阿勒泰地區(qū)河流冬季積雪變化趨勢及其對融雪洪水的影響分析

努爾曼·艾山

(阿勒泰水文勘測局，新疆 阿勒泰 836500)

全球氣候變暖對積雪影響已經(jīng)成為世界廣泛關(guān)注的熱點問題[1]，新疆地區(qū)是中國積雪覆蓋量最為豐沛的地區(qū)之一，北疆山區(qū)降雪量占全年降水量的80%以上，而平原區(qū)也占比30%以上[2]。阿勒泰地區(qū)是新疆積雪量最大的區(qū)域之一，當?shù)剞r(nóng)牧發(fā)展及農(nóng)業(yè)用水主要來源積雪融化后的水量，也是冬季融雪洪水的重要組成[3]。當前，對于積雪深度變化研究主要集中在青藏高原地區(qū)[4- 10]，而對新疆地區(qū)尤其是阿勒泰地區(qū)積雪變化研究還較少，有研究表明新疆地區(qū)近50年以來積雪深度、積雪覆蓋天數(shù)以及融雪消融的天數(shù)均呈現(xiàn)顯著變化[11]，沈永平[12]研究表明阿勒泰地區(qū)在氣候變暖影響下，區(qū)域氣流小循環(huán)增強使得融雪期提前，融雪洪水發(fā)生幾率和破壞程度均有所增加。在全球氣候變化大背景下，阿勒泰地區(qū)積雪變化趨勢如何？是否有突變現(xiàn)象發(fā)生？如何影響融雪洪水？是亟需解決的關(guān)鍵問題，本文研究成果對于阿勒泰地區(qū)融雪資源化利用以及系統(tǒng)分析地區(qū)融雪洪水變化特征具有重要意義。

1 研究區(qū)域概況

阿勒泰地區(qū)位于新疆北部區(qū)域，河流主要發(fā)源于阿爾泰山，地形高程從東北到西南逐步降低，地勢較為復(fù)雜，兩條主要河流為額爾齊斯河和烏倫古河，均發(fā)源于阿爾泰山。區(qū)域?qū)儆诘湫偷臏貛Т箨懶詺夂?，冬季積雪覆蓋時間長，最早積雪時間可出現(xiàn)在9、10月，最早洪峰時間可出現(xiàn)在4、5月，融雪洪水洪峰出現(xiàn)的時間一般在5月中旬到6月中旬。

2 研究方法和資料介紹

2.1 資料選用

采用阿勒泰地區(qū)7個國家氣象站點作為研究站點，站點分布如圖1所示，結(jié)合區(qū)域氣候及農(nóng)牧產(chǎn)業(yè)化發(fā)展特點，將每年11月到次年3月劃分為冬季，并統(tǒng)計各氣象站點最高、最低氣溫及降水數(shù)據(jù)。

圖1 研究站點分布

2.2 研究方法

2.2.1趨勢檢驗方法

采用非線性趨勢檢驗方法對阿勒泰地區(qū)的積雪變化趨勢進行檢驗，該方法假定各年份積雪變化序列獨立且同分布，結(jié)合統(tǒng)計變量S對其趨勢進行判定分析，主要方程為：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，S—變化序列趨勢檢驗的統(tǒng)計變量，該變量符合正態(tài)分布；xi和xj—同一個樣本序列中兩個不同分布的變量序列，其中10則表示為檢驗的變量序列呈現(xiàn)遞增變化；若Z<0則表示為變量序列呈現(xiàn)遞減變化；|Z|大于或等于2.32、1.62及1.28，則表示檢驗的變量序列趨勢變化的置信度分別可達到99%、95%以及90%的顯著變化水平。

2.2.2突變分析方法

對于獨立同分布的隨機變量序列，采用統(tǒng)計量對其突變特征進行分析，主要方程為：

(5)

E(ck)=k(k-1)/4

(6)

σ(ck)=k(k-1)(2k+5)/72

(7)

(8)

式中，k—變量序列個數(shù)；m—第i個樣本xi>xj(1ji)的累積的個數(shù)；E(ck)、σ(ck)—統(tǒng)計量ck的均值和方差；UFk—ck的標準化值；將數(shù)據(jù)系列逆轉(zhuǎn)建立逆數(shù)據(jù)系列xn,xn-1,…,x1對以上計算過程進行重復(fù),使得|UBk|=-UFk,其中k=n,n-1,…,0。正序UF和逆序UB兩條曲線相交點即為突變特征點。

3 積雪變化趨勢分析

3.1 冬季降雪和氣溫變化趨勢分析

結(jié)合阿勒泰7個氣象站點降雪和氣溫數(shù)據(jù)，對各站點冬季降雪和氣溫變化趨勢進行檢驗和線性傾向率分析，成果見表1。

從表1中可看出，阿勒泰地區(qū)各站點近51年來冬季氣溫均值都存在顯著遞增趨勢，全區(qū)各站點氣溫線性傾向率均值為0.69℃/10a，各站點冬季氣溫線性傾向率在0.49/10a～1.03℃/10a之間，各站點趨勢檢驗Z值均大于2.32，表明均通過置信度為99%的顯著性變化趨勢檢驗水平，在各站點中富蘊屬于阿勒泰地區(qū)氣溫變化最為顯著的站點，氣溫遞增趨勢最為明顯。從各站點冬季降雪變化趨勢分析可看出，各站點冬季降雪也呈現(xiàn)遞增變化，近51年來冬季降雪顯著增多，各站點降雪線性傾向率在3.47～10.78mm/10a之間，且均通過了90%的顯著遞增變化趨勢檢驗水平。在各站點中哈巴河降水遞增率最大。

3.2 冬季積雪年變化趨勢分析

結(jié)合各氣象站點1961—2017年近51年的積雪深度和降雪日數(shù)觀測數(shù)據(jù)，應(yīng)用非線性趨勢檢驗方法對阿勒泰地區(qū)冬季積雪變化趨勢進行檢驗分析，結(jié)果見表2。

表1 阿勒泰地區(qū)各站點冬季降雪及氣溫變化趨勢檢驗結(jié)果

表2 阿勒泰地區(qū)各站點冬季積雪變化趨勢檢驗結(jié)果

阿勒泰地區(qū)積雪變化具有較為明顯的特點，阿勒泰地區(qū)從9月到次年5月就出現(xiàn)積雪和降雪的過程，但主要集中在冬季的11月份到次年的3月份，積雪變化主要為單峰變化，最大積雪深度出現(xiàn)時間主要受到地形變化影響，布爾津和哈巴河站最大積雪深度主要集中在1月和12月，其他站點均在2月份出現(xiàn)最大積雪深度，而阿勒泰地區(qū)降雪日數(shù)均值的第一個高峰期主要集中在12月，第二個高峰期主要出現(xiàn)在次年3月。從冬季積雪和降雪變化趨勢檢驗分析結(jié)果可看出，近51年中阿勒泰地區(qū)整體最大積雪深度均呈現(xiàn)遞增變化，但局部站點和整體區(qū)域最大積雪變化趨勢具有不同步性，阿勒泰西部吉木乃站及河谷平原地區(qū)的福海和布爾津站積雪最大值呈現(xiàn)遞增變化，但變化趨勢均未通過顯著性檢驗。吉木乃站最大積雪深度遞增速率最大，遞增速率為4.82mm/10a。從降雪日數(shù)變化趨勢分析可看出，阿勒泰地區(qū)降雪遞減變化趨勢性較弱，同樣局部與整體變化具有不同步性，7個站點中只有東部區(qū)域的富蘊站降雪日數(shù)變化通過95%的顯著變化趨勢水平，降雪日數(shù)遞減速率在全區(qū)最高，為-5.25d/10a?？傮w而言，阿勒泰地區(qū)積雪深度變化與冬季降雪量變化趨勢具有相似性，這點可參考文獻[13]結(jié)論具有一致性，降雪日數(shù)遞減趨勢不明顯，這表明阿勒泰地區(qū)降雪量級在一定程度上有遞增變化，這也是阿勒泰地區(qū)從1990年代以后暴雪量級頻率較高的原因之一。

3.3 冬季積雪深度突變特征分析

在全區(qū)域冬季積雪趨勢變化分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合突變特征分析方法對各站點1961—2017年冬季積雪深度突變特征進行分析，分析結(jié)果如圖2所示。

圖2 阿勒泰地區(qū)各氣象站點積雪深度突變特征分析

突變分析中正序和逆序序列的交點即為變量序列變化的特征點，從突變分析中可看出，阿勒泰積雪深度全區(qū)域在1978和1983年出現(xiàn)過較為明顯的突變現(xiàn)象，各站點突變特征不具有同步變化特征，在各站點中吉木乃站、福海以及布爾津站在20世紀70年代初期和80年代中期發(fā)生明顯的突變變化，而阿勒泰站突變點主要發(fā)生在80年代末和2000年初，哈巴河站積雪深度突變特征不明顯，主要在90年代中期。青河站在70年代初和2000年代初期出現(xiàn)積雪深度的突變特征點，而布爾津站積雪突變年份主要出現(xiàn)在2000年代末期。

3.4 冬季積雪與氣溫、降雪相關(guān)性分析

積雪指標主要包括積雪深度、降雪天數(shù)以及積雪天數(shù)三個，結(jié)合各氣象站點積雪觀測數(shù)據(jù)，統(tǒng)計分析其和降雪量以及平均氣溫的相關(guān)性，見表3，此外結(jié)合R/S分析原理[14]，對阿勒泰地區(qū)各氣象站點積雪變化的持續(xù)性(Hurs指數(shù))進行分析，見表4。

表3 阿勒泰地區(qū)積雪變化與氣象相關(guān)性分析結(jié)果

表4 阿勒泰地區(qū)各氣象站點積雪變化Hurs指數(shù)分析結(jié)果

從表3中可看出，阿勒泰地區(qū)冬季積雪深度和降雪量具有較好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)達到0.795，這主要是因為積雪主要是固態(tài)降雪逐步累積形成的，冬季氣溫和積雪深度呈現(xiàn)負相關(guān)性，但不影響冬季氣溫和積雪深度的同步遞增變化，同樣可看出積雪天數(shù)和降雪天數(shù)均與冬季降雪和氣溫存在較好的相關(guān)性，有學(xué)者認為冬季降雪量變化并非是由氣溫的波動變化影響所致，冬季降雪量和氣溫相關(guān)獨立，均受到歐亞環(huán)流振蕩變化影響所控制的。

4 積雪變化對融雪洪水影響

[15]文獻研究結(jié)果表明新疆地區(qū)2月底積雪深度變化是發(fā)生春季融雪洪水的重要表征，為探討積雪變化對融雪洪水的影響，對阿勒泰地區(qū)全域2月底積雪深度進行統(tǒng)計分析，并對區(qū)域發(fā)生春季融雪洪水頻次的各月分布進行分析，結(jié)果如圖3所示。

圖3 阿勒泰地區(qū)積雪變化對融雪洪水影響

阿勒泰地區(qū)在2007、2008年2月底積雪深度顯著低于歷史同期均值，因此這兩個年份未出現(xiàn)春季融雪洪水，而在2005、2010、2011年2月底積雪深度明顯高于歷史同期均值，尤其是在2010年2月底積雪深度顯著高于歷史同期均值，因此發(fā)生融雪洪水的頻率較大，因此可以應(yīng)用2月底積雪深度的變化作為發(fā)生春季融雪洪水的重要表征指標，當阿勒泰地區(qū)2月底積雪深度的距平百分率為正值時，尤其是各氣象站點觀測的積雪深度距平百分率均高于60%，則可以判定出現(xiàn)春季融雪洪水的概率較大，而若2月底積雪深度距平百分率為負值時，尤其是各氣象站點2月底積雪距平百分率低于20%時，發(fā)生春季融雪洪水的概率較低。因此可以將阿勒泰地區(qū)2月底積雪深度距平百分率作為發(fā)生春季融雪洪水的一個重要判定指標。從融雪洪水頻率各月分布特征可看出，阿勒泰地區(qū)融雪洪水最高頻次主要出現(xiàn)在3月下旬，5月下旬出現(xiàn)融雪洪水的頻率較低，近51年5月下旬出現(xiàn)融雪洪水頻次約為6%，從整體區(qū)域來看，阿勒泰地區(qū)在3—5月均可能出現(xiàn)融雪洪水，3月下旬至4月下旬是洪水易發(fā)期。

5 結(jié)論

(1)阿勒泰地區(qū)近51年來冬季平均氣溫和降雪量均存在顯著遞增趨勢，全區(qū)冬季氣溫和降雪線性傾向率均值分別為0.69℃/10a和6.43mm/10a。

(2)阿勒泰地區(qū)積雪深度近51年來突變特征不明顯，全區(qū)積雪深度突變較為明顯的特征點分布出現(xiàn)在1978、1983年。

(3)阿勒泰地區(qū)2月底積雪深度距平百分率是區(qū)域融雪洪水的重要判定指標，當2月底積雪深度的距平百分率為正值，且各氣象站點觀測的積雪深度距平百分率均高于60%，則春季融雪洪水的概率超過70%，而若為負值，且各站點距平百分率低于20%時，則概率低于20%。

(4)阿勒泰地區(qū)3月下旬至4月下旬是洪水易發(fā)期，高頻融雪洪水發(fā)生主要出現(xiàn)在3月下旬。