fā)生在這幾年之間，且波動較大；由UF曲線可知，1970—1975年降雪量為下降趨勢，從1992年開始總體為上升趨勢，2010年UF曲線超過臨界值1.96，說明從2010年開始降雪量上升趨勢較強。由圖8b可知，1971—1976年小雪降雪量有多個交點，降雪量較為不穩(wěn)定，UF在臨界線內，說明49 a間沒有明顯的突變年。中雪降雪量UF曲線和UB曲線均超過臨界線（圖8c），1982—1983年存在多個交匯點，說明這段時間林區(qū)中雪量波動性較大，與1987年有交點，UF曲線2006年超過臨界值，且一直為上升趨勢。大雪降雪量在2007年發(fā)生突變（圖8d），UF曲線在2014年超過臨界值1.96。暴雪降雪量在1986年有一個交點，2011—2014年兩條曲線存在多個交點（圖8e），說明暴雪降雪量在這幾年出現(xiàn)劇烈波動，但兩條曲線均在臨界值之間，說明1970—2018年的整體變化較為平緩，沒有顯著突變年份。再通過滑動t檢驗法對M-K突變的交點進行驗證，當滿足t的絕對值大于臨界值，且Pr＞F時，有顯著突變。1970—2018年大興安嶺林區(qū)降雪量突變年滑動t檢驗見表2。由表2可知，總降雪量在1995年有顯著突變，中雪和大雪降雪量的M-K突變年份經(jīng)滑動t檢驗法檢驗后均不顯著，無顯著突變年份。

圖8 1970—2018年大興安嶺林區(qū)總降雪（a）、小雪（b）、中雪（c）、大雪（d）、暴雪（e）降雪量M-K突變Fig.8 M-K abrupt changes in total snowfall（a），light snow（b），moderate snow（c），heavy snow（d），and snowstorm（e）in Daxing'anling forest region from 1970 to 2018

表2 1970—2018年大興安嶺林區(qū)總降雪、中雪、大雪降雪量突變年份的滑動t檢驗Table 2 Sliding t-test of total snow，moderate snow，and heavy snow in the Daxing'anling forest region from 1970 to 2018

2.6 雪季時長、降雪初始日、終止日的年際變化

1970—2018年大興安嶺林區(qū)雪季時長，降雪初始日、終止日變化見圖9。由圖9a可知，雪季長度的時間變化為縮短趨勢，遞減率為2.3 d／10 a，未通過0.05顯著性檢驗。圖9b降雪的初始日主要集中在9—11月，10月出現(xiàn)的概率最大為89.8%。降雪初始日期最早出現(xiàn)在1977年9月19日，最晚出現(xiàn)在 2005年的11月3日，多年平均為10月13日，降雪初始日整體呈延后趨勢，趨勢系數(shù)為0.7 d／10 a，通過了0.05顯著性檢驗。降雪的終止日集中在3—5月（圖9c），大多分布在4月，出現(xiàn)的概率為85.7%。降雪終止日期最早為1997年的3月20日，最晚出現(xiàn)在1985年的5月7日，多年平均日期為4月20日，降雪終止日整體呈提前趨勢，趨勢系數(shù)為-1.6 d／10 a，通過了0.05顯著性檢驗，年際變化大體上降雪初始日與終止日呈相反趨勢。

圖9 1970—2018年大興安嶺林區(qū)雪季時長（a）、降雪初始日（b）和終止日（c）變化Fig.9 Changes in duration（a），beginning day（b），and ending day（c）of the snow season in Daxing'anling forest region from 1970 to 2018

3 結論與討論

（1）1970—2018年大興安嶺林區(qū)各等級降雪量的平均貢獻率為小雪＞中雪＞大雪＞暴雪，小雪的降雪量貢獻率呈明顯的下降趨勢，而中雪、大雪和暴雪呈上升趨勢，其中暴雪的上升趨勢不明顯，這與前人對東北地區(qū)的降雪量貢獻率研究相一致［16］?？偨笛┝亢透鞯燃壗笛┝烤试黾于厔?，其中，中雪和大雪增加趨勢明顯。

（2）大興安嶺林區(qū)從20世紀70年代到21世紀10年代各等級降雪量年代際變化中，總降雪量呈增加趨勢，小雪和中雪量21世紀00年代為最大值，大雪和暴雪為先降后升趨勢，在21世紀10年代為最大值。

（3）大興安嶺林區(qū)不同等級降雪量在年內的變化呈M型分布，總降雪量最多出現(xiàn)在11月；小雪降雪量最多的月份為12月，占年降雪量的22.4%；中雪和大雪降雪量最大值出現(xiàn)在11月，暴雪量為10月。

（4）近49 a中，大興安嶺林區(qū)總降雪量在1995—1996年波動明顯，在1995年顯著突變；小雪、中雪、大雪量突變年不明顯，暴雪在2011—2014年波動劇烈，但無明顯突變年份。

（5）大興安嶺林區(qū)降雪量空間分布上，總降雪量及小雪、中雪、大雪等級降雪量總體為西多東少，北多南少的空間分布特征；暴雪降雪量無明顯的空間變化趨勢，總降雪量和小雪降雪量與海拔在空間上有顯著相關性。大興安嶺山脈呈東北—西南走向，東陡西緩，貫穿整個林區(qū)，與季風走向垂直，對季風阻擋作用明顯，而林區(qū)降雪主要集中在10月至翌年4月，此時西部主要受來自北方冬季季風影響，同時，東部海拔相對較低，導致大興安嶺東南部地區(qū)降雪量相對較少。

（6）大興安嶺林區(qū)雪季時長為167～229 d，平均雪季時長為191 d，雪季長度為縮短趨勢。有研究表明，1971—2000年中國東部區(qū)大興安嶺雪季最長，大于210 d［28］；近些年雪季長度縮短主要是因為降雪初始日推遲，集中在9—11月，降雪終止日提前，集中在3—5月。本文對大興安嶺林區(qū)降雪的時空特征進行了討論，忽略了雨夾雪的情況，在氣候變暖的大背景下，降雪、雨夾雪、降雨作為降水的組成部分均發(fā)生著變化，為了進一步分析該地區(qū)的降水變化，為該地區(qū)林業(yè)、農(nóng)業(yè)發(fā)展提供更好的參考還需要結合降水的其他形式進行更全面的探討。