閆軍輝，魏 然，王 娟，牛繼強*，計舒懷，盧 山，李雪婷

(1. 信陽師范學院 地理科學學院/河南省水土環(huán)境污染協(xié)同防治重點實驗室/信陽市氣候與環(huán)境演變重點實驗室, 河南 信陽 464000; 2. 陜西省氣候中心, 陜西 西安 710014; 3. 信陽市氣象局, 河南 信陽 464000; 4. 固始縣氣象局, 河南 信陽 465200)

0 引言

積雪指降雪、冰粒、表霜、凍雨以及大部分已凍雨水形成的覆蓋在地球表面的雪層[1]。作為地球冰凍圈和氣候系統(tǒng)的重要組成部分，積雪覆蓋的下墊面對地表水文、大氣環(huán)流等產(chǎn)生影響，進而影響全球和區(qū)域氣候變化。同時，作為全球氣候變化的敏感指示器和放大器，積雪變化對全球氣候變化的監(jiān)測有重要的應用價值[2-3]。隨著全球氣候增暖，積雪日數(shù)時空變化引起學術界的廣泛關注，并取得顯著進展。最新研究顯示，中國年平均積雪日數(shù)呈微弱增加趨勢[4]，但存在季節(jié)和區(qū)域差異：春季和秋季積雪日數(shù)呈緩慢減小趨勢，而冬季則呈增加趨勢[5]；區(qū)域上，秦嶺和青藏高原積雪日數(shù)呈減少趨勢[6-7]，而西北干旱區(qū)、東北地區(qū)的積雪日數(shù)卻呈增加趨勢[8-9]，且積雪日數(shù)變化與海拔高度關系密切[10]。積雪日數(shù)變化的驅動因素方面，眾多研究認為氣溫和降水是導致積雪日數(shù)變化的直接因素[6]，除此之外，積雪日數(shù)還與ENSO、AO和BLOCKING等海氣因子存在時頻關聯(lián)性特征[4]。盡管前人做了大量工作，但這些研究區(qū)域多分布在高緯度或高海拔地區(qū)，且多集中分析積雪日數(shù)的時空演變特征。有關中低緯度和低海拔地區(qū)積雪日數(shù)時空變化的研究相對較少，積雪日數(shù)對氣候變化指示意義的研究尚不多見。中國東部地區(qū)的歷史文獻中，流傳大量有關積雪日數(shù)的記載。進一步開展這些代用資料氣候指示意義研究，是歷史氣候學普遍關注的問題之一。

基于此，本文擬利用長江中下游地區(qū)27個氣象站逐日積雪深度數(shù)據(jù)，在分析該地區(qū)積雪日數(shù)時空變化的基礎上，辨識影響積雪日數(shù)變化的敏感時段，并定量估算積雪日數(shù)對敏感時段溫度變化的指示意義。研究結果不僅對科學認識中低緯度和低海拔地區(qū)積雪日數(shù)的變化規(guī)律有重要科學意義，還可為重建和復原歷史時期極端氣候事件提供參考依據(jù)和科學基礎。

1 資料和方法

1.1 資料來源

論文所用資料主要包括兩種類型：一為1961-2011年長江中下游地區(qū)27個氣象站逐日積雪深度數(shù)據(jù)；二為這些氣象站同期逐月平均氣溫資料(圖1)。其中，1961-1970年積雪數(shù)據(jù)來自于《1961-1970年中國天氣日數(shù)資料》，1971-2011年積雪深度數(shù)據(jù)來自于《中國地面氣象記錄月報》(1996年之后改為《中國地面氣象記錄月冊》)，逐月平均氣溫數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)中國地面氣候資料月值數(shù)據(jù)集(http://data.cma.cn/)。這些資料均經(jīng)過嚴格的質量控制和檢查，資料的完整性較好，可靠性較高。

圖1 長江中下游地區(qū)氣象站空間分布圖Fig. 1 The spatial distribution of the meteorological stations for the Middle and Lower Reaches of Yangtze River region

1.2 積雪日數(shù)定義

關于積雪日的定義，學術界有兩種標準：一是根據(jù)天氣現(xiàn)象定義，即當觀測場視野范圍內(nèi)的地表二分之一以上面積被雪覆蓋時，不論其積雪深度大小(包括微量積雪)，均作為1個積雪日[11]；二是根據(jù)積雪深度定義，即當積雪面積達到觀測要求，且當深度達到1 cm時，記為積雪日[12]。參照前人研究[13]，本文選取第一種方法定義積雪日數(shù)。需要說明的是，論文以本年7月1日至次年6月30日作為一個完整積雪年，年積雪日數(shù)為積雪年內(nèi)積雪日數(shù)的總和，長江中下游地區(qū)積雪日數(shù)為27個氣象站積雪日數(shù)的算數(shù)平均值。

1.3 研究方法

論文采用一元線性回歸方法分析近50 a長江中下游地區(qū)及各站積雪日數(shù)變化速率及其氣候指示意義。具體為：首先采用滑動方法，分別計算逐站每3、4、5、6個月平均氣溫和積雪日數(shù)的相關關系，選取相關性最高的時段定義為積雪日數(shù)的氣候敏感時段；再以這些敏感時段平均氣溫為因變量，積雪日數(shù)為自變量，建立二者之間的一元線性回歸模型，用回歸系數(shù)來表示積雪日數(shù)對氣候變化指示作用的強度[14]。采用克里格插值分析積雪的空間變化特征，該方法是以區(qū)域化變量理論和空間自相關理論為依據(jù)，對變量進行最優(yōu)估計的一種方法[15]。

2 結果與分析

2.1 積雪日數(shù)時間變化

圖2為1961-2010年長江中下游地區(qū)逐年積雪日數(shù)變化。由圖2可知，近50 a長江中下游地區(qū)平均積雪日數(shù)為5.6 d，其中最大值出現(xiàn)在1968年，積雪日數(shù)為17.7 d；最小值出現(xiàn)在2006年，區(qū)域平均積雪日數(shù)僅為0.7 d，極差為17.0 d，積雪日數(shù)年際差異顯著?？傮w而言，1961年以來長江中下游地區(qū)積雪日數(shù)呈不顯著減小趨勢，一元線性回歸擬合顯示，減小速率為-0.50±0.77 d/10 a (p>0.05)，回歸方程未通過顯著性檢驗。過去50 a，長江中下游地區(qū)積雪日數(shù)減少約2.5 d。年代上，長江中下游地區(qū)20世紀60、70年代積雪日數(shù)相對較多，年代平均積雪日數(shù)分別為6.9 d和6.0 d，較平均積雪日數(shù)分別高1.3 d和0.4 d；80年代長江中下游地區(qū)平均積雪日數(shù)為5.6 d，與多年均值相當；90年代積雪日數(shù)相對較少，年代平均積雪日數(shù)僅為4.5 d，較多年平均積雪日數(shù)低1.1 d；進入21世紀后，積雪日數(shù)有所回升，2001-2010年平均積雪日數(shù)為4.9 d，但仍低于多年平均水平。

圖2 1961-2010年長江中下游地區(qū)積雪日數(shù)變化Fig. 2 Changes in regional mean snow cover days for the Middle and Lower Reaches of Yangtze River region during 1961-2010

2.2 積雪日數(shù)空間變化

近50 a長江中下游地區(qū)各站點年平均積雪日數(shù)在0.9～11.3 d之間，在溫度和降水的雙重影響下，研究區(qū)積雪日數(shù)大致呈“北高南低、東高西低”的分布特征。東北部地區(qū)積雪日數(shù)相對較多，東南部地區(qū)積雪日數(shù)相對較少。其中，亳州多年平均積雪日最多，為11.3 d；徐州、霍山、老河口等地平均積雪日數(shù)均在10 d以上；上海、贛州、溫州等地平均積雪日相對較少，溫州積雪日數(shù)最少，僅為0.9 d。從長江中下游地區(qū)積雪日數(shù)平均值的總體分布來看，22.2%的站點多年平均積雪日數(shù)分布在6～7 d之間，29.6%的站點分布在3～4 d之間和4～5 d之間，11.1%的站點分布在1～2 d之間。各站平均積雪日數(shù)出現(xiàn)在其余區(qū)間的比例相對較少，均在10%以下，未有站點的積雪日數(shù)出現(xiàn)在5～6 d與8～9 d區(qū)間(圖3)。

空間上，1961年以來長江中下游地區(qū)積雪日數(shù)變化速率區(qū)域差異明顯。東北地區(qū)和東南地區(qū)積雪日數(shù)減少速率最快，其中減少速率最快的為徐州，變化速率為-1.4 d/10 a，過去50 a積雪日數(shù)減少了7.0 d；霍山、衢州、杭州和贛榆等地減少速率也在-1.0 d/10 a以上；中部和北部地區(qū)變化幅度不大，變化速率為0.3～1.0 d/10 a；西部地區(qū)變化速率最小，其值多在0.3 d/10 a以下，西南地區(qū)甚至出現(xiàn)微弱增加的趨勢，增加速率最大的地區(qū)為芷江，變化速率為0.3 d/10 a(圖4)。對27個站點積雪日數(shù)的變化速率進行顯著性檢驗發(fā)現(xiàn)，僅有南昌和衢州通過了0.05顯著性檢驗，徐州、定海和南城通過0.1顯著性檢驗，其余站點變化速率均不顯著。

圖3 長江中下游地區(qū)各站平均積雪日數(shù)的頻率分布Fig. 3 Frequency distribution of average snow cover days for each station in the Middle and Lower Reaches of Yangtze River region

圖4 長江中下游地區(qū)積雪日數(shù)變化趨勢的空間格局Fig. 4 Spatial pattern of trends in snow cover days in the middle and lower reaches of Yangtze River

2.3 積雪日數(shù)變化的氣候指示意義

利用滑動方法計算各站積雪日數(shù)與月平均氣溫的相關系數(shù)，辨識影響積雪日數(shù)變化的敏感時段。結果顯示，長江中下游地區(qū)13個站點積雪日數(shù)變化的敏感時段為冬季，占比為48.1%，9個站點積雪日數(shù)的敏感時段為次年的1-3月，占比為33.3%，其余5個站點的敏感時段為秋末與冬季。以上分析表明，長江中下游地區(qū)大部分站點的積雪日數(shù)對冬季平均氣溫具有較強的指示作用，約1/3站點對冬末和春初溫度變化的指示作用較好，約20%地區(qū)的積雪日數(shù)，除指示冬季溫度外，還對秋末氣溫具有一定的指示作用。

空間上，積雪日數(shù)與敏感時段溫度的相關系數(shù)呈現(xiàn)出地帶性規(guī)律：一般來說，緯度越低，相關性越好；越靠近沿海，相關系數(shù)越高。分析各站點積雪日數(shù)與敏感時段平均氣溫的相關系數(shù)可知，二者相關系數(shù)在-0.456～-0.722之間，超過一半站點相關系數(shù)的絕對值在0.600以上，占比為55.6%。其中衢州和南昌積雪日數(shù)與敏感時段的相關系數(shù)較高，相關系數(shù)在0.700以上，衢州最高為0.722；亳州和贛榆等地積雪日數(shù)與敏感時段的相關系數(shù)相對較低，其絕對值多在0.500以下(見表1)。

表1 長江中下游地區(qū)積雪日數(shù)和敏感時段平均氣溫的關系Tab. 1 Relationship between snow cover days and average temperature of sensitive periods in the Middle and Lower Reaches of Yangtze River region

利用回歸方法定量計算積雪日數(shù)對敏感時段平均氣溫指示作用的強度。分析可知，溫州、恩施、贛州和上海等地積雪日數(shù)對敏感時段的指示作用最強，回歸系數(shù)均在-2.0 ℃/10 d以上。其中，溫州回歸系數(shù)最大，為-3.2 ℃/10 d，表明積雪日數(shù)每增加10 d，溫州敏感時段平均溫度降低3.2 ℃；長江中下游地區(qū)中部和南部地區(qū)指示作用次之，回歸系數(shù)在-1.0～-2.0 ℃/10 d之間；東北部地區(qū)積雪日數(shù)對敏感時段平均溫度的指示作用相對較差，回歸系數(shù)多在-1.0 ℃/10 d以下。檢驗顯示，所有回歸方程均通過0.001顯著性檢驗(見表1)。

3 結論

基于1961-2011年長江中下游地區(qū)積雪資料，分析了全球變暖背景下長江中下游地區(qū)積雪日數(shù)的時空變化特征，辨識了積雪日數(shù)的氣候敏感時段，并定量估算了積雪日數(shù)對敏感時段的氣候指示意義。主要結論有：(1) 1961-2010年長江中下游地區(qū)各站年平均積雪日數(shù)在0.9～11.3 d之間。其中，亳州積雪日數(shù)最多，溫州最少；過去50 a長江中下游地區(qū)積雪日數(shù)呈不顯著減少趨勢，減少速率為-0.50±0.77 d/10 a；60年代和70年代積雪日數(shù)相對較多，80年代與多年均值相當，90年代和21世紀10年代積雪日數(shù)相對較少。(2) 空間上，長江中下游地區(qū)積雪變化速率由東北到西南遞減，東北地區(qū)積雪日數(shù)減少速率較快，其中減少速率最快的地點為徐州；中部地區(qū)減小幅度不大，西南地區(qū)甚至出現(xiàn)微弱增加的趨勢，芷江增加速率最大。(3) 長江中下游地區(qū)積雪日數(shù)變化具有較強的氣候指示意義。近一半站點積雪日數(shù)對冬季平均氣溫的指示作用較強，約1/3站點對次年1～3月平均氣溫具有較強的指示作用。空間上，東南部和南部地區(qū)指示作用較強，東北部和北部地區(qū)指示作用較弱。

與以往研究相比，本文分析了長江中下游地區(qū)這一中低緯度和低海拔地區(qū)積雪日數(shù)的變化特征。在分析積雪日數(shù)時空演變的基礎上，定量估算了積雪日數(shù)變化對敏感時段溫度變化的指示作用，研究結論對定量復原歷史時期極端冷冬事件具有重要的應用價值。然而，本文只分析了積雪日數(shù)對溫度變化的平均敏感程度，沒有涉及積雪日數(shù)與溫度之間關系的穩(wěn)定性。不同冷暖背景下，積雪日數(shù)的溫度敏感時段和敏感度是否發(fā)生變化并未討論。鑒于自然物候對溫度變化呈非線性響應關系，積雪日數(shù)在不同冷暖階段對溫度變化的指示意義是否存在同樣情況，將是下一個階段研究的重點。