1961—2019 年北疆冬季不同等级降雪变化特征

刘成武，安大维 ，张俊兰 *，杨 霞 ，李 曼

（1.新疆气象台，新疆 乌鲁木齐830002；2.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，新疆 乌鲁木齐830002）

降雪是北方地区冬季降水的主要形态，也是水资源补给的重要途径。冬季降雪有利于农作物生长发育、减少农业病虫害发生，来年的积雪融水还可以满足用水需求、农田灌溉，极大缓解春季干旱，同时降雪又是北方冬季的主要灾害天气，尤其是在西北干旱区气候逐渐“暖湿化”的背景下[1-2]，极端降雪事件频发[3-4]，对人民群众日常生活、农牧业生产、社会经济建设造成严重危害。2016 年11 月10—18 日，新疆塔城地区、阿勒泰地区、伊犁河谷及昌吉州出现长时间暴风雪，多站日降雪量突破历史极值，直接经济损失达2 500 余万元。这些雪灾引起了国内许多专家对冬季降雪的广泛研究。

对我国降雪研究多集中于时空变化特征方面，杨晓玲等[5]认为河西走廊东部年雪日及各等级雪日从西南向东北呈减少趋势，小雪日和中雪日对总雪日呈正贡献，大雪及以上日数对总降雪日数呈弱负贡献。周晓宇等[6]指出东北地区降雪量和降雪日数最多出现在12 月，降雪分布为山地大于平原，平原地区自北向南、自东向西减少，降雪量增加主要表现为各等级降雪量的增加，降雪日数减少主要是微量和小雪日数的减少，降雪强度增加主要为大雪和暴雪强度的增加。李多等[7]指出中国东部北方区域冬季降雪量存在2～3、7～8 a 的高频振荡周期、准16 a的年代际尺度的低频振荡周期。董恒鑫等[8]对长江中下游地区冬季降雪变化特征进行了分析，发现长江中下游大多数区域降雪量随年际变化呈递减趋势；冬季降雪日数在1981 年出现突变，其降雪日数由增加变为减少。庞海洋等[9]利用相关分析、缓冲区分析等方法，探究了山东半岛降雪时空分布特征，认为降雪区域呈现北多南少、东多西少的分布格局，并且半岛强降雪年以3～5 a 为周期存在年际变化。

新疆位于亚欧大陆腹地，远离海洋，地形地貌复杂，气候干燥少雨，为典型的干旱、半干旱气候区[10]。秦艳等[11]指出天山山区降雪量显著增加，降雪显著增加区域集中分布于天山北坡中部和伊犁河谷地区，降雪量的增加主要由极端降雪量和频次的增加所致。杨霞[12]等指出新疆北部总暴雪、区域暴雪和大范围暴雪日数呈显著增加趋势；并发现伊犁河谷冬季降水事件以6 h 以内的短时降水为主，但其对冬季总降水量的贡献率不足30%，持续12 h 以上的长持续性降水事件发生次数虽少，但它是伊犁河谷冬季总降水量的主要贡献者[13]。对乌鲁木齐而言，冬季强降雪更容易出现在城区，城区累计降雪量、累计降雪频次和各等级降雪频次均大于郊区和山区[14]。庄晓翠等[15]指出阿勒泰地区及各站冬季降雪量与日降雪特性指标均呈显著正相关，且具有明显年代际特征。白松竹等[16]指出阿勒泰地区总降雪日数西多东少，各级降雪日数均呈显著增加趋势；且降雪强度表现为增强趋势，主要体现在小雪和暴雪强度的增大。吴秀兰等[17]发现，新疆气候总体向暖湿方向发展，且新疆冬季降水速率增加最为明显。

以上成果给出了北疆部分区域降雪的变化规律，但缺少对冬季不同等级降雪的变化特征分析。本文利用北疆45 个国家站冬季逐日降水资料计算降雪日数和降雪量，应用气候诊断和统计学方法，进一步探讨北疆不同等级降雪的气候特征变化规律，以期为北疆气象灾害综合风险普查、冬季降水预测提供数据支撑，提升应对突发气象灾害事件应急保障能力和气象防灾减灾水平。

1 资料和方法

1.1 资料

研究资料为1961—2019 年冬季（当年12 月—翌年2 月）北疆45 个国家站逐日降水观测数据，并对降水数据进行质量控制，剔除异常值和不完整的资料。在分析和统计过程中，一日内出现降水量≥0.1 mm，则判定为一个降雪日。

采用新疆地方标准DB65/T3273—2011《降水量级别》进行降雪量R 等级划分，即0.1 mm≤R≤3.0 mm为小雪，3.1 mm≤R≤6.0 mm 为中雪，6.1 mm≤R≤12.0 mm 为大雪，12.1 mm ≤R≤ 24.0 mm 为暴雪，R 为 24 h 降水量。

1.2 方法

降雪日数、降雪量等的计算采用常规的气候统计方法，具体定义为：（1）降雪强度为某一年总降雪量或不同等级降雪量同相应降雪日数的比值，某一年不同等级降雪的强度之和等于1。（2）北疆降雪日数、降雪量为同一年份不同站点（n=45）的平均值。（3）北疆年平均降雪日数、降雪量为不同年份的平均值（m=59 a）。（4）降雪贡献率为某一年不同等级的降雪日数（量）同该年总降雪日数（量）的比值，某一年不同等级降雪日数（量）贡献率值之和等于1。

北疆降雪日数、降雪量等的变化趋势采用一元线性回归进行趋势倾向估计，变化趋势显著性检验采用相关系数的显著性检验判断，如果相关系数通过0.05 的显著性检验则表明变化趋势显著。降雪日数和降雪量的年代变化采用距平方法分析。

运用Mann-Kendall 检验和Pettitt 检验方法[18]对北疆逐年降雪日数和降雪量进行突变检测。把北疆年降雪量距平值的绝对值≥1.5 倍标准差定义为丰雪年和枯雪年的划分标准，距平值为正，且绝对值≥1.5 倍标准差，为丰雪年；距平值为负，且绝对值≥1.5 倍标准差，为枯雪年。

2 结果分析

2.1 年际变化特征

2.1.1 降雪日数

1961—2019 年北疆冬季降雪日数以0.41 d/10 a的速率增加，增加趋势未通过显著性检验（图1a）。北疆冬季年平均降雪日数为21.0 d，2009 年最多为34.0 d，比多年平均值偏多62.1%；1962 年最少为9.0 d，比多年平均值偏少59.9%，年际间波动变化较大。

各等级降雪日数的变化趋势除小雪外均通过0.01 的显著性检验。小雪降雪日数（图1b）在近59 a中增加速率为0.01 d/10 a；而中雪和大雪（图1c、1d）的增加速率分别为0.23 和0.13 d/10 a，在各等级降雪中增加速率最为显著，是总降雪日数增加的主要因子。暴雪的增加速率只有0.03 d/10 a（图1e），但年际间差异最大，期间有9 a 未出现过暴雪。各等级降雪日数中，小雪年平均降雪日数最多，达18.1 d，占总降雪日数的86.5%，是总降雪日数的主要贡献者；其次是中雪和大雪，分别为2.0 和0.7 d，占总降雪日数的9.6%和3.4%；暴雪的年平均降雪日数最少，为0.1 d，占总降雪日数的0.5%。

图1 1961—2019 年北疆总降雪日数（a）、小雪日数（b）、中雪日数（c）、大雪日数（d）、暴雪日数（e）的年际变化

为了进一步说明各等级降雪日数对总降雪日数的贡献，计算1961—2019 年北疆各等级降雪日数的贡献率，发现小雪降雪日的贡献率呈减少趋势，中雪、大雪、暴雪则均为增加趋势，变化速率分别为-2.0%/10 a、1.1%/10 a、0.7%/10 a、0.2%/10 a，各等级雪日的贡献率变化趋势均通过0.01 的显著性检验。其中中雪降雪日的贡献率增速最为显著，达到暴雪的5 倍之多。

2.1.2 降雪量

1961—2019 年北疆冬季降雪量以3.13 mm/10 a的速率增加，增加趋势通过了0.01 的显著性检验。北疆年平均降雪量为30.0 mm，2000—2009 年北疆年平均降雪量为38.7 mm，1961—1969 年北疆年平均降雪量为20.2 mm，增幅为91.3%。2009 年降雪量最多，比多年平均值偏多42.7 mm，即偏多142.4%；1967 年降雪量最少，比多年平均值偏少22.8 mm，即偏少75.8%，年际间波动明显。

各等级降雪量变化趋势均通过0.01 的显著性检验。其中小雪降雪量的增加趋势和降雪日差异不大，增加速率最小，为0.46 mm/10 a。而中雪和大雪的增加速率较显著，分别为1.03 和1.08 mm/10 a。暴雪的增加速率为0.58 mm/10 a，和小雪的增加速率相当。中雪和大雪是北疆降雪量增加的主要因子。小雪的年平均降雪量为14.0 mm，占总降雪量的46.5%，不论是降雪日数还是降雪量，小雪的占比均是最高的，因此小雪是冬季降雪的主体。中雪和大雪年平均降雪量分别为8.5 和5.7 mm，分别占总降雪量的28.5%和18.9%，暴雪的年平均降雪量最少，为1.8 mm，占总降雪量的6.1%。发生频数较少的大雪及暴雪对北疆降雪量的贡献与中雪相当，不同等级降雪量的贡献主要受降雪强度的影响。

近59 a，小雪对总降雪量的贡献率呈减少趋势，中雪、大雪、暴雪均为增加趋势。小雪、中雪、大雪、暴雪的变化速率分别为-4.0%/10 a、0.8%/10 a、2.0%/10 a、1.3%/10 a，变化速率均通过 0.01 的显著性检验。大雪对冬季降雪量的增长速率贡献最为突出。

2.1.3 降雪强度

1961—2019 年，北疆冬季降雪强度增加速率为0.2（mm·d-1）/10 a，增加趋势通过了 0.01 的显著性检验（图2a）。北疆年平均降雪强度为1.4 mm/d，降雪强度最大的年份为2015 年，达2.4 mm/d。2015 年12 月11 日北疆沿天山一线出现罕见暴雪天气，乌鲁木齐、米泉、小渠子、蔡家湖、吉木萨尔5 站日降雪量突破建站以来历史极值，乌鲁木齐更是出现历史首个大暴雪（35.9 mm）；乌苏、玛纳斯、奇台3 站日降雪量位列历史第二。北疆降雪强度最小的年份为1967 年，为 0.7 mm/d。

对于不同等级降雪的强度（图2b～2e），小雪、中雪、大雪、暴雪均为增加趋势，增加速率分别为0.03、0.02、0.06、1.24（mm·d-1）/10 a，且增加趋势均通过0.01 的显著性检验。小雪和中雪降雪强度的增长速率较小，对总降雪强度的增加速率贡献不大。北疆降雪强度的增加主要表现为大雪和暴雪强度的增加，尤其以暴雪最为显著，达到大雪的20 倍之多。

图2 1961—2019 年北疆总降雪强度（a）、小雪强度（b）、中雪强度（c）、大雪强度（d）、暴雪强度（e）的年际变化

2.2 月变化特征

2.2.1 降雪日数

12 月是降雪日数最多的月份，占冬季总降雪日数的37.3%，其次是 1 月（33.3%），2 月最少（29.4%）。冬季各月各等级的降雪日数从大到小依次是小雪、中雪、大雪、暴雪；小雪和中雪降雪日数在各月从大到小依次是12、1、2 月，而大雪和暴雪降雪日数从大到小依次为12、2、1 月。冬季各月降雪日数主要以小雪和中雪为主，占到冬季降雪日数的96.1%，小雪及中雪在冬季不同月份发生的频次较为平均，月差异不大；而大雪和暴雪的降雪日数多发生在12 和2月，占冬季降雪日的2.9%。

表1 给出了北疆冬季各月降雪日数的气候倾向率，总降雪日数的变化在12 月最大，其次是2 月，1月最小，均未通过显著性检验。12、2 月总降雪日数分别以0.28 和0.14 d/10 a 的速率增加，只有1 月以0.01 d/10 a 的速率减少。12 月总降雪日数的增加主要是小雪和中雪降雪日数的增加，2 月总降雪日数的增加主要是中雪和大雪降雪日数的增加，而1 月总降雪日数的减少主要是受小雪降雪日数的减少。

表1 1961—2019 年北疆不同等级月降雪日数的气候倾向率 d/10 a

2.2.2 降雪量

降雪量在各月的分布情况和降雪日数基本一致，12、1、2 月的降雪量占比分别为 41.1%、29.6%、29.3%。冬季小雪和中雪降雪量的月分布较为平均，占年降雪量的74.9%；大雪和暴雪的降雪量多数发生在12 和2 月，占年降雪量的18.6%。大雪及暴雪在季节转换期间发生概率较大。

表2 给出了北疆冬季各月各等级降雪量的气候倾向率。12、1、2 月的总降雪量均为增加趋势，增加速率分别为 1.32、0.81、0.94 mm/10 a，其中 12、2 月降雪量分别通过了0.05、0.01 的显著性检验。12 月各等级降雪的增加速率最为明显，其次是2 月，1 月最小。从各等级降雪量的月变化可以看出，冬季各月降雪量的增加主要是中雪和大雪降雪量的增加；其次是暴雪和小雪，二者贡献相当。

表2 1961—2019 年北疆不同等级月降雪量的气候倾向率 mm/10 a

2.3 年代际变化特征

2.3.1 降雪日数

从表3 可以看出，北疆降雪日数的年代际变化差异较大，呈现缓慢增长而后迅速下降的趋势。20世纪60 年代北疆降雪日数较少，负距平为3.3 d；20世纪70 年代开始增加，至20 世纪80 年代由负转正；20 世纪90 年代至21 世纪前10 a，北疆降雪日数明显增加；21 世纪前10 a 北疆降雪日数达到最大值，比20 世纪60 年代增加了7.8 d；进入21 世纪10 年代，北疆降雪日数迅速下降至最低，负距平达3.5 d。

表3 北疆降雪日数逐年代距平 d

小雪降雪日数和总降雪日数的年代际变化趋势较为一致，均在21 世纪10 年代迅速下降，而中雪和大雪在20 世纪90 年代显著增加，21 世纪10 年代缓慢下降。暴雪的降雪日数年代距平为增加趋势，并在21 世纪前10 a 和10 年代达到最大。

2.3.2 降雪量

从表4 可以看出，北疆降雪量年代际变化呈先增加后缓慢减少的趋势。20 世纪60 年代北疆降雪量异常偏少，负距平达9.8 mm；20 世纪70—80 年代北疆降雪量明显回升，但依然为负距平；至20 世纪90 年代，北疆降雪量开始显著增加，距平由负转正；21 世纪前10 a 降雪量达到最大值，正距平达8.7 mm，21 世纪10 年代开始下降。北疆降雪强度的年代际变化呈增加趋势。各等级降雪量的年代际变化趋势同总降雪量基本相同，只有小雪在21 世纪10 年代出现负距平，而暴雪降雪量的年代际变化同其降雪日的变化一致，均为增加趋势。

表4 北疆降雪量逐年代距平 mm

2.4 突变检测

采用Mann-Kendall 法和Pettitt 法分别对北疆降雪日数和降雪量做检验，两种检验方法显示，北疆降雪日数无突变特征，北疆降雪量突变年份为1985年。20 世纪80 年代中期开始UFK 表现为持续快速上升的趋势（图3），并于1985 年与UBK 曲线有一个明显的交点，UFK 曲线于1991 年突破了α=0.05 的临界线1.96，之后甚至超过了α=0.001 的临界线2.56，表明北疆降雪量的增加趋势十分显著。北疆年平均降雪量突变后（1986—2019 年）较突变前（1961—1985 年）增加了12.4 mm。并且各等级降雪贡献率的变化速率由-2.0%/10 a、1.0%/10 a、0.3%/10 a、1.0%/10 a（均未通过显著性检验）变为-3.6%/10 a、0.3%/10 a、2.3%/10 a、0.5%/10 a（小雪和大雪通过了0.05 的显著性检验），其中小雪、中雪、暴雪的贡献率呈下降趋势，尤其以小雪的下降趋势和大雪的上升趋势最为显著。

图3 1961—2019 年北疆年平均降雪量的Mann-Kendall 检验

2.5 丰雪年和枯雪年的降雪特征

在1.5 倍标准差的条件下，丰雪年为1987 和2009 年，枯雪年为 1961、1962、1967 年，各等级的降雪量和降雪日数在丰雪年、枯雪年的比例存在明显差异。由表5 可知，丰雪年的小雪降雪量所占的比例比枯雪年小，仅占34.5%；枯雪年小雪降雪量占到冬季降雪量的67.9%，小雪是枯雪年的主要降雪。大雪和暴雪降雪量在丰雪年所占比分别为24.3%和14.0%，在枯雪年仅为8.2%和1.8%。小雪日数在丰雪年、枯雪年相差不多，但中雪日数、大雪日数、暴雪日数在丰雪年要明显多于枯雪年。丰雪年的大雪和暴雪的雪量较枯雪年多，主要是丰雪年小雪以上降雪出现的频次较多。

表5 丰雪年和枯雪年各等级降雪所占总降雪量和总降雪日数的比例 %

2.6 冬季降雪量与气温、年降水量的关系

表6 给出了1961—2019 年北疆冬季和全年气温的气候倾向率，可以看出，最高气温、最低气温、平均气温均呈增加趋势，除冬季最高气温外，其余均通过0.01 的显著性检验。无论是冬季还是全年，最低气温的增幅都是最大的，并且冬季的气温上升速率高于全年，其最低气温的上升速率达到0.65 ℃/10 a，远高于北疆全年。在气候变暖的背景下，北疆小雪以上等级降雪日显著增加，极端降雪事件频发，2000 年以后北疆共35 个国家站突破建站以来日降雪量极值。

表6 1961—2019 年北疆冬季和全年气温的气候倾向率 ℃/10 a

1961—2019 年，北疆冬季降雪量和全年降水量的相关系数达0.594，通过了0.01 的显著性检验。随着冬季降雪量的显著增加，一定程度上也使得北疆年降水量显著增加（增加速率为11.20 mm/10 a，通过0.01 的显著性检验）。图4 为北疆冬季降雪量对全年降水量的贡献率变化。北疆冬季降雪量的贡献率呈显著增加趋势，增加速率达1.3%/10 a，通过了0.01 的显著性检验。近59 a 北疆冬季降雪量的平均贡献率为12.1%。对北疆冬季降雪量的贡献率进行Mann-Kendall 和 Pettitt 法检验发现，1985 年也是其贡献率的突变点。突变后（1986—2019 年）较突变前（1961—1985 年）的贡献率增加了3.2%，贡献率排名前20 中，有15 a 为1985 年以后的年份。

图4 1961—2019 年北疆冬季降雪量对全年降水量的贡献率变化

3 结论

通过对1961—2019 年冬季北疆45 个国家站逐日降水观测资料，采用统计分析方法，对不同等级降雪的气候变化特征进行了分析，得到以下结论：

（1）北疆冬季降雪日数的增加速率为0.41 d/10 a，主要表现为中雪降雪日数的增加。除小雪外其余等级降雪日数的贡献率均呈增长趋势，中雪最为显著。小雪和中雪的月分布较为平均，大雪和暴雪更易在秋末、春初发生。降雪日数在12 月增加主要是小雪和中雪降雪日数的增加，2 月增加主要是中雪和大雪日数的增加，而1 月减少主要是小雪日数的减少。降雪日数的年代际变化为先增长后下降，20 世纪60年代和21 世纪10 年代是降雪日数较少的时期，21世纪前10 a 是降雪日数最多的时期。

（2）北疆冬季降雪量的增加速率为3.13 mm/10 a，主要表现为中雪和大雪降雪量的增加。除小雪外其余等级降雪量的贡献率均呈增长趋势，降雪量突变后，大雪贡献率的增加速率增加近8 倍，其余均明显减小。降雪量在冬季各月均呈增加趋势，主要是因为中雪和大雪降雪量的增加。降雪量的年代际变化表现为先增加后缓慢减小，20 世纪60 年代和21 世纪前10 a 是降雪量最少和最多的时期。

（3）北疆冬季降雪强度的增加速率为0.15（mm·d-1）/10 a，主要表现为各等级降雪强度的增加，以暴雪最为显著，达到大雪的20 倍之多。

（4）北疆冬季降雪量对全年降水量呈正贡献，增长速率为1.3%/10 a。北疆降雪日数无突变特征，而降雪量在1985 年发生突变，突变后年平均降雪量增加了12.4 mm。对比丰雪年和枯雪年，丰雪年降雪量偏多主要是因为小雪以上等级降雪日数的增多。