近50 a西北干旱区冬季积雪日数变化特征
马荣, 张明军*, 王圣杰, 王杰, 杨森, 陈荣
西北师范大学地理与环境科学学院,兰州 730070
*通信作者简介:张明军(1974- ),男,甘肃宁县人,教授,博士生导师,主要从事气候变化与冰川方面的研究。E-mail: mjzhang2004@163.com

第一作者简介:马荣(1990- ),女,山东莱芜人,硕士研究生,主要从事全球变化与可持续发展研究。E-mail: geo_marone@126.com

摘要

论文基于西北干旱区104个站点1961—2010年的日积雪深度、日平均气温、日降水量数据和NCEP/NCAR数据,利用 K-means聚类分析、Mann-Kendall法等方法,对西北干旱区冬季积雪日数的时空变化特征及其变化原因进行分析。结果表明:1)冬季积雪日数大值主要集中在阿尔泰山和准噶尔盆地地区,西辽河流域、鄂尔多斯高原、天山、塔里木、阿拉善高原地区冬季积雪日数相对较少,内蒙古高原地区冬季积雪日数基本呈由高纬地区向低纬地区减少的趋势。2)近50 a,西北干旱区冬季积雪日数呈增加趋势,且各区域主要在1984年发生突变现象。内蒙古高原地区内站点冬季积雪日数变化较大,其他分区内站点的冬季积雪日数基本无变化。3)西北干旱区各分区周期变化主要集中在5、10、25 a左右,其中25 a的周期变化最为明显。4)冬季东亚大槽、南支槽的减弱与西风的增强使西北干旱区降水量增加是导致西北干旱区冬季积雪日数增加的主要原因。

关键词: 气候变化; 冬季积雪日数; 西北干旱区
中图分类号:P426.63+5 文献标志码:A 文章编号:1000-3037(2018)01-0127-12
Variation Characteristics of Snow Cover Days in Winter in Arid Region of Northwest China in Last 50 Years
MA Rong, ZHANG Ming-jun*, WANG Sheng-jie, WANG Jie, YANG Sen, CHEN Rong
College of Geography and Environmental Science, Northwest Normal University, Lanzhou 730070, China
Abstract

In this paper, the daily datasets of snow depth, mean air temperature, and precipitation from 104 meteorological stations and NCEP/NCAR were used to study the snow cover days in winter in the arid region of Northwest China during 1961-2010. K-means clustering, Mann-Kendall test and other methods were used to calculate the temporal-spatial characteristics of the snow cover days and interpret the reason of the climate change. The results indicated that: 1) More snow cover days in winter mainly distributed in Junggar Basin and Altai Mountains (i.e. the region of III). The snow cover days in winter decreased gradually from high latitude to low latitude in the Inner Mongolia Plateau (i.e. the region of I). The snow cover days in winter were relatively few in the Xiliao River Basin, Ordos Plateau, Alxa Plateau, Tianshan Mountains and Tarim Basin (i.e. the region of II). 2) During the period 1961-2010, the snow cover days in winter presented an increased trend in the arid region of Northwest China, and the abrupt change was found in 1984. The big change of snow cover days in winter happened at some meteorological stations in the Inner Mongolia Plateau (i.e. the region of I), while snow cover days in winter had no obvious change at the stations in the Xiliao River Basin, Ordos Plateau, Alxa Plateau, Tianshan Mountains, Tarim Basin, Junggar Basin and Altai Mountains (i.e. the regions of II and III). 3) The variation of snow cover days in winter showed the periods of 5 years, 10 years, 25 years, approximately. The period of 25 years showed the most significance. 4) The increased precipitation in winter, caused by the weaken the East Asia major trough and Southern branch trough and the enhancement of the westerly wind, maybe the main factor of the increased trend of the snow cover days in winter in the arid region of Northwest China.

Keyword: climate change; snow cover days in winter; arid region of Northwest China

冰冻圈作为气候系统的重要圈层, 以巨大的热容量和冰储量调节着地球上的能量平衡和水分平衡[1]。积雪是由降雪覆盖形成的地球表面的雪层, 是冰冻圈的重要组成部分[2]。作为一种特殊的下垫面, 积雪的高反射率、低导热率以及相变潜热等特点会对地表能量、水文、大气环流等方面产生影响, 进而影响气候变化[3, 4, 5]。此外, 积雪作为一个气候变化指标, 能够对全球变暖迅速做出响应[6, 7, 8]。所以, 监测积雪变化和明确积雪变化趋势对研究全球气候变化具有重要意义[9]

国内外学者对积雪长期变化的研究已得出一些有意义的研究成果。Armstrong等[10]在研究中发现全球大约98%的季节性积雪分布在北半球。而随着全球变暖, 北半球积雪表现出不同的变化特征。Marty[11]研究表明瑞士阿尔卑斯山区平均积雪深度在20世纪80年代之前呈缓慢增加趋势, 之后到20世纪末表现为减少趋势; Laternser等[12]研究表明该区在20世纪80年代出现积雪日数由多到少的突变, 平均损失的积雪日数大约为20%~60%。Leathers等[13]研究表明1949— 1988年积雪在美国东北部无长期变化趋势。王春学等[14]研究表明中国春、秋季积雪日数和最大积雪深度呈递减趋势, 冬季最大积雪深度和最大积雪日数呈增加趋势。在青藏高原地区的研究表明1981— 2010年青藏高原平均年积雪日数以4.81 d/10 a的幅度减少[15], 西藏地区1979— 2010年的雪深表现出显著的增加趋势[16], 青藏高原东部的积雪日数主要受降雪变化的影响[17], 西藏高原西部积雪日数可能主要受冬季气温升高的影响[18]。在北疆地区的研究表明阿勒泰地区1961— 2011年最大积雪深度呈显著增加趋势[19], 且对北疆积雪各变量的影响程度为海拔> 坡向> 坡度> 植被> 纬度> 经度[20]。在东北地区的研究表明, 该区积雪存在增加的趋势[21, 22]。由此发现, 国内外学者对中国积雪的研究主要集中在青藏高原、北疆与东北地区, 而对整个西北干旱区积雪的研究相对较少。干旱区内高山冰雪融水是干旱区域重要的水资源补给方式之一, 同时干旱区域冬季积雪时间长、积雪范围大, 可能会造成农牧业方面的灾害[23, 24], 而整个西北干旱区积雪的变化特征和影响因素尚未清晰。所以, 研究整个西北干旱区积雪参数(如积雪日数、积雪面积、积雪深度等)的变化对当地气候变化和农业生产具有重要的现实意义。

因此, 本文基于西北干旱区1961— 2010年的积雪数据, 较为全面地分析了西北干旱区冬季积雪日数的时空变化, 并结合降水、气温和NCEP/NCAR数据揭示气候变化对积雪日数的影响, 从而解释西北干旱区冬季积雪日数的变化规律。

1 研究区概况

西北干旱区(图1)位于大兴安岭以西, 祁连山、阿尔金山、昆仑山一线以北, 总面积约占全国陆地面积的1/3, 地处中纬度, 远离海洋, 身居大陆腹地, 以干旱、半干旱气候为主, 沙漠、戈壁分布广泛, 其特殊的地理位置和地貌组成决定了该区域气候变化的复杂性, 是全球变化最敏感的区域之一[25, 26]

为了解西北干旱区详细、准确的冬季积雪日数变化, 本文对西北干旱区站点年冬季积雪日数进行K-means聚类分析, 并结合中国自然地理区划[25, 26], 将西北干旱区划分为3个区(图2):内蒙古草原干草原、荒漠草原区为I区; 西辽河流域干草原区、鄂尔多斯高原干草原、荒漠草原区、阿拉善高原温带荒漠区、天山山地草原和针叶林区、塔里木盆地暖温带荒漠区为II区; 准噶尔盆地温带荒漠区、阿尔泰山山地草原及针叶林区为III区。

图1 研究区域气象站点分布Fig. 1 Distribution of meteorological stations in the study area

图2 K-means聚类分析方法对西北干旱区冬季积雪日数分区Fig. 2 Zones of snow cover days in winter in arid region of Northwest China clustered by K-means

2 数据与方法
2.1 数据来源

地面气象站积雪、气温和降水量数据均来自于国家气象信息中心。NCEP/NCAR再分析资料为全球逐月高度场、风场、比湿资料。积雪日数以积雪深度为标准进行定义, 当日积雪深度> 1 cm时记为1个积雪日数[27]。对于冬季积雪资料的缺测现象, 剔除缺测资料连续超过1 a的站点, 而对于部分站点资料缺测少于1 a的现象, 选出了与缺测站积雪深度序列通过0.05置信度检验且相关系数最大的站建立回归方程, 进而对缺测站资料进行插补, 最后选取了西北干旱区内104个站点上1961— 2010年的观测资料进行研究。

2.2 研究方法

1)聚类分析法

聚类分析作为一种多元统计分析方法, 可以把一个无类别标记样本按某种相似性划分成若干类, 尽可能地将相似样本归为一类, 将不相似样本划分至不同类中。本文通过K-means聚类分析法对西北干旱区进行区域划分。K-means算法的步骤为:首先, 从N个元组或数据集中选择个对象作为初始的个簇的质心; 其次, 对剩余的每个对象, 根据其与各个质心的距离, 将它赋予最近的簇; 然后, 重新计算每个簇的质心, 这个过程不断重复至标准测度函数收敛[28, 29, 30]

2)线性趋势法

利用线性方法来分析积雪日数的趋势变化:

y=a+bt(1)

式中:a为常数; b为回归系数, b× 10称为积雪日数倾向率(d/10 a), 的大小显示增加或减少趋势的程度, b值的正负显示随时间增加或减少的趋势。

3)Mann-Kendall检验法

Mann-Kendall在目前突变检验方法中理论基础强、人为性少, 其样本不遵从正态分布, 也不受少数异常值的影响[31, 32]。本文通过Mann-Kendall非参数统计检验法研究了冬季积雪日数的气候突变现象。

4)森斜率法

本文通过森斜率法[33]对西北干旱区各个站点的冬季积雪日数变化倾向率进行估算, 计算过程为:

Seni=Medianxj-xkj-k(2)

式中:、分别是第和()时刻的样本值; , 若各个时段内均对应一个数据值, 则 n=t(t-1)/2(为时间周期数值)。值由的奇偶性决定:

Sen=Sen(t+1)/2(n=2k+1)[Sent2+Sen(t+2)/2]/2(n=2k)(3)

5)多元线性回归模型

分析积雪日数与降水量、气温之间的关系时, 可采用多元线性回归模型[34, 35, 36]。为消除资料各时间序列因权重和各要素因单位不同而产生的影响, 本文对冬季积雪日数、冬季降水量和冬季平均气温进行了均值标准化处理[37], 使得各序列要素平均值为0, 方差为1, 这样在同一水平上, 不同要素和各序列数据之间具有了可比性。然后, 对标准化处理的冬季积雪日数、冬季平均气温和冬季降水量时间序列建立回归方程:

Si=aTi+bPi+c(4)

式中:、、分别是第年标准化后的冬季积雪日数、冬季平均气温、冬季降水量; 、、均是回归方程的回归系数。

6)小波分析

小波分析是在傅立叶变换的基础上, 把一个时间序列分为频率与时间的贡献, 它能够获取一个复杂时间序列的调整规律, 能够显示气候变化在时间尺度上的周期变化特征, 是一种可以显示气候周期变化特征的数学手段[21, 38, 39]

3 结果分析
3.1 冬季积雪日数的时空分布特征

3.1.1 积雪日数的空间分布

近50 a, 西北干旱区平均冬季积雪日数在1~90 d之间, 冬季积雪日数大值主要集中在III区, 该区内大部分站点冬季积雪日数高于55 d。II区内大部分站点冬季积雪日数低于40 d, 其中塔里木盆地中的铁干里克冬季基本无积雪现象, 冬季积雪日数仅1 d, 但位于天山地区的奇台站冬季积雪日数高达90 d。I区内冬季积雪日数主要呈现出由高纬地区向低纬地区减少的趋势(图3)。

图3 西北干旱区平均冬季积雪日数空间分布Fig. 3 Spatial distribution of the average snow cover days in winter in arid region of Northwest China

3.1.2 积雪日数的年际变化

西北干旱区包含盆地、山地、荒漠等, 地形地貌复杂, 积雪所呈现出的时间特征差异性比较显著。由图4可知, 近50 a, I区冬季积雪日数呈显著增加趋势, 该区通过了0.05置信度检验, 增幅为3.02 d/10 a [图4(a)], 其他分区以及整个西北干旱区冬季积雪日数呈增加趋势, 但增加趋势不明显, 均未通过0.05置信度检验 [图4(c)、(e)、(g)]。

在此基础上, 通过Mann-Kendall检验法对西北干旱区及其各分区冬季积雪日数的变化进行详细分析, 可以发现, 全区冬季积雪日数在20世纪70年代中期之前呈波状减少趋势, 之后呈持续增加趋势, 且在1993、2003年左右增加趋势显著, 突破0.05置信区间, 全区冬季积雪日数在1984年左右发生了由少到多的突变 [图4(h)]。从各个分区来看, I区冬季积雪日数在20世纪80年代中期之前呈波状减少趋势, 之后呈持续增加趋势, 且在1993年左右增加趋势显著, 突破0.05置信区间, I区冬季积雪日数在1984年左右发生了由少到多的突变 [图4(b)]。II区冬季积雪日数在20世纪80年代之前呈波状增加趋势, 之后到21世纪初表现为波状减少趋势, 之后一直持续增加, 但并未突破0.05置信区间, II区冬季积雪日数在2000年发生了由少到多的突变 [图4(d)]。III区冬季积雪日数在20世纪80年代中期呈波状减少趋势, 且在1970、1975、1980年左右减少趋势明显, 突破0.05置信区间, 20世纪80年代中期之后呈持续增加趋势, 且在2003年左右突破0.05置信区间, 增加趋势明显, III区冬季积雪日数在1984年左右发生由少到多的突变 [图4(f)]。

图4 西北干旱区冬季积雪日数的年际变化和Mann-Kendall突变检验Fig. 4 The inter-annual changes of snow cover day in winter and Mann-Kendall test for abrupt climate change

3.1.3 积雪日数的空间变化

近50 a, 西北干旱区的冬季积雪日数倾向率在-2.0 d/10 a~7.9 d/10 a之间, 104个气象站点中有13个站冬季积雪日数呈减少趋势, 41个站呈增加趋势, 其余50个站倾向率为0, 冬季积雪日数在近50 a均无明显变化, 全区只有14个站积雪日数通过0.05的置信度检验。其中:I区内站点冬季积雪日数倾向率在-0.3 d/10 a~7.9 d/10 a之间, 冬季积雪日数主要呈增加趋势; II区、III区内站点冬季积雪日数倾向率均在-2.0 d/10 a~4.0 d/10 a之间, 大部分站点积雪日数倾向率为0, 积雪日数变化较小(图5)。

图5 西北干旱区冬季积雪日数倾向率年际变化空间分布Fig. 5 Spatial distribution of trend magnitude of snow cover days in winter in arid region of Northwest China

3.1.4 积雪日数的周期变化

小波分析可以呈现出时间变化规律, 诊断气候变化内在层次结构, 分辨不同尺度上时间序列演变特征。本文通过西北干旱区各分区冬季积雪日数小波方差和小波分析系数实部图(图6)进行周期变化分析。I区冬季积雪日数存在5、10、25 a的周期变化 [图6(b)], 3个周期变化在近50 a始终明显存在 [图6(a)]。II区冬季积雪日数存在13、25 a的周期变化 [图6(d)], 其中13 a周期变化是在20世纪70年代到21世纪初之间表现明显, 经历4次“ + -” 相位循环, 其余时间均处于削弱状态, 25 a的周期变化在近50 a一直明显存在, 经历3次“ - +” 相位循环 [图6(c)]。III区冬季积雪日数存在5、10、19和25 a的周期变化 [图6(f)], 其中5 a左右的周期近50 a变化并不明显, 10 a的周期变化在20世纪70年代之前变化明显, 之后开始向短周期靠近, 19 a的周期变化在20世纪80年代之前一直明显存在, 之后向更长周期靠近, 25 a的周期变化在近50 a始终明显存在, 经历3次“ + -” 相位循环 [图6(e)]。

图6 西北干旱区各分区冬季积雪日数Morlet小波系数实部和周期变化的方差Fig. 6 Morlet wavelet coefficient and variance of cycle change of snow cover days in winter in each arid region of Northwest China

3.2 成因分析

3.2.1 西北干旱区冬季积雪日数偏多期、偏少期的大气环流分析

图7是通过NCEP/NCAR再分析资料做出的冬季积雪日数偏少期(1961— 1984年)与冬季积雪日数偏多期(1985— 2009年)两个时段的由地面到300 hPa的可降水量、水汽通量, 500 hPa合成高度场、距平场, 以及850 hPa风场距平图。由图7(a)、(b)可知, 在冬季积雪日数偏少期与偏多期, 地中海、黑海和里海均为可降水量的较大值区域, 是冬季西北干旱区的水汽源地, 水汽由地中海上空经黑海、里海, 再到西伯利亚, 从而为西北干旱区带来水汽。

对于冬季积雪日数偏少期 [图7(c)、(e)], 中高纬度60° E高压脊附近的位势高度较常年上升, 140° E低压槽附近的位势高度较常年下降, 说明高压脊和东亚大槽均有增强的情况, 南支槽也存在加强的情况, 东亚冬季风存在的加强情况利于冷空气向南方移动, 且西北干旱区多为东北风正距平与偏东风正距平, 不利于将地中海、里海、黑海水汽输送到西北干旱区, 从而减少了西北干旱区雨雪天气的产生。

对于冬季积雪日数偏多期 [图7(d)、(f)], 中高纬度60° E高压脊附近的位势高度较常年下降, 140° E低压槽附近的位势高度较常年上升, 说明高压脊和东亚大槽均有减弱的情况, 东亚冬季风存在的减弱情况不利于冷空气向南方移动, 虽然南支槽的减弱也不利于冷空气向南方移动, 但利于南方暖湿气流向北移动, 且西北干旱区多为西南风正距平, 利于将地中海、里海、黑海水汽输送到西北干旱区, 这均利于在西北干旱区形成雨雪天气。

图7 西北干旱区冬季积雪日数偏少时段(a、c、e)、偏多时段(b、d、f)平均冬季由地面到300 hPa的可降水量、水汽通量, 500 hPa合成高度场、距平场和850 hPa风场距平Fig. 7 The precipitable water and vapor flux from surface to 300 hPa, the composite geopotential height and its anomaly field at 500 hPa and the anomaly field of 850 hPa wind in winterd with less snow cover days period (a, c, e) and rich snow cover days (b, d, f)

3.2.2 气温和降水对积雪日数的影响

冬季气温变化会对积雪的消融造成影响, 冬季降水量的多少也会直接影响积雪的深浅, 气温和降水量这两个气候变量在气候变化对积雪影响的分析中是不可或缺的, 因此, 本文分析冬季气温和降水量对冬季积雪日数的影响。

近50 a, 西北干旱区各分区冬季降水均呈显著增加趋势, 增幅范围在0.51 mm/10 a~3.77 mm/10 a之间, III区增幅最大, 增幅为3.77 mm/10 a, II区增幅最小, 仅0.51 mm/10 a。通过数学统计方法[40]计算出了104个站点的雨、雪临界温度, 并得出每个分区与整个西北干旱区的雨、雪临界温度, 如图8所示, 整个西北干旱区及其各分区均以增幅0.48 ℃/10 a~0.54 ℃/10 a左右的趋势显著增加, 但均远未超过雨与雪的临界温度。

图8 西北干旱区冬季平均气温的年际变化Fig. 8 The inter-annual changes of average temperature in winter in arid region of Northwest China

表1可知, 西北干旱区及其各分区冬季积雪日数与冬季降水量和平均气温表现为以下特征, 冬季积雪日数与冬季降水量呈正相关, 在II区, 相关系数高达0.689, 且所有区域均通过0.05置信度检验; 冬季积雪日数与冬季平均气温表现出较低的负相关, 除II区, 其他区域均未通过0.05置信度检验。

表1 西北干旱区冬季气温、降水与积雪日数的相关性分析 Table 1 Correlation analysis of snow cover days with temperature and precipitation in winter in arid region of Northwest China

利用回归分析, 进一步分析冬季气温、降水对冬季积雪日数的影响。结果如表2所示, 各区域冬季积雪日数与冬季气温、降水量复相关系数都在0.38以上, II区复相关系数高达0.791, 且全部通过0.05的置信度检验。从表2分析, 西北干旱区及其各分区均为冬季降水量对积雪日数的影响大于冬季平均气温对积雪日数的影响。

由此可知, 虽然近50 a西北干旱区及其各分区冬季平均气温升高, 但均未超过雨、雪的临界温度, 不会较大影响到降雪情况的产生, 而冬季东亚大槽、南支槽的减弱与西风的增强使西北干旱区雨雪天气增多, 并且西北干旱区冬季降水量对冬季积雪日数的影响大于冬季平均气温对积雪日数的影响。所以, 冬季东亚大槽、南支槽的减弱与西风的增强使西北干旱区冬季降水量增加, 这可能是导致西北干旱区冬季积雪日数增加的主要原因。

表2 西北干旱区冬季积雪日数与冬季降水、气温的回归分析结果 Table 2 Regression analysis of annual snow cover days, precipitation and temperature in winter in arid region of Northwest China
4 结论

本文基于1961— 2010年地面气象站积雪、气温、降水量和NCEP/NCAR数据, 对近50 a西北干旱区冬季积雪日数的时空变化、突变、周期和影响因子进行了分析, 主要结论如下:

1)通过对各个站点冬季积雪日数进行聚类分析, 将西北干旱区划分为3个区, 发现西北干旱区冬季积雪日数大值主要集中在III区, II区内冬季积雪日数相对较少, I区内冬季积雪日数基本呈由高纬地区向低纬地区逐渐减少的趋势。

2)西北干旱区及其3个分区冬季积雪日数均表现出了由少到多的变化趋势, 且除II区在2000年发生由少到多的突变, 西北干旱区及其余分区均在1984年左右发生冬季积雪日数由少到多的突变。近50 a, I区内站点的冬季积雪日数大部分呈增加趋势, II区、III区内各站点的冬季积雪日数基本无变化。

3)西北干旱区各分区周期变化出现频率较高, 周期变化主要集中在5、10、25 a左右, 其中25 a左右的周期变化是西北干旱区近50 a最为明显的周期。

4)东亚大槽、南支槽的减弱与西风的增强使西北干旱区降水量增多, 这可能是西北干旱区冬季积雪日数增加的主要原因。

The authors have declared that no competing interests exist.

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