石羊河流域降雪初、终日及雪期特征分析

杨晓玲，丁文魁，王鹤龄

（1.武威市气象局，甘肃 武威733099；2.中国气象局兰州干旱气象研究所，甘肃 兰州730020）

降雪作为气候季节变化的天气现象， 是水循环的重要环节之一，在两极地区、冰缘地带和高原高山地带自然环境研究中普遍受到关注[1-2]。 相关研究包括降雪形成机理[3-5]、冰川台站降雪观测[6]、季节降雪积雪资源评价[7-9]以及雪灾对种植业、畜牧业、林业、交通等行业的影响[10-15]。 随着全球气候变化发展，冰雪圈和降雪变化研究已成为新兴方向[16-19]。中国大部分地区以冬季降雪和短期积雪为主，青藏高原、西北和西南地区的高山地带形成季节积雪和长期积雪，并成为中国雪研究的重点区域[20-22]。

石羊河流域位于祁连山东段与腾格里沙漠和巴丹吉林沙漠南缘之间，东西长约240 km，南北宽约300 km，总面积4.16×104km2，地理位置36°29′～39°27′N，101°41′～104°16′E，地势南高北低，由西南向东北倾斜， 海拔在1300～3100 m， 地形地貌极为复杂，从北向南依次为民勤、永昌、凉州、古浪、天祝（表1），其中，北部民勤为沙漠戈壁荒漠区，中部凉州为绿洲平原区，北部永昌和南部古浪为浅山区，天祝属于祁连山边坡高寒山区。石羊河流域深居大陆腹地，属大陆性温带干旱、半干旱气候区[23]，由于特殊的地理位置和区域环境， 是重要降雪区， 降雪出现在秋末、冬季和初春，以冬季为主，年降雪量占降水总量的9.8%～15.2%， 年降雪日占降水总日的19.3%～55.1%，降雪日偏早或偏晚、雪期偏长都会对工农业生产造成严重影响。 研究表明，近50 a（1961—2010年）石羊河流域年平均气温升高1.895 ℃，升高幅度约为同期全球的2.9 倍[24]，气温升高导致石羊河流域降雪初、终日及雪期发生了明显变化。目前对石羊河流域降雪初、终日及雪期研究文献很少见，本文以1960—2017 年石羊河流域最新降雪资料为基础，分析探讨降雪初、终日及雪期的演变特征，为降雪预报提供参考依据， 同时对防御雪灾、 科学利用降雪资源、 保护生态环境和促进区域经济发展等方面有着重要意义。

表1 石羊河流域气象站点的经度、纬度和海拔高度

1 资料、指标和方法

1.1 资料与指标

选取1960—2017 年石羊河流域永昌、 民勤、凉州、古浪、天祝乌鞘岭共5 个气象站降雪和气温观测资料。 58 a 来各气象站均未曾迁移，观测数据时间序列长，完整性和连续性好。降雪初日为后半年第一次出现降雪的日期， 降雪终日为前半年最后一次出现降雪的日期。 雪期为当年降雪初日至次年降雪终日所持续的日数， 如1960 年降雪初日至1961 年降雪终日所持续的日数记为1960 年的雪期，以此类推。

运用平均值（x）和均方差（s）判断指标[25]对降雪初、终日和雪期进行异常性判别：若降雪初、终日和雪期波动数值在x±s 之间，为正常波动；若降雪初、终日和雪期波动数值在x±s 和x±2s 之间， 为偏晚（长）或偏早（短）；若降雪初、终日和雪期波动数值在x±2s 之外，为特晚（长）或特早（短）。

1.2 方法

全流域年降雪初、 终日及雪期为同一年份不同站点（n=5）的平均，各地年平均降雪初、终日及雪期为同一站点不同年份（m=58 a）的平均。 采用平均值和概率论分析各地降雪初、 终日及雪期的空间分布和异常性；运用线性倾向估计法[26]分析年降雪初、终日及雪期的变化趋势，变化趋势的显著性，利用时间与变量序列间的相关系数即气候趋势系数进行检验[27]，根据蒙特卡罗模拟方法[28]：通过P=0.1、0.05、0.01 显著性水平检验所对应的相关系数临界值，依次为：0.305 8、0.365 3、0.443 0， 当气候趋势系数绝对值大于上述临界值时， 分别认为气候趋势系数较显著、显著、很显著；采用距平法分析降雪初、终日及雪期的年代变化； 运用Pearson 相关系数法和气候趋势法分析降雪初、 终日和雪期与气温和海拔高度的相关程度，其中Pearson 为积差相关，是计算连续变量或等间距测度变量间的相关分析方法[29]。

2 结果与分析

2.1 降雪初、终日及雪期的空间分布

2.1.1 平均及极值空间分布

石羊河流域地处祁连山东麓，境内地形复杂，高山平原沙漠并存， 降雪天气的地域分布存在一定差异。统计分析全流域及5 个县（区）气象站58 a 年降雪初、 终日及雪期发现， 全流域的平均降雪初日在10 月11 日；天祝最早，为9 月6 日；古浪次之，为10月7 日；再次为永昌，为10 月13 日；凉州为10 月25 日；民勤最晚，为11 月1 日，即降雪初日山区早于平原区，平原区早于荒漠区。最早和最晚降雪初日与平均降雪初日分布一致，均为天祝最早，1968 年8月2 日；民勤最晚，1983 年12 月29 日（图1a），各地降雪初日发生最晚和最早日期相差56～91 d。 全流域的降雪终日为5 月2 日；民勤最早，为4 月4 日；凉州次之，为4 月16 日；再次为永昌，为5 月1 日；古浪为5 月5 日；天祝最晚，为6 月12 日；即降雪终日山区晚于平原区，平原区晚于荒漠区。最早和最晚降雪终日与平均降雪终日分布一致，均为民勤最早，1984 年2 月2 日；天祝最晚，1985 年7 月30 日（图1b），各地降雪终日发生的最晚和最早日期相差69～116 d。全流域的平均雪期203 d；天祝最长，为279 d；古浪次之，为210 d；再次为永昌，为200 d；凉州为172 d；民勤最短，为155 d，即雪期山区长于平原区，平原区长于荒漠区。最长和最短雪期与平均雪期分布一致，均为天祝最长，发生在1984 年，为330 d；民勤最短，发生在1983 年和2008 年，为74 d（图1c）。 各地降雪终日发生的最晚和最早日期相差100～147 d。

图1 石羊河流域平均和极端降雪初日（a）、终日（b）及雪期（c）

首先，石羊河流域南北温差大，为0.3～8.8 ℃[24]，南部山区气温低，易出现降雪，降雪初日早，降雪终日晚，雪期长；其次，雪日与地形有一定的关系，由于南部山区处于祁连山东北侧迎风坡， 受地形抬升影响，易发生降雪，使山区降雪初日早，降雪终日晚，雪期长；再次，雪日与影响当地天气系统有关，平原区和荒漠区主要受西北和偏北气流的环流背景影响，大气携带的水汽相对较少， 降雪初日晚， 降雪终日早，雪期短，而山区位于祁连山东北侧，受西南季风影响，西南暖湿气流活跃，降雪初日早，降雪终日晚，雪期长。

2.1.2 异常性空间分布

由表2 可知，石羊河流域及各地降雪初、终日及雪期的异常性相对一致。 正常降雪初日出现年份最多为39～44 a，概率为67.2%～75.9%；异常降雪初日为14～19 a，概率为24.1%～32.8%，其中，特早0.0%～5.2%，偏早6.9%～17.2%，偏晚8.6%～10.3%，特晚1.7%～6.9%。正常降雪终日出现年份最多为39～45 a，概率为67.2%～77.6%；异常降雪终日为13～19 a，概率为22.4%～32.8%， 其中， 特早0.0%～5.2%， 偏早6.9%～19.0%，偏晚6.9%～13.8%，特晚1.7%～5.2%。正常雪期出现年份最多为40～46 a， 概率为69.0%～79.3%；异常雪期在12～18 a，概率为20.7%～31.0%，其中， 特短1.7%～3.4%， 偏短6.9%～15.5%， 偏长8.6%～15.5%，特长0.0%～3.4%。 由此可知，石羊河流域正常降雪初、 终日及雪期年概率均超过67%，偏早和特早降雪初日概率共为12.1%～17.2%， 偏晚和特晚降雪终日概率共为10.3%～17.2%， 偏长和特长雪期概率共为10.3%～15.5%。

表2 石羊河流域降雪初、终日及雪期异常年数a

2.2 降雪初、终日及雪期的时间变化

2.2.1 年际变化

分析石羊河流域降雪初、 终日及雪期随时间变化发现， 随着年份的增加降雪初日呈推迟趋势（图2a），（除凉州和古浪外） 降雪终日呈提早趋势（图2b），雪期呈缩短趋势（图2c）。 用线性倾向估计法计算各地降雪初、 终日及雪期的气候倾向率及趋势系数（表3），降雪初日气候倾向率为天祝＞凉州＞永昌＞全流域＞民勤＞古浪，天祝推迟趋势最明显，古浪推迟趋势最不明显，根据蒙特卡罗模拟方法可知，天祝气候趋势系数通过了P=0.05 的显著性水平检验，推迟趋势显著； 全流域及其他各地气候趋势系数没有通过显著性水平检验，推迟趋势不显著。降雪终日气候倾向率的绝对值为天祝＞永昌＞民勤＞凉州＞全流域＞古浪，天祝、永昌提早趋势最为明显，而凉州、古浪呈弱推迟趋势， 天祝、 永昌气候趋势系数通过了P=0.05 的显著性水平检验，提早趋势显著；全流域及其他各地气候趋势系数均没有通过显著性水平检验，提早或推迟趋势不显著。 雪期气候倾向率的绝对值为天祝＞永昌＞民勤＞全流域＞凉州＞古浪，天祝、永昌缩短趋势最为明显，古浪缩短趋势最不明显，天祝、永昌气候趋势系数通过了P=0.01 的显著性水平检验，缩短趋势很显著；全流域及其他各地气候趋势系数均没有通过显著性水平检验，缩短趋势不显著。

图2 石羊河流域降雪初日（a）、终日（b）及雪期（c）年际变化

表3 石羊河流域年降雪初、终日及雪期的气候倾向率及趋势系数

2.2.2 年代际变化

表4 为石羊河流域逐年代平均降雪初、终日及雪期距平（距平计算以58 a 平均值为基准）。表中正（负）值分别表示降雪初日来得晚（早）、降雪终日结束晚（早）、雪期长（短）。 全流域及各地平均降雪初、终日及雪期年代差异也比较明显， 且变化不太一致。 总体来看，降雪初日20 世纪60—70 年代偏早，但古浪60 年代持平；80—90 年代偏晚， 但天祝偏早，古浪90 年代偏早；21 世纪前18 a 偏晚，但民勤偏早，凉州2010—2017 年略偏早。 降雪初日20 世纪60 年代至2010—2017 年全流域、永昌、民勤、凉州、古浪、天祝分别推迟8、6、3、5、1、14 d。 降雪终日20 世纪60 年代永昌、民勤和天祝偏晚，凉州和古浪偏早，全流域略偏早；70 年代偏晚；80 年代偏早，但古浪持平，天祝偏晚；90 年代偏晚，但永昌、天祝偏早；21 世纪前10 a 偏早；2010—2017 年民勤、 凉州和古浪偏晚，永昌、天祝偏早，全流域略偏早。 降雪终日20 世纪60 年代至2010—2017 年全流域、永昌、民勤、天祝分别提早0、12、6、16 d，凉州、古浪分别推迟18、13 d、。 雪期20 世纪60 年代偏长，但凉州、古浪偏短；70 年代偏长；80 年代偏短，但古浪、天祝偏长；90 年代偏短， 但古浪偏长；21 世纪前10 a 偏短；2010—2017 年偏短，但民勤、凉州偏长，古浪持平。雪期20 世纪60 年代至2010—2017 年全流域、永昌、民勤、天祝分别缩短12、25、15、32 d，凉州、古浪分别延长6、9 d。

表4 石羊河流域各年代平均降雪初、终日和雪期的距平/d

2.3 降雪初、终日及雪期与气温和海拔的关系

2.3.1 与气温的关系

石羊河流域气温分布趋势是由西南向东北升高[24]，降雪初日与气温具有极显著正相关，降雪终日和雪期与气温具有极显著负相关， 其相关系数均通过了P=0.001 的显著性水平检验，即气温越高，降雪初日越晚，降雪终日越早，雪期越短。 气候趋势法分析表明，气温每升高1 ℃，降雪初日推迟约6.3 d，降雪终日提早约7.6 d，雪期缩短约13.8 d（表5）。

表5 石羊河流域降雪初、终日及雪期与气温和海拔高度的关系

2.3.2 与海拔的关系

石羊河流域海拔高度分布趋势是由西南向东北递降。 石羊河流域降雪初日与海拔具有极显著负相关，降雪终日和雪期与海拔具有极显著正相关，其相关系数均通过了α=0.001 的显著性水平检验， 即海拔越高，降雪初日越早，降雪终日越晚，雪期越长。气候趋势法分析表明，海拔每升高100 m，降雪初日提早约3.3 d，降雪终日推迟约4.0 d，雪期延长约7.3 d（表5）。

3 结论与讨论

石羊河流域降雪初日山区最早，平原区次之，荒漠区最晚；降雪终日山区最晚，平原区次之，荒漠区最早；雪期山区最长，平原区次之，荒漠区最短。各地降雪初、 终日及雪期存在一定的异常性， 正常降雪初、终日及雪期的年份最多，依次向两端递减。 降雪初日呈推迟趋势，气候倾向率为0.844～3.101 d/10 a，天祝推迟最明显；除凉州和古浪外，降雪终日总体呈显著提早趋势， 气候倾向率为-3.702～1.604 d/10 a，天祝、永昌提早最明显；雪期呈缩短趋势，气候倾向率为-7.447～-0.097 d/10 a，天祝、永昌缩短最明显。降雪初、 终日及雪期与气温和海拔高度具有极显著相关性，气温每升高1 ℃，初日推迟约6.3 d，终日提早约7.6 d，雪期缩短约13.8 d；海拔每升高100 m，初日提早约3.3 d，终日推迟约4.0 d，雪期延长约7.3 d。

海拔高度、 地形地势和天气系统影响了石羊河流域降雪初、终日及雪期的空间分布。 研究发现[30]，石羊河流域海拔越高，气温越低，越易出现降雪，这与本研究的结论相一致。 石羊河流域降雪初日偏早和特早、 降雪终日偏晚和特晚以及雪期偏长和特长的概率虽小， 但仍会对各行业安全生产会造成一定的危害。 相关分析表明，石羊河流域降雪初、终日与气温和海拔高度的关系非常密切，与纬度、经度关系不明显，这可能与研究的范围较小有关。降雪终日对气候变暖和海拔高度变化的响应程度比降雪初日更敏感， 降雪终日的提早对雪期的缩短比降雪初日的推迟贡献更大， 进一步印证了气候变暖使冷空气强度减弱和频次减少可能是石羊河流域降雪初日推迟、降雪终日提早和雪期缩短的主要原因的推测。