1979-2018年金沙江梨园流域积雪时空变化及其影响因素

戴钰，李炳锋，罗煜宁，王宇昊，申笑萱，吴南，张珂

（1.河海大学水灾害防御全国重点实验室，江苏 南京 210024；2.河海大学长江保护与绿色发展研究院，江苏 南京 210024；3.河海大学水文水资源学院，江苏 南京 210024；4.中国气象局水文气象重点开放实验室，江苏 南京 210024；5.水利部水利大数据重点实验室，江苏 南京 210024；6.水利部水循环与水动力系统重点实验室，江苏 南京 210024）

0 前言

水资源是基础性的自然资源和战略性的经济资源[1]。由于水资源时空分布极不均匀、人类活动频繁、水体污染严重等原因，水资源问题已成为制约我国社会发展的瓶颈。随着气候不断变化，气候系统的稳定性也逐渐降低，全球及区域水循环系统特征发生深刻变化[2]。因此，研究气候变化下水文循环要素时空变化特征，对深入认识水资源形成和演变规律、水资源的可持续开发利用和生态环境保护具有重要的指导作用。作为表征气候变化的重要因子，流域降水、气温、积雪的时空分布及其变化必将导致水文过程发生变异，更有甚者危害流域水资源、水电能源的开发利用。目前已经有很多学者对各区域及流域降水、气温、积雪的变化进行了分析研究。王兆礼等[3]基于1961-2000 年珠江流域80 个观测站的月平均气温资料，分析了气温序列的时空演变特征及其对生态环境产生的影响；侯保险等[4]采用Hurst 系数、累积距平等方法研究金沙江流域降水与气温，结果指出该流域降水、气温均表现出增加态势，且季节性明显；王景才[5]等利用近50 年的月降水资料，分析淮河上中游流域年降雨、主汛期降雨的时空分布特征、变化趋势和周期性；卢璐等[6]研究发现近60 年金沙江流域年均气温以0.025℃的趋势升高，季节降水量、气温与径流显著相关；史雯雨等[7]研究发现金沙江流域年平均气温和季平均气温周期性变化明显，且呈现显著上升趋势。李文广等[8]研究分析了长江流域建库前后降水时空变化特征；卢雅婷等[9]根据金沙江流域60a 内降水数据，探究降水不同时间尺度的周期变化规律。徐强等[10]利用经验正交函数和旋转经验正交函数将东江流域降水分解为北部型和南部型两类，同时指出南部型降水变化幅度小，且突变时间存在滞后性。

积雪的变化同样具有时空异质性，中国主要积雪分布地区有青藏高原雪区、天山地区、新疆北部积雪带、内蒙古和东北地区[11]。20 世纪90 年代以前，青藏高原的积雪普遍呈增长态势[12]，且在80 年代左右，增长趋势极其显著[13]，90 年代末，积雪变化趋势改变，开始显著减少[14-15]，其中东部地区积雪变化趋势最为显著[16]。车涛[17]基于SSM/I 被动微波反演的中国逐日积雪深度数据集，发现1933-2002 年我国积雪储量虽存在年际波动，但变化趋势极不显著。刘世博等[18]研究发现，1986 年东北冻土区年平均雪深发生突变，每十年以0.07cm 的速率消融，同年该积雪区的气温也发生突变。郭建平[19]等研究发现青藏高原积雪空间分布受海拔、坡度、坡向等地形因子影响存在较大差异，积雪面积比例随海拔、坡度的增大呈现增加趋势；沈鎏澄[20]等人通过数理统计方法发现青藏高原中东部地区冬季雪深的时空分布特征主要受降水影响，其他季节主要受气温影响；此外还有研究指出不同土地、植被类型也会影响积雪产生于消融[19]。王慧等[21]以新疆地区为研究区域，分析了1961-2017 年研究区最大积雪深度、积雪日数的时空变化特征，发现新疆北部和天山地区雪深显著增加，而积雪日数总体呈减少趋势。张庆杰[22]基于CMIP6 气候模式分析了新疆地区1979-2014 年间积雪深度时空变化特征，同时结合机器学习方法探究了气温、降水、风速等不同气象要素对积雪深度的影响。

这些研究多倾向于将降水、气温或积雪等单一气象要素分别进行研究分析，极少涵盖多个水文变量但未能充分考虑多种水文变量，也尚未揭示多水文变量的共同变化规律。然而，流域内的水文过程不仅涉及多个水文变量，且各变量之间往往具有一定的相关性。因此，需要综合考虑多个水文变量间的相关变化趋势才能完美捕捉水文过程或水文事件的变化特征。近年来，在水文过程中联合考虑多个具有相关关系的水文变量，已成为国内外水文学者的研究热点[23]。为研究流域水文过程对气候变化的时空响应，本文以金沙江上游的梨园流域为研究区，分析该流域近40 年来降水、气温和积雪的时空演变特征，同时可以为该流域水资源管理、水电工程的开发和建设提供重要的参考信息。

梨园流域研究区位于青藏高原东部，流域内多年平均流量丰富，降水、气温、积雪的空间分布直接影响其径流量变化。本文基于研究流域1979-2018 年间遥感反演的长系列逐日雪深数据及同时段的降水、气温栅格数据，分析该区域降水、气温、积雪的时空分布和年际变化，并进行相关性分析；旨在全面揭示研究流域降水、气温、积雪深度的时空变化特征，并初步探究这些气候因子之间的影响关系。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

梨园流域位于金沙江水系石鼓断面上游，地处云贵高原西北部和四川盆地西部，西侧靠近青藏高原，流域覆盖面积约为21.4 万km2。石鼓水文站地理位置处在92°37′E，27°15′N。研究区位于90°30′E～100°22′E，26°37′N～35°54′N（如图1），处在高原山地气候区内，海拔在1674～6293 m 之间，地势由西北向东南倾斜，海拔落差超过4500 m。梨园流域发源地是青海省西南部沱沱河，沿途流经青藏高原、四川省，最后流入云南省。由于研究流域处于高原山地向平原的过渡地带，气候交替变化复杂，受高原季风气候和副热带季风气候影响显著[24]。流域属于半干旱气候，该流域径流补给主要来自于降雨、融雪和融冰。该流域径流深年际变化较大，年内分配不均，流域年径流量为199～415 亿 m2。

图1 研究区及水文气象站点分布

1.2 数据来源与处理

本文采用的高程数据是在地理空间数据云（http://www.gscloud.cn/）下载的，空间分辨率为1 km，通过ArcGIS10.6 制图软件处理得到研究流域。降水、气温以及积雪数据资料由国家青藏高原科学数据中心（http://data.tpdc.ac.cn/zh-hans/）提供。其中，降水、气温数据源自中国区域地面气象要素驱动数据集（1979-2018）[25]，时间分辨率为3 h，空间分辨率为0.1°；积雪数据源自中国雪深长时间序列数据集（1978-2020）[26]，时间分辨率为日，空间分辨率为25 km；研究中使用双线性插值法将降水、气温和积雪数据集的空间分辨率统一转化为1 km。

根据积雪季节变化的特点，本文将一个积雪年定义为当年的9 月1 日至次年的8 月31日[27]，依据《地面气象观测规范》，对平均雪深＜0.5 cm 的微量积雪不予考虑，记为0 cm；0.5 cm≤雪深＜1 cm 时，记为1 cm，当积雪深度符合观测要求且≥1 cm 时，记为一个积雪日。积雪初日是指积雪年内首次出现积雪深度≥1 cm的日期；积雪终日则是指最后一次出现积雪深度≥1 cm 的日期；积雪天数则为积雪期内（积雪初日至积雪终日之间）所有积雪深度记录值的天数总和；年均雪深则为积雪年内所有积雪深度之和与该年对应积雪天数之比。

2 研究方法

2.1 趋势分析法

采用线性回归的方法分析研究区内降水、气温和积雪深度的变化趋势，即气候倾向率S，反映各要素随时间演变规律。使用Mann-Kendall 趋势检验法计算趋势变化的显著性。当｜MK ｜＞1.96 时，说明趋势在0.05 置信区间上变化显著；当｜MK ｜＞2.58 时，说明趋势在0.01 置信区间上变化显著。该方法不需要样本服从某种分布，也不会受到异常值的干扰，能够有效地区分某一过程是处于自然波动状态还是按照特定的变化趋势波动，具有检测范围广泛、受人为影响小的优点[28]，目前已被广泛应用到水文、气象领域。

Sen 趋势度是一种研究变量长时间序列变化的方法[29]，对于时间序列xt(t=1,2,3,…,N)，趋势度β为权衡变化趋势的系数，定义如下：

式中：xi和xj分别为不同时刻对应的时间序列值，n＞i＞j＞1；Median 是中位数函数。β为斜率，β＞0 表示“增加趋势”，β＜0 表示“减少趋势”，β= 0 表示“趋势不变”。

2.2 相关性分析

运用相关分析的方法研究积雪深度和降水、气温等气象因子的相关关系，根据相关现象所表现的不同特征，对具有相关关系的变量研究其相关方向（r＞0，则表示正相关；r＜0，则表示负相关）及各变量间的相关程度，用数学方法将其数值化，即相关系数r，计算公式如下：

式中：x、y为不同的变量值；Cov(x,y)为x、y的协方差；Var[x]、Var[y]分别为x、y的方差。

3 结果分析

3.1 气候要素的时空分布

基于遥感反演得到的积雪深度数据，分析1979-2018 年间梨园流域雪深的变化趋势，结果如图2 所示，可以看出流域积雪深度变化趋势是增加、减少、增加交替出现。流域年均雪深变化幅度为0.78cm～4.52 cm，年降水量最大值为4.52 cm（1986 年），最小值为0.78 mm（2003年），多年平均积雪深度为1.71 cm；流域积雪整体上呈现减小趋势，下降率为0.32 cm/10a，其MK 值为2.76，大于2.58，通过了置信度为99%的Mann-Kendall 法显著性检验，说明年积雪深呈显著下降趋势。本研究认为10 月19 日至次年5 月11 日为该研究区积雪期[27]，下文对于梨园流域积雪特征及影响因素的分析主要通过计算积雪期内雪深、降水、气温的时空变化及相关关系来实现。

图2 1978-2018年梨园流域积雪深度年际变化

对梨园流域1979-2018 年间积雪期内降水数据和气温数据进行趋势分析，如图3 所示，纵观整个流域，近40 a 流域多年平均年降水量为461.71 mm，年降水量最大值为564.05 mm（2005 年），最小值为348.57mm（1984 年）；期间，流域降水增长率（即气候倾向率）为28.67 mm/10a，MK 值为3.27，MK 值绝对值大于2.58，通过了置信度为99%的Mann-Kendall法显著性检验，年降水量呈显著增加趋势。近40a 流域多年平均气温为-2.69℃，年平均气温最高值为-1.5 ℃（2016 年），年平均气温最低为-4.21 ℃（1993 年）；流域内气温变化趋势与降水相似，呈显著的增长趋势，气候变暖十分明显，升温率（即气候倾向率）为0.54 ℃/10a，其MK 值为6.09MK 值绝对值大于2.58，通过了置信度为99% 的Mann-Kendall 法显著性检验，说明年降水量呈显著增加趋势。

图3 1978-2018年梨园流域气候因素年际变化

梨园流域的地形起伏较大，高原山地纵横交错，局地差异大。基于研究区1979-2018 年的积雪期内降水、气温、雪深资料和流域内站点分布，运用Matlab 对降水、气温、积雪数据进行空间插值，绘制梨园流域多年平均降水空间分布图、多年平均气温空间分布图和多年平均雪深空间分布图（如图4）。由图4(a) 可以看出，流域多年平均降水量空间分布不均匀，且南北、东西两向降水分布差异大，近40 的降水量在184～992.8 mm 之间，流域东南部地区降水最为丰富，西北地区降水较少；降水量空间分布主要为由下游向上游方向逐渐减少；由图4(b) 可以看出，近40 的气温在-13.5～18.6℃之间浮动，气温分布呈现西北低、东南高的趋势，与降水空间分布大致相同。由图4(c)可以看出，流域积雪深度呈现中间高、两边低的分布趋势，近40 的积雪深度在0～6 cm 范围内波动，积雪厚度：中部地区＞西北地区＞东南地区。

图4 梨园流域1979-2018年多年平均降水、气温、雪深空间分布

3.2 气候要素的时空演变特征

基于梨园流域1979-2018 年的降水、气温和年均雪深栅格数据，计算各要素对应的气候倾向率S值和趋势检验MK 值，如图5 和图6分别为降水、气温、雪深所对应气候倾向率S值和趋势检验MK 值的空间分布。结果表明，研究区积雪期内西北地区和中部地区降水显著增加，气候倾向率最大为8.5 mm/a；东南地区降水呈现减少趋势，气候倾向率最大为5.7 mm/a。流域内西北部温度呈现减小趋势，变化显著，气候倾向率最大为0.1℃/a；多数地区表现为升温且变化趋势明显，气候倾向率最大为0.2℃/a。多年来流域内多数地区积雪深度变化趋势多为增加趋势，变化趋势在0.1 cm/a 范围内波动；少部分区域年均雪深有下降倾向，变化趋势在0～0.2 cm/a。就整个流域而言，空间分布图与图2 和图3(a)(b)对应的年际变化趋势相一致。

图5 梨园流域1979-2018年降水、气温与年均雪深气候倾向率

图6 梨园流域1979-2018年降水、气温与年均雪深变化趋势MK值

冬季气温降低时，降水以降雪的形式出现，有利于雪的累积[30]。沈鎏澄[20]等在研究青藏高原中东部地区积雪变化时发现降水是冬季（气温较低）积雪变化主要驱动因子，其余季节则主要由气温主导，梨园流域内降水在时间和空间尺度上均表现为显著增长的趋势，而雪深却表现出下降的变化趋势，大概率是由于全球气候变暖导致降水多以降雨的形式出现，进而促进雪深的消融；且研究区积雪天数较长，包含了冬、春两季，积雪期后期（即春季）气温是积雪变化的主导因子；除此之外积雪变化是一系列因素共同影响的结果，就单一元素分析的话可能存在误差。

3.3 相关性分析

利用相关分析法计算梨园流域1979-2018年间积雪期积雪深度与降水、气温的相关系数，结果如图7 所示，降水与雪深的相关系数在-0.7～-0.3 范围内浮动且均为负值，其相关性在1990 年达到最高为-0.667，表明降水增加促进了雪的消融，使雪深降低。气温与雪深的相关系数在-1～-0.6 范围内变化，且均为负值，其相关性在1997 年达到最高为-0.925，说明气温升高同样会促进雪的消融，使雪深降低。从图中可以看出，降水与积雪深度的相关性要低于气温。综上，降水越多、气温越低有利于促进积雪的形成，气温对于积雪深度的影响要高于降水。

图7 梨园流域降水、气温与积雪深度的相关系数

4 讨论与结论

本文依据《地面气象观测规范》对积雪日的定义，揭示了近40 年来梨园流域积雪特征的时空变化及其对影响因子的敏感性。众所周知，研究资料时间序列长短、数据来源、研究范围和方法不同，都会直接影响研究结果[13,31]，所得到的结论也存在一定差异[32]。已有研究表明[20,33]，不同季度积雪深度与其影响因子表现出不同的相关性，随着海拔增加积雪深度呈增加趋势，当气温较低时，降水以降雪的形式增加则有助于雪深的累积，当气温较高时，降水以降雨的形式增加则有助于积雪的消融，本文着重分析了年尺度上降水、气温和雪深的时空分布特征和相关关系，并未侧重分析不同季节雪深与气象因子的相关关系。积雪变化是多要素共同作用的结果，本文从气候要素角度，考虑了降水和气温两个主要影响因子进行综合分析，逐个单一因素进行敏感性分析容易存在误差，关于其他因子如地形因子、太阳辐射、下垫面（植被、冻土）在不同季度下与积雪的耦合关系是未来的研究重点。

1）1979～2018 年间梨园流域绝大多数地区降水和气温为显著增长的趋势，其中东南部升温现象较为显著，雪深则表现为明显的下降趋势，极少部分区域年均雪深呈现上升趋势。

2）气象因子在雪深的变化中起主导作用，流域年平均降水与积雪深度的相关系数均小于0，最高可为-0.667，属于负相关关系；流域年平均气温与积雪深度的相关系数多小于0，最高可为-0.925，为负相关关系。积雪变化与降水、气温的关系分析表明，降水越丰富、气温越高，越不利于积雪的形成，且两者与雪深的相关程度表现为：气温＞ 降水。