冰川冻土, 2020, 42(1): 72-80 doi: 10.7522/j.issn.1000-0240.2020.0010

冰冻圈与全球变化

1961—2017年基于地面观测的新疆积雪时空变化研究

王慧,, 王胜利, 余行杰,, 王梅霞, 韩雪云

新疆气候中心，新疆 乌鲁木齐 830002

Spatial-temporal variation of snow cover in Xinjiang based on surface observation from 1961 to 2017

WANG Hui,, WANG Shengli, YU Xingjie,, WANG Meixia, HAN Xueyun

Xinjiang Climate Center，Urumqi 830002，China

通讯作者: 余行杰， 高级工程师， 从事区域气候变化及气象灾害防御研究及相关业务工作. E-mail： xingjieyu@126.com.

编委: 庞瑜

收稿日期: 2018-12-04   修回日期: 2019-04-14  

基金资助: 中国气象局气候变化专项.  CCSF201825

Received: 2018-12-04   Revised: 2019-04-14  

作者简介 About authors

王慧（1972-），女，山东昌邑人，高级工程师，2007年在新疆农业大学获得硕士学位，从事气候预测、气候监测与评估、气候变化等领域相关研究.E-mail：304626579@qq.com , E-mail：304626579@qq.com

摘要

选取新疆89个气象站1961—2017年逐日积雪深度观测资料， 分析近60 a新疆冬季最大积雪深度及积雪日数的时空变化特征。结果表明： 新疆冬季最大积雪深度以天山为界， 天山以北多于南部， 北疆北部和伊犁河谷最大达60 ~ 100 cm， 天山山区及天山北坡30 ~ 60 cm， 南疆大部地区不足20 cm； 新疆北部最大雪深多出现在1996年以后， 也是新疆气候由暖干转为暖湿的阶段。近60 a新疆区域尤其是北疆、 天山山区冬季最大积雪深度呈显著增加趋势， 南疆略有增加； 89个气象站中87.6%呈增加趋势， 20个显著增加， 主要分布在天山以北地区。分析不同积雪深度出现的日数， 新疆区域、 北疆地区、 天山山区≤10 cm积雪约占积雪总日数的48% ~ 58%， 10 ~ 20 cm积雪占24% ~ 32%， 20 ~ 30 cm积雪占12% ~ 15%， >30 cm积雪约占5%左右； 南疆地区以≤5 cm积雪为主。新疆区域、 北疆地区以及天山山区积雪日数总体呈减少趋势， 其中≤10 cm积雪日数减少， 尤其北疆显著减少， >20 cm积雪日数显著增加， 南疆变化不明显； 空间变化趋势分布基本与区域变化一致。

关键词： 新疆 ; 积雪深度 ; 积雪日数 ; 时空变化

Abstract

Based on the daily data of snow cover depth from 89 meteorological stations in Xinjiang over the period of 1961-2017， the spatial-temporal change of the maximum snow cover depth and days with snow cover were analyzed by the methods of stastics and diagnose. It was found that： （1） The maximum snow cover depth in winter in the north was more than in the south. The maximum snow cover depth was 60-100 cm in Altay and Ili Valley， and 30-60 cm in north slopes of the Tianshan Mountains， and under 20 cm in Southern Xinjiang. The maximum snow cover depth in Northern Xinjiang mostly occurred after 1996， which was also the period when the climate of Xinjiang changed from warm-dry to warm-wet； （2） The maximum snow cover depth increased significantly in winter in Xinjiang region， Northern Xinjiang and Tianshan Mountains， and slightly in Southern Xinjiang. About 87.6% of the 89 meteorological stations showed an increasing trend， while 20 stations increased significantly， mainly in the Northern Xingjiang； （3） 48%-58% of the total number of days with snow cover was in snow cover depth less than 10 cm， 24%-32% of that was in snow cover depth between 10 and 20 cm， 12%-15% of that was in snow cover depth between 20 and 30 cm， and 5% of that was in snow cover depth greater than 30 cm in Xinjiang region， Northern Xinjiang and Tianshan Mountains； （4） In these regions， the number of days with snow cover showed slightly decreasing trend， the number of days in snow cover depth less than 10 cm decreased， especially in Northern Xinjiang， and the number of days in snow cover depth more than 20 cm increased significantly； （5） In Southern Xinjiang， the snow depth was mainly less than 5 cm and the change trend of the duration of snow cover was not obvious in southern Xinjiang； （6） The spatial change trend distribution was basically consistent with the regional change.

Keywords： Xinjiang ; snow cover depth ; snow cover duration ; spatial-temporal variations

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本文引用格式

王慧, 王胜利, 余行杰, 王梅霞, 韩雪云. 1961—2017年基于地面观测的新疆积雪时空变化研究[J]. 冰川冻土, 2020, 42(1): 72-80 doi:10.7522/j.issn.1000-0240.2020.0010

WANG Hui, WANG Shengli, YU Xingjie, WANG Meixia, HAN Xueyun. Spatial-temporal variation of snow cover in Xinjiang based on surface observation from 1961 to 2017[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2020, 42(1): 72-80 doi:10.7522/j.issn.1000-0240.2020.0010

0 引言

积雪是冰冻圈的重要组成部分， 对全球气候变暖十分敏感， 是重要的淡水资源， 因此， 积雪变化和监测对研究全球气候变化具有重要意义［1］。国内外专家和学者对此广泛关注， 并得到了许多研究成果。基于卫星遥感资料的研究表明， 北半球的积雪显著减少， 尤其是2005年以来［2-3］， 在过去几年喜马拉雅山地区季节性积雪深度和持续时间的平均值、 最大值均呈下降趋势［4］； 同时， 在北美洲［5］、 欧洲［6］、 亚洲［7］等地区， 通过地面积雪观测研究也得到积雪深度在较长的时间内呈现普遍下降趋势。另外， 我国学者也对中国积雪关键指标时空变化特征深入分析［8-10］， 同时针对近年来中国积雪研究热点地区（如青藏高原、 新疆）的积雪变化趋势及其与气温、 降水的关系进行了研究， 并进一步探讨其水文与气候效应［11-15］。

新疆属干旱半干旱区， 地表水资源匮乏， 但季节性积雪资源丰富， 是中国季节性积雪储量最丰富的省区之一。新疆地形复杂， 积雪存在显著的地域性差异； 积雪分布总体呈自西向东、 由北向南减少的特点， 南疆盆地干旱少雪［15］。随着气候变暖， 极端天气气候事件频发， 新疆积雪也发生显著的变化， 2009/2010年冬季北疆出现近60 a来最强雪灾， 雪深大于20 cm的总面积较历年同期偏大2 ~ 3成， 其中阿勒泰达94 cm， 山区在1 ~ 2 m之间， 23个气象站冬季降水量和13个气象站最大积雪深度突破历史极值。近年来针对新疆积雪的研究多基于卫星遥感资料开展， 得到近十多年新疆［16-17］、 天山［18-22］、 阿尔泰地区［23］积雪覆盖面积呈减小趋势， 主要表现为年际间的波动变化， 干旱地区积雪首日提前、 积雪终日延后， 积雪天数、 积雪深度和积雪指数增加， 半干旱地区积雪首日延后、 积雪终日提前、 积雪天数减少； 但其缺点是资料时间序列较短。相对卫星遥感资料， 气象站的积雪观测数据时间序列更长， 能更客观地反映气候变暖背景下新疆积雪的变化特征， 研究人员利用新疆现有气象站积雪观测资料研究分析新疆积雪深度和积雪日数的分布及变化， 得到新疆区域近50 a积雪日数、 积雪深度的变化特征及其影响因子［24-27］， 但多侧重于新疆部分区域变化趋势分析， 缺少对新疆全区域积雪空间分布及变化特征分析。本文采用新疆89个气象站1961—2017年的积雪深度观测资料， 分析近60 a新疆区域及各气象站冬季最大积雪深度的时空分布变化特征； 同时， 将新疆89站逐日积雪深度分为5个等级统计其每个积雪观测年度出现的日数， 重点研究分析积雪日数及不同积雪深度日数在新疆的时空分布特征及变化趋势， 为自治区社会经济、 交通、 农牧业生产等决策提供一些参考依据。

1 资料与研究方法

本文使用新疆1961—2017年有完整连续观测的89个气象站逐日积雪深度资料。选取当年7月至次年6月为一个积雪观测年， 即1961年7月—1962年6月作为1961年资料， 以此类推得到57 a时间序列。单站冬季最大积雪深度为一个积雪观测年内出现的日最大积雪深度， 通常最大雪深出现在冬季， 故本文分析中与新疆现有气候业务保持一致， 称为冬季最大积雪深度； 冬季最大积雪深度极值采用各气象站建站以来的冬季最大积雪深度； 区域冬季最大积雪深度为一个积雪观测年内区域所有气象站出现的日最大积雪深度的平均值。单站积雪日数为每个积雪观测年内积雪深度≥0.5 cm的日数， 区域积雪日数为区域所有气象站每个积雪观测年内积雪深度≥0.5 cm的日数平均值。为进一步研究近60 a新疆不同积雪深度变化情况， 本文又将积雪深度划分为≤5 cm、 5 ~ 10 cm、 10 ~ 20 cm、 20~30 cm、 >30 cm五个等级， 分别统计单站和区域不同积雪深度出现日数； 单站每一年不同积雪深度日数即利用该气象站逐日积雪深度观测资料分别统计一个积雪观测年内5个等级积雪深度出现的日数， 单位为d； 区域每一年不同积雪深度日数为一个积雪观测年内分别统计区域内所有气象站积雪深度≤5 cm、 5 ~ 10 cm、 10 ~ 20 cm、 20 ~ 30 cm、 >30 cm出现日数的平均值， 单位为d。

研究区域划分参照新疆气候特点及气候业务将新疆划分为新疆区域（89站）包括北疆地区（37站）、 天山山区（14站）、 南疆地区（38站）3个子区域进行分析（图1）。

图1

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图1   新疆气象站点分布

Fig.1   Location of the selected meteorological stations in Xinjiang


在研究过程中， 气候变化趋势分析采用一元线性回归［28］进行线性倾向估计， 积雪变化趋势显著性检验采用相关系数的显著性检验判断， 即相关系数通过α=0.05的显著性水平检验则判断为变化趋势显著。

2 冬季最大积雪深度时空特征分析

2.1　冬季最大积雪深度空间分布特征

积雪受地形和纬度影响很大， 新疆冬季最大积雪深度山区大于平原， 以天山为界， 天山以北大于南部。青河站2010年3月21日曾观测到95 cm的积雪， 为全疆有气象记录以来最大值， 此外阿勒泰、 伊宁县、 大西沟也曾出现了94 cm的积雪。从新疆近60 a来冬季最大积雪深度的空间分布看（图2）， 北疆大部地区冬季最大积雪深度均在40 cm以上， 其中北部阿尔泰山山麓地区、 塔城盆地以及伊犁河谷的大部地区在60 ~ 100 cm之间； 天山山区及北疆沿天山一带大部地区在30 ~ 60 cm之间； 南疆积雪少， 大部地区最大积雪深度不足20 cm。而且有气象观测记录以来， 新疆北部多雪区冬季最大积雪深度极值多出现在1950年代末至1960年代和1996年以后， 尤其是1996年以后也是新疆气候由暖干转为暖湿的阶段［29］， 参看王秋香等［30］的研究， 北疆平均最大积雪深度空间一致性的第一特征向量年际增加趋势十分显著， 1997年之后普遍偏深。

图2

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图2   新疆冬季最大积雪深度极值空间分布

Fig.2   The distribution of the winter maximum snow depth in Xinjiang


2.2　冬季最大积雪深度时间变化特征

近60 a来新疆区域冬季最大积雪深度呈显著增加趋势， 增加速率为0.86 cm·（10a）-1。北疆地区、 天山山区冬季最大积雪深度变化趋势与新疆区域一致， 也呈显著增加趋势， 增加速率分别为1.44 cm·（10a）-1、 1.08 cm·（10a）-1， 北疆地区和天山山区年际变化波动较大， 积雪的长期变化表现为显著的年际波动叠加在长期缓慢的增加趋势之上， 积雪的增加与降雪量的增加趋势相一致［31］。南疆冬季积雪少， 冬季最大积雪深度略有增加， 增加速率为0.21 cm·（10a）-1， 但变化趋势不显著（图3）。

图3

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图3   1961—2017年新疆区域冬季最大积雪深度变化

Fig.3   Annual variations of maximum snow depth in the Xinjiang （a）， in Northern Xinjiang （b）， in the Tianshan Mountains （c） and in Southern Xinjiang （d）


根据1961—2017年新疆89个气象站各站最大积雪深度的年变化趋势（图4）， 其中78个气象站（约占87.6%）呈增加趋势， 北疆和天山山区的20个气象站显著增加， 主要分布在阿勒泰地区、 天山北坡以及天山中部的中山带地区； 11个气象站冬季最大积雪深度呈现减少趋势， 均分布在南疆地区； 南疆其他27个气象站仍呈略增加趋势， 由于南疆冬季降水稀少， 区域平均降水量仅为4.9 mm， 大部地区冬季少雪或无雪， 除山区有积雪外， 平原区积雪少见， 因此各站冬季最大积雪深度变化存在着明显差异。

图4

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图4   新疆冬季最大积雪深度变化趋势空间分布（1961—2017年）

●表示通过α=0.05的显著性检验， ○表示未通过α=0.05的显著性检验

Fig.4   Spatial distribution of maximum snow cover depth variation in Xinjiang from 1961 to 2017

The filled circle represents pass the test of significance and the hollow circle represents failed


3 不同积雪深度日数特征分析

3.1　空间分布特征

近60 a新疆区域积雪日数年平均为69.3 d， ≤5 cm的积雪日数约占34.0%， 5 ~ 10 cm积雪日数占21.0%， 10 ~ 20 cm积雪日数占27.6%， 20 ~ 30 cm积雪日数占12.5%， >30 cm积雪日数占4.9%。其中， 北疆地区积雪日数平均为110.8 d， ≤5 cm积雪日数占26.3%， 5 ~ 10 cm积雪日数占21.6%， 10 ~20 cm积雪日数占32.4%， 20 ~ 30 cm积雪日数占14.4%， >30 cm积雪日数占5.4%； 天山山区积雪日数平均为106.9 d， ≤5 cm积雪日数占38.0%， 5 ~10 cm积雪日数分别占19.9%， 10 ~ 20 cm积雪日数占24.1%， 20 ~ 30 cm积雪日数占12.6%， >30 cm积雪日数也占5.4%； 南疆地区总体积雪呈现少而薄， 积雪日数平均为14.7 d， 以≤5 cm积雪为主， ≤5 cm积雪日数占区域积雪出现总日数的74.5%， 5 ~ 10 cm积雪日数占20.4%， 10 ~ 20 cm积雪日数占4.9%， >20 cm积雪很少出现（表1）。

表1   新疆区域1961—2017年不同积雪深度平均日数及其变化趋势

Table 1  The average duration and variation of various snow cover depth ranges in Xinjiang from 1960 to 2017

新疆 区域北疆 地区天山 山区南疆地区
年平均日数/d69.3110.8106.914.7
气候倾向率/［（d·（10a）-1］-0.19-0.29-0.780.13
≤5 cm年平均日数/d21.426.037.111.0
占比/%34263875
气候倾向率/［（d·（10a）-1］-0.85*-1.72*-0.920.02
5~10 cm年平均日数/d13.221.319.53.0
占比/%21222020
气候倾向率/［（d·（10a）-1］-0.40-0.96*-0.78*0.28
10~20 cm年平均日数/d17.332.023.60.7
占比/%2832245
气候倾向率/［（d·（10a）-1］0.050.14-0.060.00
20~30 cm年平均日数/d7.914.212.30.0
占比/%1214130
气候倾向率/［（d·（10a）-1］0.89*1.67*1.22*0.01
>30 cm年平均日数/d9.517.314.40
占比/%5550
气候倾向率/［（d·（10a）-1］1.22*2.34*1.54*0.01

注：*表示通过α=0.05的显著性检验

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从新疆各站积雪日数空间分布看（图5）， 北疆和天山山区的大部地区积雪日数平均在80 d以上， 南疆大部地区在30 d以下。其中， 高值区位于天山西部、 中部以及阿勒泰地区、 塔城北部地区， 均在120 d左右。根据不同积雪深度日数空间分布情况， 天山山区和天山以北的大部地区以>10 cm积雪为主， 阿尔泰山南坡、 准噶尔盆地和其他地区的积雪变化特征差异较大。新疆积雪深度大的地区主要分布在阿尔泰山南坡、 塔城地区、 伊犁河谷及天山中部的中山带， 上述大部地区>20 cm的积雪平均每年出现50 ~ 100 d， 约占出现积雪总次数的50%左右， >30 cm的积雪出现频次也占出现积雪总次数的30%左右， 这些地区也是新疆4个大暴雪过程高发区［32］； 南疆地区以5 cm以下积雪为主。

图5

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图5   新疆多年平均积雪日数和不同积雪深度日数空间分布

Fig.5   Distributions of multi-annual mean snow cover duration （a） and that of snow cover depth less than 5 cm （b）， snow depth between 5 and 10 cm （c）， snow depth between 10 cm and 20 cm （d）， snow depth between 20 cm and 30 cm （e） and snow depth greater than 30 cm （f） in Xinjiang


3.2　年际变化特征

近60 a新疆区域积雪日数呈略减少趋势， 减少速率为0.19 d·（10a）-1。其中， ≤5 cm、 5 ~ 10 cm积雪日数呈现减少趋势， 减少速率分别为0.85 d·（10a）-1、 0.40 d·（10a）-1， 尤其≤5 cm积雪日数显著减少；10 ~ 20 cm积雪日数变化趋势不明显， 20 ~ 30 cm、>30 cm积雪日数呈现显著增加趋势， 增加速率分别为0.89 d·（10a）-1、 1.22 d·（10a）-1。

北疆地区及天山山区积雪日数变化趋势总体与新疆区域一致， 但变化幅度大于新疆区域， 北疆地区积雪日数减少速率为0.29 d·（10a）-1。其中， ≤5 cm、 5 ~ 10 cm积雪日数呈显著减少趋势， 减少速率分别为1.72 d·（10a）-1、 0.96 d·（10a）-1； >10 cm积雪日数均呈增加趋势， 10 ~ 20 cm积雪日数略有增加， 20 ~ 30 cm、 >30 cm积雪日数显著增加， 增加速率分别为0.14 d·（10a）-1、 1.67 d·（10a）-1、 2.34 d·（10a）-1。天山山区积雪日数减少速率为0.78 d·（10a）-1。其中， ≤5 cm、 5 ~ 10 cm积雪日数呈减少趋势， 且5 ~ 10 cm积雪日数显著减少， 减少速率分别为0.92 d·（10a）-1、 0.78 d·（10a）-1， 10 ~ 20 cm积雪日数变化趋势不明显， 20 ~ 30 cm、 >30 cm积雪日数呈显著增加趋势， 增加速率分别为1.22 d·（10a）-1、 1.54 d·（10a）-1。

南疆地区积雪很少， 积雪日数变化与新疆区域、 北疆地区、 天山山区均不同， 呈略增加的趋势， 增加速率为0.13 d·（10a）-1； 南疆地区主要是5 ~ 10 cm积雪日数略增加， 增加速率为0.28 d·（10a）-1； >10 cm积雪出现极少， 因此>10 cm积雪日数变化趋势也不明显（表1）。

从近60 a新疆积雪日数变化趋势的空间分布看， 各气象站变化趋势不同， 89站中48站积雪日数减少、 41站增加， 其中北疆和天山山区7站显著减少， 主要分布在阿勒泰东部、 塔城地区以及中天山一带的部分地区； 此外， 和布克赛尔、 精河、 焉耆、 和硕4站显著增加。≤5 cm积雪日数， 北疆、 天山山区、 南疆西部以及昆仑山南麓的大部地区减少， 天山南坡的大部地区略增加； 5 ~ 10 cm积雪日数变化趋势基本与≤5 cm积雪日数变化一致， 两者区别在于南疆西部5 ~ 10 cm积雪日数表现为略增加； ≤5 cm、 5 ~ 10 cm积雪日数显著减少的区域与积雪日数一致， 主要分布在阿勒泰东部、 塔城地区以及中天山一带的部分地区。10 ~ 20 cm积雪日数变化趋势的空间分布特征不明显， 89个气象站中52站增加、 37站减少， 且变化趋势不显著。>20 cm积雪日数， 北疆和天山山区的大部地区总体呈增加趋势、 南疆大部呈略减少趋势， 新疆阿勒泰北部、 天山北坡以及西天山的部分地区显著增加； 其中， 20 ~ 30 cm积雪日数北疆和天山山区51站中42站（约占82.4%）增加， >30 cm积雪日数北疆和天山山区的大部地区（51站中46站， 约占90.2%）呈增加趋势（图6）。

图6

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图6   新疆积雪日数及不同积雪深度日数变化趋势空间分布

●表示通过α=0.05的显著性检验， ○表示未通过α=0.05的显著性检验

Fig.6   Bidimensional distributions of linear trend rate of snow cover duration （a） and that of snow cover depth less than 5 cm （b）， snow depth between 5 and 10 cm （c）， snow depth between 10 cm and 20 cm （d）， snow depth between 20 cm and 30 cm （e） and snow depth greater than 30 cm （f） in Xinjiang

The filled circle represents pass the test of significance and the hollow circle represents failed


综上所述， 在全球气候变暖的背景下， 新疆气候也在经历着显著变暖， 入侵新疆的冷空气频次减少， 但极端天气过程频发。与之相对应， 新疆积雪日数也表现出总体呈减少趋势， ≤10 cm积雪日数减少， 但>20 cm积雪日数显著增加。南疆积雪日数变化与北疆和天山山区不同， 呈略增加趋势， 近年来南疆冬季降水增加， 因此表现出5 ~ 10 cm积雪日数略有增加。与胡列群等［33］利用新疆91个气象站1960—2011年研究结论相比， 北疆和天山山区积雪日数减少的速率有所下降； 南疆则变化趋势相反， 转为略增加， 其原因可能是南疆地区本身降水稀少， 气象站选取不同变化趋势也有所不同。此外， 杨莲梅等［32］研究得到阿勒泰地区、 伊犁河谷、 天山北坡大暴雪过程显著增加， 而这些地区是新疆暴雪过程的多发区， 也是本文研究得到>20 cm积雪日数显著增加的区域。

4 结论

根据近60 a新疆地区89个气象站逐日积雪深度资料， 得到以下主要结论：

（1）受地形和纬度影响， 新疆冬季最大积雪深度山区多于平原， 以天山为界天山以北多于南部。阿勒泰地区、 塔城盆地以及伊犁河谷的大部地区冬季最大积雪深度在60 ~ 100 cm之间， 天山山区及北疆沿天山一带大部地区在30 ~ 60 cm之间； 南疆大部分地区不足20 cm。而且有气象观测记录以来， 新疆北部多雪区冬季最大积雪深度极值多出现在20世纪50年代末至60年代和1996年以后， 尤其1996年以后， 也是新疆气候由暖干转为暖湿的阶段。

（2）近60 a新疆区域尤其是北疆、 天山山区的冬季最大积雪深度均呈增加趋势， 北疆和天山山区年际变化波动较大， 南疆略有增加， 但趋势不明显。新疆89个气象台站中78个（约占87.6%）呈增加趋势， 主要分布在天山以北地区， 北疆和天山山区的20个气象站显著增加。

（3）新疆区域、 北疆地区、 天山山区≤10 cm积雪日数占该区域积雪总日数的48% ~ 58%， 10 ~ 20 cm积雪日数约占24% ~ 32%， 20 ~ 30 cm积雪日数约占12% ~ 15%， >30 cm积雪日数占5%左右。南疆地区以≤5 cm积雪为主， ≤5 cm积雪日数占区域积雪总日数的74.5%， 5 ~ 10 cm积雪日数占20.4%， 10 ~ 20 cm积雪日数占4.9%， >20 cm积雪极少出现。

（4）在全球气候变暖的背景下， 新疆气候也在经历着显著变暖， 入侵新疆的冷空气频次减少， 但极端天气过程频发， 与之相对应近60 a新疆积雪日数也表现出总体呈减少趋势， 尤其是北疆地区和天山山区多雪地区， ≤10 cm积雪日数减少， 但>20 cm积雪日数显著增加， 阿勒泰北部、 天山北坡以及西天山显著增加的区域也是新疆暴雪过程的多发区。南疆积雪日数变化与北疆和天山山区不同， 呈略增加趋势， 主要是因为近年来南疆冬季降水增加， 但南疆本身降水稀少， 因此表现为5 ~ 10 cm积雪日数略有增加。

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