楊曉玲，丁文魁，王鶴齡

（1.武威市氣象局，甘肅 武威733099；2.中國氣象局蘭州干旱氣象研究所，甘肅 蘭州730020）

降雪作為氣候季節(jié)變化的天氣現(xiàn)象， 是水循環(huán)的重要環(huán)節(jié)之一，在兩極地區(qū)、冰緣地帶和高原高山地帶自然環(huán)境研究中普遍受到關(guān)注[1-2]。 相關(guān)研究包括降雪形成機(jī)理[3-5]、冰川臺站降雪觀測[6]、季節(jié)降雪積雪資源評價[7-9]以及雪災(zāi)對種植業(yè)、畜牧業(yè)、林業(yè)、交通等行業(yè)的影響[10-15]。 隨著全球氣候變化發(fā)展，冰雪圈和降雪變化研究已成為新興方向[16-19]。中國大部分地區(qū)以冬季降雪和短期積雪為主，青藏高原、西北和西南地區(qū)的高山地帶形成季節(jié)積雪和長期積雪，并成為中國雪研究的重點區(qū)域[20-22]。

石羊河流域位于祁連山東段與騰格里沙漠和巴丹吉林沙漠南緣之間，東西長約240 km，南北寬約300 km，總面積4.16×104km2，地理位置36°29′～39°27′N，101°41′～104°16′E，地勢南高北低，由西南向東北傾斜， 海拔在1300～3100 m， 地形地貌極為復(fù)雜，從北向南依次為民勤、永昌、涼州、古浪、天祝（表1），其中，北部民勤為沙漠戈壁荒漠區(qū)，中部涼州為綠洲平原區(qū)，北部永昌和南部古浪為淺山區(qū)，天祝屬于祁連山邊坡高寒山區(qū)。石羊河流域深居大陸腹地，屬大陸性溫帶干旱、半干旱氣候區(qū)[23]，由于特殊的地理位置和區(qū)域環(huán)境， 是重要降雪區(qū)， 降雪出現(xiàn)在秋末、冬季和初春，以冬季為主，年降雪量占降水總量的9.8%～15.2%， 年降雪日占降水總?cè)盏?9.3%～55.1%，降雪日偏早或偏晚、雪期偏長都會對工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成嚴(yán)重影響。 研究表明，近50 a（1961—2010年）石羊河流域年平均氣溫升高1.895 ℃，升高幅度約為同期全球的2.9 倍[24]，氣溫升高導(dǎo)致石羊河流域降雪初、終日及雪期發(fā)生了明顯變化。目前對石羊河流域降雪初、終日及雪期研究文獻(xiàn)很少見，本文以1960—2017 年石羊河流域最新降雪資料為基礎(chǔ)，分析探討降雪初、終日及雪期的演變特征，為降雪預(yù)報提供參考依據(jù)， 同時對防御雪災(zāi)、 科學(xué)利用降雪資源、 保護(hù)生態(tài)環(huán)境和促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展等方面有著重要意義。

表1 石羊河流域氣象站點的經(jīng)度、緯度和海拔高度

1 資料、指標(biāo)和方法

1.1 資料與指標(biāo)

選取1960—2017 年石羊河流域永昌、 民勤、涼州、古浪、天祝烏鞘嶺共5 個氣象站降雪和氣溫觀測資料。 58 a 來各氣象站均未曾遷移，觀測數(shù)據(jù)時間序列長，完整性和連續(xù)性好。降雪初日為后半年第一次出現(xiàn)降雪的日期， 降雪終日為前半年最后一次出現(xiàn)降雪的日期。 雪期為當(dāng)年降雪初日至次年降雪終日所持續(xù)的日數(shù)， 如1960 年降雪初日至1961 年降雪終日所持續(xù)的日數(shù)記為1960 年的雪期，以此類推。

運(yùn)用平均值（x）和均方差（s）判斷指標(biāo)[25]對降雪初、終日和雪期進(jìn)行異常性判別：若降雪初、終日和雪期波動數(shù)值在x±s 之間，為正常波動；若降雪初、終日和雪期波動數(shù)值在x±s 和x±2s 之間， 為偏晚（長）或偏早（短）；若降雪初、終日和雪期波動數(shù)值在x±2s 之外，為特晚（長）或特早（短）。

1.2 方法

全流域年降雪初、 終日及雪期為同一年份不同站點（n=5）的平均，各地年平均降雪初、終日及雪期為同一站點不同年份（m=58 a）的平均。 采用平均值和概率論分析各地降雪初、 終日及雪期的空間分布和異常性；運(yùn)用線性傾向估計法[26]分析年降雪初、終日及雪期的變化趨勢，變化趨勢的顯著性，利用時間與變量序列間的相關(guān)系數(shù)即氣候趨勢系數(shù)進(jìn)行檢驗[27]，根據(jù)蒙特卡羅模擬方法[28]：通過P=0.1、0.05、0.01 顯著性水平檢驗所對應(yīng)的相關(guān)系數(shù)臨界值，依次為：0.305 8、0.365 3、0.443 0， 當(dāng)氣候趨勢系數(shù)絕對值大于上述臨界值時， 分別認(rèn)為氣候趨勢系數(shù)較顯著、顯著、很顯著；采用距平法分析降雪初、終日及雪期的年代變化； 運(yùn)用Pearson 相關(guān)系數(shù)法和氣候趨勢法分析降雪初、 終日和雪期與氣溫和海拔高度的相關(guān)程度，其中Pearson 為積差相關(guān)，是計算連續(xù)變量或等間距測度變量間的相關(guān)分析方法[29]。

2 結(jié)果與分析

2.1 降雪初、終日及雪期的空間分布

2.1.1 平均及極值空間分布

石羊河流域地處祁連山東麓，境內(nèi)地形復(fù)雜，高山平原沙漠并存， 降雪天氣的地域分布存在一定差異。統(tǒng)計分析全流域及5 個縣（區(qū)）氣象站58 a 年降雪初、 終日及雪期發(fā)現(xiàn)， 全流域的平均降雪初日在10 月11 日；天祝最早，為9 月6 日；古浪次之，為10月7 日；再次為永昌，為10 月13 日；涼州為10 月25 日；民勤最晚，為11 月1 日，即降雪初日山區(qū)早于平原區(qū)，平原區(qū)早于荒漠區(qū)。最早和最晚降雪初日與平均降雪初日分布一致，均為天祝最早，1968 年8月2 日；民勤最晚，1983 年12 月29 日（圖1a），各地降雪初日發(fā)生最晚和最早日期相差56～91 d。 全流域的降雪終日為5 月2 日；民勤最早，為4 月4 日；涼州次之，為4 月16 日；再次為永昌，為5 月1 日；古浪為5 月5 日；天祝最晚，為6 月12 日；即降雪終日山區(qū)晚于平原區(qū)，平原區(qū)晚于荒漠區(qū)。最早和最晚降雪終日與平均降雪終日分布一致，均為民勤最早，1984 年2 月2 日；天祝最晚，1985 年7 月30 日（圖1b），各地降雪終日發(fā)生的最晚和最早日期相差69～116 d。全流域的平均雪期203 d；天祝最長，為279 d；古浪次之，為210 d；再次為永昌，為200 d；涼州為172 d；民勤最短，為155 d，即雪期山區(qū)長于平原區(qū)，平原區(qū)長于荒漠區(qū)。最長和最短雪期與平均雪期分布一致，均為天祝最長，發(fā)生在1984 年，為330 d；民勤最短，發(fā)生在1983 年和2008 年，為74 d（圖1c）。 各地降雪終日發(fā)生的最晚和最早日期相差100～147 d。

圖1 石羊河流域平均和極端降雪初日（a）、終日（b）及雪期（c）

首先，石羊河流域南北溫差大，為0.3～8.8 ℃[24]，南部山區(qū)氣溫低，易出現(xiàn)降雪，降雪初日早，降雪終日晚，雪期長；其次，雪日與地形有一定的關(guān)系，由于南部山區(qū)處于祁連山東北側(cè)迎風(fēng)坡， 受地形抬升影響，易發(fā)生降雪，使山區(qū)降雪初日早，降雪終日晚，雪期長；再次，雪日與影響當(dāng)?shù)靥鞖庀到y(tǒng)有關(guān)，平原區(qū)和荒漠區(qū)主要受西北和偏北氣流的環(huán)流背景影響，大氣攜帶的水汽相對較少， 降雪初日晚， 降雪終日早，雪期短，而山區(qū)位于祁連山東北側(cè)，受西南季風(fēng)影響，西南暖濕氣流活躍，降雪初日早，降雪終日晚，雪期長。

2.1.2 異常性空間分布

由表2 可知，石羊河流域及各地降雪初、終日及雪期的異常性相對一致。 正常降雪初日出現(xiàn)年份最多為39～44 a，概率為67.2%～75.9%；異常降雪初日為14～19 a，概率為24.1%～32.8%，其中，特早0.0%～5.2%，偏早6.9%～17.2%，偏晚8.6%～10.3%，特晚1.7%～6.9%。正常降雪終日出現(xiàn)年份最多為39～45 a，概率為67.2%～77.6%；異常降雪終日為13～19 a，概率為22.4%～32.8%， 其中， 特早0.0%～5.2%， 偏早6.9%～19.0%，偏晚6.9%～13.8%，特晚1.7%～5.2%。正常雪期出現(xiàn)年份最多為40～46 a， 概率為69.0%～79.3%；異常雪期在12～18 a，概率為20.7%～31.0%，其中， 特短1.7%～3.4%， 偏短6.9%～15.5%， 偏長8.6%～15.5%，特長0.0%～3.4%。 由此可知，石羊河流域正常降雪初、 終日及雪期年概率均超過67%，偏早和特早降雪初日概率共為12.1%～17.2%， 偏晚和特晚降雪終日概率共為10.3%～17.2%， 偏長和特長雪期概率共為10.3%～15.5%。

表2 石羊河流域降雪初、終日及雪期異常年數(shù)a

2.2 降雪初、終日及雪期的時間變化

2.2.1 年際變化

分析石羊河流域降雪初、 終日及雪期隨時間變化發(fā)現(xiàn)， 隨著年份的增加降雪初日呈推遲趨勢（圖2a），（除涼州和古浪外） 降雪終日呈提早趨勢（圖2b），雪期呈縮短趨勢（圖2c）。 用線性傾向估計法計算各地降雪初、 終日及雪期的氣候傾向率及趨勢系數(shù)（表3），降雪初日氣候傾向率為天祝＞涼州＞永昌＞全流域＞民勤＞古浪，天祝推遲趨勢最明顯，古浪推遲趨勢最不明顯，根據(jù)蒙特卡羅模擬方法可知，天祝氣候趨勢系數(shù)通過了P=0.05 的顯著性水平檢驗，推遲趨勢顯著； 全流域及其他各地氣候趨勢系數(shù)沒有通過顯著性水平檢驗，推遲趨勢不顯著。降雪終日氣候傾向率的絕對值為天祝＞永昌＞民勤＞涼州＞全流域＞古浪，天祝、永昌提早趨勢最為明顯，而涼州、古浪呈弱推遲趨勢， 天祝、 永昌氣候趨勢系數(shù)通過了P=0.05 的顯著性水平檢驗，提早趨勢顯著；全流域及其他各地氣候趨勢系數(shù)均沒有通過顯著性水平檢驗，提早或推遲趨勢不顯著。 雪期氣候傾向率的絕對值為天祝＞永昌＞民勤＞全流域＞涼州＞古浪，天祝、永昌縮短趨勢最為明顯，古浪縮短趨勢最不明顯，天祝、永昌氣候趨勢系數(shù)通過了P=0.01 的顯著性水平檢驗，縮短趨勢很顯著；全流域及其他各地氣候趨勢系數(shù)均沒有通過顯著性水平檢驗，縮短趨勢不顯著。

圖2 石羊河流域降雪初日（a）、終日（b）及雪期（c）年際變化

表3 石羊河流域年降雪初、終日及雪期的氣候傾向率及趨勢系數(shù)

2.2.2 年代際變化

表4 為石羊河流域逐年代平均降雪初、終日及雪期距平（距平計算以58 a 平均值為基準(zhǔn)）。表中正（負(fù)）值分別表示降雪初日來得晚（早）、降雪終日結(jié)束晚（早）、雪期長（短）。 全流域及各地平均降雪初、終日及雪期年代差異也比較明顯， 且變化不太一致。 總體來看，降雪初日20 世紀(jì)60—70 年代偏早，但古浪60 年代持平；80—90 年代偏晚， 但天祝偏早，古浪90 年代偏早；21 世紀(jì)前18 a 偏晚，但民勤偏早，涼州2010—2017 年略偏早。 降雪初日20 世紀(jì)60 年代至2010—2017 年全流域、永昌、民勤、涼州、古浪、天祝分別推遲8、6、3、5、1、14 d。 降雪終日20 世紀(jì)60 年代永昌、民勤和天祝偏晚，涼州和古浪偏早，全流域略偏早；70 年代偏晚；80 年代偏早，但古浪持平，天祝偏晚；90 年代偏晚，但永昌、天祝偏早；21 世紀(jì)前10 a 偏早；2010—2017 年民勤、 涼州和古浪偏晚，永昌、天祝偏早，全流域略偏早。 降雪終日20 世紀(jì)60 年代至2010—2017 年全流域、永昌、民勤、天祝分別提早0、12、6、16 d，涼州、古浪分別推遲18、13 d、。 雪期20 世紀(jì)60 年代偏長，但涼州、古浪偏短；70 年代偏長；80 年代偏短，但古浪、天祝偏長；90 年代偏短， 但古浪偏長；21 世紀(jì)前10 a 偏短；2010—2017 年偏短，但民勤、涼州偏長，古浪持平。雪期20 世紀(jì)60 年代至2010—2017 年全流域、永昌、民勤、天祝分別縮短12、25、15、32 d，涼州、古浪分別延長6、9 d。

表4 石羊河流域各年代平均降雪初、終日和雪期的距平/d

2.3 降雪初、終日及雪期與氣溫和海拔的關(guān)系

2.3.1 與氣溫的關(guān)系

石羊河流域氣溫分布趨勢是由西南向東北升高[24]，降雪初日與氣溫具有極顯著正相關(guān)，降雪終日和雪期與氣溫具有極顯著負(fù)相關(guān)， 其相關(guān)系數(shù)均通過了P=0.001 的顯著性水平檢驗，即氣溫越高，降雪初日越晚，降雪終日越早，雪期越短。 氣候趨勢法分析表明，氣溫每升高1 ℃，降雪初日推遲約6.3 d，降雪終日提早約7.6 d，雪期縮短約13.8 d（表5）。

表5 石羊河流域降雪初、終日及雪期與氣溫和海拔高度的關(guān)系

2.3.2 與海拔的關(guān)系

石羊河流域海拔高度分布趨勢是由西南向東北遞降。 石羊河流域降雪初日與海拔具有極顯著負(fù)相關(guān)，降雪終日和雪期與海拔具有極顯著正相關(guān)，其相關(guān)系數(shù)均通過了α=0.001 的顯著性水平檢驗， 即海拔越高，降雪初日越早，降雪終日越晚，雪期越長。氣候趨勢法分析表明，海拔每升高100 m，降雪初日提早約3.3 d，降雪終日推遲約4.0 d，雪期延長約7.3 d（表5）。

3 結(jié)論與討論

石羊河流域降雪初日山區(qū)最早，平原區(qū)次之，荒漠區(qū)最晚；降雪終日山區(qū)最晚，平原區(qū)次之，荒漠區(qū)最早；雪期山區(qū)最長，平原區(qū)次之，荒漠區(qū)最短。各地降雪初、 終日及雪期存在一定的異常性， 正常降雪初、終日及雪期的年份最多，依次向兩端遞減。 降雪初日呈推遲趨勢，氣候傾向率為0.844～3.101 d/10 a，天祝推遲最明顯；除涼州和古浪外，降雪終日總體呈顯著提早趨勢， 氣候傾向率為-3.702～1.604 d/10 a，天祝、永昌提早最明顯；雪期呈縮短趨勢，氣候傾向率為-7.447～-0.097 d/10 a，天祝、永昌縮短最明顯。降雪初、 終日及雪期與氣溫和海拔高度具有極顯著相關(guān)性，氣溫每升高1 ℃，初日推遲約6.3 d，終日提早約7.6 d，雪期縮短約13.8 d；海拔每升高100 m，初日提早約3.3 d，終日推遲約4.0 d，雪期延長約7.3 d。

海拔高度、 地形地勢和天氣系統(tǒng)影響了石羊河流域降雪初、終日及雪期的空間分布。 研究發(fā)現(xiàn)[30]，石羊河流域海拔越高，氣溫越低，越易出現(xiàn)降雪，這與本研究的結(jié)論相一致。 石羊河流域降雪初日偏早和特早、 降雪終日偏晚和特晚以及雪期偏長和特長的概率雖小， 但仍會對各行業(yè)安全生產(chǎn)會造成一定的危害。 相關(guān)分析表明，石羊河流域降雪初、終日與氣溫和海拔高度的關(guān)系非常密切，與緯度、經(jīng)度關(guān)系不明顯，這可能與研究的范圍較小有關(guān)。降雪終日對氣候變暖和海拔高度變化的響應(yīng)程度比降雪初日更敏感， 降雪終日的提早對雪期的縮短比降雪初日的推遲貢獻(xiàn)更大， 進(jìn)一步印證了氣候變暖使冷空氣強(qiáng)度減弱和頻次減少可能是石羊河流域降雪初日推遲、降雪終日提早和雪期縮短的主要原因的推測。