1979-2018年金沙江梨園流域積雪時空變化及其影響因素

戴鈺，李炳鋒，羅煜寧，王宇昊，申笑萱，吳南，張珂

（1.河海大學水災害防御全國重點實驗室，江蘇 南京 210024；2.河海大學長江保護與綠色發展研究院，江蘇 南京 210024；3.河海大學水文水資源學院，江蘇 南京 210024；4.中國氣象局水文氣象重點開放實驗室，江蘇 南京 210024；5.水利部水利大數據重點實驗室，江蘇 南京 210024；6.水利部水循環與水動力系統重點實驗室，江蘇 南京 210024）

0 前言

水資源是基礎性的自然資源和戰略性的經濟資源[1]。由于水資源時空分布極不均勻、人類活動頻繁、水體污染嚴重等原因，水資源問題已成為制約我國社會發展的瓶頸。隨著氣候不斷變化，氣候系統的穩定性也逐漸降低，全球及區域水循環系統特征發生深刻變化[2]。因此，研究氣候變化下水文循環要素時空變化特征，對深入認識水資源形成和演變規律、水資源的可持續開發利用和生態環境保護具有重要的指導作用。作為表征氣候變化的重要因子，流域降水、氣溫、積雪的時空分布及其變化必將導致水文過程發生變異，更有甚者危害流域水資源、水電能源的開發利用。目前已經有很多學者對各區域及流域降水、氣溫、積雪的變化進行了分析研究。王兆禮等[3]基于1961-2000 年珠江流域80 個觀測站的月平均氣溫資料，分析了氣溫序列的時空演變特征及其對生態環境產生的影響；侯保險等[4]采用Hurst 系數、累積距平等方法研究金沙江流域降水與氣溫，結果指出該流域降水、氣溫均表現出增加態勢，且季節性明顯；王景才[5]等利用近50 年的月降水資料，分析淮河上中游流域年降雨、主汛期降雨的時空分布特征、變化趨勢和周期性；盧璐等[6]研究發現近60 年金沙江流域年均氣溫以0.025℃的趨勢升高，季節降水量、氣溫與徑流顯著相關；史雯雨等[7]研究發現金沙江流域年平均氣溫和季平均氣溫周期性變化明顯，且呈現顯著上升趨勢。李文廣等[8]研究分析了長江流域建庫前后降水時空變化特征；盧雅婷等[9]根據金沙江流域60a 內降水數據，探究降水不同時間尺度的周期變化規律。徐強等[10]利用經驗正交函數和旋轉經驗正交函數將東江流域降水分解為北部型和南部型兩類，同時指出南部型降水變化幅度小，且突變時間存在滯后性。

積雪的變化同樣具有時空異質性，中國主要積雪分布地區有青藏高原雪區、天山地區、新疆北部積雪帶、內蒙古和東北地區[11]。20 世紀90 年代以前，青藏高原的積雪普遍呈增長態勢[12]，且在80 年代左右，增長趨勢極其顯著[13]，90 年代末，積雪變化趨勢改變，開始顯著減少[14-15]，其中東部地區積雪變化趨勢最為顯著[16]。車濤[17]基于SSM/I 被動微波反演的中國逐日積雪深度數據集，發現1933-2002 年我國積雪儲量雖存在年際波動，但變化趨勢極不顯著。劉世博等[18]研究發現，1986 年東北凍土區年平均雪深發生突變，每十年以0.07cm 的速率消融，同年該積雪區的氣溫也發生突變。郭建平[19]等研究發現青藏高原積雪空間分布受海拔、坡度、坡向等地形因子影響存在較大差異，積雪面積比例隨海拔、坡度的增大呈現增加趨勢；沈鎏澄[20]等人通過數理統計方法發現青藏高原中東部地區冬季雪深的時空分布特征主要受降水影響，其他季節主要受氣溫影響；此外還有研究指出不同土地、植被類型也會影響積雪產生于消融[19]。王慧等[21]以新疆地區為研究區域，分析了1961-2017 年研究區最大積雪深度、積雪日數的時空變化特征，發現新疆北部和天山地區雪深顯著增加，而積雪日數總體呈減少趨勢。張慶杰[22]基于CMIP6 氣候模式分析了新疆地區1979-2014 年間積雪深度時空變化特征，同時結合機器學習方法探究了氣溫、降水、風速等不同氣象要素對積雪深度的影響。

這些研究多傾向于將降水、氣溫或積雪等單一氣象要素分別進行研究分析，極少涵蓋多個水文變量但未能充分考慮多種水文變量，也尚未揭示多水文變量的共同變化規律。然而，流域內的水文過程不僅涉及多個水文變量，且各變量之間往往具有一定的相關性。因此，需要綜合考慮多個水文變量間的相關變化趨勢才能完美捕捉水文過程或水文事件的變化特征。近年來，在水文過程中聯合考慮多個具有相關關系的水文變量，已成為國內外水文學者的研究熱點[23]。為研究流域水文過程對氣候變化的時空響應，本文以金沙江上游的梨園流域為研究區，分析該流域近40 年來降水、氣溫和積雪的時空演變特征，同時可以為該流域水資源管理、水電工程的開發和建設提供重要的參考信息。

梨園流域研究區位于青藏高原東部，流域內多年平均流量豐富，降水、氣溫、積雪的空間分布直接影響其徑流量變化。本文基于研究流域1979-2018 年間遙感反演的長系列逐日雪深數據及同時段的降水、氣溫柵格數據，分析該區域降水、氣溫、積雪的時空分布和年際變化，并進行相關性分析；旨在全面揭示研究流域降水、氣溫、積雪深度的時空變化特征，并初步探究這些氣候因子之間的影響關系。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

梨園流域位于金沙江水系石鼓斷面上游，地處云貴高原西北部和四川盆地西部，西側靠近青藏高原，流域覆蓋面積約為21.4 萬km2。石鼓水文站地理位置處在92°37′E，27°15′N。研究區位于90°30′E～100°22′E，26°37′N～35°54′N（如圖1），處在高原山地氣候區內，海拔在1674～6293 m 之間，地勢由西北向東南傾斜，海拔落差超過4500 m。梨園流域發源地是青海省西南部沱沱河，沿途流經青藏高原、四川省，最后流入云南省。由于研究流域處于高原山地向平原的過渡地帶，氣候交替變化復雜，受高原季風氣候和副熱帶季風氣候影響顯著[24]。流域屬于半干旱氣候，該流域徑流補給主要來自于降雨、融雪和融冰。該流域徑流深年際變化較大，年內分配不均，流域年徑流量為199～415 億 m2。

圖1 研究區及水文氣象站點分布

1.2 數據來源與處理

本文采用的高程數據是在地理空間數據云（http://www.gscloud.cn/）下載的，空間分辨率為1 km，通過ArcGIS10.6 制圖軟件處理得到研究流域。降水、氣溫以及積雪數據資料由國家青藏高原科學數據中心（http://data.tpdc.ac.cn/zh-hans/）提供。其中，降水、氣溫數據源自中國區域地面氣象要素驅動數據集（1979-2018）[25]，時間分辨率為3 h，空間分辨率為0.1°；積雪數據源自中國雪深長時間序列數據集（1978-2020）[26]，時間分辨率為日，空間分辨率為25 km；研究中使用雙線性插值法將降水、氣溫和積雪數據集的空間分辨率統一轉化為1 km。

根據積雪季節變化的特點，本文將一個積雪年定義為當年的9 月1 日至次年的8 月31日[27]，依據《地面氣象觀測規范》，對平均雪深＜0.5 cm 的微量積雪不予考慮，記為0 cm；0.5 cm≤雪深＜1 cm 時，記為1 cm，當積雪深度符合觀測要求且≥1 cm 時，記為一個積雪日。積雪初日是指積雪年內首次出現積雪深度≥1 cm的日期；積雪終日則是指最后一次出現積雪深度≥1 cm 的日期；積雪天數則為積雪期內（積雪初日至積雪終日之間）所有積雪深度記錄值的天數總和；年均雪深則為積雪年內所有積雪深度之和與該年對應積雪天數之比。

2 研究方法

2.1 趨勢分析法

采用線性回歸的方法分析研究區內降水、氣溫和積雪深度的變化趨勢，即氣候傾向率S，反映各要素隨時間演變規律。使用Mann-Kendall 趨勢檢驗法計算趨勢變化的顯著性。當｜MK ｜＞1.96 時，說明趨勢在0.05 置信區間上變化顯著；當｜MK ｜＞2.58 時，說明趨勢在0.01 置信區間上變化顯著。該方法不需要樣本服從某種分布，也不會受到異常值的干擾，能夠有效地區分某一過程是處于自然波動狀態還是按照特定的變化趨勢波動，具有檢測范圍廣泛、受人為影響小的優點[28]，目前已被廣泛應用到水文、氣象領域。

Sen 趨勢度是一種研究變量長時間序列變化的方法[29]，對于時間序列xt(t=1,2,3,…,N)，趨勢度β為權衡變化趨勢的系數，定義如下：

式中：xi和xj分別為不同時刻對應的時間序列值，n＞i＞j＞1；Median 是中位數函數。β為斜率，β＞0 表示“增加趨勢”，β＜0 表示“減少趨勢”，β= 0 表示“趨勢不變”。

2.2 相關性分析

運用相關分析的方法研究積雪深度和降水、氣溫等氣象因子的相關關系，根據相關現象所表現的不同特征，對具有相關關系的變量研究其相關方向（r＞0，則表示正相關；r＜0，則表示負相關）及各變量間的相關程度，用數學方法將其數值化，即相關系數r，計算公式如下：

式中：x、y為不同的變量值；Cov(x,y)為x、y的協方差；Var[x]、Var[y]分別為x、y的方差。

3 結果分析

3.1 氣候要素的時空分布

基于遙感反演得到的積雪深度數據，分析1979-2018 年間梨園流域雪深的變化趨勢，結果如圖2 所示，可以看出流域積雪深度變化趨勢是增加、減少、增加交替出現。流域年均雪深變化幅度為0.78cm～4.52 cm，年降水量最大值為4.52 cm（1986 年），最小值為0.78 mm（2003年），多年平均積雪深度為1.71 cm；流域積雪整體上呈現減小趨勢，下降率為0.32 cm/10a，其MK 值為2.76，大于2.58，通過了置信度為99%的Mann-Kendall 法顯著性檢驗，說明年積雪深呈顯著下降趨勢。本研究認為10 月19 日至次年5 月11 日為該研究區積雪期[27]，下文對于梨園流域積雪特征及影響因素的分析主要通過計算積雪期內雪深、降水、氣溫的時空變化及相關關系來實現。

圖2 1978-2018年梨園流域積雪深度年際變化

對梨園流域1979-2018 年間積雪期內降水數據和氣溫數據進行趨勢分析，如圖3 所示，縱觀整個流域，近40 a 流域多年平均年降水量為461.71 mm，年降水量最大值為564.05 mm（2005 年），最小值為348.57mm（1984 年）；期間，流域降水增長率（即氣候傾向率）為28.67 mm/10a，MK 值為3.27，MK 值絕對值大于2.58，通過了置信度為99%的Mann-Kendall法顯著性檢驗，年降水量呈顯著增加趨勢。近40a 流域多年平均氣溫為-2.69℃，年平均氣溫最高值為-1.5 ℃（2016 年），年平均氣溫最低為-4.21 ℃（1993 年）；流域內氣溫變化趨勢與降水相似，呈顯著的增長趨勢，氣候變暖十分明顯，升溫率（即氣候傾向率）為0.54 ℃/10a，其MK 值為6.09MK 值絕對值大于2.58，通過了置信度為99% 的Mann-Kendall 法顯著性檢驗，說明年降水量呈顯著增加趨勢。

圖3 1978-2018年梨園流域氣候因素年際變化

梨園流域的地形起伏較大，高原山地縱橫交錯，局地差異大。基于研究區1979-2018 年的積雪期內降水、氣溫、雪深資料和流域內站點分布，運用Matlab 對降水、氣溫、積雪數據進行空間插值，繪制梨園流域多年平均降水空間分布圖、多年平均氣溫空間分布圖和多年平均雪深空間分布圖（如圖4）。由圖4(a) 可以看出，流域多年平均降水量空間分布不均勻，且南北、東西兩向降水分布差異大，近40 的降水量在184～992.8 mm 之間，流域東南部地區降水最為豐富，西北地區降水較少；降水量空間分布主要為由下游向上游方向逐漸減少；由圖4(b) 可以看出，近40 的氣溫在-13.5～18.6℃之間浮動，氣溫分布呈現西北低、東南高的趨勢，與降水空間分布大致相同。由圖4(c)可以看出，流域積雪深度呈現中間高、兩邊低的分布趨勢，近40 的積雪深度在0～6 cm 范圍內波動，積雪厚度：中部地區＞西北地區＞東南地區。

圖4 梨園流域1979-2018年多年平均降水、氣溫、雪深空間分布

3.2 氣候要素的時空演變特征

基于梨園流域1979-2018 年的降水、氣溫和年均雪深柵格數據，計算各要素對應的氣候傾向率S值和趨勢檢驗MK 值，如圖5 和圖6分別為降水、氣溫、雪深所對應氣候傾向率S值和趨勢檢驗MK 值的空間分布。結果表明，研究區積雪期內西北地區和中部地區降水顯著增加，氣候傾向率最大為8.5 mm/a；東南地區降水呈現減少趨勢，氣候傾向率最大為5.7 mm/a。流域內西北部溫度呈現減小趨勢，變化顯著，氣候傾向率最大為0.1℃/a；多數地區表現為升溫且變化趨勢明顯，氣候傾向率最大為0.2℃/a。多年來流域內多數地區積雪深度變化趨勢多為增加趨勢，變化趨勢在0.1 cm/a 范圍內波動；少部分區域年均雪深有下降傾向，變化趨勢在0～0.2 cm/a。就整個流域而言，空間分布圖與圖2 和圖3(a)(b)對應的年際變化趨勢相一致。

圖5 梨園流域1979-2018年降水、氣溫與年均雪深氣候傾向率

圖6 梨園流域1979-2018年降水、氣溫與年均雪深變化趨勢MK值

冬季氣溫降低時，降水以降雪的形式出現，有利于雪的累積[30]。沈鎏澄[20]等在研究青藏高原中東部地區積雪變化時發現降水是冬季（氣溫較低）積雪變化主要驅動因子，其余季節則主要由氣溫主導，梨園流域內降水在時間和空間尺度上均表現為顯著增長的趨勢，而雪深卻表現出下降的變化趨勢，大概率是由于全球氣候變暖導致降水多以降雨的形式出現，進而促進雪深的消融；且研究區積雪天數較長，包含了冬、春兩季，積雪期后期（即春季）氣溫是積雪變化的主導因子；除此之外積雪變化是一系列因素共同影響的結果，就單一元素分析的話可能存在誤差。

3.3 相關性分析

利用相關分析法計算梨園流域1979-2018年間積雪期積雪深度與降水、氣溫的相關系數，結果如圖7 所示，降水與雪深的相關系數在-0.7～-0.3 范圍內浮動且均為負值，其相關性在1990 年達到最高為-0.667，表明降水增加促進了雪的消融，使雪深降低。氣溫與雪深的相關系數在-1～-0.6 范圍內變化，且均為負值，其相關性在1997 年達到最高為-0.925，說明氣溫升高同樣會促進雪的消融，使雪深降低。從圖中可以看出，降水與積雪深度的相關性要低于氣溫。綜上，降水越多、氣溫越低有利于促進積雪的形成，氣溫對于積雪深度的影響要高于降水。

圖7 梨園流域降水、氣溫與積雪深度的相關系數

4 討論與結論

本文依據《地面氣象觀測規范》對積雪日的定義，揭示了近40 年來梨園流域積雪特征的時空變化及其對影響因子的敏感性。眾所周知，研究資料時間序列長短、數據來源、研究范圍和方法不同，都會直接影響研究結果[13,31]，所得到的結論也存在一定差異[32]。已有研究表明[20,33]，不同季度積雪深度與其影響因子表現出不同的相關性，隨著海拔增加積雪深度呈增加趨勢，當氣溫較低時，降水以降雪的形式增加則有助于雪深的累積，當氣溫較高時，降水以降雨的形式增加則有助于積雪的消融，本文著重分析了年尺度上降水、氣溫和雪深的時空分布特征和相關關系，并未側重分析不同季節雪深與氣象因子的相關關系。積雪變化是多要素共同作用的結果，本文從氣候要素角度，考慮了降水和氣溫兩個主要影響因子進行綜合分析，逐個單一因素進行敏感性分析容易存在誤差，關于其他因子如地形因子、太陽輻射、下墊面（植被、凍土）在不同季度下與積雪的耦合關系是未來的研究重點。

1）1979～2018 年間梨園流域絕大多數地區降水和氣溫為顯著增長的趨勢，其中東南部升溫現象較為顯著，雪深則表現為明顯的下降趨勢，極少部分區域年均雪深呈現上升趨勢。

2）氣象因子在雪深的變化中起主導作用，流域年平均降水與積雪深度的相關系數均小于0，最高可為-0.667，屬于負相關關系；流域年平均氣溫與積雪深度的相關系數多小于0，最高可為-0.925，為負相關關系。積雪變化與降水、氣溫的關系分析表明，降水越豐富、氣溫越高，越不利于積雪的形成，且兩者與雪深的相關程度表現為：氣溫＞ 降水。