11张志富z

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宛附易
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1 第 37 卷第 9 期 2015 年 9 月 2015,37(9): Resources Science Vol.37,No.9 Sept.,2015 文章编号 : (2015) 年中国降雪时空变化特征分析张志富 1, 希爽 2, 刘娜 1, 余予 1, 范邵华 1 1, 冯明农 (1. 国家气象信息中心, 北京 ;2. 国家卫星气象中心, 北京 ) 摘要 : 利用年中国有固态降水观测且序列完整的多站逐日降水量和天气现象数据, 建立了完整性较好的降雪序列, 选取雪季长度降雪量降雪日数降雪强度和最大降雪量 5 个指标, 分区域研究了中国降雪的时空变化特征结果表明 : 中国降雪在空间上主要分布在青藏高原地区东北地区以及新疆天山以北地区 ; 中国大部分地区降雪量以小雪等级占主要, 华中地区以暴雪等级的降雪量占主要 ;5 个区域的降雪日数均以小雪等级占主要, 华中地区占 65%, 其余区域占 84% 左右 ;5 个区域的雪季长度均为缩短趋势, 新疆北部地区主要由于雪季开始期大幅滞后, 青藏高原地区华北地区和华中地区主要由于雪季结束期大幅提前, 东北和内蒙古东北部雪季缩短的原因中, 雪季开始期滞后和雪季结束期提前各占一半 ; 在降雪的时间变化上, 新疆北部地区, 降雪量和降雪日数为增加趋势, 大雪等级降雪显著增加, 东北和内蒙古东北部地区的降雪量和降雪日数无显著变化, 其余 3 个区域的降雪量和降雪日数均有显著减少趋势, 其中青藏高原地区暴雪和小雪等级的降雪量显著减少, 华北地区的小雪等级降雪量减少显著, 华中地区大雪和小雪等级降雪量减少显著关键词 : 雪季长度 ; 降雪量 ; 降雪日数 ; 趋势分析 1 引言降雪是降水的固态形式, 与其相关的积雪覆盖雪面反射率等特性是全球能量平衡模型中的重 [1] 要因子, 降雪对于农作物生长干旱区水补给空气污染物消散等都有积极的影响, 但大范围或强降雪的发生, 会给交通运输能源供应电力设施农业生产等造成灾害性的影响例如 :1977 年 10 月, 内蒙古出现一次大暴雪过程, 造成特大白灾, 锡林郭勒盟死亡牲畜 215 万头 ( 只 ), 占当时该盟牲畜总数的 25% [2] 近年来人们对积雪进行了大量的研究, 北半球大部分地区的积雪覆盖面积有衰退趋势积雪覆盖 [3,4] 时间有减少趋势, 而中国西部积雪有缓慢增加趋 [5,6] 势秦大河指出, 中国三大积雪区在青藏高原地 [7] 区新疆北疆和天山地区东北和内蒙古地区韦志刚等通过对青藏高原积雪分布的研究, 发现高原 [8] 积雪年际变化最显著的地方在高原东部罗勇认为, 青藏高原积雪覆盖面积的变化, 通过影响大气 [9] 的增温率改变季风的进程, 从而影响北方降水钱永甫等指出青藏高原积雪异常通过湿土壤与 [10] 大气的相互反馈作用影响中国夏季风王秋香等发现新疆北疆积雪日数有长期增加的趋势, 但增加 [11] 趋势不显著王澄海等的研究也指出新疆北部 [12] 青藏高原东部地区积雪日数有同步增加势李栋梁等分析指出, 年黑龙江省积雪初日有 [13] 逐渐偏迟趋势赵春雨等指出辽宁省积雪初日无 [14] 显著变化, 积雪终日呈波动中提前趋势目前对降雪的研究主要是针对强暴风雪的过 [15-17] [18,19] 程分析动力机制及数值模拟, 或针对特定 [20,21] 区域进行降雪特征分析, 对中国区域降雪的时 [22] 空变化特征的研究较少本文以最新的基础资料专项工作修改订正过后的国家级个台站降水观测数据和天气现象数据为基础 ( 该资料质量和完 [23] 整性较之前均有明显改善 ), 建立中国地区降雪数收稿日期 : ; 修订日期 : 基金项目 : 国家重点基础研究发展计划项目 (973 计划 )(2010CB951600); 中国气象局气象关键技术集成与应用项目 (CMAGJ2014M69); 财政部公益性行业 ( 气象 ) 科研专项 (GYHY ); 中国气象局气象新技术推广项目 (CMATG2008Z12); 中国气象局基建项目 : 全国自动站实时资料质量控制与综合评估系统建设作者简介 : 张志富, 男, 河北唐山人, 博士, 从事气象资料处理分析研究 zzfrain@126.com

2 1766 资源科学第 37 卷第 9 期据序列, 并分析研究中国区域降雪的空间分布和时间演变规律, 更好地解析中国降雪的时空变化特征 2 数据来源与分析方法 2.1 数据来源所用数据为国家气象信息中心发布的中国国家级地面个台站逐日降水和天气现象观测资料, 其中日降水和天气现象数据较之以前共修改或补充缺测数据超过 250 万条, 数据修正率达到 [23] 1.19%, 资料质量和完整性较之前均有明显改善选取有固态降水观测且观测序列完整的多台站 1960/ /2012 年的观测资料, 中国降雪观测站点分布及分区见图 1 以上一年 8 月 1 日至当年 7 月 31 日为一个降雪年度, 利用天气现象观测中只有固态降水现象发生的降水量建立降雪序列, 选取与降雪相关的降雪指标 ( 表 1), 分析中国降雪的时空变化特征 2.2 分析方法中国地域辽阔地形多变, 而降雪的分布和变化又易受到局地气候和地形的影响, 因此, 有必要 [24] 对中国降雪进行分区域研究和分析利用降水量和天气现象数据建立各站历年降雪量序列, 对该序列进行 EOF 分解, 其前 4 个特征值所对应的典型场描述精度超过 86%( 图略 ); 典型场显示中国主要降雪分布在青藏高原新疆北部东北和内蒙古东北部, 其次为华北和华中地区按照前 4 个典型场的图 1 中国降雪观测站点分布及分区 Figure 1 Distribution of snowfall observation stations and five regions in China 表 1 降雪指标 Table 1 The index of snowfall 指标定义降雪年从上年 8 月 1 日至当年 7 月 31 日雪季长度降雪年内第一天和最后一天出现纯固态降水天气现象日期之间的天数降雪量降雪年内纯雪的雪量合计降雪日数雪季内出现降雪的日数降雪强度降雪量与降雪日数比值最大降雪量雪季内日降雪量最大值暴雪日数和雪量雪季内日降雪达到暴雪标准 ( 10mm) 的降雪天数与降雪总量大雪日数和雪量雪季内日降雪量 5mm 且 <10mm 的降雪天数与降雪总量中雪日数和雪量雪季内日降雪量 2.5mm 且 <5mm 的降雪天数与降雪总量小雪日数和雪量雪季内日降雪量 <2.5mm 的降雪天数与降雪总量分布, 划分 5 个区域 ( 图 1): 新疆北部东北和内蒙古东北部青藏高原华北华中, 分区研究中国降雪的分布特征 3 降雪空间特征年平均雪季长度超过 150d 的地区主要分布在青藏高原地区新疆北部东北和内蒙古东北部, 其中青藏高原部份地区超过 200d, 华中大部分地区在 10~30d 之间 ( 图 2a); 年平均降雪量, 长江流域地区在 5mm 左右华北平原和河套地区在 10mm 左右, 青藏高原巴彦喀拉山东段和藏北高原东南部地区东北大小兴安岭以北及长白山地区以及新疆天山以北地区超过 30mm( 图 2b); 年平均降雪日数 ( 图 2c) 分布与降雪量类似, 长江流域地区在 3d 左右华北平原和河套地区地区在 12d 左右, 青藏高原地区东北地区及新疆天山以北地区在 30d 左右 ; 中国年平均降雪强度不大, 北方和西部大部分地区在 (1.0~ 1.5)mm/d, 华北平原南部地区在 (1.5~2.5)mm/d, 超过 2.5mm/d 的主要分布在长江中下游地区 ( 图 2d); 日最大降雪量超过 30mm 的站分布在东北小兴安岭长白山地区新疆天山地区和青藏高原地区以及长江中下游地区, 华北平原地区的日最大降雪量在 20mm 左右, 中国中西部地区均在 15mm 以下 ( 图 2e) 图 3 为不同等级降雪量和降雪日数的分布比

3 2015 年 9 月张志富等 : 年中国降雪时空变化特征分析 1767 图年年平均降雪要素的空间分布 Figure 2 Spatial distribution of the annual averaged snowfall values from 1961 to 2012 例, 在降雪量的分布上 ( 图 3a), 新疆北部地区 37% 的降雪量来自小雪, 中雪和大雪分别占 28% 和 24%, 暴雪占 11%; 东北和内蒙古东北部地区 40% 的降雪量来自小雪, 中雪和大雪分别占 25% 和 21%, 暴雪占 14%; 青藏高原 41% 的降雪量来自小雪, 中雪和大雪分别占 27% 和 21%, 暴雪占 11%; 华北 33% 的降雪量来自小雪, 中雪和大雪分别占 28% 和 26%, 暴雪占 13%; 华中 18% 的降雪量来自小雪, 中

4 1768 资源科学第 37 卷第 9 期图 3 各区域降雪要素不同等级占相应总量的百分比 ( 相关具体数据详见第 3 章文字分析 ) Figure 3 Different levels percentage of fall-snow values in five regions(exact data in analyses of the section 3) 雪和大雪分别占 20% 和 29%, 暴雪占 33% 除华中地区降雪量的主要贡献来自暴雪外, 其他 4 个区域降雪量的主要贡献均来自小雪 ; 在降雪日数的分布上 ( 图 3b),5 个区域的降雪日数均为小雪日数占主要, 华中地区小雪日数占总日数的 65% 左右, 其他 4 个区域小雪日数占总日数的 84% 左右 ; 中雪日数大雪日数暴雪日数在华中地区分别占总日数的 17% 12% 和 6%, 在其他四个区域分别占 10% 5% 和 1% 4 降雪时间特征图 4 为中国 5 个区域的区域平均雪季长度雪季开始日期雪季结束日期及其相应的线性变化趋势 5 个区域雪季长度的时间变化均为缩短趋势, 新疆北部地区递减率为 4.3d/10a( 未通过 0.05 显著性水平 ), 主要原因为其雪季开始期显著性滞后 ( 滞后率达 3.8d/10a, 通过 0.05 显著性水平 )( 图 4a1 图 4b1 图 4c1); 东北和内蒙古东北部的递减率约为 5d/10a( 通过 0.01 的显著性水平 ), 雪季缩短的原因中, 雪季开始期滞后和雪季结束期提前各占一半 ( 均未通过 0.05 显著性水平 )( 图 4a2 图 4b2 图 4c2); 青藏高原地区缩短趋势最明显 ( 通过 0.01 的显著性水平 ), 递减率达到 6.78d/10a, 原因为雪季结束期大幅提前, 每 10 年提前 4d( 通过 0.05 显著性水平 ), 雪季开始期有所滞后 (2.7d/10a)( 图 4a3 图 4b3 图 4c3); 华北地区雪季缩短主要由于雪季结束期大幅提前, 每 10 年提前 5.5d, 均未通过 0.05 显著性水平 ( 图 4a4 图 4b4 图 4c4); 华中地区平均雪季长度的递减率为 4.1d/10a( 未通过 0.05 显著性水平 ), 雪季结束期和雪季开始期均大幅提前 (11.5d/ 10a 7.4d/10a), 均未通过 0.05 显著性水平 ( 图 4a5 图 4b5 图 4c5) 从各区域的降雪量变化来看, 新疆北部地区降雪量有增加趋势, 增长率为 0.15mm/10a( 图 5a1), 其中大雪等级的降雪量有显著增加趋势, 通过 0.05 显著性水平 ( 表 2); 东北和内蒙古东北部地区降雪量变化趋势不明显 ( 图 5a2), 各等级降雪量也无显著变化趋势 ( 表 2), 说明该区域降雪量近 50 年无显著性变化 ; 青藏高原地区的降雪量有明显的二阶趋势, 先增大后减少, 在 1977 年左右达到最大, 线性递减率为 0.22mm/10a( 图 5a3), 暴雪大雪和小雪等级的降雪量均有显著减少趋势 ( 通过 0.05 显著性水平 )( 表 2); 华北地区和华中地区的降雪量均有减少趋势, 递减率分别为 0.21mm/10a 和 0.16mm/10a( 图 5a4 图 5a5), 华北地区小雪等级的降雪量有显著减少趋势 ( 通过 0.05 显著性水平 ), 华中地区大雪和小雪等级的降雪量有显著减少趋势 ( 通过 0.05 显著性水平 )( 表 2) 在各区域降雪日数的变化中, 新疆北部地区降雪日数有增加趋势, 增长率为 0.12d/10a( 图 5b1), 其中大雪等级的降雪日数有显著增加趋势, 通过

5 2015 年 9 月张志富等年中国降雪时空变化特征分析 1769 注 * **分别表示通过了 0.05 和 0.01 信度检验图 4 雪季时间序列变化及线性趋势 Figure 4 The changing of the snowfall season and its linear trends

6 1770 资源科学第 37 卷第 9 期图 5 标准化序列变化 Figure 5 Standardization series changing

7 2015 年 9 月张志富等 : 年中国降雪时空变化特征分析表 2 各区域平均年序列的 Mann-Kendall 趋势检验 Zc 值 1771 Table 2 Mann-Kendall test value Zc of annual averaged series in five regions 降雪量降雪日数区域新疆北部东北和内蒙古东北部青藏高原华北华中新疆北部东北和内蒙古东北部青藏高原华北华中暴雪 * * 大雪 1.95* * * 1.99* * 中雪小雪 * -2.34* -1.97* * -2.73** -2.23* 注 :* 和 ** 分别表示通过了 0.05 和 0.01 显著性水平总计 * * -2.23* -2.23* 显著性水平 ( 表 2); 东北和内蒙古东北部地区降雪日数有减少趋势, 递减率为 0.14d/10a( 图 5b2), 各等级的降雪日数无显著变化趋势 ( 表 2); 青藏高原地区的降雪日数也有明显的二阶趋势, 先增大后减少, 在 1980 年左右达到最大, 线性递减率为 0.25d/ 10a( 图 5b3), 暴雪和小雪等级的降雪日数有显著减少趋势, 通过 0.05 显著性水平 ( 表 2); 华北地区和华中地区的降雪日数均有减少趋势, 递减率均为 0.22d/10a( 图 5b4 图 5b5), 华北地区的小雪等级降雪日数有显著减少趋势, 通过了 0.01 显著性水平, 华中地区大雪和小雪等级的降雪日数有显著减少趋势, 通过 0.05 的显著性水平 ( 表 2) 总之, 新疆北部地区的大雪等级降雪显著增加, 降雪量和降雪日数为增加趋势 ; 东北和内蒙古东北部地区, 降雪日数有所减少, 但降雪量无明显变化 ; 其余三个区域的降雪量和降雪日数均有减少趋势, 其中青藏高原地区的暴雪大雪和小雪等级的降雪明显减少, 华北地区小雪等级降雪减少显著, 华中地区大雪和小雪等级降雪减少显著 5 结论 (1) 中国降雪分布空间差异显著, 年平均雪季长度超过 200d 的区域主要分布在青藏高原地区, 新疆北部东北和内蒙古东北部雪季长度在 150~200d 之间, 华中大部分地区雪季长度在 10~30d 之间 ; 降雪量和降雪日数的空间特征相似, 大值主要分布在青藏高原地区东北地区以及新疆天山以北地区, 次大值在河套地区和华北平原 ; 中国大部分台站年平均降雪强度不大, 在 1.5mm/d 左右, 长江中下游部分地区达到 2.5mm/d (2) 各等级降雪量所占的比率中, 华中地区, 暴雪占主要, 达到 33%, 其次为大雪和中雪, 小雪占 18%, 其他 4 个区域均以小雪占主要, 超过 33%, 其次为中雪和大雪, 暴雪占 13% 左右 ; 各等级降雪日数所占的比率中,5 个区域均为小雪日数占主要, 华中地区占 65%, 其余 4 个区域占 84% 左右 (3)5 个区域的雪季长度均为缩短趋势, 新疆北部地区雪季缩短主要由于雪季开始期大幅滞后 ; 东北和内蒙古东北部地区雪季缩短原因中, 雪季开始期滞后和雪季结束期提前各占一半 ; 青藏高原地区缩短趋势最明显, 达到 6.78d/10a, 主要由于雪季结束期大幅提前 ; 华北地区和华中地区雪季缩短主要由于雪季结束期提前引起 (4) 在降雪量的时间变化上, 新疆北部地区为弱增长趋势, 大雪等级的降雪量显著性增加 ; 东北和内蒙古东北部地区变化趋势不明显 ; 青藏高原地区为显著性减少趋势, 递减率为 0.22mm/10a, 暴雪大雪和小雪等级的降雪量均有显著减少趋势 ; 华北和华中地区也为减少趋势, 华北地区小雪等级的降雪量有显著减少趋势, 华中地区大雪和小雪等级的降雪量有显著减少趋势 ; (5) 在降雪日数的时间变化上, 新疆北部地区为弱增长趋势, 其中大雪等级的日数增长明显, 其余 4 个区域均为减少趋势, 东北和内蒙古东北部地区减少趋势不明显, 青藏高原地区暴雪和小雪等级

8 1772 资源科学第 37 卷第 9 期的日数显著性减少, 华北地区小雪等级的日数减少明显, 华中地区小雪和大雪等级的日数减少明显参考文献 (References): [ 1 ] 王建, 李硕. 气候变化对中国内陆干旱区山区融雪径流的影响 [J]. 中国科学 (D 辑 ): 地球科学,2005,35(1): [ 2 ] 宫德吉, 李彰俊. 内蒙古大 ( 暴 ) 雪与白灾的气候学特征 [J]. 气象,2000,26(12): [ 3 ] Dye D S. Variability and trends in the annual snow-cover cycle in Northern hemisphere land areas [J]. Hydrological Processes,2002,16(15): [ 4 ] Brown R D. Northern hemisphere snow cover variability and change [J]. Journal of Climate,2000,13(13): [ 5 ] Qin D H,Li S Y,Li P J. Snow cover distribution variability and response to climate change in Western China[J]. Journal of Climate,2006,19(9): [ 6 ] 刘艳, 阮惠华, 张云惠, 等年至 2008 年新疆北疆地区积雪的时空演变特征 [J]. 资源科学,2012,34(4): [ 7 ] 秦大河. 中国气候与环境演变 [M]. 北京 : 气象出版社,2005. [ 8 ] 韦志刚, 黄荣辉, 陈文, 等. 青藏高原地面站积雪的空间分布和年代际变化特征 [J]. 大气科学,2002,26(4): [ 9 ] 罗勇. 青藏高原冬春季雪盖对东亚夏季大气环流影响的研究 [J]. 高原气象,1995,14(4): [10] 钱永甫, 张艳, 郑益群. 青藏高原冬春季积雪异常对中国春夏降水的影响 [J]. 干旱气象,2003,21(3):1-5. [11] 王秋香, 张春良, 刘静, 等. 北疆积雪深度和积雪日数的变化趋势 [J]. 气候变化研究进展,2009,5(1): [12] 王澄海, 王芝兰, 崔洋. 40 余年来中国地区季节性积雪的空间分布及年际变化特征 [J]. 冰川冻土,2009,31(2): [13] 李栋梁, 刘玉莲, 于宏敏, 等年黑龙江省积雪初终日期变化特征分析 [J]. 冰川冻土,2009,31(6): [14] 赵春雨, 严晓瑜, 李栋梁, 等年辽宁省积雪变化特征及其与温度降水的关系 [J]. 冰川冻土,2010,32(3): [15] Braham R R. The midwest snow storm of 8-11 December 1977[J]. Monthly Weather Reviewer,1983,111(2): [16] Pearce R,Lloyd D,Mcconnell D. The post-christmas-french storms of 1999[J]. Weather,2001,56(3): [17] 王迎春, 钱婷婷, 郑永光. 北京连续降雪过程分析 [ J]. 应用气象学报,2004,5(1): [18] 王文, 程麟生高原暴雪过程三维条件性对称不稳定的数值研究 [J]. 高原气象,2002,21(3): [19] 姜学恭, 李彰俊, 康玲, 等. 北方一次强降雪过程的中尺度数值模拟 [J]. 高原气象,2006,25(3): [20] 李效收, 张明军, 汪宝龙, 等. 天山地区冬季降雪量及其集中度和集中期的变化特征 [J]. 资源科学,2012,34(8): [21] 王颖, 赵春雨, 严晓瑜, 等年辽宁省降雪量和降雪日数的气候变化特征 [J]. 冰川冻土,2011,33(4): [22] 孙秀忠, 罗勇, 张霞, 等. 近 46 年来中国降雪变化特征分析 [J]. 高原气象,2010,29(6): [23] 任芝花, 余予, 邹凤玲, 等. 部分地面要素历史基础气象资料质量检测 [J]. 应用气象学报,2012,23(6): [24] 李培基. 近 30 年来中国雪量变化的初步探讨 [J]. 气象学报, 1990,48(4):

9 2015 年 9 月张志富等 : 年中国降雪时空变化特征分析 1773 Snowfall change characteristics in China from 1961 to 2012 ZHANG Zhifu 1,XI Shuang 2,LIU Na 1,YU Yu 1,FAN Shaohua 1,FENG Mingnong 1 (1. National Meteorological Information Center,Beijing ,China; 2. National Satellite Meteorological Center,Beijing ,China) Abstract:The paper studies snowfall change characteristics in China using the relative index of snowfall from 1961 to 2012,based on daily precipitation and human observed weather phenomenon from 1400 stations. Results indicate that the distribution of snowfall is inhomogeneous spatially. The maximum snowfall season range,snowfall value and snowfall days were north of Sinkiang,northeast China and the Tibetan Plateau,respectively. The snowfall value of heavy snow is the chief class in Central China,and the snowfall value of light snow is the chief class in other regions. Snowfall days for light snow is the chief class in all five regions;it is 65% in the Central China and about 84% in other region. The snowfall season range is decreasing in all five regions,the snowfall season end date has evidently moved up in the Tibetan Plateau,North China Plain and Central China;the snowfall season origin date has been delayed north of Sinkiang. Changes are not evident in northeast China. In the time series trend analysis,the snowfall value and snowfall days are increasing north of Sinkiang because,its great snow is increasing. Snowfall days and snowfall value have no evident trend in the northeast of China. In the other regions,the snowfall value and snowfall days are decreasing;heavy snow and light snow are decreasing on the Tibetan Plateau;light snow is decreasing on the North China Plain;and great snow and light snow are decreasing in Central China. Key words:snowfall season range;snowfall value;snowfall days;trend analysis

mm 400 mm 15 mm EOF mm/10a Fig. 1 Distributions

mm 400 mm 15 mm EOF mm/10a Fig. 1 Distributions 7 2 2011 3 ADVANCES IN CLIMATE CHANGE RESEARCH Vol. 7 No. 2 March 2011 1673-1719 (2011) 02-0097-07 1961 2007 77 5 5 6 2 3 8 11 1980 1980 1990 2015 8 11 P426.6 A 7.86% 4 50 0.35 5 6 19 7 8 9 1 1906 2005