1961—2017年新疆积雪期时空变化特征及其与气象因子的关系

王 慧，王梅霞，王胜利，余行杰

（新疆维吾尔自治区气候中心，新疆乌鲁木齐830002）

0 引言

积雪是冰冻圈的主要存在形式之一［1］，在全球变暖背景下，积雪对气候变化具有高度敏感性和重要反馈作用［2-3］。积雪对全球能量平衡、气候、水文以及生态变化有显著影响，是表征积雪气候环境特征与水资源条件的重要指标［4-5］。随着全球气候变暖，各种冰冻圈灾害频发，威胁人们生命财产安全，更使得积雪变化研究具有重要意义［6］。

近年来，许多学者对积雪进行了大量研究。北半球在1972—2000年间最大积雪面积从2月提前至1月［7］，欧亚大陆春夏季积雪覆盖明显衰退，秋冬季变化不大［8］，北美洲冬季积雪减少较显著［9］。有研究指出，中国冰冻天气空间分布差异性显著，1979—2006年冬季青藏高原雪深、积雪日数随时间逐渐减少，新疆和东北地区表现出与其相反的特征［10］。中国东北地区积雪存在减少趋势［11-12］，而西部积雪表现为缓慢增加趋势［13］。新疆地处西北，纬度相对较高，冬季漫长，对新疆积雪的研究较多。研究指出，新疆地区积雪最大深度呈增加趋势，而积雪覆盖周期变短［14-15］。20世纪80年代以来，新疆积雪厚度和最大积雪深度呈轻微增加趋势，其中90年代增加最明显［16］。但大部分研究针对新疆局部区域，如北疆［17-19］、天山山区［20］、阿勒泰［21］等进行探讨，缺少基于气象站点的新疆区域积雪期时空特征变化规律及其与气象因子相关性研究。同时，在全球气候变暖的大背景下，近几年新疆气候变暖幅度有所加大，最暖的5年中4年出现在2011年以后，因此积雪期也发生一些变化。

本文利用新疆89个气象观测站逐日积雪深度观测资料，探讨近57年来全球气候变暖背景下新疆各地积雪期和积雪初日、终日的时空变化规律。新疆积雪主要分布在北疆和天山山区，南疆大部地区冬季少雪或无降雪，而冬季天山山区与北疆地区通常受同一天气系统影响形成降雪，二者的积雪变化有较好的一致性［22］。因此，对北疆和天山山区积雪期的年代际和周期变化特征及其与气温、降水的关系进行研究探讨，以期对新疆区域水资源管理、气候变化预测提供参考。

1 数据与方法

本文选用1961—2018年新疆89个国家级气象观测站逐日积雪深度观测资料，以及同期各站点逐日平均气温和降水量资料。选取当年7月至次年6月为一个积雪观测年，即1961年7月至1962年6月作为1961年资料，以此类推得到1961—2017年57年时间序列，主要采用积雪期、积雪初日、积雪终日3个指标进行分析；积雪初日为每个积雪观测年内首次出现积雪深度≥0.5 cm的日期；积雪终日为每个积雪观测年最后出现积雪深度≥0.5 cm的日期；积雪期是每个积雪观测年内积雪初日、积雪终日之间的日数为积雪期［12，17］；积雪初日、积雪终日多年平均值是以每一个积雪期观测年当年7月1日为参考日期，即第1天，将每年积雪初日、终日转换为相应的天数，然后计算多年平均天数，最后再以7月1日为参考日期将多年平均天数转换为具体日期，记为积雪初日、积雪终日多年平均值。参照新疆气候特点研究选取气象代表站为北疆37站、天山山区14站、南疆38站，具体分布见图1。

图1 新疆气象站点分布Fig.1 Distribution of meteorological stations in Xinjiang

积雪期的指标变化趋势分析采用一元线性回归进行。式中：y为积雪期的指标值；t为时间；a、b为经验常数。用最小二乘法通过实测资料计算出a、b的值，其中a为直线斜率，数值的正负反映气候要素的年平均增加、减少速率。积雪期指标的变化趋势显著性检验采用相关系数的显著性检验判断，即相关系数通过0.05的显著性水平则说明变化趋势显著。对于新疆积雪期、积雪初日、积雪终日多年平均的空间分布图采用反距离权重法进行插值。使用小波函数研究北疆和天山山区积雪期指标特征尺度和周期性，通过北疆和天山山区地区积雪期指标的小波方差和小波分析系数实部进行周期变化分析［23-24］。

2 新疆积雪期时空变化特征

2.1 多年平均空间分布

由于新疆地域辽阔、地形复杂，各地气候差异大，因此积雪期长短和积雪初日、终日相差很大。1961—2017年新疆积雪期平均为106 d，积雪初日平均出现在11月24日、积雪终日平均出现在3月13日。积雪期，北疆及天山山区平均为133 d、186 d，南疆仅为41 d；积雪初日，北疆及天山山区平均出现在11月11日、10月17日，南疆出现在12月29日；积雪终日，北疆及天山山区平均出现在3月23日、4月21日，南疆平均出现在2月10日。

从图2（a）可见，1961—2017年积雪期多年平均空间分布以天山为界北多南少，天山山区及其以北的大部地区在120 d以上，南疆大部地区在50 d以下；其中天山西部和中部的山区气象站可达200 d以上，其次新疆北部阿勒泰、塔城地区、伊犁河谷的大部地区和乌鲁木齐以东的北疆沿天山一带在150～200 d之间。积雪初日空间分布见图2（c），北疆大部地区出现在11月上旬至中旬，南疆大部地区出现在12月中旬以后；天山山区和北疆北部、东部的部分地区积雪初日出现相对较早，多在10月，尤其是天山西部和中部的海拔3 500 m以上的山区气象站（如大西沟、吐尔尕特气象站）最早出现在7、8月，也就是说这些地区一年四季均有积雪出现。积雪终日的空间分布见图2（e），分布特征与积雪初日基本一致，北疆和天山山区积雪结束相对较晚、南疆早；北疆大部地区出现在3月中下旬，天山山区和北疆北部、东部的部分地区出现相对更晚，多在4月上旬初，大西沟、吐尔尕特气象站最晚出现在6月；南疆大部地区出现在1月下旬至2月上旬，部分山区气象站出现在3月。

图2 1961—2017年新疆积雪期和积雪初日、积雪终日多年平均值及其变化趋势空间分布Fig.2 The spatial distributions of snow cover duration（a）and its variation trend（b），initial snow cover date（c）and its variation trend（d），final snow cover date（e）and its variation trend（f）in Xinjiang，1961—2017（The filled circle represents pass the test of significance and the hollow circle represents failed）

由于南疆区域冬季平均降水量仅有4.9 mm，总体冬季少雪或无雪。从表1可见，近57年南疆38个气象站中35站（约占92%）积雪期≤5 d出现5 a以上、20站（约占53%）出现在20 a以上；33站（约占87%）积雪期≤1 d出现5 a以上，10站（约占26%）出现在20 a以上，其中20站（约占53%）5 a以上冬季无积雪、8站（约占21%）10 a以上冬季无积雪、3站20 a以上冬季无积雪。同时，南疆各地积雪出现早晚和积雪期的长短差异极大，即使同一气象站不同年份积雪期差异也很大。近57年在南疆少雪或无雪区有30个气象站出现积雪期大于100 d，出现这种情况多为某一年积雪初日出现相对较早、终日出现对较晚，因而积雪期长，但积雪日数仍然很少；如南疆西部相对降雪较多的拜城1961—2017年间仅4 a出现1 d积雪或无积雪，而积雪期出现100 d以上的年份有11 a，其中1995年最多为155 d，当年积雪初日出现在10月19日，积雪终日出现在3月21日，但积雪日数仅为27 d；而吐鲁番地区的托克逊则近57年间31 a无积雪、积雪期20 d以上的只有6 a，吐鲁番24 a无积雪、积雪期20 d以上的有14 a。因此，在后期分析近57年新疆区域积雪期变化趋势时，重点分析北疆和天山山区，而对南疆少雪区的变化特征将不做进一步分析和阐述。

表1 1961—2017年南疆积雪期≤10 d的不同时间长度站数统计Table 1 The number of meteorological stations，which had the snow cover duration of 0 d，≤1 d，≤5 d and≤10 d for≥30 a，≥20 a，≥10 a and≥5 a in southern Xinjiang，1961—2017

2.2 年际变化

1961—2017年北疆及天山山区积雪期特征统计分析见表2，结果表明上述两个区域均呈现积雪期减少、积雪初日显著推迟、积雪终日略提早的变化趋势，而积雪期的变化与积雪日数变化［19，25］一致，均呈略减少的趋势。其中，北疆及天山山区积雪期减少速率分别为1.38 d·（10a）-1、3.67 d·（10a）-1，天山山区显著减少；北疆及天山山区积雪初日分别以1.35 d·（10a）-1、2.16 d·（10a）-1的速率显著推迟，积雪终日分别以0.01 d·（10a）-1、1.53 d·（10a）-1的速率略提早。由此可见，近57年北疆和天山山区积雪期减少主要是由于积雪初日的显著推迟造成的。王秋香等［19］研究得到北疆1961—2006年积雪日数和稳定积雪日数有长期增加的趋势，主要增加在20世纪60—80年代；稳定积雪日数20世纪80年代以来增速减缓；20世纪90年代有所减少，积雪日数在20世纪90年代中后期也是一个较少期，与本文中北疆地区积雪期变化趋势有所不同，究其原因主要是由于选取积雪资料时间序列不同，导致积雪变化趋势也有所改变。

表2 1961—2017年北疆和天山山区积雪期变化趋势Table 2 Annual mean snow cover days and variation trend of snow cover duration and of initial snow cover date and final snow cover date in northern Xinjiang and the Tianshan Mountains，1961—2017

从图2（b）、（d）、（f）可见，近57年北疆和天山山区51个气象站中40站（约占78%）积雪期呈减少趋势，12站（约占24%）显著减少，主要分布在天山中东部一带以及塔城北部、阿勒泰东部的部分地区，这些地区也是新疆积雪丰富的地区；积雪初日总体呈略推迟趋势，34站（约占区域的67%）推迟，8站显著推迟，主要分布区域与积雪期显著减少的区域基本一致；积雪终日总体变化趋势不明显，51站中29站提早、22站推迟。

3 北疆和天山山区积雪期周期

图3 （a）～（f）为1961—2017年北疆和天山山区积雪期以及积雪初日、终日的小波系数等值线图，由图可见，小波系数正值（实线）和负值（虚线）交替出现，形成了北疆和天山山区的积雪日数在不同时间尺度上的周期变化特征。

近57年来，北疆积雪期存在2 a、6 a、8 a、14 a的周期动态，其中14 a周期变化是在20世纪70年代至今表现明显，经历3次“＋－”相位循环，20世纪60年代处于削弱状态，8 a周期变化是在20世纪70年代中期至21世纪初期振荡明显，经历4次“＋－”相位循环，其他时间处于削弱状态，6 a周期变化在20世纪90年代中后期开始表现比较明显，2 a周期变化在近50年来一直存在，但是在20世纪60年代和20世纪90年代左右周期变化不明显。北疆积雪初日存在3 a、12 a的周期，其中12 a在20世纪60年代中期至20世纪90年代中期之间周期振荡明显，经历了3次“＋－”相位循环，3 a周期变化是在20世纪70年代末至20世纪90年代末之间表现明显，经历了5次“＋－”相位循环；积雪终日存在3 a、5 a的周期，但是周期信号较弱，周期变化不明显。

图3 北疆和天山山区积雪期、积雪初日和终日小波变换系数等值线图Fig.3 The wavelet coefficient isolines of snow cover duration（a），initial snow cover date（c）and final snow cover date（e）in northern Xinjiang，and of snow cover duration（b），initial snow cover date（d）and final snow cover date（f）in the Tianshan Mountains

天山山区积雪期存在3 a、9 a、14 a的周期动态，其中14 a周期变化是在20世纪60年代至20世纪90年代末之间表现明显，经历3次“＋－”相位循环，其余时间均处于削弱状态，9 a周期变化在20世纪70年代中期开始至今一直存在表现明显，经历5次“＋－”相位循环，3 a的周期近57年一直存在。天山山区积雪初日存在5 a和15 a的周期，其中15 a周期在近57年一直明显存在，经历了3次“－＋”相位循环，5 a周期变化是在20世纪80年代末至21世纪初之间表现明显，经历了4次“＋－”相位循环；积雪终日在20世纪70年代中期至90年代末存在9 a的周期动态，其他时期周期信号较弱。

总体上，北疆和天山山区在积雪期均出现一个14～15 a周期变化，均经历了3次“＋－”相位循环，北疆在20世纪60年代处于削弱状态，天山山区在20世纪90年代末以来处于削弱状态，北疆和天山山区的短周期振荡一直都存在。北疆和天山山区的积雪初日均出现一个长周期振荡，振荡周期较为稳定，北疆短周期振荡进入20世纪90年代后逐渐减小，天山山区短周期振荡在21世纪初才逐渐减小。北疆和天山山区两地的积雪终日的振荡周期信号均较弱，周期变化不明显。

4 北疆和天山山区积雪期与气温、降水的关系

计算北疆和天山山区积雪关键指标与冬半年（9月至次年5月，下同）、各季节平均气温和降水量的相关系数见表3。结果表明，北疆和天山山区积雪日数3个关键指标与气温的关系更为密切，降水影响相对较小。北疆和天山山区积雪初、终日出现的早晚与其出现季节的平均气温显著相关，即积雪初日与秋季气温显著正相关、积雪终日与春季气温显著负相关；同时，北疆积雪初、终日出现的早晚与其出现季节降水量也显著相关，天山山区则与降水的相关不显著。积雪期长短主要由积雪初日和积雪终日的早晚决定，因此积雪期与秋季和次年春季平均气温相关显著；北疆和天山山区无论冬季气温高低，冬季都处于积雪期内，因此其对积雪期长短影响不大。这与李培基［26］研究得到的新疆积雪日数与气温的关系更为密切的结论是一致的，与冬季降水的关系虽都表现为正相关，但相关关系的显著性存在差异。由此可见，北疆及天山山区的积雪期减少、积雪终日略提早，但积雪初日显著推迟，主要是与全球气候变暖的背景下北疆和天山山区春季、秋季平均气温增暖有关［27-28］。

表3 北疆和天山山区积雪期与冬半年及各季平均气温、降水量的相关系数Table 3 The correlation coefficients between initial snow cover date，final snow cover date and snow cover duration and mean air temperature and precipitation in winter half year and autumn，winter and spring in northern Xinjiang and the Tianshan Mountains

积雪期和积雪初日、终日的年代际变化特征见表4。北疆和天山山区变化基本一致。20世纪60、80、90年代相对1961—2017年多年平均值是积雪期长、积雪初日早的时段，20世纪80年代是积雪期最长、积雪初日最早的10年；而20世纪70年代和2000年以来则是积雪期短、积雪初日晚的时段，21世纪前10年是积雪期最短、积雪初日最晚的10年。积雪终日，北疆年代际变化不大，与多年平均值相比偏早、偏晚均在2 d以内；天山山区与多年平均值相比，20世纪60、80、90年代偏晚，20世纪80年代最晚，20世纪70年代与多年平均持平，2000年以来提早4～5 d。

北疆和天山山区冬半年平均气温、降水量的年代际变化一致，相对多年平均值均表现为20世纪60年代至20世纪80年代为气温偏低、降水偏少的时段，20世纪90年代以来进入气温偏高、降水偏多的时段。北疆冬半年平均气温年代际变化呈持续增暖的趋势，天山山区冬半年平均气温在21世纪初呈持续增暖的趋势，但近几年年平均气温较21世纪初增暖的趋势略有回落；北疆和天山山区冬半年降水除20世纪70年代较20世纪60年代减少，后期降水持续增加。这与施雅风等［29］研究得到1987年西北西中部出现由暖干向暖湿转型的突变是一致的，尤其北疆和天山山区属于显著转型区（出现显著变湿）；同时，20世纪80年代和进入21世纪以来积雪期的剧烈变化，可能与20世纪80年代新疆气候的转型期［29］有关。李培基［26］也认为新疆冬季降雪量的年际波动并非是由于冬季气温年际波动所引起的，冬季气温和降雪量变化受不同的欧亚环流振荡所控制，二者是相互独立的。

表4 北疆和天山山区积雪期和年平均气温、降水量的年代平均值Table 4 Decadal average values of initial snow cover date，final snow cover date，snow cover duration，and air temperature and precipitation in winter half year in northern Xinjiang and the Tianshan Mountains

5 结论

（1）新疆积雪期、积雪初日和终日存在明显的区域差异，积雪期以天山为界北多南少；从空间分布看，天山山区和新疆北部阿勒泰、塔城和伊犁河谷的大部地区是新疆积雪丰富的地区，也是积雪期相对较长的区域。

（2）北疆和天山山区积雪期均呈减少趋势，天山山区减少趋势显著，积雪初日均呈显著推迟趋势，积雪终日呈略提早趋势，但变化趋势不显著。近57年上述区域78%的气象站积雪期呈减少趋势，中天山一带以及塔城地区和阿勒泰东部的12站显著减少，这些地区也是新疆积雪丰富的地区；67%的气象站积雪初日推迟，8站显著推迟，主要分布区域与积雪期显著减少的区域基本一致；各气象站积雪终日总体变化趋势不显著。

（3）北疆和天山山区积雪期指标均存在不同时间尺度上的周期变化特征。北疆和天山山区积雪期均存在2～3 a的短周期、14～15 a的长周期。北疆积雪初日12 a长周期振荡较为稳定，3 a短周期的振荡在1990年后逐渐减小；天山山区15 a周期在近50多年一直明显存在，5 a周期在20世纪80年代末至21世纪初之间表现明显。两个区域积雪终日的周期信号均较弱。

（4）北疆和天山山区积雪期、积雪初日和终日受气温影响大于降水。北疆和天山山区积雪期长短与秋季和次年春季气温相关显著，冬季气温对积雪期长短影响不大；积雪初、终日出现的早晚与其出现季节的平均气温显著相关，因此该区域春季、秋季气温增暖是造成其积雪期减少、积雪初日显著推迟、积雪终日略提早的主要原因；20世纪80年代和进入2000年以来积雪期的剧烈变化，可能也与20世纪80年代新疆气候的转型期有关。