1979-2018年金沙江梨園流域積雪時空變化及其影響因素

戴鈺，李炳鋒，羅煜寧，王宇昊，申笑萱，吳南，張珂

（1.河海大學(xué)水災(zāi)害防御全國重點實驗室，江蘇 南京 210024；2.河海大學(xué)長江保護(hù)與綠色發(fā)展研究院，江蘇 南京 210024；3.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210024；4.中國氣象局水文氣象重點開放實驗室，江蘇 南京 210024；5.水利部水利大數(shù)據(jù)重點實驗室，江蘇 南京 210024；6.水利部水循環(huán)與水動力系統(tǒng)重點實驗室，江蘇 南京 210024）

0 前言

水資源是基礎(chǔ)性的自然資源和戰(zhàn)略性的經(jīng)濟(jì)資源[1]。由于水資源時空分布極不均勻、人類活動頻繁、水體污染嚴(yán)重等原因，水資源問題已成為制約我國社會發(fā)展的瓶頸。隨著氣候不斷變化，氣候系統(tǒng)的穩(wěn)定性也逐漸降低，全球及區(qū)域水循環(huán)系統(tǒng)特征發(fā)生深刻變化[2]。因此，研究氣候變化下水文循環(huán)要素時空變化特征，對深入認(rèn)識水資源形成和演變規(guī)律、水資源的可持續(xù)開發(fā)利用和生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有重要的指導(dǎo)作用。作為表征氣候變化的重要因子，流域降水、氣溫、積雪的時空分布及其變化必將導(dǎo)致水文過程發(fā)生變異，更有甚者危害流域水資源、水電能源的開發(fā)利用。目前已經(jīng)有很多學(xué)者對各區(qū)域及流域降水、氣溫、積雪的變化進(jìn)行了分析研究。王兆禮等[3]基于1961-2000 年珠江流域80 個觀測站的月平均氣溫資料，分析了氣溫序列的時空演變特征及其對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生的影響；侯保險等[4]采用Hurst 系數(shù)、累積距平等方法研究金沙江流域降水與氣溫，結(jié)果指出該流域降水、氣溫均表現(xiàn)出增加態(tài)勢，且季節(jié)性明顯；王景才[5]等利用近50 年的月降水資料，分析淮河上中游流域年降雨、主汛期降雨的時空分布特征、變化趨勢和周期性；盧璐等[6]研究發(fā)現(xiàn)近60 年金沙江流域年均氣溫以0.025℃的趨勢升高，季節(jié)降水量、氣溫與徑流顯著相關(guān)；史雯雨等[7]研究發(fā)現(xiàn)金沙江流域年平均氣溫和季平均氣溫周期性變化明顯，且呈現(xiàn)顯著上升趨勢。李文廣等[8]研究分析了長江流域建庫前后降水時空變化特征；盧雅婷等[9]根據(jù)金沙江流域60a 內(nèi)降水?dāng)?shù)據(jù)，探究降水不同時間尺度的周期變化規(guī)律。徐強(qiáng)等[10]利用經(jīng)驗正交函數(shù)和旋轉(zhuǎn)經(jīng)驗正交函數(shù)將東江流域降水分解為北部型和南部型兩類，同時指出南部型降水變化幅度小，且突變時間存在滯后性。

積雪的變化同樣具有時空異質(zhì)性，中國主要積雪分布地區(qū)有青藏高原雪區(qū)、天山地區(qū)、新疆北部積雪帶、內(nèi)蒙古和東北地區(qū)[11]。20 世紀(jì)90 年代以前，青藏高原的積雪普遍呈增長態(tài)勢[12]，且在80 年代左右，增長趨勢極其顯著[13]，90 年代末，積雪變化趨勢改變，開始顯著減少[14-15]，其中東部地區(qū)積雪變化趨勢最為顯著[16]。車濤[17]基于SSM/I 被動微波反演的中國逐日積雪深度數(shù)據(jù)集，發(fā)現(xiàn)1933-2002 年我國積雪儲量雖存在年際波動，但變化趨勢極不顯著。劉世博等[18]研究發(fā)現(xiàn)，1986 年東北凍土區(qū)年平均雪深發(fā)生突變，每十年以0.07cm 的速率消融，同年該積雪區(qū)的氣溫也發(fā)生突變。郭建平[19]等研究發(fā)現(xiàn)青藏高原積雪空間分布受海拔、坡度、坡向等地形因子影響存在較大差異，積雪面積比例隨海拔、坡度的增大呈現(xiàn)增加趨勢；沈鎏澄[20]等人通過數(shù)理統(tǒng)計方法發(fā)現(xiàn)青藏高原中東部地區(qū)冬季雪深的時空分布特征主要受降水影響，其他季節(jié)主要受氣溫影響；此外還有研究指出不同土地、植被類型也會影響積雪產(chǎn)生于消融[19]。王慧等[21]以新疆地區(qū)為研究區(qū)域，分析了1961-2017 年研究區(qū)最大積雪深度、積雪日數(shù)的時空變化特征，發(fā)現(xiàn)新疆北部和天山地區(qū)雪深顯著增加，而積雪日數(shù)總體呈減少趨勢。張慶杰[22]基于CMIP6 氣候模式分析了新疆地區(qū)1979-2014 年間積雪深度時空變化特征，同時結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)方法探究了氣溫、降水、風(fēng)速等不同氣象要素對積雪深度的影響。

這些研究多傾向于將降水、氣溫或積雪等單一氣象要素分別進(jìn)行研究分析，極少涵蓋多個水文變量但未能充分考慮多種水文變量，也尚未揭示多水文變量的共同變化規(guī)律。然而，流域內(nèi)的水文過程不僅涉及多個水文變量，且各變量之間往往具有一定的相關(guān)性。因此，需要綜合考慮多個水文變量間的相關(guān)變化趨勢才能完美捕捉水文過程或水文事件的變化特征。近年來，在水文過程中聯(lián)合考慮多個具有相關(guān)關(guān)系的水文變量，已成為國內(nèi)外水文學(xué)者的研究熱點[23]。為研究流域水文過程對氣候變化的時空響應(yīng)，本文以金沙江上游的梨園流域為研究區(qū)，分析該流域近40 年來降水、氣溫和積雪的時空演變特征，同時可以為該流域水資源管理、水電工程的開發(fā)和建設(shè)提供重要的參考信息。

梨園流域研究區(qū)位于青藏高原東部，流域內(nèi)多年平均流量豐富，降水、氣溫、積雪的空間分布直接影響其徑流量變化。本文基于研究流域1979-2018 年間遙感反演的長系列逐日雪深數(shù)據(jù)及同時段的降水、氣溫柵格數(shù)據(jù)，分析該區(qū)域降水、氣溫、積雪的時空分布和年際變化，并進(jìn)行相關(guān)性分析；旨在全面揭示研究流域降水、氣溫、積雪深度的時空變化特征，并初步探究這些氣候因子之間的影響關(guān)系。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

梨園流域位于金沙江水系石鼓斷面上游，地處云貴高原西北部和四川盆地西部，西側(cè)靠近青藏高原，流域覆蓋面積約為21.4 萬km2。石鼓水文站地理位置處在92°37′E，27°15′N。研究區(qū)位于90°30′E～100°22′E，26°37′N～35°54′N（如圖1），處在高原山地氣候區(qū)內(nèi)，海拔在1674～6293 m 之間，地勢由西北向東南傾斜，海拔落差超過4500 m。梨園流域發(fā)源地是青海省西南部沱沱河，沿途流經(jīng)青藏高原、四川省，最后流入云南省。由于研究流域處于高原山地向平原的過渡地帶，氣候交替變化復(fù)雜，受高原季風(fēng)氣候和副熱帶季風(fēng)氣候影響顯著[24]。流域?qū)儆诎敫珊禋夂?，該流域徑流補(bǔ)給主要來自于降雨、融雪和融冰。該流域徑流深年際變化較大，年內(nèi)分配不均，流域年徑流量為199～415 億 m2。

圖1 研究區(qū)及水文氣象站點分布

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

本文采用的高程數(shù)據(jù)是在地理空間數(shù)據(jù)云（http://www.gscloud.cn/）下載的，空間分辨率為1 km，通過ArcGIS10.6 制圖軟件處理得到研究流域。降水、氣溫以及積雪數(shù)據(jù)資料由國家青藏高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http://data.tpdc.ac.cn/zh-hans/）提供。其中，降水、氣溫數(shù)據(jù)源自中國區(qū)域地面氣象要素驅(qū)動數(shù)據(jù)集（1979-2018）[25]，時間分辨率為3 h，空間分辨率為0.1°；積雪數(shù)據(jù)源自中國雪深長時間序列數(shù)據(jù)集（1978-2020）[26]，時間分辨率為日，空間分辨率為25 km；研究中使用雙線性插值法將降水、氣溫和積雪數(shù)據(jù)集的空間分辨率統(tǒng)一轉(zhuǎn)化為1 km。

根據(jù)積雪季節(jié)變化的特點，本文將一個積雪年定義為當(dāng)年的9 月1 日至次年的8 月31日[27]，依據(jù)《地面氣象觀測規(guī)范》，對平均雪深＜0.5 cm 的微量積雪不予考慮，記為0 cm；0.5 cm≤雪深＜1 cm 時，記為1 cm，當(dāng)積雪深度符合觀測要求且≥1 cm 時，記為一個積雪日。積雪初日是指積雪年內(nèi)首次出現(xiàn)積雪深度≥1 cm的日期；積雪終日則是指最后一次出現(xiàn)積雪深度≥1 cm 的日期；積雪天數(shù)則為積雪期內(nèi)（積雪初日至積雪終日之間）所有積雪深度記錄值的天數(shù)總和；年均雪深則為積雪年內(nèi)所有積雪深度之和與該年對應(yīng)積雪天數(shù)之比。

2 研究方法

2.1 趨勢分析法

采用線性回歸的方法分析研究區(qū)內(nèi)降水、氣溫和積雪深度的變化趨勢，即氣候傾向率S，反映各要素隨時間演變規(guī)律。使用Mann-Kendall 趨勢檢驗法計算趨勢變化的顯著性。當(dāng)｜MK ｜＞1.96 時，說明趨勢在0.05 置信區(qū)間上變化顯著；當(dāng)｜MK ｜＞2.58 時，說明趨勢在0.01 置信區(qū)間上變化顯著。該方法不需要樣本服從某種分布，也不會受到異常值的干擾，能夠有效地區(qū)分某一過程是處于自然波動狀態(tài)還是按照特定的變化趨勢波動，具有檢測范圍廣泛、受人為影響小的優(yōu)點[28]，目前已被廣泛應(yīng)用到水文、氣象領(lǐng)域。

Sen 趨勢度是一種研究變量長時間序列變化的方法[29]，對于時間序列xt(t=1,2,3,…,N)，趨勢度β為權(quán)衡變化趨勢的系數(shù)，定義如下：

式中：xi和xj分別為不同時刻對應(yīng)的時間序列值，n＞i＞j＞1；Median 是中位數(shù)函數(shù)。β為斜率，β＞0 表示“增加趨勢”，β＜0 表示“減少趨勢”，β= 0 表示“趨勢不變”。

2.2 相關(guān)性分析

運用相關(guān)分析的方法研究積雪深度和降水、氣溫等氣象因子的相關(guān)關(guān)系，根據(jù)相關(guān)現(xiàn)象所表現(xiàn)的不同特征，對具有相關(guān)關(guān)系的變量研究其相關(guān)方向（r＞0，則表示正相關(guān)；r＜0，則表示負(fù)相關(guān)）及各變量間的相關(guān)程度，用數(shù)學(xué)方法將其數(shù)值化，即相關(guān)系數(shù)r，計算公式如下：

式中：x、y為不同的變量值；Cov(x,y)為x、y的協(xié)方差；Var[x]、Var[y]分別為x、y的方差。

3 結(jié)果分析

3.1 氣候要素的時空分布

基于遙感反演得到的積雪深度數(shù)據(jù)，分析1979-2018 年間梨園流域雪深的變化趨勢，結(jié)果如圖2 所示，可以看出流域積雪深度變化趨勢是增加、減少、增加交替出現(xiàn)。流域年均雪深變化幅度為0.78cm～4.52 cm，年降水量最大值為4.52 cm（1986 年），最小值為0.78 mm（2003年），多年平均積雪深度為1.71 cm；流域積雪整體上呈現(xiàn)減小趨勢，下降率為0.32 cm/10a，其MK 值為2.76，大于2.58，通過了置信度為99%的Mann-Kendall 法顯著性檢驗，說明年積雪深呈顯著下降趨勢。本研究認(rèn)為10 月19 日至次年5 月11 日為該研究區(qū)積雪期[27]，下文對于梨園流域積雪特征及影響因素的分析主要通過計算積雪期內(nèi)雪深、降水、氣溫的時空變化及相關(guān)關(guān)系來實現(xiàn)。

圖2 1978-2018年梨園流域積雪深度年際變化

對梨園流域1979-2018 年間積雪期內(nèi)降水?dāng)?shù)據(jù)和氣溫數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢分析，如圖3 所示，縱觀整個流域，近40 a 流域多年平均年降水量為461.71 mm，年降水量最大值為564.05 mm（2005 年），最小值為348.57mm（1984 年）；期間，流域降水增長率（即氣候傾向率）為28.67 mm/10a，MK 值為3.27，MK 值絕對值大于2.58，通過了置信度為99%的Mann-Kendall法顯著性檢驗，年降水量呈顯著增加趨勢。近40a 流域多年平均氣溫為-2.69℃，年平均氣溫最高值為-1.5 ℃（2016 年），年平均氣溫最低為-4.21 ℃（1993 年）；流域內(nèi)氣溫變化趨勢與降水相似，呈顯著的增長趨勢，氣候變暖十分明顯，升溫率（即氣候傾向率）為0.54 ℃/10a，其MK 值為6.09MK 值絕對值大于2.58，通過了置信度為99% 的Mann-Kendall 法顯著性檢驗，說明年降水量呈顯著增加趨勢。

圖3 1978-2018年梨園流域氣候因素年際變化

梨園流域的地形起伏較大，高原山地縱橫交錯，局地差異大?；谘芯繀^(qū)1979-2018 年的積雪期內(nèi)降水、氣溫、雪深資料和流域內(nèi)站點分布，運用Matlab 對降水、氣溫、積雪數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值，繪制梨園流域多年平均降水空間分布圖、多年平均氣溫空間分布圖和多年平均雪深空間分布圖（如圖4）。由圖4(a) 可以看出，流域多年平均降水量空間分布不均勻，且南北、東西兩向降水分布差異大，近40 的降水量在184～992.8 mm 之間，流域東南部地區(qū)降水最為豐富，西北地區(qū)降水較少；降水量空間分布主要為由下游向上游方向逐漸減少；由圖4(b) 可以看出，近40 的氣溫在-13.5～18.6℃之間浮動，氣溫分布呈現(xiàn)西北低、東南高的趨勢，與降水空間分布大致相同。由圖4(c)可以看出，流域積雪深度呈現(xiàn)中間高、兩邊低的分布趨勢，近40 的積雪深度在0～6 cm 范圍內(nèi)波動，積雪厚度：中部地區(qū)＞西北地區(qū)＞東南地區(qū)。

圖4 梨園流域1979-2018年多年平均降水、氣溫、雪深空間分布

3.2 氣候要素的時空演變特征

基于梨園流域1979-2018 年的降水、氣溫和年均雪深柵格數(shù)據(jù)，計算各要素對應(yīng)的氣候傾向率S值和趨勢檢驗MK 值，如圖5 和圖6分別為降水、氣溫、雪深所對應(yīng)氣候傾向率S值和趨勢檢驗MK 值的空間分布。結(jié)果表明，研究區(qū)積雪期內(nèi)西北地區(qū)和中部地區(qū)降水顯著增加，氣候傾向率最大為8.5 mm/a；東南地區(qū)降水呈現(xiàn)減少趨勢，氣候傾向率最大為5.7 mm/a。流域內(nèi)西北部溫度呈現(xiàn)減小趨勢，變化顯著，氣候傾向率最大為0.1℃/a；多數(shù)地區(qū)表現(xiàn)為升溫且變化趨勢明顯，氣候傾向率最大為0.2℃/a。多年來流域內(nèi)多數(shù)地區(qū)積雪深度變化趨勢多為增加趨勢，變化趨勢在0.1 cm/a 范圍內(nèi)波動；少部分區(qū)域年均雪深有下降傾向，變化趨勢在0～0.2 cm/a。就整個流域而言，空間分布圖與圖2 和圖3(a)(b)對應(yīng)的年際變化趨勢相一致。

圖5 梨園流域1979-2018年降水、氣溫與年均雪深氣候傾向率

圖6 梨園流域1979-2018年降水、氣溫與年均雪深變化趨勢MK值

冬季氣溫降低時，降水以降雪的形式出現(xiàn)，有利于雪的累積[30]。沈鎏澄[20]等在研究青藏高原中東部地區(qū)積雪變化時發(fā)現(xiàn)降水是冬季（氣溫較低）積雪變化主要驅(qū)動因子，其余季節(jié)則主要由氣溫主導(dǎo)，梨園流域內(nèi)降水在時間和空間尺度上均表現(xiàn)為顯著增長的趨勢，而雪深卻表現(xiàn)出下降的變化趨勢，大概率是由于全球氣候變暖導(dǎo)致降水多以降雨的形式出現(xiàn)，進(jìn)而促進(jìn)雪深的消融；且研究區(qū)積雪天數(shù)較長，包含了冬、春兩季，積雪期后期（即春季）氣溫是積雪變化的主導(dǎo)因子；除此之外積雪變化是一系列因素共同影響的結(jié)果，就單一元素分析的話可能存在誤差。

3.3 相關(guān)性分析

利用相關(guān)分析法計算梨園流域1979-2018年間積雪期積雪深度與降水、氣溫的相關(guān)系數(shù)，結(jié)果如圖7 所示，降水與雪深的相關(guān)系數(shù)在-0.7～-0.3 范圍內(nèi)浮動且均為負(fù)值，其相關(guān)性在1990 年達(dá)到最高為-0.667，表明降水增加促進(jìn)了雪的消融，使雪深降低。氣溫與雪深的相關(guān)系數(shù)在-1～-0.6 范圍內(nèi)變化，且均為負(fù)值，其相關(guān)性在1997 年達(dá)到最高為-0.925，說明氣溫升高同樣會促進(jìn)雪的消融，使雪深降低。從圖中可以看出，降水與積雪深度的相關(guān)性要低于氣溫。綜上，降水越多、氣溫越低有利于促進(jìn)積雪的形成，氣溫對于積雪深度的影響要高于降水。

圖7 梨園流域降水、氣溫與積雪深度的相關(guān)系數(shù)

4 討論與結(jié)論

本文依據(jù)《地面氣象觀測規(guī)范》對積雪日的定義，揭示了近40 年來梨園流域積雪特征的時空變化及其對影響因子的敏感性。眾所周知，研究資料時間序列長短、數(shù)據(jù)來源、研究范圍和方法不同，都會直接影響研究結(jié)果[13,31]，所得到的結(jié)論也存在一定差異[32]。已有研究表明[20,33]，不同季度積雪深度與其影響因子表現(xiàn)出不同的相關(guān)性，隨著海拔增加積雪深度呈增加趨勢，當(dāng)氣溫較低時，降水以降雪的形式增加則有助于雪深的累積，當(dāng)氣溫較高時，降水以降雨的形式增加則有助于積雪的消融，本文著重分析了年尺度上降水、氣溫和雪深的時空分布特征和相關(guān)關(guān)系，并未側(cè)重分析不同季節(jié)雪深與氣象因子的相關(guān)關(guān)系。積雪變化是多要素共同作用的結(jié)果，本文從氣候要素角度，考慮了降水和氣溫兩個主要影響因子進(jìn)行綜合分析，逐個單一因素進(jìn)行敏感性分析容易存在誤差，關(guān)于其他因子如地形因子、太陽輻射、下墊面（植被、凍土）在不同季度下與積雪的耦合關(guān)系是未來的研究重點。

1）1979～2018 年間梨園流域絕大多數(shù)地區(qū)降水和氣溫為顯著增長的趨勢，其中東南部升溫現(xiàn)象較為顯著，雪深則表現(xiàn)為明顯的下降趨勢，極少部分區(qū)域年均雪深呈現(xiàn)上升趨勢。

2）氣象因子在雪深的變化中起主導(dǎo)作用，流域年平均降水與積雪深度的相關(guān)系數(shù)均小于0，最高可為-0.667，屬于負(fù)相關(guān)關(guān)系；流域年平均氣溫與積雪深度的相關(guān)系數(shù)多小于0，最高可為-0.925，為負(fù)相關(guān)關(guān)系。積雪變化與降水、氣溫的關(guān)系分析表明，降水越豐富、氣溫越高，越不利于積雪的形成，且兩者與雪深的相關(guān)程度表現(xiàn)為：氣溫＞ 降水。