河西走廊东部降雪量变化特征及其与大气环流因子的关系

杨晓玲，孙占锋，李岩瑛，王 胜

（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）

降水是水循环的主要驱动，主要包括固态和液态两种形态，降水形态的变化将导致区域水循环过程的改变。降雪变化是气候变化的重要内容之一，也是影响全球气候的重要因素。降雪也是重要的淡水资源，全球至少1/6的人口生活用水是以降雪为主要补给［1］；中国寒区面积占43.5%［2］，降雪是该地区域水资源的主要组成部分；全球变暖驱动了降水由雪向雨转变的趋势，尤其是冬季降雪量变化［3］；总降水量不变，降雪比例的下降将直接影响可利用的水资源总量［4］；美国西部山区及高纬度地区观测显示，受气候变暖影响，降雪减少导致春季径流增加以及春汛提前，改变了流域年径流分布，恶化了夏季农业和生活用水情势［5-7］。近年来，气象学者对降雪多有研究，杨成芳等［8］探讨了降雪过程的触发机制；王东海等［9］分析了低温雨雪冰冻天气动力学成因；王洪丽等［10］、周显伟等［11］研究了暴雪过程天气学特征；王文等［12］利用数值模拟了高原暴雪过程湿对称不稳定；孙秀忠等［13］、刘玉莲等［14］、章诞武等［15］、陆桂荣等［16］、周晓宇等［17］研究了中国不同地区降雪数据长序列的气候变化特征；刘金平等［18］、秦艳等［19］分析了积雪时空变化及对气候变化的响应。以上研究为降雪的预报预测和气候变化研究提供了有益参考。

河西走廊东部人口密集，水资源开发利用程度高，用水矛盾突出，生态环境问题严重。在气候变化和人类活动双重干扰下，河西走廊东部生态环境逐渐恶化，引发了水资源短缺、水土流失、冰川萎缩、河川断流等一系列水环境问题。降雪是河西走廊东部水资源的来源之一，一方面，降雪可以缓解旱情，增加土壤墒情，利于冬小麦的安全过冬和增强春季作物返青生长能力；另一方面，降雪可以增加祁连山积雪和水库蓄水，利于增加河流来水量，因此，在气候变暖及水资源严重短缺背景下，研究当地自然降雪变化特征就尤为重要。目前对河西走廊东部降雪已进行了一些研究［20，21］，但缺乏对降雪量时空变化特征的系统性分析，特别是降雪量变化与大气环流特征量的遥相关性尚不明确。因此，本研究基于河西走廊东部降雪量长时间序列数据集（1960—2018年），研究河西走廊东部降雪量变化特征及其与大气环流的关系。这将对提高当地降雪的预报预测水平、应对气候变化能力、适时开展人工增雪、科学利用水资源和改善生态环境有重要参考价值。

1 研究区概况

河西走廊东部地处青藏高原东北坡，南靠祁连山脉，北邻腾格里和巴丹吉林两大沙漠，东接黄土高原西缘。地理位置在101°06′—104°14′E，37°10′—39°24′N，海拔为1 300～3 100 m，从北向南依次为民勤县、永昌县、武威市、古浪县、天祝县（图1）。地势南高北低，由西南向东北倾斜，地形地貌极为复杂，其中，北部民勤县为沙漠戈壁干旱区，中部武威市为绿洲平原区，北部永昌县和南部古浪县为浅山区，天祝县属于祁连山边坡高寒山区。河西走廊东部深居大陆腹地、远离水汽源地，近地层水汽通道受到山系强烈阻挡较难到达当地，加之境内地形和海拔的影响，长期高温干旱，年平均气温为0.2～8.6℃，空气干燥，降水稀少，分布不均，年降水量为113.2～407.1 mm，其中，年降雪量为9.5～122.2 mm，蒸发和辐射强烈，日照充足，夏季短而炎热，冬季长而寒冷，昼夜温差大，是季风气候与大陆气候、高原气候与沙漠气候的交汇处，是较典型的气候过渡带，属于温带干旱、半干旱气候区［22］。

图1 河西走廊东部海拔高度空间分布

2 资料来源与研究方法

2.1 资料来源

降雪资料来源于河西走廊东部永昌县、民勤县、武威市、古浪县、天祝县的乌鞘岭共5个气象站，时段为1960—2018年。日降雪量（含雨夹雪，单位：mm）统计日界为20：00。5个气象站在59年来均未曾迁移，观测数据完整性和连续性较好。1960—2018年大气环流特征量资料来源于国家气候中心诊断预测室。

2.2 研究方法

全区域雪量为同一年份不同站点（n=5）的平均值，年平均雪量为同一站点不同年份（m=59年）的平均值。采用距平方法分析降雪量年代际变化。采用线性趋势方法分析年际、季节降雪量的变化趋势［23］，xi为样本量n的气候变量，ti表示xi所对应时间，建立xi和t i之间的一元线性回归方程，xi=ati+b，i=1，2，3，…，n，其中，a为气候倾向率。变化趋势的显著性采用气候趋势系数进行检验，根据蒙特卡罗模拟方法［24］，通过信度α=0.10、0.05、0.01显著性检验所对应的相关系数临界值，依次为0.306、0.365、0.443，分别为较显著、显著、极显著。运用平均值（x）和均方差（σ）判断指标［25］对年降雪量进行异常性判别：若波动值在x±s，为正常年；若波动值在x±σ和x±2σ之间，为偏多年或偏少年；若波动值在x±2σ之外，为特多年或特少年。采用Pearson相关系数法［26］分析降雪量与大气环流特征量的相关性。

3 降雪量时空变化

3.1 空间变化

河西走廊东部年平均降雪量和极值表现为自西南向东北呈快速递减趋势（图2），全区域年平均降雪量为52.9 mm，其中，南部高寒山区天祝县降雪量最多，为122.2 mm；其次为南部浅山区古浪县，为85.5 mm；再次为北部浅山区永昌县，为26.4 mm；中部绿洲平原区武威市降雪量为21.2 mm；北部荒漠干旱区民勤县最少，只有9.5 mm，南北差值高达112.7 mm。降雪量年极值与年平均的空间分布基本相同，南部山区明显多于北部，其中，极多值南北差值高达155.7 mm，极少值南北差值高达72.3 mm。这一分布规律与该地区年降雪日［20］、年降雨日［27］和年降水量［28］的空间分布相一致。

图2 河西走廊东部降雪量年平均和极值空间分布

河西走廊东部降雪量的空间分布与海拔高度密切相关，相关系数高达0.923 8，通过了α=0.01的显著性水平检验，即降雪量随海拔高度的增加而增多，可能是由于海拔越高，气温越低，越易出现降雪，河西走廊东部南北温差高达8.4℃，南部山区气温低，易出现降雪，且降雪时段比北部长，降雪量比北部多；其次，降雪量与地形地貌有一定的关系，南部山区处于祁连山东北边坡，地形垂直落差大，地形抬升作用明显，水汽易集聚，降雪天气频繁；再次，降雪量的分布与所受天气系统有关，平原区和荒漠区主要受西风带环流影响，大气携带的水汽相对较少，降雪量少；而山区位于祁连山东北侧，西南季风活跃，水汽充沛，降雪量自然多。由此可见，海拔高度、地形地貌以及天气系统是影响河西走廊东部降雪量空间变化的主要原因。

3.2 时间变化

3.2.1 年代际变化 河西走廊东部全区域及各地降雪量各年代差异较大，总体在增多（表1）。全区域在20世纪60年代偏少、80年代略偏少、70年代和90年代偏多，21世纪00年代偏少，21世纪10年代（2010—2018年）略偏多；永昌县在20世纪的60年代略偏多、70年代持平、80—90年代略偏少，21世纪00年代偏少，21世纪10年代偏多；民勤县在20世纪的60年代略偏多、70年代略偏少、80—90年代偏少，21世纪00年代略偏多，21世纪10年代偏多；武威市在20世纪的60—70年代略偏多，80年代偏少、90年代偏多，21世纪00年代略偏少，21世纪10年代持平；古浪县在20世纪的60年代偏少、70年代和90年代特多，20世纪80年代和21世纪00年代特少，21世纪10年代略偏多；天祝县在20世纪的60年代特少、70年代和90年代偏多、80年代特多，21世纪前19年略偏少。20世纪60年代至21世纪10年代全区域、永昌县、民勤县、古浪县、天祝县降雪量分别增加了4.2、3.1、2.0、5.1、10.8 mm，武威市减少了0.1 mm。

表1河西走廊东部逐年代降雪量距平 （单位：mm）

3.2.2 年际变化 河西走廊东部全区域及各地（除古浪县外）年降雪量总体呈增多趋势（图3）。用线性趋势统计了全区域及各地年降雪量的气候倾向率和趋势系数（表2），古浪县减少明显，其他各地均在增多，天祝县增多最明显。根据蒙特卡罗模拟方法规定，全区域及各地气候趋势系数均没有通过显著性水平检验，增多或减少趋势不显著。杨晓玲等［28，29］、孟秀敬等［30］研究发现，河西走廊东部年气温呈升高趋势、年降水量呈增多趋势，但古浪县年降水量呈减少趋势，与降雪量的变化趋势一致。由此可知，在气候变暖的背景下，河西走廊东部年降水量和年降雪量均呈增多趋势，并没有出现雪向雨转化的明显态势。

图3 河西走廊东部降雪量年际变化

表2河西走廊东部年降雪量的气候倾向率及趋势系数

3.2.3 季节变化 河西走廊东部降雪主要出现在春、秋、冬季，夏季7—8月未出现降雪，6月永昌县、古浪县和天祝县只有个别年份出现了降雪。全区域及各地降雪量季节变化明显，均为春季最多，为4.3～56.7 mm；秋季次之，为3.1～45.0 mm；再次为冬季，为2.2～12.7 mm（表3）。各季节降雪量的极多值变化差异也很大，春季为17.3～111.2 mm，秋季为19.9～85.1 mm，冬季为11.9～32.9 mm。

各季节降雪量的变化趋势不尽相同（表3），春季全区域及永昌县、天祝县降雪量呈增多趋势，民勤县、武威市、古浪县呈减少趋势；秋季民勤县和天祝县呈增多趋势，全区域及永昌县、武威市和古浪县呈减少趋势，春、秋季全区域及各地气候趋势系数均没有通过显著性水平检验，增多或减少趋势不显著。冬季全区域及各地均呈增多趋势，天祝县气候趋势系数通过了α=0.01的显著性水平检验，增多趋势极显著，全区域和永昌县气候趋势系数通过了α=0.05的显著性水平检验，增多趋势显著，民勤县、武威市和古浪县气候趋势系数均没有通过显著性水平检验，增多趋势不显著。

表3 河西走廊东部各季节降雪量、气候倾向率及趋势系数

3.3 降雪量异常变化

河西走廊东部各地年降雪量的异常性相对一致，正常年份最多，依次向两端迅速减少（表4）。降雪量正常年为37～43年，发生概率为62.7%～72.9%；降雪量异常年为16～22年，发生概率为27.1%～37.3%，其中，特多年发生概率为1.7%～6.8%，偏多年发生概率为8.5%～18.6%，偏少年发生概率为11.9%～20.3%，特少年发生概率为0～1.7%［31，32］。

表4 河西走廊东部降雪量异常年数 （单位：年）

4 降雪量与大气环流因子的关系

气候尺度大气环流活动是天气尺度系统变化的大背景场，而天气尺度系统变化是对气候尺度大气环流活动的响应［33-35］。降雪天气的产生要求有冷空气配合相应的水汽条件，充足的水汽是出现较强降雪的必要条件［36］。为了更好地了解影响河西走廊东部降雪的气候尺度大气环流因子，选取了表征冷空气强度、面积以及冷空气移动和水汽条件、水汽输送路径等的大气环流特征量共14个，进行河西走廊东部降雪量与环流特征量的相关性分析，由于各季节降雪的形成机制不同，河西走廊东部春、秋、冬季降雪量与大气环流特征量的相关性差异较大（表5）。

表5 河西走廊东部季节降雪量与环流特征量的相关系数

季节降雪量与同一季环流特征量相关分析表明，①春季。降雪量与印度副热带高压面积相关性最高，相关系数为0.440，通过了α=0.01显著性水平检验；其次，与北半球极涡强度、西太平洋副热带高压强度和面积、南海副热带高压强度、东亚槽位置相关性高，均通过了α=0.05显著性水平检验；再次，与南方涛动相关性较高，通过了α=0.10显著性水平检验。②秋季。降雪量与西太平洋副热带高压面积相关性最高，相关系数为-0.337，通过了α=0.01显著性水平检验；其次，与西太平洋副热带高压强度、南海副热带高压强度、东压槽强度相关性高，均通过了α=0.05显著性水平检验；再次，与西藏高原相关性较高，通过了α=0.10显著性水平检验。③冬季。降雪量与东亚槽强度相关性最高，相关系数为0.368，通过了α=0.01显著性水平检验；其次，与亚洲区极涡强度、西太平洋副热带高压强度、北半球极涡面积相关性高，通过了α=0.05显著性水平检验；再次，与亚洲区极涡面积、西太平洋副热带高压面积、北半球极涡强度、印度副热带高压面积相关性较高，通过了α=0.10显著性水平检验。

季节降雪量与上一季环流特征量相关分析表明，①春季。降雪量与亚洲经向环流相关性最高，相关系数为-0.391，通过了α=0.01显著性水平检验；其次，与亚洲区极涡面积、亚洲纬向环流、西太平洋副热带高压面积相关性高，均通过了α=0.05显著性水平检验；再次，与西太平洋副热带高压强度、印度副热带高压面积相关性较高，通过了α=0.10显著性水平检验。②秋季。降雪量与南方涛动相关性较高，通过了α=0.10显著性水平检验。③冬季。降雪量与北半球极涡强度、东亚槽强度相关性最高，相关系数分别为-0.443、0.437，通过了α=0.01显著性水平检验；其次，与亚洲经向环流、西太平洋副热带高压强度和面积、北半球极涡面积、南海副热带高压强度相关性高，通过了α=0.05显著性水平检验；再次，与亚洲区极涡强度相关性较高，通过了α=0.10显著性水平检验。

总之，季印度副热带高压面积、西太平洋副热带高压面积、东亚槽强度分别对同季春、秋、冬季降雪量的影响最明显；季亚洲经向环流、北半球极涡强度和东亚槽强度分别对下一季春、冬降雪量的影响最明显。因此，以上环流特征量是河西走廊东部降雪的主要大尺度环流背景，是降雪预报预测的强信号。说明极涡强度和面积、副热带高压强度和面积、东亚槽强度和亚洲经向环流等中高纬度环流系统与河西走廊东部降雪关系较为密切。各季节没有通过相关性检验的各大气环流量对降雪量的影响较小。

5 小结与讨论

受海拔高度、地形地貌以及天气系统的影响，河西走廊东部年平均降雪量及极值的空间分布从西南向东北呈快速递减趋势。除古浪县外，河西走廊东部年及年代降雪量呈增多趋势，天祝县降雪量增多趋势最明显，在气候变暖的背景下，河西走廊东部年降雪量呈增多趋势，并没有出现雪向雨转化的明显态势。降雪主要出现在春、秋、冬三季，春季最多，秋季次之，再次冬季，全区域与各地春、秋、冬季降雪量的年变化不太一致，春、冬季在增多，秋季在减少。各地年降雪量的异常性比较一致，正常年份发生概率为62.7%～72.9%，依次向两端迅速递减，特多或特少降雪量出现概率虽小，但对工农业生产和人类生命财产造成严重影响。

季印度副热带高压面积、西太平洋副热带高压面积、东亚槽强度分别对同季春、秋、冬季降雪量的影响最明显；季亚洲经向环流、北半球极涡强度和东亚槽强度分别对下一季春、冬季降雪量的影响最明显。各季节没有通过相关性检验的各大气环流量对降雪量的影响较小。

目前，对河西走廊东部降雪的研究主要集中在分析降雪日时空变化［20］，讨论降雪与人工增雪的关系［21］，降雪初、终日及雪期特征［37］，分析冬季降雪变化［38］等方面。本研究不仅系统分析了降雪量时空变化特征，还初步探讨了降雪量变化与大气环流特征的遥相关性，对提高当地降雪的预报预测水平、研究区域气候变化以及改善生态环境有一定的参考依据。但降雪的形成机制和引起降雪变化的原因极其复杂，本研究对降雪的形成机理和变化原因涉及较少，缺乏深层次的降雪变化与大气环流量之间物理机制分析，以后的工作中有待于进一步深入探究。