阿勒泰地區河流冬季積雪變化趨勢及其對融雪洪水的影響分析

努爾曼·艾山

(阿勒泰水文勘測局，新疆 阿勒泰 836500)

全球氣候變暖對積雪影響已經成為世界廣泛關注的熱點問題[1]，新疆地區是中國積雪覆蓋量最為豐沛的地區之一，北疆山區降雪量占全年降水量的80%以上，而平原區也占比30%以上[2]。阿勒泰地區是新疆積雪量最大的區域之一，當地農牧發展及農業用水主要來源積雪融化后的水量，也是冬季融雪洪水的重要組成[3]。當前，對于積雪深度變化研究主要集中在青藏高原地區[4- 10]，而對新疆地區尤其是阿勒泰地區積雪變化研究還較少，有研究表明新疆地區近50年以來積雪深度、積雪覆蓋天數以及融雪消融的天數均呈現顯著變化[11]，沈永平[12]研究表明阿勒泰地區在氣候變暖影響下，區域氣流小循環增強使得融雪期提前，融雪洪水發生幾率和破壞程度均有所增加。在全球氣候變化大背景下，阿勒泰地區積雪變化趨勢如何？是否有突變現象發生？如何影響融雪洪水？是亟需解決的關鍵問題，本文研究成果對于阿勒泰地區融雪資源化利用以及系統分析地區融雪洪水變化特征具有重要意義。

1 研究區域概況

阿勒泰地區位于新疆北部區域，河流主要發源于阿爾泰山，地形高程從東北到西南逐步降低，地勢較為復雜，兩條主要河流為額爾齊斯河和烏倫古河，均發源于阿爾泰山。區域屬于典型的溫帶大陸性氣候，冬季積雪覆蓋時間長，最早積雪時間可出現在9、10月，最早洪峰時間可出現在4、5月，融雪洪水洪峰出現的時間一般在5月中旬到6月中旬。

2 研究方法和資料介紹

2.1 資料選用

采用阿勒泰地區7個國家氣象站點作為研究站點，站點分布如圖1所示，結合區域氣候及農牧產業化發展特點，將每年11月到次年3月劃分為冬季，并統計各氣象站點最高、最低氣溫及降水數據。

圖1 研究站點分布

2.2 研究方法

2.2.1趨勢檢驗方法

采用非線性趨勢檢驗方法對阿勒泰地區的積雪變化趨勢進行檢驗，該方法假定各年份積雪變化序列獨立且同分布，結合統計變量S對其趨勢進行判定分析，主要方程為：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，S—變化序列趨勢檢驗的統計變量，該變量符合正態分布；xi和xj—同一個樣本序列中兩個不同分布的變量序列，其中10則表示為檢驗的變量序列呈現遞增變化；若Z<0則表示為變量序列呈現遞減變化；|Z|大于或等于2.32、1.62及1.28，則表示檢驗的變量序列趨勢變化的置信度分別可達到99%、95%以及90%的顯著變化水平。

2.2.2突變分析方法

對于獨立同分布的隨機變量序列，采用統計量對其突變特征進行分析，主要方程為：

(5)

E(ck)=k(k-1)/4

(6)

σ(ck)=k(k-1)(2k+5)/72

(7)

(8)

式中，k—變量序列個數；m—第i個樣本xi>xj(1ji)的累積的個數；E(ck)、σ(ck)—統計量ck的均值和方差；UFk—ck的標準化值；將數據系列逆轉建立逆數據系列xn,xn-1,…,x1對以上計算過程進行重復,使得|UBk|=-UFk,其中k=n,n-1,…,0。正序UF和逆序UB兩條曲線相交點即為突變特征點。

3 積雪變化趨勢分析

3.1 冬季降雪和氣溫變化趨勢分析

結合阿勒泰7個氣象站點降雪和氣溫數據，對各站點冬季降雪和氣溫變化趨勢進行檢驗和線性傾向率分析，成果見表1。

從表1中可看出，阿勒泰地區各站點近51年來冬季氣溫均值都存在顯著遞增趨勢，全區各站點氣溫線性傾向率均值為0.69℃/10a，各站點冬季氣溫線性傾向率在0.49/10a～1.03℃/10a之間，各站點趨勢檢驗Z值均大于2.32，表明均通過置信度為99%的顯著性變化趨勢檢驗水平，在各站點中富蘊屬于阿勒泰地區氣溫變化最為顯著的站點，氣溫遞增趨勢最為明顯。從各站點冬季降雪變化趨勢分析可看出，各站點冬季降雪也呈現遞增變化，近51年來冬季降雪顯著增多，各站點降雪線性傾向率在3.47～10.78mm/10a之間，且均通過了90%的顯著遞增變化趨勢檢驗水平。在各站點中哈巴河降水遞增率最大。

3.2 冬季積雪年變化趨勢分析

結合各氣象站點1961—2017年近51年的積雪深度和降雪日數觀測數據，應用非線性趨勢檢驗方法對阿勒泰地區冬季積雪變化趨勢進行檢驗分析，結果見表2。

表1 阿勒泰地區各站點冬季降雪及氣溫變化趨勢檢驗結果

表2 阿勒泰地區各站點冬季積雪變化趨勢檢驗結果

阿勒泰地區積雪變化具有較為明顯的特點，阿勒泰地區從9月到次年5月就出現積雪和降雪的過程，但主要集中在冬季的11月份到次年的3月份，積雪變化主要為單峰變化，最大積雪深度出現時間主要受到地形變化影響，布爾津和哈巴河站最大積雪深度主要集中在1月和12月，其他站點均在2月份出現最大積雪深度，而阿勒泰地區降雪日數均值的第一個高峰期主要集中在12月，第二個高峰期主要出現在次年3月。從冬季積雪和降雪變化趨勢檢驗分析結果可看出，近51年中阿勒泰地區整體最大積雪深度均呈現遞增變化，但局部站點和整體區域最大積雪變化趨勢具有不同步性，阿勒泰西部吉木乃站及河谷平原地區的福海和布爾津站積雪最大值呈現遞增變化，但變化趨勢均未通過顯著性檢驗。吉木乃站最大積雪深度遞增速率最大，遞增速率為4.82mm/10a。從降雪日數變化趨勢分析可看出，阿勒泰地區降雪遞減變化趨勢性較弱，同樣局部與整體變化具有不同步性，7個站點中只有東部區域的富蘊站降雪日數變化通過95%的顯著變化趨勢水平，降雪日數遞減速率在全區最高，為-5.25d/10a。總體而言，阿勒泰地區積雪深度變化與冬季降雪量變化趨勢具有相似性，這點可參考文獻[13]結論具有一致性，降雪日數遞減趨勢不明顯，這表明阿勒泰地區降雪量級在一定程度上有遞增變化，這也是阿勒泰地區從1990年代以后暴雪量級頻率較高的原因之一。

3.3 冬季積雪深度突變特征分析

在全區域冬季積雪趨勢變化分析的基礎上，結合突變特征分析方法對各站點1961—2017年冬季積雪深度突變特征進行分析，分析結果如圖2所示。

圖2 阿勒泰地區各氣象站點積雪深度突變特征分析

突變分析中正序和逆序序列的交點即為變量序列變化的特征點，從突變分析中可看出，阿勒泰積雪深度全區域在1978和1983年出現過較為明顯的突變現象，各站點突變特征不具有同步變化特征，在各站點中吉木乃站、福海以及布爾津站在20世紀70年代初期和80年代中期發生明顯的突變變化，而阿勒泰站突變點主要發生在80年代末和2000年初，哈巴河站積雪深度突變特征不明顯，主要在90年代中期。青河站在70年代初和2000年代初期出現積雪深度的突變特征點，而布爾津站積雪突變年份主要出現在2000年代末期。

3.4 冬季積雪與氣溫、降雪相關性分析

積雪指標主要包括積雪深度、降雪天數以及積雪天數三個，結合各氣象站點積雪觀測數據，統計分析其和降雪量以及平均氣溫的相關性，見表3，此外結合R/S分析原理[14]，對阿勒泰地區各氣象站點積雪變化的持續性(Hurs指數)進行分析，見表4。

表3 阿勒泰地區積雪變化與氣象相關性分析結果

表4 阿勒泰地區各氣象站點積雪變化Hurs指數分析結果

從表3中可看出，阿勒泰地區冬季積雪深度和降雪量具有較好的相關性，相關系數達到0.795，這主要是因為積雪主要是固態降雪逐步累積形成的，冬季氣溫和積雪深度呈現負相關性，但不影響冬季氣溫和積雪深度的同步遞增變化，同樣可看出積雪天數和降雪天數均與冬季降雪和氣溫存在較好的相關性，有學者認為冬季降雪量變化并非是由氣溫的波動變化影響所致，冬季降雪量和氣溫相關獨立，均受到歐亞環流振蕩變化影響所控制的。

4 積雪變化對融雪洪水影響

[15]文獻研究結果表明新疆地區2月底積雪深度變化是發生春季融雪洪水的重要表征，為探討積雪變化對融雪洪水的影響，對阿勒泰地區全域2月底積雪深度進行統計分析，并對區域發生春季融雪洪水頻次的各月分布進行分析，結果如圖3所示。

圖3 阿勒泰地區積雪變化對融雪洪水影響

阿勒泰地區在2007、2008年2月底積雪深度顯著低于歷史同期均值，因此這兩個年份未出現春季融雪洪水，而在2005、2010、2011年2月底積雪深度明顯高于歷史同期均值，尤其是在2010年2月底積雪深度顯著高于歷史同期均值，因此發生融雪洪水的頻率較大，因此可以應用2月底積雪深度的變化作為發生春季融雪洪水的重要表征指標，當阿勒泰地區2月底積雪深度的距平百分率為正值時，尤其是各氣象站點觀測的積雪深度距平百分率均高于60%，則可以判定出現春季融雪洪水的概率較大，而若2月底積雪深度距平百分率為負值時，尤其是各氣象站點2月底積雪距平百分率低于20%時，發生春季融雪洪水的概率較低。因此可以將阿勒泰地區2月底積雪深度距平百分率作為發生春季融雪洪水的一個重要判定指標。從融雪洪水頻率各月分布特征可看出，阿勒泰地區融雪洪水最高頻次主要出現在3月下旬，5月下旬出現融雪洪水的頻率較低，近51年5月下旬出現融雪洪水頻次約為6%，從整體區域來看，阿勒泰地區在3—5月均可能出現融雪洪水，3月下旬至4月下旬是洪水易發期。

5 結論

(1)阿勒泰地區近51年來冬季平均氣溫和降雪量均存在顯著遞增趨勢，全區冬季氣溫和降雪線性傾向率均值分別為0.69℃/10a和6.43mm/10a。

(2)阿勒泰地區積雪深度近51年來突變特征不明顯，全區積雪深度突變較為明顯的特征點分布出現在1978、1983年。

(3)阿勒泰地區2月底積雪深度距平百分率是區域融雪洪水的重要判定指標，當2月底積雪深度的距平百分率為正值，且各氣象站點觀測的積雪深度距平百分率均高于60%，則春季融雪洪水的概率超過70%，而若為負值，且各站點距平百分率低于20%時，則概率低于20%。

(4)阿勒泰地區3月下旬至4月下旬是洪水易發期，高頻融雪洪水發生主要出現在3月下旬。