近50 a長江中下游地區積雪日數時空變化及其氣候指示意義

閆軍輝，魏 然，王 娟，牛繼強*，計舒懷，盧 山，李雪婷

(1. 信陽師范學院 地理科學學院/河南省水土環境污染協同防治重點實驗室/信陽市氣候與環境演變重點實驗室, 河南 信陽 464000; 2. 陜西省氣候中心, 陜西 西安 710014; 3. 信陽市氣象局, 河南 信陽 464000; 4. 固始縣氣象局, 河南 信陽 465200)

0 引言

積雪指降雪、冰粒、表霜、凍雨以及大部分已凍雨水形成的覆蓋在地球表面的雪層[1]。作為地球冰凍圈和氣候系統的重要組成部分，積雪覆蓋的下墊面對地表水文、大氣環流等產生影響，進而影響全球和區域氣候變化。同時，作為全球氣候變化的敏感指示器和放大器，積雪變化對全球氣候變化的監測有重要的應用價值[2-3]。隨著全球氣候增暖，積雪日數時空變化引起學術界的廣泛關注，并取得顯著進展。最新研究顯示，中國年平均積雪日數呈微弱增加趨勢[4]，但存在季節和區域差異：春季和秋季積雪日數呈緩慢減小趨勢，而冬季則呈增加趨勢[5]；區域上，秦嶺和青藏高原積雪日數呈減少趨勢[6-7]，而西北干旱區、東北地區的積雪日數卻呈增加趨勢[8-9]，且積雪日數變化與海拔高度關系密切[10]。積雪日數變化的驅動因素方面，眾多研究認為氣溫和降水是導致積雪日數變化的直接因素[6]，除此之外，積雪日數還與ENSO、AO和BLOCKING等海氣因子存在時頻關聯性特征[4]。盡管前人做了大量工作，但這些研究區域多分布在高緯度或高海拔地區，且多集中分析積雪日數的時空演變特征。有關中低緯度和低海拔地區積雪日數時空變化的研究相對較少，積雪日數對氣候變化指示意義的研究尚不多見。中國東部地區的歷史文獻中，流傳大量有關積雪日數的記載。進一步開展這些代用資料氣候指示意義研究，是歷史氣候學普遍關注的問題之一。

基于此，本文擬利用長江中下游地區27個氣象站逐日積雪深度數據，在分析該地區積雪日數時空變化的基礎上，辨識影響積雪日數變化的敏感時段，并定量估算積雪日數對敏感時段溫度變化的指示意義。研究結果不僅對科學認識中低緯度和低海拔地區積雪日數的變化規律有重要科學意義，還可為重建和復原歷史時期極端氣候事件提供參考依據和科學基礎。

1 資料和方法

1.1 資料來源

論文所用資料主要包括兩種類型：一為1961-2011年長江中下游地區27個氣象站逐日積雪深度數據；二為這些氣象站同期逐月平均氣溫資料(圖1)。其中，1961-1970年積雪數據來自于《1961-1970年中國天氣日數資料》，1971-2011年積雪深度數據來自于《中國地面氣象記錄月報》(1996年之后改為《中國地面氣象記錄月冊》)，逐月平均氣溫數據來源于中國氣象數據網中國地面氣候資料月值數據集(http://data.cma.cn/)。這些資料均經過嚴格的質量控制和檢查，資料的完整性較好，可靠性較高。

圖1 長江中下游地區氣象站空間分布圖Fig. 1 The spatial distribution of the meteorological stations for the Middle and Lower Reaches of Yangtze River region

1.2 積雪日數定義

關于積雪日的定義，學術界有兩種標準：一是根據天氣現象定義，即當觀測場視野范圍內的地表二分之一以上面積被雪覆蓋時，不論其積雪深度大小(包括微量積雪)，均作為1個積雪日[11]；二是根據積雪深度定義，即當積雪面積達到觀測要求，且當深度達到1 cm時，記為積雪日[12]。參照前人研究[13]，本文選取第一種方法定義積雪日數。需要說明的是，論文以本年7月1日至次年6月30日作為一個完整積雪年，年積雪日數為積雪年內積雪日數的總和，長江中下游地區積雪日數為27個氣象站積雪日數的算數平均值。

1.3 研究方法

論文采用一元線性回歸方法分析近50 a長江中下游地區及各站積雪日數變化速率及其氣候指示意義。具體為：首先采用滑動方法，分別計算逐站每3、4、5、6個月平均氣溫和積雪日數的相關關系，選取相關性最高的時段定義為積雪日數的氣候敏感時段；再以這些敏感時段平均氣溫為因變量，積雪日數為自變量，建立二者之間的一元線性回歸模型，用回歸系數來表示積雪日數對氣候變化指示作用的強度[14]。采用克里格插值分析積雪的空間變化特征，該方法是以區域化變量理論和空間自相關理論為依據，對變量進行最優估計的一種方法[15]。

2 結果與分析

2.1 積雪日數時間變化

圖2為1961-2010年長江中下游地區逐年積雪日數變化。由圖2可知，近50 a長江中下游地區平均積雪日數為5.6 d，其中最大值出現在1968年，積雪日數為17.7 d；最小值出現在2006年，區域平均積雪日數僅為0.7 d，極差為17.0 d，積雪日數年際差異顯著?？傮w而言，1961年以來長江中下游地區積雪日數呈不顯著減小趨勢，一元線性回歸擬合顯示，減小速率為-0.50±0.77 d/10 a (p>0.05)，回歸方程未通過顯著性檢驗。過去50 a，長江中下游地區積雪日數減少約2.5 d。年代上，長江中下游地區20世紀60、70年代積雪日數相對較多，年代平均積雪日數分別為6.9 d和6.0 d，較平均積雪日數分別高1.3 d和0.4 d；80年代長江中下游地區平均積雪日數為5.6 d，與多年均值相當；90年代積雪日數相對較少，年代平均積雪日數僅為4.5 d，較多年平均積雪日數低1.1 d；進入21世紀后，積雪日數有所回升，2001-2010年平均積雪日數為4.9 d，但仍低于多年平均水平。

圖2 1961-2010年長江中下游地區積雪日數變化Fig. 2 Changes in regional mean snow cover days for the Middle and Lower Reaches of Yangtze River region during 1961-2010

2.2 積雪日數空間變化

近50 a長江中下游地區各站點年平均積雪日數在0.9～11.3 d之間，在溫度和降水的雙重影響下，研究區積雪日數大致呈“北高南低、東高西低”的分布特征。東北部地區積雪日數相對較多，東南部地區積雪日數相對較少。其中，亳州多年平均積雪日最多，為11.3 d；徐州、霍山、老河口等地平均積雪日數均在10 d以上；上海、贛州、溫州等地平均積雪日相對較少，溫州積雪日數最少，僅為0.9 d。從長江中下游地區積雪日數平均值的總體分布來看，22.2%的站點多年平均積雪日數分布在6～7 d之間，29.6%的站點分布在3～4 d之間和4～5 d之間，11.1%的站點分布在1～2 d之間。各站平均積雪日數出現在其余區間的比例相對較少，均在10%以下，未有站點的積雪日數出現在5～6 d與8～9 d區間(圖3)。

空間上，1961年以來長江中下游地區積雪日數變化速率區域差異明顯。東北地區和東南地區積雪日數減少速率最快，其中減少速率最快的為徐州，變化速率為-1.4 d/10 a，過去50 a積雪日數減少了7.0 d；霍山、衢州、杭州和贛榆等地減少速率也在-1.0 d/10 a以上；中部和北部地區變化幅度不大，變化速率為0.3～1.0 d/10 a；西部地區變化速率最小，其值多在0.3 d/10 a以下，西南地區甚至出現微弱增加的趨勢，增加速率最大的地區為芷江，變化速率為0.3 d/10 a(圖4)。對27個站點積雪日數的變化速率進行顯著性檢驗發現，僅有南昌和衢州通過了0.05顯著性檢驗，徐州、定海和南城通過0.1顯著性檢驗，其余站點變化速率均不顯著。

圖3 長江中下游地區各站平均積雪日數的頻率分布Fig. 3 Frequency distribution of average snow cover days for each station in the Middle and Lower Reaches of Yangtze River region

圖4 長江中下游地區積雪日數變化趨勢的空間格局Fig. 4 Spatial pattern of trends in snow cover days in the middle and lower reaches of Yangtze River

2.3 積雪日數變化的氣候指示意義

利用滑動方法計算各站積雪日數與月平均氣溫的相關系數，辨識影響積雪日數變化的敏感時段。結果顯示，長江中下游地區13個站點積雪日數變化的敏感時段為冬季，占比為48.1%，9個站點積雪日數的敏感時段為次年的1-3月，占比為33.3%，其余5個站點的敏感時段為秋末與冬季。以上分析表明，長江中下游地區大部分站點的積雪日數對冬季平均氣溫具有較強的指示作用，約1/3站點對冬末和春初溫度變化的指示作用較好，約20%地區的積雪日數，除指示冬季溫度外，還對秋末氣溫具有一定的指示作用。

空間上，積雪日數與敏感時段溫度的相關系數呈現出地帶性規律：一般來說，緯度越低，相關性越好；越靠近沿海，相關系數越高。分析各站點積雪日數與敏感時段平均氣溫的相關系數可知，二者相關系數在-0.456～-0.722之間，超過一半站點相關系數的絕對值在0.600以上，占比為55.6%。其中衢州和南昌積雪日數與敏感時段的相關系數較高，相關系數在0.700以上，衢州最高為0.722；亳州和贛榆等地積雪日數與敏感時段的相關系數相對較低，其絕對值多在0.500以下(見表1)。

表1 長江中下游地區積雪日數和敏感時段平均氣溫的關系Tab. 1 Relationship between snow cover days and average temperature of sensitive periods in the Middle and Lower Reaches of Yangtze River region

利用回歸方法定量計算積雪日數對敏感時段平均氣溫指示作用的強度。分析可知，溫州、恩施、贛州和上海等地積雪日數對敏感時段的指示作用最強，回歸系數均在-2.0 ℃/10 d以上。其中，溫州回歸系數最大，為-3.2 ℃/10 d，表明積雪日數每增加10 d，溫州敏感時段平均溫度降低3.2 ℃；長江中下游地區中部和南部地區指示作用次之，回歸系數在-1.0～-2.0 ℃/10 d之間；東北部地區積雪日數對敏感時段平均溫度的指示作用相對較差，回歸系數多在-1.0 ℃/10 d以下。檢驗顯示，所有回歸方程均通過0.001顯著性檢驗(見表1)。

3 結論

基于1961-2011年長江中下游地區積雪資料，分析了全球變暖背景下長江中下游地區積雪日數的時空變化特征，辨識了積雪日數的氣候敏感時段，并定量估算了積雪日數對敏感時段的氣候指示意義。主要結論有：(1) 1961-2010年長江中下游地區各站年平均積雪日數在0.9～11.3 d之間。其中，亳州積雪日數最多，溫州最少；過去50 a長江中下游地區積雪日數呈不顯著減少趨勢，減少速率為-0.50±0.77 d/10 a；60年代和70年代積雪日數相對較多，80年代與多年均值相當，90年代和21世紀10年代積雪日數相對較少。(2) 空間上，長江中下游地區積雪變化速率由東北到西南遞減，東北地區積雪日數減少速率較快，其中減少速率最快的地點為徐州；中部地區減小幅度不大，西南地區甚至出現微弱增加的趨勢，芷江增加速率最大。(3) 長江中下游地區積雪日數變化具有較強的氣候指示意義。近一半站點積雪日數對冬季平均氣溫的指示作用較強，約1/3站點對次年1～3月平均氣溫具有較強的指示作用?？臻g上，東南部和南部地區指示作用較強，東北部和北部地區指示作用較弱。

與以往研究相比，本文分析了長江中下游地區這一中低緯度和低海拔地區積雪日數的變化特征。在分析積雪日數時空演變的基礎上，定量估算了積雪日數變化對敏感時段溫度變化的指示作用，研究結論對定量復原歷史時期極端冷冬事件具有重要的應用價值。然而，本文只分析了積雪日數對溫度變化的平均敏感程度，沒有涉及積雪日數與溫度之間關系的穩定性。不同冷暖背景下，積雪日數的溫度敏感時段和敏感度是否發生變化并未討論。鑒于自然物候對溫度變化呈非線性響應關系，積雪日數在不同冷暖階段對溫度變化的指示意義是否存在同樣情況，將是下一個階段研究的重點。