我國新疆北部地區雪面雨日數時空變化特征分析

盧新玉， 陳仁升， 劉 艷， 王秀琴， 宋志國

（1.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆烏魯木齊 830002； 2.中國科學院西北生態環境資源研究院，甘肅蘭州 730000；3.新疆維吾爾自治區氣象信息中心，新疆烏魯木齊 830002； 4.山東省沂水縣氣象局，山東沂水 276400）

0 引言

雪面雨（rain-on-snow，ROS），即雪面降雨，是一種降雨與積雪相結合的多變量水文氣象現象［1］，其在積雪表面和積雪內部發生著復雜的熱量、能量交換。由于降雨與融雪的復合效應，尤其是在氣候變化背景下，雪面雨事件具有引發多種自然災害的高潛力，如洪水［2-4］、雪崩［5-6］、泥石流［7-8］等。融雪和降雨的綜合效應可導致比僅由融雪或降雨所引發的更為嚴重的洪水［9］。此外，雪面雨導致雨水凍結在雪堆或土壤表面形成冰凍層，影響動物活動和覓食能力，在極端情況下可導致其因饑餓死亡，對野生動物生活環境造成影響［10-11］。這些ROS 事件對相關行業均產生重大影響，特別是水資源管理、洪水預測和風險管理［3，12-15］等。因此，近幾十年來受到廣泛關注［16-20］。

針對雪面雨事件國外學者已經開展了大量研究。這些研究涉及雪面雨頻次及強度變化［19，21］、雪面雨加速積雪消融過程及其致災機理［22］、雪面雨洪水變化及未來預估［23］等。研究指出，氣候變暖帶來的一個重要后果是雪面雨事件的增加［1，18］。ROS 事件有復雜的生成機制，依賴于雪深、降水類型（雨或雪）和氣溫的綜合變化［3，15］。在過去50年里，雪面雨事件在以雪為主的流域變得更加頻繁，因為全球平均氣溫的上升導致了更多的冬季降水以雨而非雪的形式下降［24-27］。隨著氣候變化導致的氣溫上升，ROS 的頻率在高海拔地區［28］以及高緯度地區［29］呈增加趨勢。然而，國內對ROS 的研究尚不多見［30］，陳仁升等［30］系統介紹了雪面雨概念、影響及其研究進展。國內在氣象、水文預報中關注到雨雪混合洪水［31-33］，主要在洪水預報的影響因子分析中涉及到雨雪混合現象。然而針對氣候變暖對我國高緯度、高海拔地區雪面雨事件發生頻率的影響、我國雪面雨事件發生特點及其致災機理等的系統研究尚未開展。

新疆地區冰川、積雪廣泛分布，在其融水補給河川徑流的同時，也常伴有冰川洪水、融雪洪水、泥石流、雪崩和風吹雪等冰雪災害發生［34-37］。隨著氣候變暖，新疆洪水災害尤其是雪、冰融水洪水的頻次增加，每年都會給公路交通、下游水庫、渠道等工程設施以及人民生命財產安全等造成損失［34］。雨雪混合洪水主要是在積雪消融季節由中低山區降雨徑流疊加高山區的積雪融水而形成的，但近年來由于雪面雨造成的雨雪混合洪水越來越多，過去一直沒有得到重視［30］。開展新疆北部地區雪面雨時空變化特征研究，將為科學認識ROS 事件在新疆干旱區發展變化提供重要參考，同時對新疆地區致災洪水過程分析以及洪水預報具有重要意義。

1 資料與方法

本文所用新疆北部地區42 個國家級臺站資料來源于新疆氣象信息中心。應氣象觀測業務自動化發展需要，2015 年至今，氣象臺站天氣現象觀測均采用天氣現象儀自動觀測，因觀測方法與觀測設備存在差異，為保證分析數據的一致性，本文選取數據起止時間為1960—2015 年。新疆北部52 個國家站中，從1960 年有記錄的有44 站，再剔除缺測記錄較多的2 站，最終選取記錄較為完整的42 個臺站逐日氣溫、降水、雪深、天氣現象等觀測數據作為研究對象，站點分布見圖1。分析要素選取天氣現象包含的33 種降水類型、地面狀態（表1）以及降水起止時間等。由于新疆北部大部分地區積雪出現在每年的冷季（10 月—次年4 月），因此選取冷季的氣象觀測記錄進行雪面雨日數統計分析。

圖1 新疆北部站點分布Fig.1 Distribution of the meteorological stations in northern Xinjiang

1.1 “雪面雨日”定義及判定

根據雪面雨定義，本文統計臺站當日天氣現象出現降雨天氣類型中的任意一種（見表1），且地面狀態為積雪或雪深記錄大于0 cm，為一個雪面雨日，即滿足ROS 事件的所有水文氣象條件（降雨、積雪、雪深）的一天為一個雪面雨日。

表1 降水類型及地面狀態天氣現象編碼Table 1 Weather codes for precipitation type and ground state

由“雪面雨日”定義，基于氣象臺站實況觀測資料（降水類型、地面狀態、雪深），制定天氣現象與雪深記錄共同判定雪面雨事件的參數化方案。具體方法為，首先由逐日天氣現象觀測數據提取降水類型與地面狀態編碼，其次判斷降雨現象與積雪狀態是否同時存在，若地面狀態數據缺測則增加雪深記錄判識，由此確定該日是否為雪面雨日。

1.2 趨勢分析

為揭示臺站雪面雨日數的具體變化，選取雪面雨發生次數較多的塔城、伊犁河谷12個臺站以及所有臺站作為整體進行冷季逐月時間趨勢分析。趨勢分析以時間線性回歸的斜率計算，并以時間序列均值的百分比表示，以此比較一個臺站和其他臺站在時間變化上的不同特征。趨勢的統計學意義采用非參數Mann-Kendall檢驗［38］進行分析。

2 結果與分析

2.1 雪面雨時空變化

2.1.1 總體變化

（1）時間變化

通過逐站點計算1960—2015 年新疆北部地區冷季（10月—次年4月）氣溫、降雨（雪）日數、雪面雨日數、降雨量、雪面雨量，同時，引入次均降雨量的概念以體現降雨量的年平均變化，即通過歷年降雨總量和降雨次數計算得到次均降雨量，同理，獲得次均雪面雨量，最后以全部站點平均值估算新疆北部地區各要素的年際變化情況（圖2）。結果顯示，新疆北部地區雪面雨日數表現出微弱增加趨勢［圖2（a）］，氣溫則以0.45 ℃·（10a）-1的速率呈顯著上升趨勢［圖2（b）］。大量研究證實，氣溫上升使得降水相態更多由降雪轉為降雨［16］，從而導致降雪日數減少，降雨日數增加，對新疆北部地區降雨、降雪日數的趨勢分析也證明了這一點［圖2（c）、2（d）］。由于雪面雨現象發生的先決條件是降雨存在，因此兩者有著密切聯系，圖2（c）顯示降雨日數表現出與雪面雨日數一致的微弱增加趨勢。圖2（e）和2（f）給出降水量趨勢變化，與相對應頻次的微弱上升趨勢不同，雨量上兩者均表現為明顯的增加，這說明隨著氣溫升高，降雨在整個降水量比例中所占比例隨之升高。進一步地，通過計算得到次均降雨量與次均雪面雨量如圖2（g）、圖2（h）所示。次均降雨量呈現出穩定上升的趨勢，由最初的不足2 mm·次-1上升到平均3 mm·次-1，而次均雪面雨量則在1980 年前后出現明顯增加，前20 年平均在2 mm 以下且呈逐年減少趨勢，而后35 年增加3 倍達到6 mm·次-1。由此看出，雖然頻次變化不大，但每次雪面雨發生時的降雨量在近幾十年有了顯著增加，由于雪面雨現象的特殊性，也使其誘發洪水的風險大大增加。

圖2 1960—2015年新疆北部地區平均雪面雨日數（a）、氣溫（b）、降雨日數（c）、降雪日數（d）、降雨量（e）、雪面雨量（f）、次均降雨量（g）以及次均雪面雨量（h）的變化趨勢Fig.2 Variations of annual ROS days（a），temperature（b），rainfall days（c），snowfall days（d），rainfal（e）l，ROS amount（f），mean rainfall（g）and mean ROS amount（h）in northern Xinjiang from 1960 to 2015

（2）空間分布及變化

新疆北部歷年雪面雨日數出現較多區域位于塔城北部、伊犁河谷以及烏魯木齊河源地區［圖3（a）］，其中塔城北部的塔城市與裕民縣年均雪面雨日數均在10 d以上，其余兩站分別為9.8 d與5.5 d，伊犁河谷雖沒有10 d以上臺站，但分布面積較廣，大部分臺站年均雪面雨日數在5～10 d（占70%），而烏魯木齊河源地區則是由于海拔高，臺站幾乎全年都有積雪，如天山大西溝站海拔達到3 500 m 以上，年平均氣溫-10.4 ℃，積雪日數平均為193 d·a-1，遠高于其他臺站，因而其雪面雨日數也較多。

通過分析降雨日數分布［圖3（c）］，也反映出上述3 個區域為冷季降雨多發區，而年均降雪日數分布表現出與降雨日數的反位相特征［圖3（b）］。氣溫分布圖顯示［圖3（d）］，伊犁河谷一帶冷季平均氣溫在0 ℃以上，塔城地區和烏魯木齊河源一帶則在-4～0 ℃之間，表明雪面雨易發生于氣溫較高地區。雪面雨量與降雨量的分布表現出高度一致性，大值區都分布在塔城、伊犁河谷、以及烏魯木齊河源地區［圖3（e）、3（f）］。

圖3 1960—2015年新疆北部地區歷年平均雪面雨日數（a）、降雪日數（b）、降雨日數（c）、氣溫（d）、雪面雨量（e）、降雪量（f）空間分布Fig.3 The spatial distribution of the annual ROS days（a），snowfall days（b），rainfall days（c），temperature（d），ROS amount（e）and snowfall（f）in northern Xinjiang from 1960 to 2015

圖4 通過計算每個臺站1960—2015 年的時間線性回歸斜率，并以時間序列均值的百分比表示，給出新疆北部地區雪面雨日數、氣溫、降雪日數以及降雨日數的空間變化趨勢。圖4（a）顯示，雪面雨日數增加最為顯著的為烏魯木齊河源和伊犁河谷地區，而出現頻次較多的塔城北部則大部分呈減少趨勢；氣溫空間變化顯示［圖4（b）］，42 個臺站絕大部分均為上升趨勢，僅有一個臺站為下降趨勢；降雪日數與降雨日數的空間變化則反映出氣溫升高帶來的降雪減少、降雨增加的整體變化趨勢。

圖4 1960—2015年新疆北部地區各臺站雪面雨日數（a）、氣溫（b）、降雪日數（c）和降雨日數（d）的年變化趨勢Fig.4 Variation of annual ROS days（a），temperature（b），snowfall days（c），and rainfall days（d）for each station in northern Xinjiang from 1960 to 2015

2.1.2 不同積雪期ROS年際變化

由于在積雪累積和消融階段積雪深度以及降水相態均存在不同變化，為揭示不同積雪期ROS 的變化特征，根據新疆北部地區積雪的季節變化規律以及相關文獻對積雪期劃分［37］，將新疆北部地區積雪期分為積累期（10—12月）、穩定期（1—2月）和消融期（3—4 月）三個階段。分別統計1960—2015 年3 個不同積雪期雪面雨日數、雪面雨量、平均雪深、降雨量的年際變化特征，如圖5 所示。圖5（a）顯示雪面雨日數在積雪穩定期明顯少于積累期與消融期，平均小于1 d，這主要由于積雪穩定期降水類型主要為降雪，而積累期與消融期為季節轉換期，頻繁發生雨雪轉換，由于氣溫升高導致降雨起始日提前、結束日推后，因此導致雪面雨增多現象。雪面雨量的變化特征與雪面雨日數一致，值得一提的是，自1980 年以來，雪面雨量在積雪積累與消融期均呈現出顯著增加的趨勢，而在積雪穩定期雪面雨量也從之前幾乎沒有到逐步增加［圖5（b）］。圖5（c）反映出平均雪深在積雪穩定期明顯高于積累期與消融期、而積累期與消融期變化趨勢相對平穩的特征。降雨量則體現了與雪面雨量相似的變化特征，而量級增大一倍，特別地，降雨量在積雪積累期與消融期均顯示出不斷升高的變化趨勢［圖5（d）］。

圖5 不同積雪期雪面雨日數（a）、雪面雨量（b）、平均雪深（c）、降雨量（d）的年際變化特征Fig.5 Variations of annual ROS days（a），ROS amount（b），mean snow depth（c），and rainfall（d）in different snow cover periods

2.1.3 單站ROS各月變化

選取伊犁河谷與塔城北部雪面雨出現較多區域的12個臺站以及所有臺站作為整體，分析其1960—2015 年冷季各月在雪面雨日數、氣溫、降雨日數以及降雪日數的變化趨勢。趨勢是計算從1960 年到2015年冷季逐月，以及所有研究區域整個冷季的變化。雪面雨日數［圖6（a）］顯示12 個站以及所有臺站整體在入冬的10月均為減少趨勢，之后有所增加，到3月再次下降，4月基本持平，從最后一列整個冷季（W）總趨勢來看，大部分臺站以及整體都呈增加趨勢，僅有3 個站為減少趨勢。圖6（b）各站的氣溫變化則顯示普遍呈上升趨勢，上升最緩慢為10月，而2月上升速度最快。與雪面雨日數相似，降雨日數也表現出減少-增加-減少的變化趨勢，整體同樣為增加趨勢［圖6（c）］。降雪日數除12 月與2 月有部分臺站略為增加外，其他均為減少趨勢，整個冷季都呈減少趨勢［圖6（d）］。以上分析也與之前分析整體一致，即全球變暖背景下，氣溫整體上升，而降雪減少、降雨增加，雪面雨則表現出有升有降，整體略為上升的變化趨勢。

圖6 塔城北部、伊犁河谷12臺站以及全體臺站雪面雨日數、氣溫、降雨日數、降雪日數各月變化趨勢（O～W分別代表10月至次年4月以及整個冷季）Fig.6 Variation of monthly ROS days（a），temperature（b），rainfall days（c）and snowfall days（d）at 12 stations in northern Tacheng and Ili River Valley and total stations（O to W represent October to next April and the whole cold season respectively）

2.2 雪面雨變化的影響因素分析

2.2.1 氣溫對ROS的影響

圖7（a）～7（d）分別給出雪面雨日數、雪面雨量、降雨日數以及降雪日數與氣溫的散點圖。與時間變化趨勢一致（圖2），隨著氣溫升高，雪面雨日數呈微弱增加趨勢，但變化趨勢并不顯著，相關系數僅為0.04，未通過顯著性檢驗。與其相比，雪面雨量則呈現出較為顯著的增加趨勢，通過0.01的顯著性檢驗。這一結果也與年際變化趨勢分析一致，即氣溫升高導致雪面雨以及降雨在雨量上均比頻次上有著顯著的增加趨勢［圖2（e）～2（f）］。圖7（c）與圖7（d）顯示降雨日數隨氣溫升高緩慢增加，而降雪日數明顯減少，相關系數達到0.59 并通過0.01 的顯著性檢驗。

圖7 1960—2015年新疆北部地區42臺站雪面雨日數、雪面雨量、降雨日數以及降雪日數與氣溫的散點圖Fig.7 ROS days（a），ROS amount（b），rainfall days（c）and snowfall days（d）versus air temperature at the 42 stations over northern Xinjiang from 1960 to 2015

為了揭示降雨、降雪日數以及雪面雨日數與氣溫的關系，逐站計算1960—2015年各要素相關關系如圖8所示。42個氣象站的降雪日數均與氣溫呈負相關，其中有28 個站達到99%以上顯著性水平，4個站達到95%以上顯著性水平，有9 個沿天山北坡一帶觀測站不具有統計學意義［圖8（a）］。降雨日數與氣溫的相關關系顯示，39 個站降雨日數均與氣溫呈正相關（其中11 個站具有統計學意義），只有3個站呈負相關［圖8（b）］。雪面雨日數與氣溫的相關關系較為復雜，圖8（c）顯示有20 個站呈負相關，22 個站正相關，且僅有3 個站具有統計學意義。可能的原因是，由于構成雪面雨的兩個條件（降雨與積雪）對氣溫上升的響應不同，降雨是隨氣溫升高而增加，而積雪則是相反，因此造成雪面雨日數或增加或減少的復雜變化趨勢。為了確定降雨日數的變化是否影響了雪面雨日數，雪面雨日數與降雨日數的相關性如圖8（d）所示。所有臺站的雪面雨日數與降雨日數均呈正相關，其中有39個站點達到99%以上顯著性水平，3 個站點達到95%以上顯著性水平，這表明雪面雨日數的增加與這些站點的降雨日數的增加密切相關。

圖8 氣溫與降雪日數（a）、降雨日數（b）、雪面雨日數（c）的相關性，以及雪面雨日數與降雨日數（d）的相關性Fig.8 Correlation between temperature and snowfall days（a），rainfall days（b），ROS days（c），and correlation between ROS days and rainfall days（d）

2.2.2 不同海拔對ROS的影響

為驗證雪面雨隨海拔高度的變化，將新疆北部地區42 個臺站按海拔由低到高統計與雪面雨日數和雪面雨量的相關關系如圖9（a）和9（b）所示。結果顯示，雪面雨日數與雪面雨量均與海拔有顯著的正相關，相關系數分別為0.353 與0.645，分別在0.05 與0.01 信度水平上顯著相關。由于高海拔地區氣溫低，積雪期更長，如新疆北部地區海拔最高站天山大西溝，經過統計年平均積雪日數達到193 d，同時，隨著氣溫升高，大氣降水顯示出由降雪向降雨轉換的變化趨勢，因而高海拔地區更容易出現雪面雨事件。

圖9 多年平均雪面雨日數（a）、雪面雨量（b）與海拔的散點圖Fig.9 Scatter plots of annual average ROS days（a）and ROS amount（b）against elevation

3 討論

雪面雨事件通常發生在積雪持續時間很長的寒冷氣候地區，這些地區通常以高緯度、高海拔為特征［28-29］。雪面雨頻率的變化由兩個主要因素決定：降雨事件和地面積雪日數。隨著氣溫的升高，這兩個因素在大多數中高緯度地區具有相反的趨勢：降水量增加，積雪日數減少［29］，這就導致ROS 頻率變化的復雜性。眾所周知，降水類型直接受近地表氣溫的影響［39-41］，氣溫的升高增加降雨機率的同時也減少了中緯度地區的降雪日數，從而減少了積雪日數。Pall 等［1］研究表明，低海拔地區的ROS 事件減少，主要受積雪因氣候變暖而減少的影響，而高海拔地區的ROS 事件則因降雨的增加而增加。在區分高山、高地和低地盆地時，高地盆地最受ROS 事件的影響［15］。因此，雪面雨頻率的變化趨勢具有很強的區域差異，如在阿拉斯加，大多數地方的雪面雨頻率呈增加趨勢，但在阿拉斯加南部和西南部的雪面雨頻率則呈減少趨勢［42］；在落基山脈和美國西部，ROS 頻率在高海拔地區增加，在低海拔地區減少［16］。

以上研究大多在歐洲、北美以及北極地區展開，國內對雪面雨現象的研究還較少［30］。對新疆北部地區雪面雨研究表明該地區雪面雨頻率呈現出緩慢增加的趨勢。此外，新疆北部地區雪面雨日數及雪面雨量均隨海拔升高而增加，這也與世界上大多數區域的研究結果一致。本文僅對冷季（10 月—次年4月）雪面雨日數進行了分析，下一步將針對新疆整個區域的全年觀測記錄展開研究，以期揭示高海拔山區（包含暖季）雪面雨事件的時空變化特征。

基于臺站觀測數據，對新疆北部地區冷季雪面雨時空分布特征有了一定了解。然而由于ROS 事件主要發生在高緯度和高海拔地區，而臺站大多分布于低海拔地帶，監測數據稀缺使得準確確定某次降水事件是否為雪面雨事件變得困難［43］，導致對雪面雨事件的捕捉能力有限。更為全面的研究則需要借助于衛星遙感的大范圍監測以及基于遙感數據的ROS 事件判定方法，如利用MODIS 積雪面積觀測數據與衛星降水產品，結合降水相態分離方法，在整個研究區域的格點尺度開展研究，有望獲得整個區域更加全面、準確的研究結果。而如何界定雪面雨事件是雪面雨頻次及強度變化研究中的前沿和難點問題［30］。衛星數據的應用彌補了地面監測設備觀測范圍有限的不足，而格點降水的估測精度以及降水相態分離技術也成為當前面臨的關鍵問題。目前主要采用基于臨界氣溫的雨雪分離法來確定雪面雨事件并分析其變化趨勢，鑒于高海拔地區雨雪分離臨界氣溫的高度時空異質性，相關研究還存在較大的不確定性［30］，還需進一步深入研究。

4 結論

基于1960—2015 年地面氣象站逐日氣溫、降水量、積雪深度、天氣現象等相關數據，通過制定雪面雨判定標準，嚴格篩選雪面雨事件，對新疆北部地區冷季（10月—次年4月）雪面雨日數的時空變化進行了初步分析，主要結論如下：

（1）氣候變暖導致新疆北部地區降雪日數減少，降雨日數增加，1960—2015 年新疆北部地區雪面雨日數總體呈現緩慢增加趨勢，增加速率為0.3 d·（10a）-1；

（2）空間分布上，新疆北部地區雪面雨主要集中于塔城北部、伊犁河谷、烏魯木齊河源地區，其中塔城地區裕民縣最多，年平均雪面雨日數12.2 d；

（3）相關分析顯示雪面雨日數及雪面雨量均與海拔呈顯著正相關，相關系數分別為0.35 和0.65，分別通過了95%與99%的顯著性檢驗；

（4）即使在氣候最冷的積雪穩定期（1—2 月份），新疆北部仍然出現雪面雨事件；近30 a 雪面雨量在積雪積累與消融期均呈現出顯著增加趨勢。