基于ECMWF再分析數據的內蒙古高原雪深時空變化特征

摘要 根據 ECMWF再分析資料，探討了1986—2021內蒙古高原雪層厚度的時間、空間和地貌因素的關系。研究發(fā)現，內蒙古地區(qū)1986—2021年間的降雪速度呈0.31 mm/年的遞增趨勢，尤其是2000年后增長速度較快，但沒有顯著的差異。在月尺度上，冬季降雪深度從10月起逐漸增大，翌年1—2月為最大。從空間上看，內蒙古高原北部、西北部和東北部積雪雪深較深，而西南部則是積雪深度偏輕的區(qū)域。積雪深度的變化規(guī)律與地形的關系密切。從整體上看，積雪深度與海拔高度之間存在顯著的相關性，其相關系數為0.75，隨坡向、坡度、曲度的不同而不同。東南坡度、坡度為5°～10°和高低不平的地區(qū)對積雪的影響較大，從而為我國的草原防雪災和預測草地的回春時間提供參考。

關鍵詞 雪深；內蒙古高原；時空特征；地形因子

中圖分類號：P426.63 文獻標識碼：B 文章編號：2095–3305（2023）02–0139-03

內蒙古地區(qū)受到季風、西風的雙重作用，其水熱結合和空間分布特征比較特殊，而冬季的冰雪對我國的農業(yè)、畜牧業(yè)和社會發(fā)展都起著十分關鍵的作用。季節(jié)性積雪的時空變化和消融是干旱半干旱地區(qū)的重要水源，其與植被的返青期、生長和徑流量等有著緊密的關系，對區(qū)域經濟、生態(tài)、自然災害的發(fā)展具有重要的作用[1]。在不同的冰雪特性中，最能反映出雪深度的是雪的動態(tài)。在冬季，積雪過深、持續(xù)時間過長會給當地群眾帶來了極大的經濟損失。因此，深入探討內蒙古地區(qū)積雪深度的分布則顯得尤為必要。

目前，對北半球冰雪年際變動的關鍵區(qū)是青藏高原、內蒙古高原、歐洲阿爾卑斯山脈及北美西部地區(qū)，而對內蒙古高原地區(qū)的調查僅限于西北部地區(qū)。內蒙古地區(qū)生態(tài)環(huán)境較差，對其積雪深度的分析在水文、氣候、生態(tài)等方面具有重要的作用[2-4]。為此，選擇內蒙古地區(qū)作為研究區(qū)，運用1986—2021年的ECMWF資料，研究了積雪深度在時間、空間上的變化特征，為草地雪害防治和牧草返青期預測給予研究價值。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

選擇內蒙古高原作為研究對象，地處38°33' N～54°31' N，88°54' E～127°15' E。植被分布從北邊到南邊，從森林到草原，從典型草原到森林。大體而言，西北部多為山區(qū)，西南部為戈壁沙漠，中東部為地勢較為開闊的平原地帶，高度在1 591 m左右[5-6]。此區(qū)屬于典型的陸上氣候，降水少，干旱，冬季春季多風，風向以西風為主，其次是西南風。內蒙古高原北部和東部分別受到北冰洋和太平洋的水汽作用，東北部的降水最多，溫度特性與降雨呈反向關系。因此，北方的溫度很低，而西南的溫度很高。

1.2 數據來源與處理

積雪深度資料采用歐洲中央氣象中心NetCDF4格網資料，通過MATLAB軟件，將資料格式統(tǒng)一地轉化成GeoTIFF，并對WGS84/Albers等價AreaConic進行了定義[7]。采用極大值綜合技術獲得了內蒙古平原1986—2021年的逐月光柵影像，從內蒙古的氣候特點來看，從10月至翌年3月是一個降雪的時間。利用網格計算得到月、年平均雪深度的資料，DEM資料由GIS資料組成，具有90 m的高分辨率。

1.3 研究方法

1.3.1 Mann-Kendall突變檢驗 假定初

始的時序是x1，x2，…，xn，確定了Sk=∑ki=1ri（k=1，2，…，n），并假定在時間順序的任意情況下，確定統(tǒng)計學值：

UKk=-? ? （k=1，2，…，n）

其中，UK1=0；E（Sk）=k（k+1）/4；var（Sk）=k（k-1）（2 k+5）/72為 Sk累積均值。將UKk按照一定的次序構成UF曲線，UF=UKk，即時序圖。在反序列中使用相同的方式，使得UB=-UKk，即反向時間的時序，給出了α值，|UF|> Ua表示該系列有明顯趨勢改變。UF>0表示該序列有增加的傾向，而UF<0表示該序列有降低的傾向。如果UF與UB存在交點，且在兩條關鍵線上，則相交的那一刻即為突變發(fā)生的時刻。當UF超出了顯著度的幅度，表示有明顯的升高或降低的傾向。

1.3.2 森斜率 當時間順序為x1，x2，…，xn有一個直線的傾向，那么就可以用 Sen所發(fā)展的簡易無參量程序估算出實際的坡度，公式如下：

Qk=median? ? （k=1，…，n）

在方程式中，xj與xi為時間j及i（j> i）之資料數值，這個數值的中間Qk是由該序列所得出的一個梯度，Qk代表該系列的平均值和時間序列的發(fā)展，Qk>0則是一個遞增的過程；Qk=0，且不存在顯著的序列變化；Qk<0，且各指標均有降低的傾向。本研究應用森斜率對內蒙古地區(qū)的平均積雪深度空間變化，并應用M-K法估算了其傾向的顯著程度。

2 結果與分析

2.1 雪深時間變化特征

內蒙古高原1986—2021年的積雪深度變化幅度為6.5～23.2 mm，積雪深度為10.22 mm，其生長速度為0.31 mm/年[8]。表明積雪深度具有很強的周期性和波動性：1986—1993期間積雪深度趨于穩(wěn)定；1994—2005年間發(fā)展呈現出一定波動，但其發(fā)展的勢頭并不顯著，1996年為最低水平；2000年后，這種波動幅度最大，且有顯著的上升勢頭，在2003、2009、2012年連續(xù)3次高峰，2012年最高。M-K分析表明，內蒙古地區(qū)的積雪深度沒有顯著的變化，而1990年代則出現了突變。這與氣候變化的年相吻合。積雪深度的改變呈現出單一的高峰，從10月起逐漸增大，第2年2月則為最大；3月由于溫度升高，積雪逐漸融化。冬季內蒙古地區(qū)降雪深度最大值在2月，最小值在3月。

1986—2021期間，除10月以外，其余各月都有增加的勢頭，且這一增速會隨著月份的推移而增加；2月的增幅最大（表1）。月雪深的變動在2001年后呈現顯著的起伏，且在2017—2020年期間各月最高積雪深度都有顯著的差異。表明近年來內蒙古地區(qū)的降水量和降雪的變化規(guī)律是相符合的。在這些數據中，降雪深度最大值在2017年2月，最小值在1997年10月。

2.2 雪深空間分布特征

在內蒙古高原北部、西北部和東北部分，由于積雪厚度比較大，而在西南部則雪較少，因而構成了一個深低值區(qū)。其中，積雪深度主要集中在高原地帶，北方則分布最廣。結果表明，內蒙古地區(qū)冬季降雪深度分布較大，且不均一。積雪深度由北到南，由東到西逐漸減小，這與降水的分布特點是一致的，但與溫度呈正相關。

這是由于降水可以供給冰雪資源，溫度會對冰雪的消融產生作用。同時，由于風場（風向）和地形條件的影響，使得雪的分布也受到影響。北部和西北部多山區(qū)，植被茂密，有利于下雪。西南是一片沙漠，中部和東部是平坦的草地，地勢不高，所以積雪較淺，且分布比較均衡。以上研究說明了雪深分布特征與該區(qū)氣候因素和地形地貌關系十分緊密。

從森斜率的分析可知，內蒙古高原1986—2021年積雪深度的空間分布特征具有顯著的空間分異特征。多數區(qū)域積雪深度趨勢在1～6 mm/年范圍內，約72%。整體來看，積雪深度有下降的傾向，在整個區(qū)域中，降水量約為67%，而上升的幅度只有33%。北部有明顯的增長約7%，其他大多數都有下降的傾向，內蒙古的東北部尤為突出，約為3%。

2.3 雪深分布與地形

由于地貌因素對雪的分布的影響較大，為了更好地研究雪的分布，利用DEM對高程、坡向、坡度等因素進行了研究。下面重點探討了冬季最大季節(jié)和冬季累積期雪深分布特點與地貌因素之間的相關性。

2.3.1 高程 為了研究高程對積雪分布的作用，將內蒙古地區(qū)按照天然斷點區(qū)分為5個高程區(qū)，并分別分析了各高區(qū)的平均降雪深度（圖1）。結果表明：在不同海拔高程內，積雪深度存在明顯分布不均勻，局部下降、零增長或迅速增長。積雪深度在88～780 m范圍內的波動比較穩(wěn)定；780～1 638 m的積雪深度與海拔高度之間存在顯著的負向關系，在1 638 m時，積雪厚度變化幅度為最低；1 638 m以上，隨著海拔高度的升高，積雪深度逐漸增大，尤其是2月的積雪深度最大，在4 226 m以上。結果表明，1 638 m為1個拐點，積雪深度為780～1 638 m，為該區(qū)積雪深度的主要區(qū)域。這與其他天氣因素如陽光照射、風力等相關。總的來看，積雪深度與海拔高度有顯著的相關性，其相關性為0.75，且具有顯著的季節(jié)性特征。

2.3.2 坡向 為了從多個角度研究積雪深度，將坡向分為：北坡（315°<坡向<45°）、東坡（45°<坡向<135°）、南坡（135°<坡向<225°）和西坡（225°<坡向<315°）。在不同斜坡方向上，積雪深度分布較為一致，分別為26%、22%、26%和26%，其中東坡和南部分別為26%和26%?？傊?，在相同的高度區(qū)，東坡和南坡的雪層深度都比西坡和北坡要大。

與2月相比，11月積雪深度的分布比較平均，二者的差別在2 242～4 226 m北部斜面上表現出來。在風力的影響下，斜面分為迎風坡和背風坡2種類型。內蒙古地區(qū)地處西北季風，主要的風向是由西風和西北風組成的。結果表明：在該地區(qū)，西、北2個斜坡均為上風坡，東坡、南邊是下風坡。由于大風和雪的作用，在逆風坡面上堆積了大量的雪，造成了不同斜面上的降雪（圖2）。這說明在東南方的山坡上雪較多。

2.3.3 坡度 將其劃分為5個水平，即0～1°、1°～3°、3°～5°、5°～10°和＞10°的5個水平。內蒙古高原多為平原地帶，積雪深度多集中在3°以內的平緩山坡上。從圖3可以看出，不管坡度有多大，東、南坡向的積雪深度都較大。且南坡的積雪深度也隨坡面的增加而增加；東、西和北坡的積雪較深，最大時為5°～10°，其后逐漸減小。在2月，坡度相對平穩(wěn)（<5°）時，積雪深度的變化幅度較大，而南部則顯著地小于其他3個方向；8°以后，隨著坡面的增大，積雪深度逐漸增大，而東坡則明顯大于西坡和北坡。在11月，坡地相對平坦（<5°）時，積雪深度的變化幅度較小，而西部則顯著高于其他3個方向；8°以后，隨著坡面的增大，積雪深度逐漸增大，而東坡則比西部和北部的積雪深度要高得多。東坡和南坡由于是1個受雪堆積的斜坡，加之坡面較大，因此，由于雪層自身的重量而下滑。研究表明坡度為5°～10°時利于積雪。

3 討論

ECMWF再分析資料可以為長期序列的積雪深度提供信息，尤其是在山地等氣候條件較差的地方，可以利用ECMWF的資料。本研究采用內蒙古地區(qū)1986～2021年的冰雪季節(jié)資料，分析比較了不同地區(qū)的積雪深度。內蒙古高原多數地方植物較少，因此本研究忽視了植物的作用，僅對高程、坡向、坡度等地貌因素進行了分析。研究發(fā)現，地形因子可以用地貌要素描述，風吹雪是使雪層重新分布的重要原因。風吹雪必須具備3個要求：充足的雪資源、風力（方向）及良好的地勢。內蒙古地區(qū)的降雪是由北到南、由東到西逐漸減小的特點，同時也將風的作用也納入其中。內蒙古地區(qū)的主要風向是由西、西兩股風組成的，在冬季還伴隨著暴風雪。高程對降雨有一定的負反饋效應，高原上的降雪則相對多。通過懸浮、沉積、升華等作用，將雪從風向的斜面輸送至下風面，從而提高了下雪的率概，本研究的結論和以往的研究是相符合的。

4 結論

內蒙古高原是氣候敏感區(qū)和氣候關鍵區(qū)，深入調查了其水文、氣候、生態(tài)等方面。采用ECMWF再分析數據，研究了內蒙古地區(qū)1986—2021年的積雪深度的時空變化特點和積雪深度在不同地區(qū)空間分布規(guī)律，結果表明：

（1）內蒙古地區(qū)積雪深度在2003、2009、2012年均出現了3次高峰，降雪期的深度呈單峰值特征，從10月起逐漸增大，翌年2月最大，3月出現了融化現象。

（2）內蒙古高原北部、西北部和東北部分的雪較厚，而在西南部則雪較少，這是一個深低值區(qū)。其分布特點與降水的分布規(guī)律基本相同，由北到南，由東到西逐漸減小，而溫度則正好相反。森斜率分析顯示，多數區(qū)域積雪深度下降。

（3）地貌對雪的重新分配起著重要的作用，其對雪的分布有一定的影響。從整體上看，雪的深度與高程呈正比，東南坡、坡度5°～10°對積雪的影響較大，比較利于積雪。

參考文獻

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責任編輯：黃艷飛

Spatial and Temporal Variation Characteristics of Snow Depth in Inner Mongolia Plateau Based on ECMWF Reanalysis Data

Ma Xue-feng （Inner Mongolia Autonomous Region Meteorological Station， Hohhot， Inner Mongolia 010051）

Abstract Based on ECMWF reanalysis data， the relationship between time， space and geomorphic factors of snow layer thickness in Inner Mongolia Plateau from 1986 to 2021 was discussed. The research found that the snowfall rate in Inner Mongolia from 1986 to 2021 showed an increasing trend of 0.31 mm/a， especially after 2000， but there was no significant difference. On a monthly scale， the depth of winter snowfall gradually increases from October to February of the next year， which is the largest. From the perspective of space， the snow depth in the north， northwest and northeast of Inner Mongolia Plateau is deep， while the southwest is the area with light snow depth. The variation of snow depth is closely related to the terrain. On the whole， there is a significant correlation between snow depth and altitude， with a correlation coefficient of 0.75， which varies with different aspect， slope and curvature. The southeast slope， gradient of 5 °～10 ° and uneven areas have a greater impact on snow cover， which lays a foundation for grassland snow disaster prevention and prediction of grassland Spring time in China.

Key words Snow depth; Inner Mongolia Plateau; Space time characteristics; Topographical factor

作者簡介 馬學峰（1988—），男，內蒙古呼和浩特人，工程師，主要從事天氣預報與分析工作。

收稿日期 2022-12-10