1. 引言
风吹雪，是指地表积雪在特定风力作用下被卷扬、输运并重新分布的气–固两相流天气现象。该过程多发于冬春季节，具有显著的季节性、突发性及致灾性特征[1]。依据风速、雪粒跃迁高度和水平能见度的差异，通常可将其划分为低吹雪、高吹雪和暴风雪三个等级。作为我国北方广泛存在的自然灾害，风吹雪对交通运输、农牧业生产及公共安全均构成严重威胁[2]-[4]。
从地理分布来看，我国受风吹雪影响的区域约占国土总面积的55.20%，其中新疆、西藏和东北地区为典型高发区[5]。新疆作为全国最大的稳定积雪区，冬季寒冷漫长，气温持续偏低，降雪充沛，积雪覆盖期长且稳定性高，为风吹雪的形成提供了充分的气象与下垫面条件[6]。以阿勒泰地区为例，冬季频繁发生的风吹雪常引起公路严重雪阻、交通中断及能见度骤降，不仅导致交通事故风险升高，也严重影响农牧民正常生产生活，同时显著增加了防灾救灾工作的复杂性与经济成本，对区域社会经济发展形成持续性制约。然而，目前关于阿勒泰地区风吹雪研究主要集中在高速公路、铁路等风吹雪灾害防治研究，对阿勒泰地区风吹雪时空变化及区域风吹雪影响因素的研究尚未深入[7]-[9]。因此，本研究利用2019年至2024年11月至次年3月(冬季)期间200多个气象站点的数据资料，对阿勒泰地区风吹雪灾害的时空分布特征进行了详细分析，并在此基础上深入探讨了其形成机制。
2. 数据来源与研究方法
2.1. 数据来源
通过对风吹雪相关文献与资料的收集和整理[10]-[15]，本研究最终选取了2019年至2024年11月至次年3月(冬季)期间阿勒泰地区200多个气象观测站点逐日降雪量、积雪深度、风速、气温等气象要素，结合阿勒泰地区工作实际，在有限条件下考虑积雪微观形态受温度影响较大，为减小温度带来的差异，本文考虑风吹雪只发生在最高气温低于0℃的环境中。在参考王中隆、张家平等人的研究成果[16]-[21]以及《新疆风吹雪地方标准》，确立了风吹雪日及其分级的判定标准(见表1)。具体而言，采用以下两种标准进行判别：
当单日降雪量超过3毫米且风速大于8米/秒时，记为一次风吹雪过程；
当日积雪深度不低于10厘米且风速不低于8米/秒时，同样记为一次风吹雪过程。
每年11月至次年3月期间满足上述任一条件的总日数，即为该年度风吹雪总日数。进一步依据风速等级，将其划分为低风险等级、中风险等级与高风险等级三个类别。
故综合判别标准为：在阿勒泰地区日最高气温低于0℃、风速不低于8米/秒的前提下，若日降雪量大于3毫米或积雪深度不低于10厘米，即判定为一次风吹雪过程，并同样按风速分级。
Table 1. Criteria for determining blowing snow formation in the Altay Region
表1. 阿勒泰地区风吹雪形成判定标准
|
风吹雪日 |
不同等级风吹雪 |
|
低风险等级 |
中风险等级 |
高风险等级 |
|
最高气温 |
<0℃ |
|
风速 |
≥8 m/s |
8.0 m/s~13.8 m/s |
13.8 m/s~20.8 m/s |
≥20.9 m/s |
Ⅰ标准 |
降雪量 |
>3 mm |
Ⅱ标准 |
积雪深度 |
≥10 cm |
2.2. 研究方法
反距离权重插值法最早由Shepard提出，后经 Richard Franke (1982)等人进一步系统化发展。该方法基于地理学第一定律，认为空间上相邻的气象站点之间具有更高的要素相似性，而随着距离增大，这种相关性逐渐减弱。该方法将每个气象站点视为一个空间影响源，其对周边区域的影响强度随距离增大呈递减趋势。
在实际应用中，由于无法直接获取连续空间范围内的气象要素观测值，本研究采用反距离权重插值法，依据区域内各气象站点的实测数据对未测区域进行空间估计，从而构建出研究区气象要素的连续分布场。该方法的数学表达式如下：
式中：Z表示气候要素的预测值；Zi表示第i (
)个实测值；
di为预测到i点的距离；p为距离的幂，通常为2；n为参与插值的样本数。
3. 结果与分析
3.1. 阿勒泰地区大风分布特征
阿勒泰地区各县的风速变化存在显著差异(详见图1)。布尔津县和富蕴县的风速变化明显，显示出速度的不稳定性。吉木乃县和青河县的风速波动较小，呈现出较为平稳的态势。从风速中位数分析，布尔津县与富蕴县的风速中位数较高，显示这两个地区的风速普遍较大。而福海县和青河县的风速中位数相对较低，意味着这些地区的风速整体上较小，尤以福海县的中位风速最低(9.50 m/s)。吉木乃县风速分布范围最广，且风速中位数达到最高值(13.55 m/s)，并伴随较多异常值，最大风速值最高(44.1 m/s)，表明吉木乃县出现极端风速事件的可能性极大。
依据风吹雪的标准，将出现风吹雪的大风划分为三个风速等级进行分析(见图2)：在低等风速等级(8~13.8 m/s)下，布尔津县与富蕴县的记录次数最多，分别达到316次和255次，表明这些地区经常遭遇中等强度的风速，但极端风速事件相对较少。吉木乃县和哈巴河县的统计数据显示，分别有104例和155例。哈巴河县与福海县在较高风速等级下的记录较少，暗示这些地区可能较少经历极端风速事件。
Figure 1. Box plot of wind speed distribution by county (unit: m/s)
图1. 各县风速分布箱型图(单位：m/s)
Figure 2. Wind speed grade distribution by affiliated county (unit: m/s)
图2. 所属县的风速等级分布(单位：m/s)
在适中的风速范围内(13.9~20.8 m/s)，吉木乃县的记录次数最多，为57次，显示出吉木乃县经历较强风速的频率较高。布尔津县与富蕴县的记录相对较少，分别为38次和47次。
在高风速等级(>20.9 m/s)下，吉木乃县的记录次数最多，为35次，表明该地区经历极强风速的频率最高。在>20.9 m/s风速等级下，记录次数高达35次，凸显其经历极强风速的频率居首。其他县市在这种风速等级下的记录数量相对较少，尤其是哈巴河县、富蕴县、布尔津县和福海县，出现记录的次数非常有限。较为特殊的是，吉木乃县在所有风速等级中均有较高的记录，尤其在较高风速等级(>20.9 m/s)下，显示出该地区可能面临更为频繁和强烈的风吹雪现象。
从台站风速分布热力图分析可见(见图3)：风速等级在研究区域内呈现西北高东南低的分布特征，高风速站点主要集中在经度86˚~88˚E、纬度47˚~48.5˚N的区域，而风速高值核心区锚定于布尔津县与哈巴河县交界地带(87˚E附近)，低风速区域则集中分布于研究区东南部(经度>89˚E，纬度<47˚N)。其中，核心高风速带以西北–东南向走廊形态横亘于(87.13˚E, 48.50˚N)至(86.41˚E, 48.05˚N)之间，平均风速达13.1 m/s，内嵌哈巴河站(13.4 m/s)与福海站(12.8 m/s)两个风速极值点。该区域地处阿尔泰山迎风坡，独特的地形造就了“天然风道”，峡谷效应在此显著凸显，成为驱动风速强化的关键因素。
Figure 3. Station wind speed heat map (unit: m/s)
图3. 台站风速分布热力图(单位：m/s)
3.2. 风速等级–积雪深度耦合初步分析结论
通过不同风速区间与积雪深度的耦合关系分析(见表2)，本研究界定风吹雪过程中积雪堆积与吹蚀的动力机制转换规律。积雪深度对风速的响应呈非线性特征，13.9~20.8 m/s“强搬运”区间内积雪深度达47.8 cm峰值，这一区间即为最优积雪搬运–堆积窗口，对应风吹雪主要堆积阶段——既满足雪粒有效搬运的动力需求，又未引发强烈吹蚀，最终形成最优堆积效应。
风速超过20.8 m/s进入“吹蚀主导”阶段后，积雪深度降至40.2 cm，较峰值下降约10%，这一变化反映风吹雪动力机制的根本性转变。该区间内风力吹蚀作用完全超越搬运–堆积作用，强气流不再堆积新雪，反而剥离地表既有积雪，导致净积雪深度衰减。高风速区间(>20.8 m/s)分析结果存在不确定性，其±14.5 cm的宽置信区间与n = 23的样本量相符，佐证极端风速事件的稀缺性。这一非线性响应特征揭示了风吹雪灾害的形成机制，为雪灾分布精准预测、交通线路雪阻风险评估及科学防灾策略制定提供理论支撑。
Table 2. Coupling analysis table of wind speed grade and snow depth
表2. 风速等级–积雪深度耦合分析表
风速等级 |
动力作用 |
平均积雪深度 |
95%置信区间 |
数据量(样本数) |
8~13.8 m/s |
中等搬运 |
42.7 cm |
±2.1 cm |
988 |
13.9~20.8 m/s |
强搬运 |
47.8 cm (峰值) |
±5.9 cm |
166 |
>20.8 m/s |
吹蚀作用 |
40.2 cm (减小) |
±14.5 cm |
23 |
3.3. 阿勒泰地区风吹雪空间分布特征
通过阿勒泰地区风吹雪的分布特性，可以看出该地区在空间上表现出明显“西高东低”的地理差异。具体来说，西部区域的数值较高，而东部则相对较低。西部地区包括吉木乃县、哈巴河县、布尔津县以及阿勒泰市与布尔津县交界地带构成风吹雪高频发生区，而东部青河县与富蕴县则呈现显著低值特征，整体空间格局表现出自西向东的梯度递减规律(见图4)。
从垂直地带性分析，风吹雪发生频率与海拔高程呈现明显的负相关关系。低海拔区域(如福海周边，海拔约500米)由于地形平坦开阔，地表覆盖以盐碱地、灌丛为主，这种下垫面特性显著延长了积雪滞留时间，同时增强了地表粗糙度，为风吹雪的形成提供了有利条件。相比之下，高海拔区(如阿尔泰山区，海拔 > 2000米)尽管积雪资源丰富，但由于积雪稳定性强，雪层密实度高，且受地形遮蔽效应影响，近地表风速相对较小，这些因素共同抑制了高海拔区域风吹雪的发生频率。
阿勒泰地区风吹雪不同风险等级的空间分异存在明显区域差异，低风险等级风吹雪日数占区域总日数80%以上，是阿勒泰地区冬季风吹雪灾害的主要类型，其中布尔津县低风险日数占比最突出，青河县为保持最低值，这种“西多东少”的空间分布特征与区域大气环流背景有直接关联，西部受西风带湿润气团影响更明显，而东部主要受蒙古高压系统控制，大气环流的空间分异是东西部风吹雪风险差异的关键原因。
中风险等级风吹雪日数占比集中在10%~30%区间，是阿勒泰地区风吹雪风险结构的关键部分，吉木乃县中风险等级的极值特征最突出，发生次数明显多于周边区域。同时高风险等级风吹雪空间集中性强但占比相对较低(约1%~5%)，吉木乃县是高风险事件的核心区域，这种高度集中的分布体现了特殊地形和局地气候条件对极端风吹雪事件的共同调控作用，吉木乃县南部的萨吾尔山与东北部的阿尔泰山形成一个明显的“小喇叭口”地形，峡谷效应对地面风速增幅作用显著，阿尔泰山对西风带暖湿气流的强迫抬升作用导致偏西地区(吉木乃县附近)降雪显著，积雪深厚，共同导致高风险风吹雪事件频发。
综上所述，阿勒泰地区风吹雪是以中低风险为主体、高风险高度集中在吉木乃县的复合型空间分布模式，这种分布模式与大气环流和特殊地形密切相关相关，这一研究结论对于区域风雪灾害风险评估和防治规划具有重要的理论与实践意义。
Figure 4. Map of spatial distribution characteristics of blowing snow in the Altay Region (color, unit: count). (a) general distribution characteristics of blowing snow days in the Altay Region; (b) characteristics of low-risk blowing snow distribution in the Altay Region; (c) characteristics of medium-risk blowing snow distribution in the Altay Region; (d) characteristics of high-risk blowing snow distribution in the Altay Region
图4. 阿勒泰地区风吹雪空间分布特征图(填色，单位：计数)。(a) 阿勒泰地区风吹雪日数总体分布特征；(b) 阿勒泰地区低风险风吹雪分布特征；(c) 阿勒泰地区中风险风吹雪分布特征；(d) 阿勒泰地区高风险风吹雪分布特征
4. 总结
本研究系统阐明阿勒泰地区风速分布与风吹雪灾害的空间分布规律及形成原因，区域风速呈现显著的西北高、东南低地理分异特征。吉木乃县为极端风速事件核心区，其风速覆盖范围最广、中位数最高且频繁出现异常强风。受峡谷效应影响，布尔津县至哈巴河县间的额尔齐斯河谷形成西北–东南走向的强风走廊。风吹雪动力机制分析显示，积雪深度对风速存在关键非线性响应，13.9~20.8 m/s区间形成最利于积雪搬运和堆积的区间且深度达峰值，突破20.8 m/s临界阈值后，动力机制由堆积主导转为吹蚀主导，积雪深度显著降低。
风吹雪在地域分布上呈现出显著的“西部高、东部低”趋势。垂直地带性分析发现风吹雪发生频率与海拔呈负相关关系，低海拔区域(如福海周边)因地形平坦、地表粗糙度大而更利于风吹雪形成，而高海拔山区受积雪稳定性强和地形遮蔽效应影响，发生频率反而较低。风险等级空间分异表明，阿勒泰地区风吹雪风险分布以中低风险为主体、高风险高度集中的复合分布模式。这体现出特殊地形与当地气候的共同影响作用。
综上，阿勒泰地区风吹雪风险格局受多尺度因子综合调控，这些研究成果不仅深化了对风吹雪形成机制的认识，也为我国寒区风雪灾害的精准防控提供了重要的科学基础和实践指导。
基金项目
新疆阿勒泰地区科技计划项目《阿勒泰地区风吹雪灾害预报预警技术研究》。