中天山北坡冬季降雪变化及其影响因子分析_苗运玲.pdf

第40卷第1期2023年1月Vol.40No.1Jan.2023干 旱 区 研 究ARIDZONERESEARCHhttp:/DOI：10.13866/j.azr.2023.01.02中天山北坡冬季降雪变化及其影响因子分析苗运玲1，于永波1，霍达1，潘存良2，李如琦3（1.乌鲁木齐市气象局，新疆 乌鲁木齐830002；2.哈密市气象局，新疆 哈密839000；3.新疆气象台，新疆 乌鲁木齐830002）摘要：利用中天山北坡17个国家级气象站19782020年冬季逐日降水、气温要素等观测资料，采用多种统计方法，分析冬季降雪时空变化特征及其与气象因子的关系，结果表明：降雪日数和降雪量区域分布相似，均呈“城区多，山区少”分布特征；小雪日减少是导致总雪日减小的直接原因，中雪和暴雪显著增多是造成总降雪量增多的主要原因；持续1 d降水过程是冬季主要降雪过程，随着持续时间的增长，降水过程显著减少，5 d降水过程仅占2.8%；近43 a中天山北坡气候呈现较明显的暖湿化趋势，1987年、1994年分别发生降雪量由少变多和平均气温由低变高的突变；降雪量与年降水量、冬季平均最低气温、降雪日数呈显著正相关，年降水量越大、冬季最低气温越低、出现降雪日数越多，冬季降雪量就越大，反之越小。关键词：不同量级降雪；时空分布；持续性；中天山北坡降雪是冬季空气中的水汽经凝结而成的固态降水，是地球表面最为活跃的自然过程之一，是干旱区水文系统中不可缺少的组成因素。降雪是在高海拔地区形成的稳定积雪构成高山冰川的物质基础1，冰雪融水是干旱-半干旱地区农业灌溉、生活用水的主要来源，有利于缓解水资源短缺，改善生态环境，但长时间、大范围的降雪又经常给农牧业和交通运输带来重大灾害。可见，降雪与人们的生产、生活等息息相关2-4。因此，加强冬季降雪气候研究十分有必要。新疆北部是我国的三大主要降雪地区之一5，降雪主要出现在阿尔泰山南坡和天山北坡。中天山北坡是新疆的主要经济带，也是新疆暴雪出现频率最高的区域，降雪的多或少对当地工农业生产、经济发展都会产生重要的影响，分析当地降雪时空分布和变化特征，对提升降雪预报能力、防灾减灾、科学利用水资源等都具有十分重要的意义。近年来研究表明，不同区域各级降雪日数占总雪日的比例都不相同，降雪日数与地理位置关系密切1，东北地区降雪北多南少、东多西少，降雪日数明显减少5-6；青藏高原降雪呈“少多少”的趋势7，降雪日数呈明显减少趋势8,但高原北部降雪日数没有明显的趋势性变化9；河西走廊东部的降雪日西南多东北少，宁夏降雪日北少南多，山东东南部西多东少，但都随时间呈减少趋势4,10-11。对新疆而言，降雪日数由南向北逐渐增加，北疆降雪日数明显大于南疆地区12，北疆和天山山区降雪日数呈增加趋势，尤其是中量以上的降雪增加明显13-14，北疆降雪存在显著的区域差异，北疆西部最多15，塔城地区大-暴雪事件在空间分布上具有明显的分散性和局地性特征，盆地发生最多，北部山地最少3。以上研究主要集中于北疆和天山山区降雪的分析，但对中天山北坡不同量级降雪研究比较少见。乌鲁木齐、昌吉作为中天山北坡经济带的核心城市，是新疆政治、经济、文化和交通的中心，由于地处亚欧大陆腹地，远离海洋，气候差异明显，气候要素分布很不均匀，降水少，蒸发大，气候干燥，水资源短缺是制约当地经济发展的突出问题，也是制收稿日期：2022-04-07；修订日期：2022-06-10基金项目：国家重点研发计划项目（2019YFC151050102）；第二次青藏高原综合科学考察研究项目（2019QZKK010206）和中国沙漠气象科学研究基金（Sqj201902）共同资助作者简介：苗运玲（1976-），女，高级工程师，主要从事灾害性天气研究.E-mail:通讯作者：李如琦.E-mail:918页40卷干旱区研究约农牧业发展的最大瓶颈。因此，本文利用19782020年中天山北坡冬季逐日降水资料，对不同量级降雪时空分布、变化趋势，以及对降雪贡献等进行深入研究分析，以期为提高中天山北坡降雪预报预测水平、水资源评价、有效实施人工增雪等提供技术支撑，同时也为促进中天山北坡社会、经济持续发展、水资源利用等具有十分重要的意义。1资料与方法1.1 资料来源及降水分级处理因考虑到资料的完整性、连续性、时序、台站迁移、地域等情况，选取了中天山北坡经济带核心城市乌鲁木齐和昌吉19782020年冬季（12月至翌年2月）17个国家级台站逐日降水、气温、天气现象等观测资料，所用资料均通过严格质量控制，数据完整性和准确性较高；为了资料一致性，剔除冬季出现的液态及雨夹雪降水过程。本文冬季选取1977年12月至1978年1月和2月为1978年冬季，以此类推，时间序列为19782020年，共43 a。根据 地面气象自动观测规范（第一版）16规定，天气现象记录以北京时20：00时为日界，当某次降水跨日（或月）时按两次降水计算。由于新疆气候特殊性和预报服务需要，按照新疆降水标准进行量级划分17，共分为6个量级，即：微雪（R0.1 mm）、小 雪（0.1 mm R3.0 mm）、中 雪（3.0 mmR6.0mm）、大雪（6.0 mmR12.0 mm）、暴雪（12.0 mmR24.0 mm）、大暴雪（24.1 mm），本文只统计有效降水，即R0.1 mm的降水，R为日降水量，降雪日数为冬季出现降雪天气现象的日数，降雪强度是指降雪量与降雪日数的比。根据人口数量、海拔高度、地理环境等，将中天山北坡划分为城区（代表站：乌鲁木齐、昌吉、米东）、山区（代表站：小渠子、牧试站、天池、北塔山、大西沟）和郊区（位于城市周边的9个台站）18，具体站点分布详见图1。1.2 研究方法采用线性趋势、多项式拟合、距平等常规分析方法进行趋势倾向分析；利用反距离加权平均插值方法（IDW），进行空间分析；运用曼-肯德尔（Mann-Kendall，简称M-K）方法19进行突变分析，为了检验转折点是否有突变，利用信噪比对其进行检验，公式如下：S/N=|-Xa-XbSa+Sb式中：-Xa、-Xb、Sa、Sb分别为转折年份前后两段观测要素的平均值和标准差，当S/N1时，则认为该年是突变年，反之不是。2结果与分析2.1 降雪基本特征经统计可知，19782020年中天山北坡冬季降雪具有以下特征：（1）平均降雪量为23.5 mm，平均降雪日18.9 d，平均降雪强度为1.24 mmd-1；（2）随着降雪量级不断增大，降雪日数减小速度比降雪量大；（3）小雪日/量对降雪贡献最大，暴雪日/量贡献最小；（4）冬季降雪年际波动大。最大降雪量是最少降雪量的4.8倍；出现最多降雪过程是最少降雪过程的3倍；（5）降雪日数和降雪量最大值都出现在城区，最小值出现在山区；（6）在研究时段内，达坂城没有出现大雪和暴雪，莫索湾、北塔山和大西沟没有出现暴雪；（7）研究区在近43 a中有3 a没有出现大雪，27 a没有出现暴雪，即平均近3 a出现一次暴雪天气过程。2.2 降雪空间分布2.2.1降雪日由图2a可知，近43 a中天山北坡冬季总雪日是以城区为大值中心逐渐向四周减小，最大值出现在城区的乌鲁木齐，为26 d，最少出现在郊区的达坂城，仅出现7 d，其他台站在1324 d。不同区域降雪日数存在明显差异，从高到低排序为：城区郊区山区，城区是冬季降雪出现最多区域，图1 中天山北坡国家级气象站点分布Fig.1 Distribution of national meteorological stations on thenorth slope of the middle Tianshan Mountains101期苗运玲等：中天山北坡冬季降雪变化及其影响因子分析在24 d以上，而汛期降水充沛的山区，冬季降雪出现却最少，仅为16 d左右，这与中天山北坡汛期降水空间分布存在明显差异20，但与赵勇等15的研究结论较为一致。从不同量级降雪日数空间分布可知，小雪日（图2b）、大雪日（图2d）与总雪日空间分布较相似，都是以城区为大值中心向四周逐渐减小，其中小雪日除郊区达坂城以外，其他站点都在13 d以上；从图2d可知，只有乌鲁木齐出现了1 d以上的大雪过程，其他站点均不足1 d。从各站小雪日所占比重可知（表略），城区乌鲁木齐出现小雪最多，为21 d，与其他站点相比所占比重却最小，为83.9%，而郊区达坂城出现小雪最少，仅出现7 d，但所占比重最大，高达97.3%。中雪日（图2c）与暴雪日（图2e）空间分布比较一致，存在 3个大值中心，分别以城区乌鲁木齐、郊区玛纳斯和木垒为中心逐渐向四周减小，其中最大值仍出现在乌鲁木齐。中雪日中除郊区达坂城和山区大西沟不足1 d外，其他站都在13 d；暴雪日基本都在0.4 d以内，其中有4个站点在研究期内未出现暴雪。从各区域降雪日数分布来看（表略），最大值都出现在城区，但最小值出现区域却有所不同，其中小雪日、中雪日和暴雪日出现在山区，大雪日则出现在郊区。2.2.2 降雪量中天山北坡冬季总降雪量（图3a）空间分布与总雪日相似，都是由城区为大值中心向四周逐渐减小，即降雪日数多的地方，降雪量也较大。最大值仍出现在乌鲁木齐，高达40.9 mm，最小值出现在郊区达坂城，仅为3.8 mm，最大值是最小值的10.8倍，说明区域分布差异大，其他站在1530 mm。不同区域降雪量分布与降雪日数相同，即城区最大（34.4 mm），山区最少（21.0 mm）。从不同量级降雪量空间分布可知（图3b图3e），总体分布与总降雪量大致相似，都是以城区为大值中心逐渐向四周减小，且最大值和最小值出现的站点一致。同样对各站小雪量占总降雪量比重进行分析可知（表略），降雪量最大的乌鲁木齐所占比重最小，仅占37.7%，高图2 19782018年中天山北坡冬季不同量级降雪日空间分布Fig.2 Spatial distribution of snow days of different magnitudes on the north slope of the middle TianshanMountains in winter from 1978 to 20181140卷干旱区研究山带的大西沟所占比重最大，高达87.0%，其次是达坂城，为 81.6%，其他站相差不大，在 40%68%之间。综上所述，降雪日数和降雪量空间分布特点与汛期降水有明显区别，汛期最大降水出现在山区，冬季最大出现在城区，最小出现在山区，且最大值均出现在城区的乌鲁木齐，这与乌鲁木齐所处的地理环境、海拔高度、大气环流、逆温层等有一定关系。乌鲁木齐三面环山，地势东南高，西北低，高低空急流与南部山区地形的强迫抬升，致使天山北坡的逆温层遭到破坏，加剧了冷暖空气交汇，利于降雪天气形成。2.3 降雪年内变化2.3.1 月变化从各月降雪日数和降水量的分布可知（图略），降雪日数和降雪量最大出现在12月，分别占冬季总雪日和总降雪量的36.2%和41.5%，1月和2月略有不同，1月、2月降雪日数分别占34.1%、29.8%，降雪量分别占27.5%、30.9%。从不同量级降雪日数在各月所占比例可知（表略），1月小雪出现最多，占31.7%，中雪和大雪主要出现在12月，分别占3.8%、1.3%，暴雪主要出现在12月和2月，所占比例均为0.2%。不同量级降雪量在各月的分布与降雪日数完全不同，最大值均出现在12月,不同量级降雪量在12月所占总降雪量的比例分别为18.5%、12.4%、8.1%、2.4%。2.3.2 年际变化从图4可知，近43 a中天山北坡平均降雪日数为18.9 d，并以0.52 d （10a）-1速率下降（未通过信度检验），近43 a研究区降雪日数减少了2.2 d，这与天山山区的变化趋势较一致21，但与北疆变化趋势相反13；最多出现在2010年，高达30.6d，最少出现在 2017 年，仅出现 10.4 d，极差为 20.2d，说明年际波动明显。近 43 a平均降雪量为 23.5mm，并以2.52 mm （10a）-1速率上升（通过0.01信度检验），上升速率明显高于辽宁省22，近43 a研究区