1. 引言
积雪是气候系统中冰冻圈的一部分,地球陆地上有四分之三的淡水资源以冰雪形式存在,在冬季北半球积雪覆盖面积约占地表总面积的34% [1]。积雪覆盖和积雪融化分别会对地气间的热量分配和水分平衡等产生显著影响,进而影响局地气象条件,产生重要的气候效应 [2]。对于我国积雪的长期变化及其影响因子以及对气候的响应已有不少学者进行了研究,总体来看北半球积雪有减少的趋势,而中国积雪却有弱的增加趋势。冬、春季高原积雪与欧亚积雪对中国夏季降水的影响是相反的 [3]。王春学等 [4] 研究表明近50a来,春、秋季中国积雪日数和最大积雪深度呈现整体缓慢减少的趋势,冬季呈现增加趋势。但由于区域不同、资料、时间等不同,我国不同区域的积雪变化规律也不同。青藏高原作为同纬度海拔最高的地区,在全球变暖的背景下其积雪所受影响最为直接与显著,姜琪等 [5] 利用气象站点发现1961~2014年青藏高原积雪深度和积雪日数均呈缓慢下降趋势,气温与积雪深度和积雪日数均有较好的相关性,冬季的降水与积雪深度和积雪日数高度相关。东北地区也是我国三大主要积雪区之一 [6],也是我国典型的季节性积雪区之一,研究表明东北地区年均雪深总体呈减少趋势 [7],而积雪日数呈增加趋势 [8]。吉林省 [9] 积雪增量和积雪日数60~80年代末期以增加趋势为主;90年代有所减少;2000年以年积雪迅速增多。李玉婷等 [10] 研究发现2003~2012年四川积雪覆盖面积呈现出微弱的下降趋势,积雪覆盖率与气温和降水的关系最为密切,气温的影响大于降水的影响。秦岭山区冬季积雪日数也是呈现显著减少趋势,在20世纪末到21世纪初发生了由积雪日数偏多到偏少的突变 [11]。
站点和卫星遥感资料都表明,中国的积雪主要分布在新疆、东北和青藏高原 [3] [12] [13] [14]。因此对于新疆及新疆不同区域的积雪 [15] - [21] 学者也做了相当多的研究,并取得了一些优秀成果。随着全球变暖,新疆积雪并未出现持续减少的现象,积雪长期变化表现为显著的年际波动过程叠加在长期缓慢的增加趋势之上。积雪年际波动是冬季降水量和气温两者年际波动共同作用的结果 [22]。研究表明新疆冬春季积雪主要分布在天山山区及天山以北 [23] [24],积雪厚度和最大积雪深度呈轻微增加趋势 [25],但北疆、天山山区冬季最大积雪深度呈显著增加趋势 [23]。年内变化显示新疆积雪面积总体呈减少趋势,其中春季和冬季为减少趋势,夏季的积雪由于基本上都是高海拔的永久性积雪,变化趋势不明显,而秋季为上升趋势 [26]。赵琴 [27] 利用遥感和气象站实测雪深资料发现1980~2019年新疆北部积雪覆盖面积比例、积雪日数和积雪期逐年降低,积雪初日基本没变,但积雪终日显著提前。通过EOF分析发现北疆最大积雪深度空间分布具有一致性 [28],并呈显著增趋势,积雪日数和稳定积雪日数也呈加趋势,增加主要发生在1960~1980年代,1990年代有所减少 [29]。研究表明在反映积雪类型与分布特征时,积雪日数更有代表性 [30]。可以看出由于资料、时间序列、方法的不同,积雪日数的变化趋势并不一致 [27] [29]。目前对于积雪日数的研究多趋于遥感资料,但卫星遥感资料序列较短,同时由于云的遮挡,不能很好地刻画积雪的分布特征,而气象台站积雪观测资料数据序列较长,能够较为客观准确地记录积雪特征,仍然是分析积雪长期变化的主要资料 [30] [31]。王慧等 [23] 研究表明,1961~2017年新疆区域、北疆地区以及天山山区积雪日数总体呈减少趋势,其中≤10 cm积雪日数减少,>20 cm积雪日数显著增加。而随着新疆由冷干转为暖湿的气候条件下,新疆积雪日数呈略微降低趋势 [24],而位于天山以北的北疆以及不同区域的积雪日数是如何变化的?是否也是减少趋势,而不同雪深的积雪日数又是如何变化的?目前还没有太多的研究。基于以上问题,本文选取北疆具有完整观测数据的38个气象站1961~2022年积雪观测资料,系统分析北疆积雪日数的时空变化特点,旨在揭示新疆由暖干转为暖湿的气候条件下,北疆积雪在时间和空间上如何发生变化,旨在为研究新疆积雪的时空分布及年代际变化特征提供基础。
2. 研究区概况
研究区位于新疆北部(天山山脉以北,传统上称为北疆),总面积约为59.5 × 104 km2,海拔185~5694 m。北疆地形主要由山脉、丘陵和盆地组成,南北两侧为天山山脉和阿尔泰山山脉,中部为准噶尔盆地,地势呈南北高中部低,西低东高。地处欧亚大陆腹地,属于典型的大陆性干旱气候区,夏季炎热,冬季寒冷,全年降水量200 mm左右。绿洲农业、畜牧业是新疆北部的重要经济支柱,积雪融水作为主要水源,对该地区生态环境有重大影响。本文选用了北疆区域1961~2021年61年间有完整观测纪录的所有台站,共计有38个站,其中伊犁10个站(伊宁站、霍城站、霍尔果斯站、察布查尔站、伊宁县站、巩留站、尼勒克站、新源站、特克斯站、昭苏站)、阿勒泰6个站(阿勒泰站、布尔津站、富蕴站、哈巴河站、吉木乃站、青河站)、博州4个站(阿拉山口站、博乐站、精河站、温泉站)、昌吉8个站(蔡家湖站、昌吉站、呼图壁站、吉木萨尔站、木垒站、奇台站、北塔山站、天池站)、塔城7个站(额敏站、和布克赛尔站、沙湾站、塔城站、托里站、乌苏站、裕民站)、乌鲁木齐3个站(达坂城站、乌鲁木齐站、小渠子站) (图1)。
3. 数据来源、处理
3.1. 积雪日数据
研究所用的积雪数据为研究时段冬季(当年12月至次年2月)的降雪日数、积雪日数、平均气温。积雪观测数据由中国气象局国国家气象中心和新疆气象局信息中心提供,为天气现象定义的积雪日,即当观测场上视野范围内一半以上被积雪覆盖,就记为积雪日 [32] [33]。
3.2. 方法
积雪日数变化趋势分析采用了下面的一元线性趋势方程:
式中:y为积雪日数;t为年;a1为线性趋势率,其值正负表示积雪日数增加或减少。
积雪日数的突变检测采用了Mann-Kendall方法。MK检验法是一种非参数统计方法,能够有效区分某一自然过程是处于自然波动还是存在确定的变化趋势,主要用于趋势检验 [34]。用原气象序列构造统计量UF,用原气象序列的反序列构造统计量UB,取α = 0.05 (u0.05 = ±1.96)的信度水平。
4. 分析与结果
4.1. 积雪日数空间分布特征
从表1可以看出,1961~2021年北疆冬季年平均积雪日数为82.89 d,其中<20 cm积雪日数占70.3%,≥20 cm积雪日数占29.7%。可以看出北疆冬季积雪日数主要为积雪深度<20 cm的积雪,积雪日数占到了58.29 d。积雪日数的空间分布海拔高度呈正相关,相关系数为0.64 (α = 0.001),这与王宏伟等 [35] 的研究是一致的,地形因素中海拔高度对积雪各变量的影响程度是最大的。北疆积雪日数有二个高值中心点:一个位于新疆北部的阿勒泰地区,年平均积雪日数达88.59 d;一个位于天山北麓、准噶尔盆地东南缘的昌吉地区,年平均积雪日数达88.53 d。李如琦研究表明 [36] 阿勒泰东北部、塔额盆地和伊犁河谷–天山山区一线是暴雪频次较高的区域,其中伊犁河谷和天山山区是北疆暴雪的主要发生区,但伊犁河谷年平均积雪日数只有79.87 d,远远低于北疆的年平均积雪日数,可能与伊犁河谷年平均气温相对较高有关,气温较高不利于积雪维持。

Table 1. Winter days with snow cover and days with different snow depths in Northern Xinjiang during 1961~2021 (Unit: d)
表1. 北疆区域1961~2021年冬季积雪日数及不同雪深积雪日数(单位:d)
各区域积雪日数分布,伊犁河谷平均积雪日数为79.87 d,<10 cm积雪日数占31.83%,10~20 cm积雪日数占35.86%,20~30 cm积雪日数占20.97%,≥30 cm积雪日数占11.37%;阿勒泰地区平均积雪日数为88.59 d,<10 cm积雪日数占30.67%,10~20 cm积雪日数占30.27%,20~30 cm积雪日数占20.08%,≥30 cm积雪日数占18.97%;博州平均积雪日数为79.35 d,<10 cm积雪日数占68.22%,10~20 cm积雪日数占28.80%,20~30 cm积雪日数占2.87%,≥30 cm积雪日数占0.11%;昌吉地区平均积雪日数为88.53 d,<10 cm积雪日数占27.12%,10~20 cm积雪日数占45.45%,20~30 cm积雪日数占21.48%,≥30 cm积雪日数占5.95%;塔城地区平均积雪日数为84.96 d,<10 cm积雪日数占35.67%,10~20 cm积雪日数占33.64%,20~30 cm积雪日数占17.77%,≥30 cm积雪日数占12.93%;乌鲁木齐地区平均积雪日数为66.44 d,<10 cm积雪日数占29.32%,10~20 cm积雪日数占29.19%,20~30 cm积雪日数占25.04%,≥30 cm积雪日数占16.44%。从积雪深度≥30 cm积雪日数分布来看,阿勒泰地区最多,占到16.81 d,伊犁河谷、塔城、乌鲁木齐占到9.08~10.98 d,是由于这些区域是暴雪频次较高的区域 [35] [36]。从图2可以看出,

Figure 2. Spatial distribution of winter days with snow cover in northern Xinjiang during 1961~2021
图2. 1961~2021年北疆冬季积雪日数空间分布
冬季积雪日数最多的是乌鲁木齐的小渠子站,年平均积雪日数达90.15 d,其次是昌吉的天池站,为90.05 d,最少的站点位于乌鲁木齐的达坂城站,只有20.8 d。平均年积雪日数大部在85~90 d,占台站总数的57.9%。积雪日数在80 d以下的共有10个站,占台站总数的26.3%,主要分布在伊犁河谷西部平原地区(77.05 d)、博州的阿拉山口(72.56 d)、塔城的和布克赛尔站(68.41 d)以及乌鲁木齐的达坂城站(20.8 d)。乌鲁木齐的达坂城站近61a没有20 cm以上积雪日数,博州的阿拉山口站、塔城的和布克赛尔站没有30 cm以上积雪日数。
4.2. 各站点积雪日数的变化趋势
1961~2021年,北疆地区冬季除8个站年积雪日数呈减少趋势外(图3(a)),其余30个站均呈增加趋势。积雪日数呈减少的气象站主要位于阿勒泰地区、昌吉地区和塔城地区,但减少幅度都在1 d·(10a)−1,都没有通过了α = 0.05显著性水平检验,说明减少趋势是不明显的。
61年内冬季年积雪日数呈增加趋势的站点共有30个,占站点总数的78.95%,增幅范围在0.01~3.10 d·(10a)−1,平均0.75 d·(10a)−1,只有5个站通过α = 0.05显著性检验,2个站通过了α = 0.01显著性检验。30个气象站中,年积雪日数增加明显(每年平均增幅在1 d以上)的总共有6个站,有3个站通过了α = 0.05的显著性检验,主要分布在博州、塔城地区和伊犁河谷。
从各站点不同雪深积雪日数变化来看,<10 cm积雪日数只有8个站点呈增加趋势(图3(b)),只有巩留站增加明显,增幅为3.24 d·(10a)−1。减少的30个站中,其减少趋势幅度在0.14~12.45 d·(10a)−1,平均2.79 d·(10a)−1,其中有11个站通过了α = 0.05显著性检验,6个站通过α = 0.01显著性检验,主要分布在阿勒泰、昌吉和伊犁河谷;10~20 cm积雪日数有23个站点呈增加趋势(图3(c)),其中,布尔津和阿拉山口两个站相对增加最为明显,增幅各为5.54 d·(10a)−1和2.41 d·(10a)−1。减少的15个站中,其减少趋势幅度在0.31~5.07 d·(10a)−1,平均2.06 d·(10a)−1,只有3个站通过了α = 0.05显著性检验,阿尔勒的富蕴站通过α = 0.01显著性检验;20~30 cm积雪日数有33个站点呈增加趋势(图3(d)),增加范围在0.03~4.9 d·(10a)−1,有5个站通过了α = 0.01显著性检验,主要分布在阿勒泰、昌吉和塔城。减少的4个站的减少幅度非常有限,均在1 d·(10a)−1以下;≥30 cm积雪日数也是有33个站点呈增加趋势(图3(e)),增加范围在0.02~5.31 d·(10a)−1,有5个站通过了α = 0.05显著性检验,2个站通过了α = 0.01显著性检验,其中吉木乃和昭苏两个站增加相对明显,增幅各为5.31 d·(10a)−1和3.64 d·(10a)−1。博乐和巩留两个站呈减少趋势,但减少幅度不明显,减幅分别为0.06 d·(10a)−1和0.04 d·(10a)−1。




(≥1 cm (a)、<10 cm (b)、10~20 cm (c)、20~30 cm (d)、≥30 cm (e);图中空心圆表示通过了α = 0.05显著性水平检验)
Figure 3. Variation trend of winter days with snow cover in Northern Xinjiang during 1961~2021
图3. 1961~2021年北疆冬季积雪日数变化趋势
4.3. 年际变化特征
1961~2021年,北疆冬季积雪日数呈增加趋势,其线性趋势率通过了α = 0.01显著性水平检验,表明这一增加趋势是非常显著的,增加幅度为每10年0.95 d (表2),这与全国的冬季积雪日数的变化趋势是一致的 [4]。从北疆冬季平均年积雪日数的年际变化特点来看(图4(a)),20世纪60年代到80年代初期积雪日数相对较少,多数年份为负距平,1961~2021年标准偏差为4.27 d,根据世界气象组织规定,如果距平绝对值大于2倍的标准偏差作为气候异常标准来决断 [37],1967年、1969年、1973年是北疆冬季异常偏少年,可以看出异常偏少年多出现在20世纪70年代初期前。1983~2019年,积雪日数显著增多,绝大多数年份出现正距平,只有8年积雪日数低于61年平均值,其中1993年积雪日数最多,为82.89 d,其次是2012年,为82.82 d,这些偏多年份都未达到积雪异常的水平,属于相对正常的年际波动。从图5(a)中可以看出北疆冬季年积雪日数虽然整体呈增加趋势,但2001年以前增加是缓慢的,并没有通过α = 0.05显著性水平检验。但2001年后增加趋势均超过显著性水平0.05临界线,表明近20a北疆冬季积雪日数上升趋势是十分显著的。根据UF与UB曲线交点的位于1982年,并处在0.05信度区间,说明北疆冬季积雪日数在20世纪80年代初,存在由少到多的突变,具体是从1982年开始的。从图中还可以看出,积雪日数增加到2004年达到一个峰值,随后开始略有些减少,直至2008年,随后又呈现出增加–减少的波动状态。但整体来说从1982年后北疆冬季积雪日数是显著增加的。
4.3.1. <10 cm的积雪日数
北疆冬季<10 cm的积雪日数呈显著减少趋势(α = 0.01),减幅为1.80 d·(10a)−1 (表2)。积雪日数在60年代到80年代初期是北疆冬季积雪较多的时期(图4(b)),大多数年份为正距平,其中1969年积雪日数最多,为53.74 d,达到了异常偏多的标准。1984年后积雪明显减少,其中2012年积雪日数最少,为9.39 d,其次为1993年,为12.63 d,但都属于相对正常的年际波动。从图5(b)可发看出北疆冬季<10 cm的积雪日数是从1983a开始减少,并且在1997a以后显著减少,并通过了α = 0.05显著性水平检验,甚至在2002年后减少趋势超过了0.01显著性水平(u0.01 = ±2.58),表明在20世纪末期北疆冬季<10 cm积雪日数减少趋势是非常显著的。
4.3.2. 10~20 cm的积雪日数
10~20 cm积雪日数也是呈减少趋势,减幅为0.19 d·(10a)−1 (表2),但并没有通过α = 0.05的显著性检验,表明北疆冬季10~20 cm积雪日数近61年来有所减少,但是从数理统计意义上该趋势并不明显。从年际变化来看60年代初期积雪较多(图4(c)),1962年积雪日数最多,为25.97 d,达到了异常偏多的标准。1965~1974年积雪明显减少,最小值出现在1966年,为18.08 d,未达到异常偏少的标准。1975~2007为积雪偏多期,最大值出现在1975年,为45.82 d,达到了异常偏多年标准,其次是1985年,为43.26 d。2008~2017年,北疆冬季积雪开始出现了显著减少趋势,最小值出现在2012年,为12.74 d,且达到异常偏少年的标准。近5a积雪又出现增多趋势。从图5(c)可以看出近61年10~20 cm积雪日数在70年代末期到80年代初期有增加的趋势,但这种增加趋势是不显著的(α = 0.05),而到2013年以后又略有减少趋势,减少趋势也是不显著的(α = 0.05),而近两年又有增加的趋势。从UF和UB的交点位置来看,这种增加趋势是一突变现象,具体是从1983年开始的。
4.3.3. 20~30 cm的积雪日数
20~30 cm积雪日数呈显著增加趋势(表2),增幅为1.33 d·(10a)−1 (α = 0.05)。在20世纪60年代至90年代初期积雪相对较少(图4(d)),1969年积雪日数最少,只有1.05 d,达到了异常偏少年的标准,其次为1967年,为3.61 d。1993年之后积雪明显增多,最大值出现在2015年,为30.05 d,达到异常偏多年的标准。从图5(d)可以看出北疆冬季20~30 cm积雪日数在21世纪初期增加趋势超过显著性水平0.05临界线,并且在2015年后甚至超过了α = 0.01显著性水平,从UF和UB的交点位置来看,这种增加趋势是一突变现象,具体是从1984年开始的。
4.3.4. ≥30 cm的积雪日数
≥30 cm积雪日数也呈增加趋势(表2),增幅为1.31 d·(10a)−1,但增加趋势是不显著的。从图4(e)可以看出,近61年≥30 cm积雪日数的负距平多于正距平,但积雪日数减少的年份并不显著,属于正常的年际波动,近61年积雪日数偏多的年份只有25年,积雪日数最多的年份位于2012年,为37.24 d,其次为2000年,为30.21 d,第三为2009年,为29.13 d,且都达到异常偏多年的标准。从图5(e)可以看出≥30 cm积雪日数也是在21世纪初期增加趋势超过显著性水平α = 0.05临界线,并且在2012年后超过了α = 0.01显著性水平,从UF和UB的交点位置来看,这种增加趋势是一突变现象,具体是从1999年开始的。
经过统计近61a北疆冬季降雪日数呈减少趋势,减少幅度为0.3 d·(10a)−1,多年平均气温呈增加趋势,增幅为0.45 ℃·(10a)−1,而北疆冬季积雪日数整体呈略增加趋势,尤其是20 cm以上积雪日数是呈显著增加趋势的,这也证实了在全球气候变暖的背景下新疆极端降水的频次及降水量也呈增加趋势 [38] [39] [40]。

Table 2. Temporal variation characteristics of winter days with snow cover and analysis results of Mann-Kendall mutation test in northern Xinjiang during 1961~2021
表2. 1961~2021年北疆冬季积雪日数时间变化特征及Mann-Kendall突变检验分析结果
其中带*的为通过α = 0.01显著性水平检验。




(年积雪日数(a)、<10 cm (b)、10~20 cm (c)、20~30 cm (d)、≥30 cm (e))
Figure 4. Anomaly variation of days with snow cover in winter in Northern Xinjiang during 1961~2021
图4. 1961~2021年北疆冬季积雪日数距平变化




(≥1 cm (a)、<10 cm (b)、10~20 cm (c)、20~30 cm (d)、≥30 cm (e))
Figure 5. MK statistical curve of winter days with snow cover in northern Xinjiang during 1961~2021
图5. 1961~2021年北疆冬季积雪日数MK统计量曲线
5. 结论
1) 1961~2021年,北疆冬季年平均积雪日数为82.89 d,其中<10 cm积雪日数占34.81%,10~20 cm积雪日数占35.52%,20~30 cm积雪日数占18.76%,≥30 cm积雪日数占10.91%。北疆冬季积雪日数主要为积雪深度<20 cm的积雪,积雪日数占到了70.33%。积雪日数的空间分布海拔高度呈正相关。北疆积雪日数有二个高值中心点:一个位于新疆北部的阿勒泰地区,年平均积雪日数达88.59 d;一个位于天山北麓、准噶尔盆地东南缘的昌吉地区,年平均积雪日数达88.53 d。
2) 61年间,位于阿勒泰东部、昌吉中部及东部、塔城东部8个台站积雪日数出现了不显著的减少趋势之外,占北疆78.95%的气象站点观测的年积雪日数都呈增加趋势,且增幅最为明显的台站为精河站、和布克赛尔站和尼勒克站。
3) 在全球气候变暖的背景下,北疆气候也在经历着显著变暖,但极端天气过程频发,表现在近61年,北疆冬季积雪日数出现了非常显著的增加趋势,增幅达0.95 d·(10a)−1,其中20~30 cm积雪日数增加幅度最为明显,为1.37 d·(10a)−1,其次是≥30 cm (1.13 d·(10a)−1),10~20 cm最小(0.23 d·(10a)−1)。对北疆而言,20世纪60年代到80年代初期积雪日数相对较少,之后有较显著的增加,1982年是北疆冬季积雪日数由少到多的转折点。过去61年间,北疆冬季积雪日数较少的年份多数出现在20世纪60年至80年代初,且1967年、1969年、1973年是异常偏少年,偏多年份多数出现在近40年,这些偏多年份都未达到积雪异常的水平,属于相对正常的年际波动。
4) 北疆冬季积雪日数空间分布极不均匀,区域差异较大。总体上,天山山区、阿勒泰山地区、大部分塔城盆地是积雪日数最长的地区,一般在88 d以上,代表站包括小渠子站和天池站,而天山北麓、准噶尔盆地南段、部分塔城盆地日积雪日数低值区,在70 d以下,代表站点有和布克赛尔和达坂城站。由于受到气象台站地形、海拔高度和局地气候等条件的差异影响,同一区域不同台站之间的积雪日数差别也很大。
6. 讨论
本文利用天气现象定义的积雪日数资料讨论了北疆地区积雪日数的特征,通过研究在全球气候变暖大背景下,北疆冬季雪深大于20 cm积雪日数的显著增加特征,以及区域和时间尺度上的差异填补了以往学者对北疆积雪的研究。同时也揭示了,新疆由暖干转为暖湿的气候条件下,极端降水的频次及降水量也呈增加趋势。当然,所用资料时间序列长短、类型、研究范围、研究时间和方法都直接影响研究结果。娄梦筠等 [26] 采用了2002~2011年MODIS卫星遥感资料、赵琴等 [28] 采用的是卫星遥感和气象站实测雪深资料,所得出的结论是北疆1980~2019年积雪日数是减少的,但并没有对分季节讨论积雪日数的变化趋势。王慧等 [23] 选取了新疆1961~2017年89个气象站资料,研究表明89个气象站中20个显著增加,主要分布在天山以北地区。可见,利用同一种资料在相近的时间尺度内研究得出的积雪变化趋势是基本一致的。而王慧等也得出了1961~2017年新疆积雪日数也是呈减少趋势,但也没有分季节讨论。因此对于北疆积雪日数在其他季节的变化趋势也待于进一步深入研究。而且北疆海拔的差异,站点的分布的局限性,高海拔地区的积雪日数并不能用气象站点的数据来划画,但卫星遥感数据序列较短,同时由于云的遮挡,对于积雪的研究也有一定的局限。因此对于积雪的研究有待利用精度更高、时间序列更长和空间尺度更细的最新资料进一步深入研究。