秦岭区域性高山积雪事件变化特征分析

韩 婷，雷向杰，李亚丽，王毅勇

（1.宝鸡文理学院，陕西宝鸡，721013；2.陕西省气候中心，陕西西安，710014；3.陕西省气象信息中心，陕西西安710015）

0 引言

IPCC第五次评估报告指出：继续排放温室气体将进一步提高全球温度，全球气候变暖是人类正在面临的一个重要问题［1］。积雪作为冰冻圈三大要素之一，具有超高的反照率、热传导性差等特征，在一定程度上可以对全球气候变暖做出敏感的响应［2-4］。积雪在融化的过程中会引起大气环流变化，积雪也是重要的淡水资源，影响地表径流的变化［5］。

若全球气温升高1.5℃，北半球冻土南界将会北移，冬季和春季的雪水当量也会一致减少［6］。随着卫星监测技术的发展，研究发现由于气温升高北半球积雪自20世纪80年代以来逐渐减少［7］。在国际上，对于积雪变化也有大量研究，Frei等［8］通过研究北美洲冬季积雪变化，发现自1930—1980年，积雪呈增加趋势，1980年后呈减少趋势。利用MODIS积雪产品，结合北极动植物群落调查，推测出北极积雪将会更薄［9］。Malgorzata等［10］通过对波兰地区积雪深度、积雪日数、积雪初终间日数的研究，发现北大西洋涛动对该地区影响较大。

气候变暖将对处于较暖气候区的积雪产生较大威胁［11］，众多学者通过对中国近几十年来积雪变化分析，得出东北、新疆北部和青藏高原中东部为中国积雪日数和最大积雪深度的三个高值区，这三大积雪区积雪日数减少，是由于气温升高导致的［12-15］。

在东北地区，积雪反照率在积累期、稳定期、消融期差异大，积累期反照率为最大值，积雪持续时间与海拔有很大的关系［16-17］。近40 a，东北地区年平均积雪日数93 d，春季积雪日数的增加，使年积雪日数呈增加趋势，但是积雪深度呈现减少趋势，其中春季减少速率最大［18-19］。

对新疆地区近年来积雪变化的研究发现，积雪日数逐渐减少，积雪深度有所增加，积雪面积在不同季节、不同海拔有不同表现，海拔4 000～5 000 m积雪面积最大［20-22］。积雪变化对当地冰雪灾害与径流变化也具有重要的影响，由于气候变化的作用，新疆地区洪水发生次数有所增加，气温升高导致河流径流变化明显［23-24］。

在青藏高原区，通过运用卫星遥感资料与地面气象站观测资料相结合，发现积雪日数的减少主要受北大西洋海温异常、气温升高等原因的影响，在不同地区积雪开始累积的时间不同，南部最先累积，其后向东向西发展，由于人类活动的影响，部分山区积雪范围有下降趋势［25-28］。

秦岭山脉作为中国重要的气候分界线，秦岭山区积雪长期变化对区域气候有重要的影响，同时积雪变化也是气候变化区域响应的直接反映。胡胜等［29］通过小波分析得出气候变化对秦岭北坡灞河流域的影响存在明显的周期性。陈超男等［30］对秦岭山地的植被覆盖垂直差异对气候因子的响应进行研究。相关学者通过对1960年以来秦岭地区气候变化的研究，发现气温呈上升趋势［31-33］。白红英等［34］研究发现，50年来秦岭山区1月0℃等温线呈上升趋势，平均上升高度143.7 m。雷向杰等［35］通过对1962—2014年太白山积雪变化研究，得出太白山低山区积雪日数减少，深度变浅，西部中高山区积雪日数减少，气温升高是积雪减少的主要原因的结论。

然而，现阶段对秦岭山区积雪变化研究较少，对秦岭高山积雪的研究更少。相对于我国三大积雪区，秦岭高山区气象站点稀少，相关研究更加欠缺。本文利用37年来秦岭山区32个气象站的高山积雪观测记录，将原始纸质记录进行电子录入、整理，结合气温与降水资料，分析秦岭高山积雪事件变化特点。研究结果不但可弥补我国中部山地积雪研究不足，也可服务于当地应对气候变化及水资源供给方案，以及为秦岭生态环境保护和国家公园建设提供参考。

1 研究区概况

秦岭位于我国中部，东西走向，秦岭南北坡气候差异大，本文选取秦岭陕西段为研究对象。位于32.8°～34.4° N、105.5°～111.1° E，面积约6.68×104km²。北坡峡谷众多，地形较为陡峭，与关中平原接壤，南坡坡势较缓，与巴山相连。秦岭是我国重要的地理分界线，是1月0℃等温线分界线、800 mm年降水量线、亚热带季风气候带和温带季风气候带的分界线，秦岭对区域小气候的调节具有重要的意义。

2 资料与方法

本文使用1980—2016年度秦岭山区陕西境内32个国家气象站数据，其中选取秦岭北坡户县、华阴、潼关、华县、蓝田、华山、长安、周至、眉县、宝鸡、凤县、洛南、太白共13个区县，南坡包括安康、旬阳、汉阴、石泉、紫阳、山阳、商南、丹凤、镇安、商县、柞水、宁陕、佛坪、城固、汉中、洋县、留坝、勉县、略阳共19个区县。高山积雪观测记录来源于气象站观测报表中的纪要栏，气温和降水数据采用陕西省气象信息中心提供的逐日数据。根据高山积雪观测记录，将有积雪的日期赋值为1，没有积雪的日期赋值为0。

积雪按持续时间的不同，分为永久积雪和季节积雪，永久积雪终年不消融，季节积雪根据季节的更迭而变化，冬季形成，夏季消融。季节积雪又分为稳定积雪和不稳定积雪。参考气象部门对沙尘事件等的定义［36］，对积雪事件进行定义：秦岭山区32个气象站中，有5个或者5个以上的气象站连续积雪日数≥3 d定义为区域性高山积雪事件，满足上述条件的积雪首日为事件开始日期，事件中不满足条件的前一日为终日。有5个或者5个以上的气象站连续积雪日数≥20 d定义为区域性长时间高山积雪事件，有5个或者5个以上的气象站连续积雪日数≥60 d定义为区域性稳定高山积雪事件，起始日期确定方法与区域性高山积雪事件相同。

根据《地面气象观测规范》［37］，考虑积雪等天气现象在冬季和春季存在连续性、初日和终日跨年的特点，定义年度为当年7月1日—次年6月30日，冷季为当年11月1日—次年4月30日，冬季为当年12月1日—次年2月28日或者29日；例如，1998年12月1日—次年2月28日为1998—1999年冬季，文中简写为1998年冬季［38］。

采用最小二乘法作线性倾向估计，分析高山积雪事件和气温、降水量等气象要素随时间的变化趋势，用线性倾向率表示气象要素的变化趋势和速率。通过对气象要素与时间的相关系数的检验，判断变化趋势是否显著。

3 高山积雪事件特征

3.1 区域性高山积雪事件特征

1980—2016年度，秦岭山区共出现114次区域性高山积雪事件，平均每次事件16 d。其中1980—1989年出现44次，占总事件次数的38.6%，平均每次15.5 d；1990—1999年出现29次，占25.4%，平均每次21.0 d；2000—2009年出现29次，占25.4%，平均每次15.0 d；2010—2016年出现12次，占10.6%，平均每次7.7 d。20世纪80年代出现的区域性高山积雪事件最多，90年代次之，2000年后区域性高山积雪事件次数逐渐减少。在114次积雪事件中，积雪日数大于等于10 d的有51次，大于等于20 d有29次，大于等于60 d的有6次。1980—2016年度秦岭山区区域性高山积雪事件次数呈现明显减少趋势（通过了α=0.01的信度检验），减幅为-0.86次·（10a）-1（图1）。

图1 1980—2016年秦岭山区区域性高山积雪事件次数变化Fig.1 Change of the number of regional alpine snow processes in the Qinling Mountains from 1980 to 2016

从季节分布来看，区域性高山积雪事件均出现在冷季（11月—次年4月），其中有69次出现在冬季（12月—次年2月），占60%。夏季（6—8月）没有出现区域性高山积雪事件。统计每次区域性高山积雪事件中每个气象站的连续高山积雪日数，挑出连续积雪最长的气象站（含并列的气象站），再统计每个气象站成为区域高山积雪事件中最长连续高山积雪日数的总次数，发现太白、华山、山阳3个气象站成为区域高山积雪事件中最长连续积雪日数的次数最多，分别为太白111次，华山55次，山阳45次（图2）。

图2 各气象站成为区域高山积雪事件中最长连续积雪日数的次数Fig.2 The number of times that each weather station becomes the longest continuous snow cover in the area

3.2 区域性长时间高山积雪事件特征

秦岭山区共出现29次区域性长时间高山积雪事件（表1），平均每次事件42 d。其中1980—1989年度11次，占总次数的37.9%，平均每次41.5 d。1990—1999年度11次，占37.9%，平均每次44 d。2000—2009年度6次，占20.7%，平均每次42 d。2010—2016年度1次，占3.5%，平均每次20 d。

表1 秦岭山区区域性长时间高山积雪事件及其最长连续积雪日数气象站Table 2 Regional long-term alpine snow accumulation process in Qinling area and its longest continuous snow cover weather station

21世纪以来，区域性长时间高山积雪事件急剧减少，2014年后没有出现过区域性长时间高山积雪事件。从开始时间看，29次区域性长时间高山积雪事件仅2次开始于11月，其余28次均开始于12月或者1月。29次事件中太白气象站观测到的高山最长积雪日数均为每次事件中最长的，平均每次42 d。

3.3 区域性稳定高山积雪事件特征

1980—2016年度，秦岭山区共出现区域性稳定高山积雪事件6次，平均每次事件持续时间为73.7 d。6次区域性稳定高山积雪事件20世纪80年出现2次，90年代出现2次，21世纪后的2002年和2004年各出现1次，2005年后再没有出现过稳定高山积雪事件。1989年12月21日—1990年3月11日，积雪事件持续时间81 d，是有观测资料37 a来持续时间最长的，32个气象站中有28个观测到高山积雪，平均每个气象站出现积雪44.3 d。

4 高山积雪事件与气温降水的关系

4.1 区域性高山积雪事件与气温降水的关系

气温的高低与降水量的大小直接影响积雪的多少，进而影响积雪事件的次数，气温升高与降水减少都会造成积雪事件次数减少。1980—2016年度，秦岭山区年度平均气温呈明显升高趋势，增幅为0.39℃·（10a）-1，平均气温与时间（年度）相关系数0.74，通过了0.01的显著性水平检验，说明近37 a秦岭山区气候明显变暖。近37 a秦岭山区年度降水量波动较大，但变化趋势不明显，减少幅度为16.6 mm·（10a）-1，降水量与时间（年度）相关系数-0.15，未通过0.20显著性水平检验，说明气温升高是秦岭区域性高山积雪事件减少的主要原因。

1980—2016年度，秦岭114次区域性高山积雪事件均出现在冷季。近37 a冷季平均气温上升趋势明显，增幅为0.42℃·（10a）-1，平均气温与时间（年度）相关系数0.68，通过0.01的显著性水平检验，冷季降水量波动大，但变化趋势不明显，增加幅度为0.36 mm·（10a）-1，降水量与时间（年度）相关系数0.13，未通过0.50显著性水平检验。秦岭区域性高山积雪事件次数与冷季平均气温呈现非常明显的负相关关系，相关系数-0.47，通过了0.005的显著性水平检验。说明近37 a秦岭山区冷季气温升高，降水量变化不大，气温升高导致区域性高山积雪事件次数减少。

图3 陕西秦岭山区冷季平均气温（a）、降水量（b）变化趋势Fig.3 Trends of mean temperature and precipitation in cold season in qinling mountains，shaanxi province

4.2 区域性高山稳定积雪事件出现时段气温和降水特点

秦岭6次区域性高山稳定积雪事件均出现在12月11日—次年3月17日，统计1980—2016年度历年12月11日—次年3月17日32个气象站平均气温和降水量，该时段平均气温为2.86℃，平均降水量为33.28 mm，图4（a）和4（b）分别给出历年该时段平均气温距平和降水量距平百分率变化。如图4所示，1988年、1989年、1992年、1994年、2002年、2004年出现了稳定积雪事件，这6年稳定积雪出现时段平均气温低于1980—2016年度平均值，均为负距平，而且1988年、1989年、1992年、2002年平均降水量均较1980—2016年度平均值偏多10%以上，其中3个年份高于20%。1994年、2004年降水略偏少，接近1980—2016年度平均值。

图4 六次区域性高山稳定积雪事件年12月11日—次年3月17日平均气温距平和降水量距平百分率变化Fig.4 The average temperature anomaly and precipitation anomalies of the six regional alpine stable snow events from December 11 to March 17

1989年12月21日—1990年3月11日 是37年来秦岭山区区域性高山积雪事件持续时间最长的。在陕西省气候影响评价汇编中，记录了1988年12月27日—1989年2月23日陕西先后出现五次降雪过程，1—2月全省平均降雪42 mm，较常年偏多近两倍，造成严重的积雪和电线积冰，秦岭部分山区积雪50～70 cm，秦岭西部山区电线积冰直径达100～185 mm。这与秦岭山区高山积雪相印证，说明高山积雪记录真实可用性。

5 太白山积雪事件分析

秦岭山区区域性长时间高山积雪事件和区域性稳定高山积雪事件分析结果表明，每次事件中太白气象站观测到的高山积雪事件均是持续时间最长的。太白山是秦岭主峰，海拔高，积雪时间长，下面利用太白气象站（海拔1 543.6 m）观测到的高山积雪记录，对太白山高山积雪事件单独进行分析。参照秦岭山区区域性高山积雪事件定义，将太白气象站观测到高山积雪分为太白气象站高山积雪事件、太白气象站长时间高山积雪事件、太白气象站稳定高山积雪事件，规定太白气象站本站（海拔1 543.6 m）实测连续积雪日数同理定义。

5.1 太白山高山积雪事件分析

1980—2016年度，统计出太白气象站高山积雪事件共161次，平均每次34 d，出现在当年9月—次年5月。161次高山积雪事件中，1980—1989年度54次，平均每年5.4次；1990—1999年度46次，平均每年4.6次；2000—2009年度36次，平均每年3.6次；2010—2016年度25次，平均每年3.6次。

太白气象站长时间高山积雪事件共56次，平均每次83.8 d，出现在当年10月—次年4月。1980—1989年度18次，平均每年1.8次；1990—1999年度13次，平均每年1.3次；2000—2009年度15次，平均每年1.5次；2010—2016年10次，平均每年1.4次。

太白气象站稳定高山积雪事件共37次，平均每次112.5 d。1980—1989年度10次，1990—1999年度9次，2000—2009年度11次，2010—2016年度7次。1990、1998没有出现稳定高山积雪事件，1996、2005年出现2次稳定高山积雪事件，其他年份每年均出现1次稳定高山积雪事件。太白气象站持续时间最长的积雪事件为2003年11月7日—2004年4月18日，持续164 d。

太白气象站高山积雪事件的持续时间与事件次数均多于秦岭山区区域性高山积雪事件，如图5所示，1980—2016年度，太白气象站积雪事件次数呈现减少趋势（通过了α=0.1的可信度检验），减幅为-0.59次·（10a）-1，但减少趋势没有秦岭山区区域性高山积雪事件减少趋势明显。

图5 1980—2016年度太白山高山积雪事件次数变化Fig.5 Change of the number of snow cover processes in the Taibai Mountain from 1980 to 2016

5.2 太白气象站积雪事件分析

1980—2016年度，统计出太白气象站本站积雪事件共122次，平均每次5.3 d，出现在当年11月—次年3月。122次太白气象站本站积雪事件中，1980—1989年度37次，平均每年3.7次；1990—1999年度32次，平均每年3.2次；2000—2009年度37次，平均每年3.7次；2010—2016年度16次，平均每年2.3次。在太白气象站本站观测到的积雪事件中，仅有2次为长时间积雪事件，没有出现稳定积雪事件（表2）。通过对37 a来每年太白气象站本站积雪事件与太白高山积雪事件的积雪日数比较（图6），可以清晰地看出，由于太白气象站本站观测数据海拔低于高山积雪观测海拔，太白站本站积雪事件次数明显低于太白高山积雪事件次数，长时间积雪事件次数远远低于高山积雪事件次数，太白站本站没有出现稳定积雪事件。雷向杰等在6月对太白山考察中发现，太白山眉县气象站所在地点观测到的气温与太白主峰山顶气温差异巨大，大爷海至大文公庙之间的路边有正在消融的冻土和小冰柱［39］。在对太白山驴友伤亡事件天气分析中，利用太白山区域内新建的13个自动气象站2017年5月1日—7日气温、降水、湿度、风、气压等监测数据和太白、眉县气象站高山积雪观测记录，分析事件前后太白山的天气条件，周至气象站平均气温20℃，山顶拔仙台最高处平均气温低至-2.9℃，气温差异巨大［40］。遥感观测记录又受到观测不连续的影响［41］，由此可证，积雪与海拔高度的密切关系和高山积雪观测记录的珍贵性。

表2 太白山本站积雪事件和高山积雪事件次数对比Table 2 Comparison of the number of snow events in Taibai Mountain

图6 太白山历年高山积雪事件积雪总日数与本站积雪事件积雪总日数对比图Fig.6 Comparison of the number of days of snow in the mountainous area of Taibai Mountain and the number of days of snow accumulation in this station

6 结论

统计分析秦岭地区32个气象站1980—2016年度高山积雪观测记录，得到如下主要结论：

（1）1980—2016年度，秦岭山区共出现114次区域性高山积雪事件，其中区域性长时间高山积雪事件29次，区域性稳定高山积雪事件6次。114次区域性高山积雪事件均发生在冷季，其中的60%发生冬季。区域性长时间积雪事件共29次，除2次开始于11月外，其他27次均开始于12月或次年1月。年度积雪事件次数与冷季平均气温呈显著的负相关。

（2）1980—2016年度，秦岭山区区域性高山稳定积雪事件共6次，平均每次积雪日数73.7 d。1989年12月21日—1990年3月11日为最长的区域性高山稳定积雪事件，持续81 d，该事件中，高山积雪持续最长的气象站是太白气象站和汉阴气象站。

（3）在气候变暖的背景下，1980—2016年度，秦岭山区区域性高山积雪事件呈现明显的减少趋势，减少速率为-0.86次·（10a）-1。各年代区域长时间事件平均出现次数20世纪80年代平均每年1次，90年代平均每年0.9次，21世纪10年代平均每年仅0.4次。2004年后秦岭山区没有出现过区域性稳定高山积雪事件。

（4）1980—2016年度，太白气象站观测到的高山积雪事件161次，其中长时间高山积雪事件58次，稳定高山积雪事件37次。37年来太白气象站观测到的高山积雪事件呈减少趋势，减少速率为-0.59次·（10a）-1。