1960-2016年海河流域不同級別降雪時空變化特征分析

李 蘇，劉 彬，王樹謙，閆志宏，徐 丹

（河北工程大學水利水電學院，河北邯鄲 056038）

0 引 言

降雪是降水的固態形式［1］。作為我國北方冬季降水的主要形式，降雪是冬季河川徑流的重要補給來源［2］。降雪產生的積雪融水為北方農業灌溉的重要水源，對農作物的生長，緩解土壤墑情等十分有利，然而強降雪天氣則易引發雪崩、洪澇等自然災害，對農業生產、交通運輸、人類生命、財產安全等造成嚴重危害［3，4］。近年來，隨著氣候的持續變暖，水循環過程加速，強降雪天氣頻發，同時改變了降雪的時空分布。因此研究氣候變化背景下不同級別降雪的時空變化特征對了解氣候變化響應、水資源優化配置、制定防災減災政策具有一定的實際意義［3，5］。

目前，國內外學者對氣候變化背景下的降雪時空變化進行了大量研究，主要集中在積雪、降雪總量、極端降雪的時空變化方面，對不同級別降雪的時空變化特征研究相對較少［6］。同時現有研究中，降雪序列往往以冬季降水或0 ℃以下降水進行粗略估計，對雨夾雪中降雪量考慮不足，易造成降雪總量偏小的結果［7，8］，降水相態的不同直接影響預報的準確性，給人們生產生活帶來一定的影響，因此降水相態的判別是水文領域研究的重點［9，10］。水文研究層面常用的降水相態識別方法為單溫度閾值法和雙溫度閾值法，①單溫度閾值法，當溫度高于臨界溫度時，降水全部為降雨形式，當溫度低于臨界溫度時，降水全部為降雪形式［11，12］；②雙溫度閾值法，當溫度高于臨界高溫時，降水為降雨形式，當溫度低于臨界低溫時，降水為降雪形式，當溫度介于臨界低溫與臨界高溫之間時，則根據臨界溫度區間內降雪與氣溫的統計關系，確定降雪發生概率［13，14］；由于單溫度閾值法存在一定的局限性，雙溫度閾值法在降水相態識別中被廣泛應用。

海河流域作為華北地區受氣候變化影響最為顯著的地區之一，同時也是我國水資源短缺的流域之一，降雪作為冬季水資源的補給來源，對緩解海河流域水資源短缺起著一定的積極作用，然而當前海河流域降水時空變化研究中主要為總降水量、極端降水的時空變化趨勢，對不同級別降雪的時空變化特征分析研究較少，鑒于此，本文基于海河流域及周邊氣象站臺1960-2016年長期觀測資料，采用雙溫度閾值法進行降水相態識別，并以國家氣象部門劃分的降雪級別分析海河流域降雪量和降雪次數時空變化特征，并進一步研究降雪對氣候變暖的響應，旨在了解氣候變暖背景下降雪的響應機理，從而對海河流域水資源管理及優化配置提供依據。

1 研究區域、數據來源及方法

1.1 研究區域

海河流域總面積31.82 萬km2，東臨渤海，西倚太行，南界黃河，北接蒙古高原。總地勢為西北高東南低，大致分高原、山地及平原三種地貌類型。其中西部為黃土高原和太行山區，北部為蒙古高原和燕山山區，東部和東南部為平原。地跨北京、天津、河北、山西、山東、河南、內蒙古和遼寧等8個省，屬溫帶東亞季風氣候［15，16］。海河流域地理位置及地形圖如圖1所示。

圖1 海河流域地理位置及地形圖Fig.1 Geographical location and topographic map of Haihe River Basin

1.2 數據來源

本文采用數據資料來源于國家氣象信息中心提供的“中國地面氣候資料日值數據集”中海河流域及周邊43 個氣象站點1960-2016年逐日降水和氣溫數據資料，數據發布前已經過嚴格的質量控制，其完整性和準確性較高。站點分布圖如圖2 所示。由于海河流域地貌類型的不同，將海河流域劃分為太行山山區、燕山山區、沿海區、平原區。

圖2 海河流域站點分布圖Fig.2 Distribution map of stations in Haihe River Basin

1.3 研究方法

1.3.1 降雪指標

本文將逐日降雪量（＞0.1 mm）作為一次有效降雪事件，依據國家氣象部門劃分的降雪級別，小雪是指24 h 內降雪量達到0.1～2.5 mm；中雪是指24 h 內降雪量達到2.5～5 mm；大雪是指24 h 內降雪量達到5～10 mm；暴雪是指24 h 內降雪量達到10 mm及以上。

采用線性回歸分析法［17，18］、Mann-Kendall 非參數檢驗法［19-23］及Pearson 相關分析法［24］對海河流域不同級別降雪時空變化趨勢進行分析。

1.3.2 降雪識別方法

由于海河流域氣象數據集僅對1979年之前的降水數據進行了不同相態的劃分，1979年后降水數據未明確指出降雨、降雪、雨夾雪等降水相態。因此本文采用指數方程形式的雙溫度閾值法對海河流域降雪進行識別［25］，指數方程構建主要步驟為統計海河流域1979年之前各氣象站點不同溫度下降雪量占降雪量加降雨量之和的比值（暫不考慮雨夾雪），并繪制降雪比例與氣溫的相關關系圖，當日平均氣溫小于臨界低溫tmin時，降水相態全部為降雪，當日平均氣溫大于臨界高溫tmax時，降水相態全部為降雨，當日平均氣溫介于（tmin，tmax）時，降水為降雨、降雪、雨夾雪等相態，并且氣溫與降雪比例關系符合指數方程公式：

式中：p 為降雪量占降雪量和降雨量之和的比例；t 為日平均氣溫；a，b為指數方程經驗參數。

假定相同溫度下，雨夾雪中降雪比例亦符合此指數方程，則海河流域實測總降雪量為純降雪量和雨夾雪中降雪量之和，基于此驗證總降水量中的估計總降雪量［26，27］。

圖3 海河流域氣溫與降雪比例關系圖Fig.3 Diagram of relationship between the snowfall ratio and average daily temperature in Haihe River Basin

2 結果及分析

2.1 降雪識別及驗證

利用海河流域1960-1979年43 個氣象站氣溫與降水數據，統計分析氣溫與降雪比例的相關關系，以流域臨界氣溫（-13.1，14 ℃）作為降水混合相態的區間，選取1960-1969年為率定期，1970-1979年為驗證期，確定指數方程經驗參數a 為-2.1，b 為1.36。由圖4及表1可知，率定期和驗證期海河流域降雪相關系數均在0.90 以上，同時相對誤差在±5%以內。所獲得的降雪識別指數方程可對1980-2016年各氣象站點逐日降雪量進行識別。

圖4 海河流域實測總降雪量及估計總降雪量對比圖Fig.4 Comparison of measured and estimated total snowfall in Haihe River Basin

表1 1960-1979年實測總降雪量與估計總降雪量評價指標結果Tab.1 Evaluation index results of measured and estimated total snowfall from 1960 to 1979

2.2 各級別降雪時空變化特征分析

2.2.1 各級別降雪年際變化特征

本文根據1960-1979年建立的降雪識別指數方程對1980-2016年逐日降雪量進行識別，以此建立海河流域1960-2019年逐日降雪數據，并采用線性回歸分析法、Mann-Kendall 非參數檢驗法對海河流域1960-2016年不同級別降雪的年際變化趨勢進行分析。

由圖5及表2可知，1960-2016年海河流域各級別降雪量及降雪次數均呈減少趨勢，其中小雪降雪量及降雪次數變化速率分別為-0.018 mm∕10 a、-0.004 次∕10 a；中雪降雪量及降雪次數變化速率分別為-0.019 mm∕10 a、-0.004 次∕10 a；大雪降雪量及降雪次數變化速率分別為-0.027 mm∕10 a、-0.004 次∕10 a；暴雪降雪量及降雪次數變化速率分別為-0.019 mm∕10 a、-0.002 次∕10 a；各級別降雪量及降雪次數均未達到顯著性水平（p＞0.05）。由此可見，海河流域各級別降雪量及降雪次數總體呈減少趨勢，且變化趨勢不顯著。這與張志富等［5］在對中國降雪時空變化特征分析中華北地區不同級別降雪均呈減少趨勢的結論一致。

表2 海河流域各區域不同級別降雪量、降雪次數氣候傾向率Tab.2 Climatic tendency rate of snowfall amount and snowfall times of different grades of Haihe River Basin

圖5 1960-2016年海河流域不同級別降雪年際變化趨勢圖Fig.5 Interannual variation trend of different levels of snowfall in Haihe River Basin from 1960 to 2016

從海河流域各地貌類型分析來看，太行山區不同級別降雪量及降雪次數總體呈顯著減少趨勢。暴雪量減少速率最大，為-1.16 mm∕10 a；降雪次數方面，小雪降雪次數減少速率最大。燕山山區降雪量及降雪次數呈不顯著增加趨勢，其中暴雪量增加速率最大。平原區降雪量及降雪次數呈不顯著減少趨勢，沿海區除小雪量呈減少趨勢外，其他級別降雪呈不顯著增加趨勢。

綜上分析，海河流域不同級別降雪量及降雪次數總體呈不顯著減少趨勢，但由于海河流域不同地貌類型區地理位置、海拔高度及降水特征等條件存在差異，因此各地貌類型區降雪趨勢變化有所不同。

2.2.2 各級別降雪量及降雪次數變化的空間差異性

通過分析海河流域1960-2016年逐站點不同級別降雪的年際變化趨勢，獲得了海河流域各級別降雪變化趨勢空間分布。不同級別降雪變化趨勢在空間上存在一定的差異，詳見圖6。太行山區小雪降雪量和降雪次數分別有54%、42%站點氣候傾向率為負，其中17%、20%的站點顯著減少，中雪降雪量及降雪次數變化情況相似，減少趨勢的站點（83%）多于增加趨勢站點，其中60%、93%的站點顯著減少，大雪降雪量及降雪次數均有52%站點氣候傾向率為負，且均通過p=0.05 水平顯著性檢驗，暴雪降雪量及降雪次數變化趨勢類似于大雪，且均通過p=0.05水平顯著性檢驗。

圖6 海河流域各級別降雪空間變化趨勢圖Fig.6 Spatial variation trend of snowfall in Haihe River Basin

燕山山區小雪降雪量和降雪次數分別有42%、25%站點氣候傾向率為負，均未通過0.05 水平顯著性檢驗，中雪降雪量及降雪次數均有25%站點氣候傾向率為負，其中0%、90%的站點顯著減少，大雪降雪量及降雪次數均有25%站點氣候傾向率為負，且均通過0.05 水平顯著性檢驗，暴雪降雪量及降雪次數氣候傾向率為負的站點為33%、42%，且均通過0.05 水平顯著性檢驗。

平原區小雪降雪量和降雪次數分別有64%、45%站點氣候傾向率為負，其中28%、40%的站點顯著減少，中雪降雪量及降雪次數氣候傾向率為負的站點均為45%，其中60%、95%站點顯著減少，大雪降雪量及降雪次數氣候傾向率為負的站點為73%、55%，且均通過p=0.05 水平顯著性檢驗，暴雪降雪量及降雪次數變化趨勢類似于大雪，且均通過p=0.05 水平顯著性檢驗。

沿海區小雪降雪量和降雪次數分別有88%、50%站點氣候傾向率為負，均未通過p=0.05 水平顯著性檢驗，中雪降雪量及降雪次數呈減少趨勢站點均為25%，其中50%、95%的站點顯著減少，大雪降雪量及降雪次數氣候傾向率為負的站點為50%、63%，且均通過p=0.05 水平顯著性檢驗，暴雪降雪量及降雪次數變化趨勢與大雪類似，且均通過0.05水平顯著性檢驗。

經上分析，1960-2016年海河流域各氣象站點不同級別降雪量及降雪次數在太行山區、平原區總體為減少趨勢，在燕山山區、沿海區總體為增加趨勢；即使在同一地貌類型區，各站點的降雪變化趨勢亦有所不同。

2.3 降雪對氣候變化的響應

利用SPSS軟件Pearson 相關分析法分析了海河流域各級別降雪與降雪發生時溫度的相關性。由表3 可知，小雪和中雪降雪量、降雪次數與溫度的相關系數均為負值，大雪和暴雪降雪量、降雪次數與溫度的相關系數均為正值，說明小雪、中雪的降雪量及降雪次數與溫度呈負相關，大雪、暴雪的降雪量及降雪次數與溫度呈正相關；同時，從顯著性水平來看，各級別降雪量及降雪次數與溫度的相關性均未通過0.05 水平顯著性檢驗，呈不顯著相關。綜上分析，海河流域大雪、暴雪降雪量和降雪次數隨著氣溫的升高均呈不顯著上升趨勢，而小雪、中雪反呈不顯著下降趨勢。

表3 海河流域各級別降雪與溫度的相關關系Tab.3 Correlation between snowfall and temperature in Haihe River Basin

通過對比分析各站點不同級別降雪發生時的平均溫度，暴雪發生時的溫度集中在［-5.50，-0.12］℃，大雪發生時的溫度集中在［-6.97，-0.85］℃，中雪發生時的溫度集中在［-8.76，-0.42］℃，小雪發生時的溫度集中在［-8.63，0.23］℃，其中80%的站點暴雪發生時的溫度高于其他級別降雪，主要位于太行山區和燕山山區，20%的站點暴雪發生時的溫度低于其他級別降雪，主要位于平原區和沿海區，詳見圖7。從各地貌類型區不同級別降雪發生時的溫度來看，小雪發生時平均溫度由大到小依次為平原區（-0.96 ℃）＞沿海區（-1.36 ℃）＞太行山區（-3.68 ℃）＞燕山山區（-4.94 ℃），中雪發生時平均溫度由大到小依次為平原區（-1.27 ℃）＞沿海區（-1.84 ℃）＞太行山區（-3.31 ℃）＞燕山山區（-3.70 ℃），大雪發生時平均溫度由大到小依次為平原區（-1.55 ℃）＞沿海區（-1.63 ℃）＞太行山區（-2.71 ℃）＞燕山山區（-2.97 ℃），暴雪發生時平均溫度由大到小依次為平原區（-1.23 ℃）＞太行山區（-1.61 ℃）＞沿海區（-1.67 ℃）＞燕山山區（-2.44 ℃）。總體來看，海河流域各站點暴雪發生時的溫度高于其他級別降雪，除平原區和沿海區的部分站點外；各級別降雪發生時的平均溫度由大到小依次為平原區＞沿海區＞太行山區＞燕山山區，僅暴雪發生時太行山區的平均溫度略高于沿海區。

圖7 各區域不同級別降雪發生時的平均溫度條件Fig.7 Average temperature conditions of different snowfall levels in different regions

3 結 論

本文基于1960-2016年海河流域及周邊43 個氣象站點觀測資料，采用雙溫度閾值法對1979年之前降雪進行識別及驗證，建立海河流域1960-2016年降雪數據，并以國家氣象部門劃分的降雪級別分析海河流域1960-2016年降雪時空變化特征。研究結果表明：

（1）建立的海河流域降雪識別指數方程能夠較好地估計各氣象站點的降雪量，率定期和驗證期各分區站點估計總降雪量與實測總降雪量相關系數均在0.90 以上，相對誤差在±5%以內。

（2）1960-2016年間海河流域各級別降雪年際變化總體呈不明顯減少趨勢，但由于海河流域不同地貌類型區地理位置、海拔高度及降水特征等條件存在差異，各地貌類型區降雪趨勢變化有所不同。海河流域太行山區降雪量和降雪次數總體呈顯著減少趨勢；平原區降雪量和降雪次數總體也呈減少趨勢，但不顯著；而燕山山區、沿海區降雪量和降雪次數總體反呈增加趨勢。

（3）經分析各級別降雪與溫度的相關性及各級別降雪發生時的溫度，大雪、暴雪的降雪量及降雪次數與溫度呈正相關，小雪、中雪的降雪量及降雪次數與溫度呈負相關。各站點暴雪發生時的溫度高于其他級別降雪，除平原區和沿海區的部分站點外；平原區各級別降雪發生時的溫度高于太行山區、燕山山區和沿海區。 □