冰川冻土, 2020, 42(3): 791-800 doi: 10.7522/j.issn.1000-0240.2019.0077

冰冻圈与全球变化

1953 - 2016年华山积雪变化特征及其与气温和降水的关系

李亚丽,1, 雷向杰,2, 李茜2, 余鹏1, 韩婷3

1.陕西省气象信息中心,陕西 西安 710015

2.陕西省气候中心,陕西 西安 710015

3.宝鸡文理学院,陕西 宝鸡 721016

The variation characteristics of snow cover in the Mount Hua from 1953 to 2016 and its relationship to air temperature and precipitation

LI Yali,1, LEI Xiangjie,2, LI Qian2, YU Peng1, HAN Ting3

1.Meteorological Information Center of Shaanxi Province,Xi’an 710015,China

2.Climate Center of Shaanxi Province,Xi’ an 710015,China

3.Baoji University of Arts and Sciences,Baoji 721016,Shaanxi,China

通讯作者: 雷向杰, 正高级工程师, 从事气候变化监测评估与气候预测研究. E-mail: lei_xiang_jie@sina.com.

编委: 周成林

收稿日期: 2018-10-17   修回日期: 2019-10-16  

基金资助: 中国气象局气候变化专项.  CCSF201845
陕西省气象局面上科研项目.  2016M-4.  2017-M5

Received: 2018-10-17   Revised: 2019-10-16  

作者简介 About authors

李亚丽(1978-),女,陕西韩城人,高级工程师,2008年在兰州大学获硕士学位,从事气象资料应用分析与气候变化研究.E-mail:yalisongli@126.com , E-mail:yalisongli@126.com

摘要

利用华山气象站1953 - 2016年气象观测资料和1989 - 2016年Landsat TM卫星遥感影像数据, 分析华山积雪变化的基本特征及其与气温、 降水和大气环流的关系。结果表明: 1953 - 2016年华山平均积雪日数78.5 d, 积雪主要出现在每年的10月 - 次年5月, 64 a来积雪初日推迟, 终日提前, 初终间日数减少, 年度、 冬半年、 冬季积雪日数分别以8.3 d⋅(10a)-1、 7.6 d⋅(10a)-1、 4.7 d⋅(10a)-1的减少率显著减少。1981 - 2016年华山年度最大积雪深度减少趋势不显著, 年度累积积雪深度以88.2 cm⋅(10a)-1的减少率显著减少, 一年中积雪日数、 最大积雪深度和累积积雪深度的减少(小)趋势均以3月最为显著。1989 - 2016年华山区域积雪面积、 浅雪和深雪面积减少趋势不明显。1953 - 2016年华山年度、 冬半年、 冬季平均气温升高, 降水量减少。积雪日数与平均气温存在显著的负相关, 与降水量存在显著的正相关, 气温是影响华山积雪日数的最主要因素。年度、 冬半年和冬季积雪日数突变年份与相应时段平均气温突变年份相近。1953 - 2016年华山冬半年、 冬季平均气温和降水量均与大气环流指数相关显著, 华山冬半年和冬季积雪日数与同期西藏高原指数、 印缅槽强度指数、 南极涛动指数和西太平洋副高西伸脊点指数为明显的负相关, 与850 hPa东太平洋信风指数、 亚洲区极涡面积指数为明显正相关。

关键词: 华山 ; 积雪 ; 卫星遥感 ; 积雪指数 ; 气候变化 ; 大气环流

Abstract

The basic variation characteristics of snow cover in the Mount Hua and its relationship to temperature and precipitation were analyzed by using linear tendency estimate, M-K inspection, correlation analysis and path analysis, based on the snow cover observation data in the Mount Hua weather station from 1953 to 2016 and satellite remote sensing data from 1989 to 2016. The results demonstrated that: (1) Average days of snow cover were 78.5 d. Snow cover mainly occurred from October to the following May. The beginning date of snow cover had delayed; the ending date of snow cover had advanced; the days from the beginning to the ending had decreased; the days of snow cover had decreased significantly with the rates of winter half year and winter from 1953 to 2016; the annual, winter half year and winter snow days had significantly reduced by 8.3 d⋅(10a)-1, 7.6 d⋅(10a)-1, 4.7 d⋅(10a)-1, respectively. There was no significant decreasing trend of annual maximum snow depth and annual accumulated snow depth had decreased significantly with the rate of 88.2 cm⋅(10a)-1 from 1981 to 2016. Monthly decreasing trend of snow cover days, maximum snow depth and accumulated snow depth were the most significant in March during the 36 years. There was no obvious decrease of snow cover area, light snow cover area and deep snow cover area in the Mount Hua from 1989 to 2016. (2) From 1953 to 2016 average temperature had risen, precipitation had decreased, the days of snow cover had a significant negative correlation with average temperature and a significant positive correlation with precipitation in the Mount Hua. Temperature was the key factor impacting snow cover days in year, winter half year and winter. The annual, winter half year and winter days of snow cover all had changed abruptly in the years close to the year that average temperature changed abruptly. (3) Average temperature and precipitation had significantly correlated with atmospheric circulation index in winter half year and in winter from 1953 to 2016. The snow cover days of winter and winter half year had negatively correlated with atmospheric circulation indexes, such as Tibet Plateau Region index, India-Burma Trough intensity index, Antarctic Oscillation and Western Pacific Sub Tropical High Western Ridge Point index, and had positively correlated with East Pacific 850 hPa Trade Wind index and Asia Polar Vortex area index significantly.

Keywords: Mount Hua ; snow cover ; satellite remote sensing ; Normalized Difference Snow Index (NDSI) ; climate change ; atmospheric circulation

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本文引用格式

李亚丽, 雷向杰, 李茜, 余鹏, 韩婷. 1953 - 2016年华山积雪变化特征及其与气温和降水的关系[J]. 冰川冻土, 2020, 42(3): 791-800 doi:10.7522/j.issn.1000-0240.2019.0077

LI Yali, LEI Xiangjie, LI Qian, YU Peng, HAN Ting. The variation characteristics of snow cover in the Mount Hua from 1953 to 2016 and its relationship to air temperature and precipitation[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2020, 42(3): 791-800 doi:10.7522/j.issn.1000-0240.2019.0077

0 引言

《地面气象观测规范》1规定, 积雪是指雪覆盖地面达到气象站四周能见面积一半以上。积雪是最敏感的气候变化响应因子之一, 气候的变化必然引起积雪数量、 面积和持续时间的变化, 从而导致积雪地区水资源与河川径流季节分配的变化2-5。基于气象观测站的积雪观测资料和遥感影像等数据, 众多学者对中国积雪的分布及长期变化趋势进行研究, 发现新疆、 东北和青藏高原东部为中国积雪日数和最大积雪深度的3个大值区, 近50 a中国积雪日数和最大积雪深度呈现出冬季增加, 春、 秋季缓慢减少的趋势6-10。刘世博等11利用1979 - 2014年微波遥感数据分析东北冻土区积雪深度的时空变化规律及其异常变化, 发现东北冻土区年平均积雪深度变化以减少为主, 年平均积雪深度与气温突变年份较为吻合, 都在1986年发生突变。白淑英等12的研究表明, 西藏高原雪盖面积呈缓慢波动减少趋势。陈春艳等13的研究表明1961 - 2013年间乌鲁木齐积雪平均持续141 d, 积雪开始和终止日期均呈推迟趋势, 积雪持续期增加趋势不明显。韩兰英等14、 张杰等15研究表明整个祁连山区域冰川积雪总面积有线性增加趋势, 祁连山东段和中段积雪面积呈减少趋势。惠英等16的研究表明, 近50 a来河套及其邻近地区86%的测站积雪日数呈减少趋势, 且高纬度、 高海拔的减少比低纬度、 低海拔的减少更明显。以上分析从多方面反映了我国东北冻土区11、 新疆13、 祁连山14-15以及西部青藏高原1217等主要积雪区域的积雪变化特征, 同时, 表明中国积雪分布广泛, 受气候和地形影响, 区域性差异明显16。我国其它地区的积雪变化直接影响当地农业、 林业和旅游业等的发展, 其积雪特征研究同样具有重要意义。秦岭是中国南北气候和黄河长江流域分界线, 其主峰太白山气候变暖导致积雪减少, 关中八景之一的“太白积雪六月(公历7月)天”已很少见到18-19。同时, 众多学者研究成果表明, 积雪时空分布和积雪持续时间是气温、 降水(雪)等气候因子共同作用的结果, 积雪的年际波动与积雪时段气温和降水(雪)变化关系密切。积雪变化对气温敏感性的问题得到众多学者的关注20-21, 气温是影响四川和天山等地积雪变化的主要因素22-25。张丽旭等26分析认为, 1967 - 1999年天山西部中山带积雪呈增加趋势, 积雪的增加主要是因为气候变暖引起冷季降水增加。秦艳等27分析认为天山山区积雪面积变化受海拔影响较大, 在春、 夏季, 温度是决定积雪面积变化的主要因素, 在冬季降水对积雪面积变化的贡献大于温度。

华山位于秦岭北麓、 关中平原东部, 地形地貌奇特复杂, 号称“天下第一险山”, 拥有陕西秦岭山区海拔高度最高、 受人类活动影响较小的华山气象站, 华山地区积雪变化研究方面的成果至今少见。本文利用华山气象站气温、 降水、 积雪等观测资料和Landsat TM卫星遥感影像资料, 采用线性趋势分析、 Mann-Kendall检验、 相关分析、 通径分析等方法, 分析华山积雪日数、 积雪深度等变化特征及其与气温、 降水以及大气环流指数的关系, 以期比较全面地揭示华山积雪变化基本事实及其对气候变化的响应, 为相关领域的研究提供参考和借鉴。

1 研究区概况

华山位于陕西省华阴市境内, 北临渭河平原和黄河, 南依秦岭, 是秦岭支脉分水脊北侧的一座花岗岩山体, 最高峰海拔2 154.9 m, 处于109°57′ ~ 110°05′ E, 34°25′ ~ 34°30′ N之间, 东西长15 km, 南北宽10 km, 面积约119 km2图1)。华山属暖温带大陆性季风气候, 山体挺拔陡峭, 从山麓到山顶气温直线递减, 山麓和山顶峰天气差异较大。位于华山西峰的华山气象站(34°29′ N, 110°05′ E), 海拔2 064.9 m, 是目前陕西境内海拔最高的具有长序列观测资料的气象站。1953 - 2016年华山年平均气温6.3 ℃, 月平均气温1月-6.1 ℃, 7月17.7 ℃, 平均年降水量827.7 mm, 月降水量1月13.0 mm, 7月158.3 mm。

图1

图1   研究区及气象站位置

Fig.1   The research area and the location of weather station in the Mount Hua


2 资料和方法

气象观测资料来自陕西省气象信息中心, 包括: 华山气象站1953 - 2016年气温、 降水、 降雪日数、 积雪日数、 积雪初、 终日期等气象要素的日、 月、 年数据, 以及1981 - 2016年逐日积雪深度观测数据(1981年前华山无积雪深度观测记录), 数据全部按照《地面气象观测规范》观测并经过严格的质量控制。遥感数据来自美国地质勘探局官网(http://earthexplorer.usgs.gov)提供的1989 - 2016年Landsat TM和ETM+影像数据, 行列号为126/36, 空间分辨率为30 m, 时间分辨率为16 d。500 hPa高度场逐月88项大气环流指数数据来自国家气候中心。

文中定义年度为当年7月1日 - 次年6月30日, 冬半年为当年11月1日 - 次年4月30日, 冬季为当年12月1日 - 次年2月28日或29日。年度、 月最大积雪深度指时段内观测到的逐日积雪深度最大值, 累积积雪深度为逐日积雪深度之和。连续积雪日数指连续多日有积雪, 且中间无间断的日数。按年度、 冬半年、 冬季和月分别计算积雪日数, 按年度计算最长连续积雪日数, 按年度和月分别计算最大积雪深度和累积积雪深度。

遥感数据处理方法: 利用ENVI软件的FLAASH模块对TM和ETM+图像进行大气校正, 并根据研究区地理特征, 在研究区选取20个控制点采用多项式模型进行几何精校正。经上述预处理后, 利用TM影像4、 3、 2三个波段合成标准假彩色图像, 得到研究区影像图(图1)。

采用归一化差分积雪指数NDSI(Normalized Difference Snow Index)进行积雪信息的提取, NDSI是基于积雪对可见光与短波红外波段的反射特性和反射差的相对大小的一种测量方法28, 对于Landsat TM、 ETM+影像, 利用第2波段(b2)和第5波段(b5)的反射率计算NDSI(式1)。参考众多学者将NDSI阈值设定在0.3 ~ 0.4之间的研究成果28-32, 结合目视判读的结果调整阈值, 并使用气象站积雪观测数据进行验证, 最终将NDSI阈值确定为0.38。并加入积雪识别的另外一个判别因子(b4≥0.11), 其中b4为Landsat TM的第4波段(近红外波段)的反射率, 按照决策树分类方法, 当某像元的NDSI≥0.38且b4≥0.11时, 该像元被识别为积雪。当某像元被识别为积雪, 0.38≤NDSI≤0.6时, 将其定义为浅雪; NDSI>0.6时, 将其定义为深雪。

NDSI=b2-b5b2+b5

式中: b2 b5分别为积雪的强反射与强吸收光谱波段的反射率。

文中采用最小二乘法作线性倾向估计33, 分析积雪日数、 积雪深度、 气温、 降水量等气象要素随时间的变化趋势, 用线性倾向率表示气象要素的变化趋势和速率。通过对气象要素与时间的相关系数的检验, 判断变化趋势是否显著。采用非参数Mann-Kendall检验法33检测气温、 降水量和积雪日数序列的突变。应用通径分析方法对比分析气温与降水量对积雪日数的影响及其影响通径。通径分析是在多元线性回归的基础上将简单相关系数分解为直接通径系数(某一原因变量对结果变量的直接影响)和间接通径系数(该原因变量通过其他原因变量对结果变量的间接影响)的一种方法2334-35

3 华山积雪变化特征

3.1 积雪初日、 终日和初终间日数

1953 - 2016年度华山积雪初日最早出现在10月2日(1973年度)(图2), 最晚出现在12月2日(1999年度、 2002年度), 平均出现日期10月26日。积雪终日最早出现在3月20日(2003年度), 最晚出现在5月22日(1959年度), 平均出现日期4月22日。积雪初日以2.8 d⋅(10a)-1的倾向率显著推迟, 终日以3.8 d⋅(10a)-1的倾向率显著提前, 相对而言, 终日提前比初日推迟的趋势更加明显。积雪初终间日数(即初日与终日间的日数)最长为228 d(1973年度), 最短128 d(2002年度、 2007年度), 平均初终间日数179 d, 以6.6 d⋅(10a)-1的倾向率显著减少。初日推迟、 终日提前及初终间日数减少的趋势均通过0.01的显著性水平检验。

图2

图2   1953 - 2016年度华山积雪初日、 终日、 初终间日数变化

Fig.2   Variations of annual beginning date, end date, the total days between beginning and end from 1953 to 2016 in the Mount Hua


3.2 积雪日数和积雪深度

1953 - 2016年度华山积雪日数最多为120 d, 出现在1958年度(图3), 最少17 d, 出现在1998年度, 64 a年度平均积雪日数78.5 d, 以8.3 d⋅(10a)-1的减少率显著减少; 冬半年平均积雪日数75.5 d, 占全年的96.2%, 减少率7.6 d⋅(10a)-1; 冬季平均积雪日数46.5 d, 占全年的59.2%, 减少率4.7 d⋅(10a)-1。年度最长连续积雪日数67 d, 出现在1954年度, 最少5 d, 出现在1998年度, 64 a平均年度最长连续积雪日数25.1 d, 减少率3.5 d⋅(10a)-1。以上积雪日数的变化趋势均通过0.01的显著性水平检验。华山年度和冬半年积雪日数均在1992年度发生突变, 突变后的1993 - 2016年平均积雪日数分别较突变前减少29.6 d和27.2 d。冬季积雪日数在1990年度发生突变, 突变后平均积雪日数较突变前减少了15.5 d。

图3

图3   1953 - 2016年度华山积雪日数及最长连续积雪日数变化

Fig.3   Variations of annual snow cover days and annual maximum continuous snow cover days from 1953 to 2016 in the Mount Hua


1953 - 2016年华山积雪出现在10月 - 次年5月(图4), 月平均积雪日数1月最多, 为16.1 d, 其余依次为2月15.6 d、 12月14.7 d、 3月13.5 d、 11月11.3 d、 4月4.2 d、 10月2.5 d、 5月0.6 d, 6 - 9月无积雪。64 a来各月积雪日数均呈减少趋势, 其中减少趋势较为明显的是: 12月减少率2.0 d⋅(10a)-1、 1月减少率1.5 d⋅(10a)-1、 3月减少率1.2 d⋅(10a)-1、 2月与11月减少率均为1.1 d⋅(10a)-1, 除2月通过0.05的显著性水平检验外, 其余月份均通过0.01的显著性水平检验, 而4月、 5月、 10月积雪日数减少率相对较小。

图4

图4   1953 - 2016年度月积雪日数分布

Fig.4   Annual monthly snow cover days from 1953 to 2016 in the Mount Hua


1981 - 2016年度华山最大积雪深度36 cm(图5a), 出现在2016年11月23日, 最小6 cm, 出现在2014年度(2015年1月31日、 2月1日、 3月25日和4月6日), 年度最大积雪深度减少率1.9 cm⋅(10a)-1, 减少趋势不显著, 未通过0.10的显著性水平检验。

图5

图5   1981 - 2016年年度最大积雪深度、 年度累积积雪深度及历年各月最大积雪深度

Fig.5   Annual maximum, annual accumulated snow cover depth, monthly maximum snow cover depth from 1981 to 2016 in the Mount Hua


1981 - 2016年度华山累积积雪深度最大为1 022 cm, 出现在1987年度, 最小66 cm, 出现在1998年度, 平均415.3 cm, 以88.2 cm⋅(10a)-1的减少率显著减少(通过0.01的显著性水平检验)。36 a平均累积积雪深度冬半年405.9 cm, 占全年的97.6%, 以83.9 cm⋅(10a)-1的减少率显著减少(通过0.01的显著性水平检验), 冬季237.0 cm, 占全年的55.0%, 以46.8 cm⋅(10a)-1的减少率减少(通过0.10的显著性水平检验)。

1981 - 2016年度各月平均累积积雪深度3月最大, 为92.2 cm, 其余依次为1月88.0 cm, 2月81.1 cm, 12月67.9 cm, 11月57.1 cm。4月、 10月、 5月月平均累积积雪深度小于20.0 cm。3月累积积雪深度减少率37.0 cm⋅(10a)-1, 是减少趋势最为明显(通过0.01的显著性水平检验)的月份, 12月以22.8 cm⋅(10a)-1减少率明显减少(通过0.05的显著性水平检验)。其它月份累积积雪深度变化趋势不明显。月最大积雪深度减少趋势(图5b)同样是3月最为显著, 减少率3.5 cm⋅(10a)-1(通过0.01的显著性水平检验), 12月减少率2.4 cm⋅(10a)-1(通过0.05的显著性水平检验)。其它月份最大积雪深度变化趋势不明显。

选取与华山积雪深度资料时段相同的1981 - 2016年度华山积雪日数分析发现: 1981 - 2016年度积雪日数最多97 d, 出现在1981年度, 最少17 d, 出现在1998年度, 36 a年度平均积雪日数67.5 d, 以10.3 d⋅(10a)-1的减少率显著减少; 冬半年平均积雪日数65.2 d, 占全年的96.6%, 减少率9.2 d⋅(10a)-1; 冬季平均积雪日数40.5 d, 占全年的60.0%, 减少率5.1 d⋅(10a)-1。1981 - 2016年度、 冬半年、 冬季积雪日数减少趋势较1953 - 2016年更为明显。月积雪日数减少率尤以3月3.1 d⋅(10a)-1、 4月1.1 d⋅(10a)-1、 10月0.9 d⋅(10a)-1较1953 - 2016年更为明显, 以上积雪日数的变化趋势均通过0.01的显著性水平检验。

3.3 积雪面积

选取1989 - 2016年遥感影像有积雪、 同时台站观测有积雪记录的15幅晴空遥感影像TM和ETM+数据计算NDSI, 所选研究区像元个数132 370个, 将研究区内积雪、 浅雪、 深雪的像元个数占总像元个数的百分比, 分别计为积雪覆盖率、 浅雪覆盖率和深雪覆盖率。

表1可知, 15幅TM影像数据均在冬半年, 其中1989年2月24日积雪覆盖率最大(图6), 积雪覆盖率78.2%, 积雪面积93.16 km2。20世纪90年代积雪覆盖率明显下降, 2000年以后积雪覆盖面积波动中略有增长。28 a来华山区域积雪覆盖率呈微弱的减少趋势, 积雪覆盖率、 浅雪覆盖率和深雪覆盖率分别以4.4%⋅(10a)-1、 4.3%⋅(10a)-1和0.2%⋅(10a)-1的减少率减少, 但减少趋势不明显, 均未通过0.10的显著性水平检验。

表1   1989 - 2016年华山区域积雪信息

Table 1  Information of snow cover from 1989 to 2016 in the Mount Hua

时间(年-月-日)华山站区域覆盖率/%
NDSI积雪深度/cm积雪浅雪深雪
1989-02-240.6993078.2368.539.70
1990-02-110.446836.7720.3216.45
1994-03-100.5061123.6722.850.82
1997-03-020.5411123.9519.024.93
1998-03-21X125.095.090.00
2003-02-230.5031013.1812.700.48
2005-02-120.426220.8119.611.20
2007-03-060.5671419.4618.470.99
2009-11-220.458936.0522.6013.45
2010-04-150.51143.152.980.17
2011-03-010.631460.9945.4415.55
2013-11-250.6231947.9925.9622.03
2014-02-13X737.6637.630.03
2015-01-070.46853.503.170.33
2016-01-260.4641032.5825.457.13

注:表中X表示华山站因云层影响数值不正确,NDSI缺;研究区总面积为119.13 km2

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图6

图6   华山研究区积雪覆盖图(1989年2月24日)

Fig.6   Map showing the snow cover in the Mount Hua (1989-02-24)


4 华山积雪变化与气温和降水的关系

4.1 华山气温和降水变化

1953 - 2016年度华山冬半年平均气温为

-0.9 ℃, 降水量178.2 mm, 占全年降水量的21.5%; 冬季平均气温-4.8 ℃, 降水量41.9 mm, 占冬半年降水量的23.5%。1953 - 2016年度、 冬半年、 冬季的气温和降水量变化线性趋势分析结果显示: 华山1953 - 2016年度平均气温显著变暖, 增暖率为0.2 ℃⋅(10a)-1; 冬半年和冬季气温的变暖趋势较年度更为明显, 增暖率均为0.3 ℃⋅(10a)-1。1953 - 2016年度降水量以37.8 mm⋅(10a)-1的速率明显减少, 冬半年降水量减少率13.5 mm⋅(10a)-1, 以上均通过0.01的显著性水平检验。华山冬季降水量减少率2.2 mm⋅(10a)-1图7), 仅通过了0.10的显著性水平检验。华山年度和冬半年平均气温均在1994年度发生突变(通过0.01显著性水平检验, 与陕西气温突变年份一致36), 年度和冬半年降水量分别在1984年、 1982年发生突变。冬季平均气温在1986年度发生突变, 冬季降水量未发生突变。

图7

图7   冬季平均气温、 降水量距平变化趋势

Fig.7   Annual variations of mean temperature and precipitation anomaly in winter in the Mount Hua


4.2 积雪变化与气温和降水的关系

华山1953 - 2016年度、 冬半年、 冬季积雪日数与同期平均气温、 降水量的相关分析结果表明: 积雪日数与气温存在显著的负相关, 与降水量存在显著的正相关(表2)。在分析气温、 降水变化趋势的基础上, 基于这种显著的相关关系, 应用通径分析方法来对比分析气温与降水相互作用对华山积雪的影响及其影响通径。

表2   1953 - 2016年华山气温、 降水量对积雪日数的通径影响分析

Table 2  Path analysis between monthly temperature, accumulated precipitation and snow cover days in the Mount Hua from 1953 to 2016

时段气象要素与积雪日数的相关系数直接影响间接影响复相关系数显著性水平
平均气温降水量
年度平均气温-0.767*-0.767*0.7670.001
降水量0.366*
冬半年平均气温-0.754*-0.648*-0.1060.8220.001
降水量0.544*0.345*0.199
冬季平均气温-0.644*-0.586*-0.0580.8270.001
降水量0.587*0.522*0.065

注:*表示通过0.01显著性水平检验。

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利用同期平均气温、 降水量建立逐步多元线性回归方程, 拟合积雪日数, 并用显著性水平0.05的F检验对因子进行判别, 发现年度降水量被剔除, 年度平均气温对积雪深度的直接通径系数(也称直接通径影响)为-0.767, 该回归方程的可靠程度为58.1%, 剩余项对积雪日数的相对决定程度为41.9%。即用年平均气温预估积雪日数存在一定的误差, 原因是影响积雪日数的其他因素未被考虑, 可能包括经纬度、 海拔高度、 地形地貌等因素。用冬半年平均气温、 降水量建立的拟合冬半年积雪日数的逐步多元线性回归方程的可靠程度66.6%, 高于年度, 冬季积雪日数的拟合效果(可靠程度67.3%)最好。经独立性检验, 回归方程均具有显著的统计学意义。

以冬半年积雪日数通径影响分析为例, 分析气温与降水相互作用对华山积雪日数的影响: 平均气温、 降水量共4条通径影响积雪日数, 其中包括两条直接通径: 一条是平均气温对积雪日数的直接通径影响(-0.648), 即平均气温越高, 积雪日数越少, 反之亦然。这是由于在其他条件都满足的情况下, 需要一定条件的低温, 降雪、 积雪才可能发生, 低温亦有利于积雪的维持。另一条是降水量对积雪日数的直接通径影响(0.345), 由于华山64 a冬半年平均降雪日数占年度平均降雪日数的92.0%, 冬半年降水大多为降雪, 冬半年平均气温-0.9 ℃, 满足积雪形成条件, 因此随着冬半年降水(雪)日数增多, 降水量增大, 积雪日数亦增多。两条间接通径: 首先是平均气温通过降水量对积雪日数的间接通径影响, 间接通径系数为(-0.307×0.345=-0.106); 其次是降水量通过平均气温对积雪日数的间接通径影响, 华山冬半年降水量和平均气温为负相关, 平均气温对积雪日数的直接影响也为负值, 两种关系叠加, 即为降水量通过平均气温对积雪日数的间接通径影响(-0.307×-0.648=0.199)。

以上分析表明平均气温、 降水量与积雪日数不仅存在直接的单因素影响, 而且平均气温、 降水量通过相互之间的关系间接地影响积雪日数的变化。就绝对效应来看, 无论冬半年还是冬季, 平均气温对积雪日数的直接影响大于降水量对积雪日数的直接影响, 但平均气温通过降水量对积雪日数的间接影响小于降水量通过平均气温对积雪日数的间接影响, 这说明华山冬半年、 冬季平均气温基本满足积雪形成的条件, 降水量的增减对积雪日数有着至关重要的影响, 但在全球气候变暖的大背景下, 气温是影响积雪日数的更重要因素。由3.1节和4.1节分析结果可知, 华山年度和冬半年、 冬季积雪日数突变年份和相应时段的平均气温突变年份相近, 但不重合, 也说明华山积雪日数主要受平均气温的影响, 同时还受降水量等其它因素的影响。

从4.1节和4.2节的分析可知, 1953 - 2016年度华山平均气温显著变暖, 降水量明显减少, 年度积雪日数显著减少; 冬半年平均气温较年度平均气温变暖趋势更为明显, 而降水量减少趋势较年度弱, 冬半年积雪日数减少率7.6 d⋅(10a)-1。冬季华山平均气温变暖趋势与冬半年相同, 但降水量减少趋势较冬半年更弱, 冬季积雪日数减少率4.7 d⋅(10a)-1。与文献[19]中太白山西部中山区1962 - 2014年积雪变化特征相比较, 华山的积雪日数减少趋势更为显著, 减少率更大, 这与李栋梁等学者6-816“高海拔地区积雪日数的减少比低海拔地区更为明显”的结论一致。太白山冬季平均气温升高, 降水量增加, 积雪日数减少趋势不明显。

4.3 气温、 降水量与大气环流的关系

大气环流的变化是气候变化不可忽视的自然因素37-39, 1953 - 2016年华山冬半年和冬季平均气温与大气环流指数相关分析结果表明(表3): 华山冬半年和冬季平均气温与西藏高原指数、 西太平洋副高西伸脊点指数、 印缅槽强度指数、 亚洲纬向环流指数显著正相关, 与850 hPa东太平洋信风指数负相关, 相关系数均通过0.01显著性水平检验。说明西藏高原850 hPa位势高度为正距平, 西太平洋副高位置偏西, 印缅槽强度指数偏高, 亚洲纬向环流指数偏高, 850 hPa东太平洋信风指数偏小时, 华山冬半年和冬季气温以偏高为主。

表3   平均气温与大气环流指数相关分析

Table 3  The correlations between average air temperature and various atmospheric circulation indexes

西藏高原-2指数西藏高原-1指数印缅槽强度指数西太平洋副高西伸 脊点指数850 hPa东太平洋信风指数亚洲纬向环流指数
冬半年0.7880.7490.5450.609-0.5150.436
冬季0.8090.7560.4890.456-0.3850.663

注:表中数据均通过0.01的显著性水平检验。

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冬半年降水量与南极涛动指数、 850 hPa西太平洋信风指数、 西藏高原指数显著负相关, 与北半球极涡面积指数、 亚洲区极涡强度指数正相关, 相关系数均通过0.01显著性水平检验。冬季降水量与西太平洋副高强度指数、 西太平洋副高面积指数负相关, 相关系数通过0.05显著性水平检验。

进一步分析发现, 1953 - 2016年华山冬半年和冬季积雪日数与同期西藏高原指数、 印缅槽强度指数、 南极涛动指数和西太平洋副高西伸脊点指数呈现明显的负相关, 与850 hPa东太平洋信风指数、 亚洲区极涡面积指数呈现明显正相关, 其相关系数均通过0.01显著性水平检验。

5 结论

本文利用气象观测资料和Landsat TM卫星遥感影像资料, 采用最小二乘、 Mann-Kendall检验、 通径分析等方法, 分析了华山积雪变化特征及其与气温、 降水量和大气环流指数的关系, 得到的主要结论如下:

(1) 1953 - 2016年, 华山积雪出现在每年的10月 - 次年5月, 初日明显推迟, 终日明显提前, 初终间日数明显减少。年度、 冬半年、 冬季积雪日数分别以8.3 d⋅(10a)-1、 7.6 d⋅(10a)-1、 4.7 d⋅(10a)-1的减少率显著变少。

(2) 1981 - 2016年, 华山年度最大积雪深度减小趋势不明显, 年度累积积雪深度以88.2 cm⋅(10a)-1的减少率显著减少。积雪日数减少、 最大积雪深度和累积积雪深度减小的趋势均以3月最为显著。1989 - 2016年, 华山区域积雪面积、 浅雪和深雪面积减少, 但减少趋势不显著。

(3) 1953 - 2016年, 华山平均气温升高, 降水量减少, 导致积雪日数减少。积雪日数与平均气温存在显著的负相关, 与降水量存在显著的正相关。在全球气候变暖的大背景下, 气温是影响华山积雪日数的最主要因素。华山年度、 冬半年和冬季积雪日数在和相应时段平均气温突变年份相近的年份发生突变。

(4) 华山冬半年、 冬季平均气温和降水量均与大气环流指数相关显著, 华山冬半年和冬季积雪日数与同期西藏高原指数、 印缅槽强度指数、 南极涛动指数和西太平洋副高西伸脊点指数为明显的负相关, 与850 hPa东太平洋信风指数、 亚洲区极涡面积指数为明显正相关。

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