李 蘇，劉 彬，王樹謙，閆志宏，徐 丹

（河北工程大學(xué)水利水電學(xué)院，河北邯鄲 056038）

0 引 言

降雪是降水的固態(tài)形式［1］。作為我國(guó)北方冬季降水的主要形式，降雪是冬季河川徑流的重要補(bǔ)給來(lái)源［2］。降雪產(chǎn)生的積雪融水為北方農(nóng)業(yè)灌溉的重要水源，對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)，緩解土壤墑情等十分有利，然而強(qiáng)降雪天氣則易引發(fā)雪崩、洪澇等自然災(zāi)害，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸、人類生命、財(cái)產(chǎn)安全等造成嚴(yán)重危害［3，4］。近年來(lái)，隨著氣候的持續(xù)變暖，水循環(huán)過(guò)程加速，強(qiáng)降雪天氣頻發(fā)，同時(shí)改變了降雪的時(shí)空分布。因此研究氣候變化背景下不同級(jí)別降雪的時(shí)空變化特征對(duì)了解氣候變化響應(yīng)、水資源優(yōu)化配置、制定防災(zāi)減災(zāi)政策具有一定的實(shí)際意義［3，5］。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)氣候變化背景下的降雪時(shí)空變化進(jìn)行了大量研究，主要集中在積雪、降雪總量、極端降雪的時(shí)空變化方面，對(duì)不同級(jí)別降雪的時(shí)空變化特征研究相對(duì)較少［6］。同時(shí)現(xiàn)有研究中，降雪序列往往以冬季降水或0 ℃以下降水進(jìn)行粗略估計(jì)，對(duì)雨夾雪中降雪量考慮不足，易造成降雪總量偏小的結(jié)果［7，8］，降水相態(tài)的不同直接影響預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性，給人們生產(chǎn)生活帶來(lái)一定的影響，因此降水相態(tài)的判別是水文領(lǐng)域研究的重點(diǎn)［9，10］。水文研究層面常用的降水相態(tài)識(shí)別方法為單溫度閾值法和雙溫度閾值法，①單溫度閾值法，當(dāng)溫度高于臨界溫度時(shí)，降水全部為降雨形式，當(dāng)溫度低于臨界溫度時(shí)，降水全部為降雪形式［11，12］；②雙溫度閾值法，當(dāng)溫度高于臨界高溫時(shí)，降水為降雨形式，當(dāng)溫度低于臨界低溫時(shí)，降水為降雪形式，當(dāng)溫度介于臨界低溫與臨界高溫之間時(shí)，則根據(jù)臨界溫度區(qū)間內(nèi)降雪與氣溫的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，確定降雪發(fā)生概率［13，14］；由于單溫度閾值法存在一定的局限性，雙溫度閾值法在降水相態(tài)識(shí)別中被廣泛應(yīng)用。

海河流域作為華北地區(qū)受氣候變化影響最為顯著的地區(qū)之一，同時(shí)也是我國(guó)水資源短缺的流域之一，降雪作為冬季水資源的補(bǔ)給來(lái)源，對(duì)緩解海河流域水資源短缺起著一定的積極作用，然而當(dāng)前海河流域降水時(shí)空變化研究中主要為總降水量、極端降水的時(shí)空變化趨勢(shì)，對(duì)不同級(jí)別降雪的時(shí)空變化特征分析研究較少，鑒于此，本文基于海河流域及周邊氣象站臺(tái)1960-2016年長(zhǎng)期觀測(cè)資料，采用雙溫度閾值法進(jìn)行降水相態(tài)識(shí)別，并以國(guó)家氣象部門劃分的降雪級(jí)別分析海河流域降雪量和降雪次數(shù)時(shí)空變化特征，并進(jìn)一步研究降雪對(duì)氣候變暖的響應(yīng)，旨在了解氣候變暖背景下降雪的響應(yīng)機(jī)理，從而對(duì)海河流域水資源管理及優(yōu)化配置提供依據(jù)。

1 研究區(qū)域、數(shù)據(jù)來(lái)源及方法

1.1 研究區(qū)域

海河流域總面積31.82 萬(wàn)km2，東臨渤海，西倚太行，南界黃河，北接蒙古高原?？偟貏?shì)為西北高東南低，大致分高原、山地及平原三種地貌類型。其中西部為黃土高原和太行山區(qū)，北部為蒙古高原和燕山山區(qū)，東部和東南部為平原。地跨北京、天津、河北、山西、山東、河南、內(nèi)蒙古和遼寧等8個(gè)省，屬溫帶東亞季風(fēng)氣候［15，16］。海河流域地理位置及地形圖如圖1所示。

圖1 海河流域地理位置及地形圖Fig.1 Geographical location and topographic map of Haihe River Basin

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文采用數(shù)據(jù)資料來(lái)源于國(guó)家氣象信息中心提供的“中國(guó)地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集”中海河流域及周邊43 個(gè)氣象站點(diǎn)1960-2016年逐日降水和氣溫?cái)?shù)據(jù)資料，數(shù)據(jù)發(fā)布前已經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的質(zhì)量控制，其完整性和準(zhǔn)確性較高。站點(diǎn)分布圖如圖2 所示。由于海河流域地貌類型的不同，將海河流域劃分為太行山山區(qū)、燕山山區(qū)、沿海區(qū)、平原區(qū)。

圖2 海河流域站點(diǎn)分布圖Fig.2 Distribution map of stations in Haihe River Basin

1.3 研究方法

1.3.1 降雪指標(biāo)

本文將逐日降雪量（＞0.1 mm）作為一次有效降雪事件，依據(jù)國(guó)家氣象部門劃分的降雪級(jí)別，小雪是指24 h 內(nèi)降雪量達(dá)到0.1～2.5 mm；中雪是指24 h 內(nèi)降雪量達(dá)到2.5～5 mm；大雪是指24 h 內(nèi)降雪量達(dá)到5～10 mm；暴雪是指24 h 內(nèi)降雪量達(dá)到10 mm及以上。

采用線性回歸分析法［17，18］、Mann-Kendall 非參數(shù)檢驗(yàn)法［19-23］及Pearson 相關(guān)分析法［24］對(duì)海河流域不同級(jí)別降雪時(shí)空變化趨勢(shì)進(jìn)行分析。

1.3.2 降雪識(shí)別方法

由于海河流域氣象數(shù)據(jù)集僅對(duì)1979年之前的降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行了不同相態(tài)的劃分，1979年后降水?dāng)?shù)據(jù)未明確指出降雨、降雪、雨夾雪等降水相態(tài)。因此本文采用指數(shù)方程形式的雙溫度閾值法對(duì)海河流域降雪進(jìn)行識(shí)別［25］，指數(shù)方程構(gòu)建主要步驟為統(tǒng)計(jì)海河流域1979年之前各氣象站點(diǎn)不同溫度下降雪量占降雪量加降雨量之和的比值（暫不考慮雨夾雪），并繪制降雪比例與氣溫的相關(guān)關(guān)系圖，當(dāng)日平均氣溫小于臨界低溫tmin時(shí)，降水相態(tài)全部為降雪，當(dāng)日平均氣溫大于臨界高溫tmax時(shí)，降水相態(tài)全部為降雨，當(dāng)日平均氣溫介于（tmin，tmax）時(shí)，降水為降雨、降雪、雨夾雪等相態(tài)，并且氣溫與降雪比例關(guān)系符合指數(shù)方程公式：

式中：p 為降雪量占降雪量和降雨量之和的比例；t 為日平均氣溫；a，b為指數(shù)方程經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。

假定相同溫度下，雨夾雪中降雪比例亦符合此指數(shù)方程，則海河流域?qū)崪y(cè)總降雪量為純降雪量和雨夾雪中降雪量之和，基于此驗(yàn)證總降水量中的估計(jì)總降雪量［26，27］。

圖3 海河流域氣溫與降雪比例關(guān)系圖Fig.3 Diagram of relationship between the snowfall ratio and average daily temperature in Haihe River Basin

2 結(jié)果及分析

2.1 降雪識(shí)別及驗(yàn)證

利用海河流域1960-1979年43 個(gè)氣象站氣溫與降水?dāng)?shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)分析氣溫與降雪比例的相關(guān)關(guān)系，以流域臨界氣溫（-13.1，14 ℃）作為降水混合相態(tài)的區(qū)間，選取1960-1969年為率定期，1970-1979年為驗(yàn)證期，確定指數(shù)方程經(jīng)驗(yàn)參數(shù)a 為-2.1，b 為1.36。由圖4及表1可知，率定期和驗(yàn)證期海河流域降雪相關(guān)系數(shù)均在0.90 以上，同時(shí)相對(duì)誤差在±5%以內(nèi)。所獲得的降雪識(shí)別指數(shù)方程可對(duì)1980-2016年各氣象站點(diǎn)逐日降雪量進(jìn)行識(shí)別。

圖4 海河流域?qū)崪y(cè)總降雪量及估計(jì)總降雪量對(duì)比圖Fig.4 Comparison of measured and estimated total snowfall in Haihe River Basin

表1 1960-1979年實(shí)測(cè)總降雪量與估計(jì)總降雪量評(píng)價(jià)指標(biāo)結(jié)果Tab.1 Evaluation index results of measured and estimated total snowfall from 1960 to 1979

2.2 各級(jí)別降雪時(shí)空變化特征分析

2.2.1 各級(jí)別降雪年際變化特征

本文根據(jù)1960-1979年建立的降雪識(shí)別指數(shù)方程對(duì)1980-2016年逐日降雪量進(jìn)行識(shí)別，以此建立海河流域1960-2019年逐日降雪數(shù)據(jù)，并采用線性回歸分析法、Mann-Kendall 非參數(shù)檢驗(yàn)法對(duì)海河流域1960-2016年不同級(jí)別降雪的年際變化趨勢(shì)進(jìn)行分析。

由圖5及表2可知，1960-2016年海河流域各級(jí)別降雪量及降雪次數(shù)均呈減少趨勢(shì)，其中小雪降雪量及降雪次數(shù)變化速率分別為-0.018 mm∕10 a、-0.004 次∕10 a；中雪降雪量及降雪次數(shù)變化速率分別為-0.019 mm∕10 a、-0.004 次∕10 a；大雪降雪量及降雪次數(shù)變化速率分別為-0.027 mm∕10 a、-0.004 次∕10 a；暴雪降雪量及降雪次數(shù)變化速率分別為-0.019 mm∕10 a、-0.002 次∕10 a；各級(jí)別降雪量及降雪次數(shù)均未達(dá)到顯著性水平（p＞0.05）。由此可見，海河流域各級(jí)別降雪量及降雪次數(shù)總體呈減少趨勢(shì)，且變化趨勢(shì)不顯著。這與張志富等［5］在對(duì)中國(guó)降雪時(shí)空變化特征分析中華北地區(qū)不同級(jí)別降雪均呈減少趨勢(shì)的結(jié)論一致。

表2 海河流域各區(qū)域不同級(jí)別降雪量、降雪次數(shù)氣候傾向率Tab.2 Climatic tendency rate of snowfall amount and snowfall times of different grades of Haihe River Basin

圖5 1960-2016年海河流域不同級(jí)別降雪年際變化趨勢(shì)圖Fig.5 Interannual variation trend of different levels of snowfall in Haihe River Basin from 1960 to 2016

從海河流域各地貌類型分析來(lái)看，太行山區(qū)不同級(jí)別降雪量及降雪次數(shù)總體呈顯著減少趨勢(shì)。暴雪量減少速率最大，為-1.16 mm∕10 a；降雪次數(shù)方面，小雪降雪次數(shù)減少速率最大。燕山山區(qū)降雪量及降雪次數(shù)呈不顯著增加趨勢(shì)，其中暴雪量增加速率最大。平原區(qū)降雪量及降雪次數(shù)呈不顯著減少趨勢(shì)，沿海區(qū)除小雪量呈減少趨勢(shì)外，其他級(jí)別降雪呈不顯著增加趨勢(shì)。

綜上分析，海河流域不同級(jí)別降雪量及降雪次數(shù)總體呈不顯著減少趨勢(shì)，但由于海河流域不同地貌類型區(qū)地理位置、海拔高度及降水特征等條件存在差異，因此各地貌類型區(qū)降雪趨勢(shì)變化有所不同。

2.2.2 各級(jí)別降雪量及降雪次數(shù)變化的空間差異性

通過(guò)分析海河流域1960-2016年逐站點(diǎn)不同級(jí)別降雪的年際變化趨勢(shì)，獲得了海河流域各級(jí)別降雪變化趨勢(shì)空間分布。不同級(jí)別降雪變化趨勢(shì)在空間上存在一定的差異，詳見圖6。太行山區(qū)小雪降雪量和降雪次數(shù)分別有54%、42%站點(diǎn)氣候傾向率為負(fù)，其中17%、20%的站點(diǎn)顯著減少，中雪降雪量及降雪次數(shù)變化情況相似，減少趨勢(shì)的站點(diǎn)（83%）多于增加趨勢(shì)站點(diǎn)，其中60%、93%的站點(diǎn)顯著減少，大雪降雪量及降雪次數(shù)均有52%站點(diǎn)氣候傾向率為負(fù)，且均通過(guò)p=0.05 水平顯著性檢驗(yàn)，暴雪降雪量及降雪次數(shù)變化趨勢(shì)類似于大雪，且均通過(guò)p=0.05水平顯著性檢驗(yàn)。

圖6 海河流域各級(jí)別降雪空間變化趨勢(shì)圖Fig.6 Spatial variation trend of snowfall in Haihe River Basin

燕山山區(qū)小雪降雪量和降雪次數(shù)分別有42%、25%站點(diǎn)氣候傾向率為負(fù)，均未通過(guò)0.05 水平顯著性檢驗(yàn)，中雪降雪量及降雪次數(shù)均有25%站點(diǎn)氣候傾向率為負(fù)，其中0%、90%的站點(diǎn)顯著減少，大雪降雪量及降雪次數(shù)均有25%站點(diǎn)氣候傾向率為負(fù)，且均通過(guò)0.05 水平顯著性檢驗(yàn)，暴雪降雪量及降雪次數(shù)氣候傾向率為負(fù)的站點(diǎn)為33%、42%，且均通過(guò)0.05 水平顯著性檢驗(yàn)。

平原區(qū)小雪降雪量和降雪次數(shù)分別有64%、45%站點(diǎn)氣候傾向率為負(fù)，其中28%、40%的站點(diǎn)顯著減少，中雪降雪量及降雪次數(shù)氣候傾向率為負(fù)的站點(diǎn)均為45%，其中60%、95%站點(diǎn)顯著減少，大雪降雪量及降雪次數(shù)氣候傾向率為負(fù)的站點(diǎn)為73%、55%，且均通過(guò)p=0.05 水平顯著性檢驗(yàn)，暴雪降雪量及降雪次數(shù)變化趨勢(shì)類似于大雪，且均通過(guò)p=0.05 水平顯著性檢驗(yàn)。

沿海區(qū)小雪降雪量和降雪次數(shù)分別有88%、50%站點(diǎn)氣候傾向率為負(fù)，均未通過(guò)p=0.05 水平顯著性檢驗(yàn)，中雪降雪量及降雪次數(shù)呈減少趨勢(shì)站點(diǎn)均為25%，其中50%、95%的站點(diǎn)顯著減少，大雪降雪量及降雪次數(shù)氣候傾向率為負(fù)的站點(diǎn)為50%、63%，且均通過(guò)p=0.05 水平顯著性檢驗(yàn)，暴雪降雪量及降雪次數(shù)變化趨勢(shì)與大雪類似，且均通過(guò)0.05水平顯著性檢驗(yàn)。

經(jīng)上分析，1960-2016年海河流域各氣象站點(diǎn)不同級(jí)別降雪量及降雪次數(shù)在太行山區(qū)、平原區(qū)總體為減少趨勢(shì)，在燕山山區(qū)、沿海區(qū)總體為增加趨勢(shì)；即使在同一地貌類型區(qū)，各站點(diǎn)的降雪變化趨勢(shì)亦有所不同。

2.3 降雪對(duì)氣候變化的響應(yīng)

利用SPSS軟件Pearson 相關(guān)分析法分析了海河流域各級(jí)別降雪與降雪發(fā)生時(shí)溫度的相關(guān)性。由表3 可知，小雪和中雪降雪量、降雪次數(shù)與溫度的相關(guān)系數(shù)均為負(fù)值，大雪和暴雪降雪量、降雪次數(shù)與溫度的相關(guān)系數(shù)均為正值，說(shuō)明小雪、中雪的降雪量及降雪次數(shù)與溫度呈負(fù)相關(guān)，大雪、暴雪的降雪量及降雪次數(shù)與溫度呈正相關(guān)；同時(shí)，從顯著性水平來(lái)看，各級(jí)別降雪量及降雪次數(shù)與溫度的相關(guān)性均未通過(guò)0.05 水平顯著性檢驗(yàn)，呈不顯著相關(guān)。綜上分析，海河流域大雪、暴雪降雪量和降雪次數(shù)隨著氣溫的升高均呈不顯著上升趨勢(shì)，而小雪、中雪反呈不顯著下降趨勢(shì)。

表3 海河流域各級(jí)別降雪與溫度的相關(guān)關(guān)系Tab.3 Correlation between snowfall and temperature in Haihe River Basin

通過(guò)對(duì)比分析各站點(diǎn)不同級(jí)別降雪發(fā)生時(shí)的平均溫度，暴雪發(fā)生時(shí)的溫度集中在［-5.50，-0.12］℃，大雪發(fā)生時(shí)的溫度集中在［-6.97，-0.85］℃，中雪發(fā)生時(shí)的溫度集中在［-8.76，-0.42］℃，小雪發(fā)生時(shí)的溫度集中在［-8.63，0.23］℃，其中80%的站點(diǎn)暴雪發(fā)生時(shí)的溫度高于其他級(jí)別降雪，主要位于太行山區(qū)和燕山山區(qū)，20%的站點(diǎn)暴雪發(fā)生時(shí)的溫度低于其他級(jí)別降雪，主要位于平原區(qū)和沿海區(qū)，詳見圖7。從各地貌類型區(qū)不同級(jí)別降雪發(fā)生時(shí)的溫度來(lái)看，小雪發(fā)生時(shí)平均溫度由大到小依次為平原區(qū)（-0.96 ℃）＞沿海區(qū)（-1.36 ℃）＞太行山區(qū)（-3.68 ℃）＞燕山山區(qū)（-4.94 ℃），中雪發(fā)生時(shí)平均溫度由大到小依次為平原區(qū)（-1.27 ℃）＞沿海區(qū)（-1.84 ℃）＞太行山區(qū)（-3.31 ℃）＞燕山山區(qū)（-3.70 ℃），大雪發(fā)生時(shí)平均溫度由大到小依次為平原區(qū)（-1.55 ℃）＞沿海區(qū)（-1.63 ℃）＞太行山區(qū)（-2.71 ℃）＞燕山山區(qū)（-2.97 ℃），暴雪發(fā)生時(shí)平均溫度由大到小依次為平原區(qū)（-1.23 ℃）＞太行山區(qū)（-1.61 ℃）＞沿海區(qū)（-1.67 ℃）＞燕山山區(qū)（-2.44 ℃）?？傮w來(lái)看，海河流域各站點(diǎn)暴雪發(fā)生時(shí)的溫度高于其他級(jí)別降雪，除平原區(qū)和沿海區(qū)的部分站點(diǎn)外；各級(jí)別降雪發(fā)生時(shí)的平均溫度由大到小依次為平原區(qū)＞沿海區(qū)＞太行山區(qū)＞燕山山區(qū)，僅暴雪發(fā)生時(shí)太行山區(qū)的平均溫度略高于沿海區(qū)。

圖7 各區(qū)域不同級(jí)別降雪發(fā)生時(shí)的平均溫度條件Fig.7 Average temperature conditions of different snowfall levels in different regions

3 結(jié) 論

本文基于1960-2016年海河流域及周邊43 個(gè)氣象站點(diǎn)觀測(cè)資料，采用雙溫度閾值法對(duì)1979年之前降雪進(jìn)行識(shí)別及驗(yàn)證，建立海河流域1960-2016年降雪數(shù)據(jù)，并以國(guó)家氣象部門劃分的降雪級(jí)別分析海河流域1960-2016年降雪時(shí)空變化特征。研究結(jié)果表明：

（1）建立的海河流域降雪識(shí)別指數(shù)方程能夠較好地估計(jì)各氣象站點(diǎn)的降雪量，率定期和驗(yàn)證期各分區(qū)站點(diǎn)估計(jì)總降雪量與實(shí)測(cè)總降雪量相關(guān)系數(shù)均在0.90 以上，相對(duì)誤差在±5%以內(nèi)。

（2）1960-2016年間海河流域各級(jí)別降雪年際變化總體呈不明顯減少趨勢(shì)，但由于海河流域不同地貌類型區(qū)地理位置、海拔高度及降水特征等條件存在差異，各地貌類型區(qū)降雪趨勢(shì)變化有所不同。海河流域太行山區(qū)降雪量和降雪次數(shù)總體呈顯著減少趨勢(shì)；平原區(qū)降雪量和降雪次數(shù)總體也呈減少趨勢(shì)，但不顯著；而燕山山區(qū)、沿海區(qū)降雪量和降雪次數(shù)總體反呈增加趨勢(shì)。

（3）經(jīng)分析各級(jí)別降雪與溫度的相關(guān)性及各級(jí)別降雪發(fā)生時(shí)的溫度，大雪、暴雪的降雪量及降雪次數(shù)與溫度呈正相關(guān)，小雪、中雪的降雪量及降雪次數(shù)與溫度呈負(fù)相關(guān)。各站點(diǎn)暴雪發(fā)生時(shí)的溫度高于其他級(jí)別降雪，除平原區(qū)和沿海區(qū)的部分站點(diǎn)外；平原區(qū)各級(jí)別降雪發(fā)生時(shí)的溫度高于太行山區(qū)、燕山山區(qū)和沿海區(qū)。 □