阿勒泰地区河流冬季积雪变化趋势及其对融雪洪水的影响分析
2020-07-01努尔曼艾山
努尔曼·艾山
(阿勒泰水文勘测局，新疆 阿勒泰 836500)
全球气候变暖对积雪影响已经成为世界广泛关注的热点问题[1]，新疆地区是中国积雪覆盖量最为丰沛的地区之一，北疆山区降雪量占全年降水量的80%以上，而平原区也占比30%以上[2]。阿勒泰地区是新疆积雪量最大的区域之一，当地农牧发展及农业用水主要来源积雪融化后的水量，也是冬季融雪洪水的重要组成[3]。当前，对于积雪深度变化研究主要集中在青藏高原地区[4- 10]，而对新疆地区尤其是阿勒泰地区积雪变化研究还较少，有研究表明新疆地区近50年以来积雪深度、积雪覆盖天数以及融雪消融的天数均呈现显著变化[11]，沈永平[12]研究表明阿勒泰地区在气候变暖影响下，区域气流小循环增强使得融雪期提前，融雪洪水发生几率和破坏程度均有所增加。在全球气候变化大背景下，阿勒泰地区积雪变化趋势如何？是否有突变现象发生？如何影响融雪洪水？是亟需解决的关键问题，本文研究成果对于阿勒泰地区融雪资源化利用以及系统分析地区融雪洪水变化特征具有重要意义。
1 研究区域概况
阿勒泰地区位于新疆北部区域，河流主要发源于阿尔泰山，地形高程从东北到西南逐步降低，地势较为复杂，两条主要河流为额尔齐斯河和乌伦古河，均发源于阿尔泰山。区域属于典型的温带大陆性气候，冬季积雪覆盖时间长，最早积雪时间可出现在9、10月，最早洪峰时间可出现在4、5月，融雪洪水洪峰出现的时间一般在5月中旬到6月中旬。
2 研究方法和资料介绍
2.1 资料选用
采用阿勒泰地区7个国家气象站点作为研究站点，站点分布如图1所示，结合区域气候及农牧产业化发展特点，将每年11月到次年3月划分为冬季，并统计各气象站点最高、最低气温及降水数据。
图1 研究站点分布
2.2 研究方法
2.2.1趋势检验方法
采用非线性趋势检验方法对阿勒泰地区的积雪变化趋势进行检验，该方法假定各年份积雪变化序列独立且同分布，结合统计变量S对其趋势进行判定分析，主要方程为：
(1)
(2)
(3)
(4)
式中，S—变化序列趋势检验的统计变量，该变量符合正态分布；xi和xj—同一个样本序列中两个不同分布的变量序列，其中1
2.2.2突变分析方法
对于独立同分布的随机变量序列，采用统计量对其突变特征进行分析，主要方程为：
(5)
E(ck)=k(k-1)/4
(6)
σ(ck)=k(k-1)(2k+5)/72
(7)
(8)
式中，k—变量序列个数；m—第i个样本xi>xj(1ji)的累积的个数；E(ck)、σ(ck)—统计量ck的均值和方差；UFk—ck的标准化值；将数据系列逆转建立逆数据系列xn,xn-1,…,x1对以上计算过程进行重复,使得|UBk|=-UFk,其中k=n,n-1,…,0。正序UF和逆序UB两条曲线相交点即为突变特征点。
3 积雪变化趋势分析
3.1 冬季降雪和气温变化趋势分析
结合阿勒泰7个气象站点降雪和气温数据，对各站点冬季降雪和气温变化趋势进行检验和线性倾向率分析，成果见表1。
从表1中可看出，阿勒泰地区各站点近51年来冬季气温均值都存在显著递增趋势，全区各站点气温线性倾向率均值为0.69℃/10a，各站点冬季气温线性倾向率在0.49/10a～1.03℃/10a之间，各站点趋势检验Z值均大于2.32，表明均通过置信度为99%的显著性变化趋势检验水平，在各站点中富蕴属于阿勒泰地区气温变化最为显著的站点，气温递增趋势最为明显。从各站点冬季降雪变化趋势分析可看出，各站点冬季降雪也呈现递增变化，近51年来冬季降雪显著增多，各站点降雪线性倾向率在3.47～10.78mm/10a之间，且均通过了90%的显著递增变化趋势检验水平。在各站点中哈巴河降水递增率最大。
3.2 冬季积雪年变化趋势分析
结合各气象站点1961—2017年近51年的积雪深度和降雪日数观测数据，应用非线性趋势检验方法对阿勒泰地区冬季积雪变化趋势进行检验分析，结果见表2。
表1 阿勒泰地区各站点冬季降雪及气温变化趋势检验结果
表2 阿勒泰地区各站点冬季积雪变化趋势检验结果
阿勒泰地区积雪变化具有较为明显的特点，阿勒泰地区从9月到次年5月就出现积雪和降雪的过程，但主要集中在冬季的11月份到次年的3月份，积雪变化主要为单峰变化，最大积雪深度出现时间主要受到地形变化影响，布尔津和哈巴河站最大积雪深度主要集中在1月和12月，其他站点均在2月份出现最大积雪深度，而阿勒泰地区降雪日数均值的第一个高峰期主要集中在12月，第二个高峰期主要出现在次年3月。从冬季积雪和降雪变化趋势检验分析结果可看出，近51年中阿勒泰地区整体最大积雪深度均呈现递增变化，但局部站点和整体区域最大积雪变化趋势具有不同步性，阿勒泰西部吉木乃站及河谷平原地区的福海和布尔津站积雪最大值呈现递增变化，但变化趋势均未通过显著性检验。吉木乃站最大积雪深度递增速率最大，递增速率为4.82mm/10a。从降雪日数变化趋势分析可看出，阿勒泰地区降雪递减变化趋势性较弱，同样局部与整体变化具有不同步性，7个站点中只有东部区域的富蕴站降雪日数变化通过95%的显著变化趋势水平，降雪日数递减速率在全区最高，为-5.25d/10a。总体而言，阿勒泰地区积雪深度变化与冬季降雪量变化趋势具有相似性，这点可参考文献[13]结论具有一致性，降雪日数递减趋势不明显，这表明阿勒泰地区降雪量级在一定程度上有递增变化，这也是阿勒泰地区从1990年代以后暴雪量级频率较高的原因之一。
3.3 冬季积雪深度突变特征分析
在全区域冬季积雪趋势变化分析的基础上，结合突变特征分析方法对各站点1961—2017年冬季积雪深度突变特征进行分析，分析结果如图2所示。
图2 阿勒泰地区各气象站点积雪深度突变特征分析
突变分析中正序和逆序序列的交点即为变量序列变化的特征点，从突变分析中可看出，阿勒泰积雪深度全区域在1978和1983年出现过较为明显的突变现象，各站点突变特征不具有同步变化特征，在各站点中吉木乃站、福海以及布尔津站在20世纪70年代初期和80年代中期发生明显的突变变化，而阿勒泰站突变点主要发生在80年代末和2000年初，哈巴河站积雪深度突变特征不明显，主要在90年代中期。青河站在70年代初和2000年代初期出现积雪深度的突变特征点，而布尔津站积雪突变年份主要出现在2000年代末期。
3.4 冬季积雪与气温、降雪相关性分析
积雪指标主要包括积雪深度、降雪天数以及积雪天数三个，结合各气象站点积雪观测数据，统计分析其和降雪量以及平均气温的相关性，见表3，此外结合R/S分析原理[14]，对阿勒泰地区各气象站点积雪变化的持续性(Hurs指数)进行分析，见表4。
表3 阿勒泰地区积雪变化与气象相关性分析结果
表4 阿勒泰地区各气象站点积雪变化Hurs指数分析结果
从表3中可看出，阿勒泰地区冬季积雪深度和降雪量具有较好的相关性，相关系数达到0.795，这主要是因为积雪主要是固态降雪逐步累积形成的，冬季气温和积雪深度呈现负相关性，但不影响冬季气温和积雪深度的同步递增变化，同样可看出积雪天数和降雪天数均与冬季降雪和气温存在较好的相关性，有学者认为冬季降雪量变化并非是由气温的波动变化影响所致，冬季降雪量和气温相关独立，均受到欧亚环流振荡变化影响所控制的。
4 积雪变化对融雪洪水影响
[15]文献研究结果表明新疆地区2月底积雪深度变化是发生春季融雪洪水的重要表征，为探讨积雪变化对融雪洪水的影响，对阿勒泰地区全域2月底积雪深度进行统计分析，并对区域发生春季融雪洪水频次的各月分布进行分析，结果如图3所示。
图3 阿勒泰地区积雪变化对融雪洪水影响
阿勒泰地区在2007、2008年2月底积雪深度显著低于历史同期均值，因此这两个年份未出现春季融雪洪水，而在2005、2010、2011年2月底积雪深度明显高于历史同期均值，尤其是在2010年2月底积雪深度显著高于历史同期均值，因此发生融雪洪水的频率较大，因此可以应用2月底积雪深度的变化作为发生春季融雪洪水的重要表征指标，当阿勒泰地区2月底积雪深度的距平百分率为正值时，尤其是各气象站点观测的积雪深度距平百分率均高于60%，则可以判定出现春季融雪洪水的概率较大，而若2月底积雪深度距平百分率为负值时，尤其是各气象站点2月底积雪距平百分率低于20%时，发生春季融雪洪水的概率较低。因此可以将阿勒泰地区2月底积雪深度距平百分率作为发生春季融雪洪水的一个重要判定指标。从融雪洪水频率各月分布特征可看出，阿勒泰地区融雪洪水最高频次主要出现在3月下旬，5月下旬出现融雪洪水的频率较低，近51年5月下旬出现融雪洪水频次约为6%，从整体区域来看，阿勒泰地区在3—5月均可能出现融雪洪水，3月下旬至4月下旬是洪水易发期。
5 结论
(1)阿勒泰地区近51年来冬季平均气温和降雪量均存在显著递增趋势，全区冬季气温和降雪线性倾向率均值分别为0.69℃/10a和6.43mm/10a。
(2)阿勒泰地区积雪深度近51年来突变特征不明显，全区积雪深度突变较为明显的特征点分布出现在1978、1983年。
(3)阿勒泰地区2月底积雪深度距平百分率是区域融雪洪水的重要判定指标，当2月底积雪深度的距平百分率为正值，且各气象站点观测的积雪深度距平百分率均高于60%，则春季融雪洪水的概率超过70%，而若为负值，且各站点距平百分率低于20%时，则概率低于20%。
(4)阿勒泰地区3月下旬至4月下旬是洪水易发期，高频融雪洪水发生主要出现在3月下旬。
