基于ECMWF再分析数据的内蒙古高原雪深时空变化特征

摘要 根据 ECMWF再分析资料，探讨了1986—2021内蒙古高原雪层厚度的时间、空间和地貌因素的关系。研究发现，内蒙古地区1986—2021年间的降雪速度呈0.31 mm/年的递增趋势，尤其是2000年后增长速度较快，但没有显著的差异。在月尺度上，冬季降雪深度从10月起逐渐增大，翌年1—2月为最大。从空间上看，内蒙古高原北部、西北部和东北部积雪雪深较深，而西南部则是积雪深度偏轻的区域。积雪深度的变化规律与地形的关系密切。从整体上看，积雪深度与海拔高度之间存在显著的相关性，其相关系数为0.75，随坡向、坡度、曲度的不同而不同。东南坡度、坡度为5°～10°和高低不平的地区对积雪的影响较大，从而为我国的草原防雪灾和预测草地的回春时间提供参考。

关键词 雪深；内蒙古高原；时空特征；地形因子

中图分类号：P426.63 文献标识码：B 文章编号：2095–3305（2023）02–0139-03

内蒙古地区受到季风、西风的双重作用，其水热结合和空间分布特征比较特殊，而冬季的冰雪对我国的农业、畜牧业和社会发展都起着十分关键的作用。季节性积雪的时空变化和消融是干旱半干旱地区的重要水源，其与植被的返青期、生长和径流量等有着紧密的关系，对区域经济、生态、自然灾害的发展具有重要的作用[1]。在不同的冰雪特性中，最能反映出雪深度的是雪的动态。在冬季，积雪过深、持续时间过长会给当地群众带来了极大的经济损失。因此，深入探讨内蒙古地区积雪深度的分布则显得尤为必要。

目前，对北半球冰雪年际变动的关键区是青藏高原、内蒙古高原、欧洲阿尔卑斯山脉及北美西部地区，而对内蒙古高原地区的调查仅限于西北部地区。内蒙古地区生态环境较差，对其积雪深度的分析在水文、气候、生态等方面具有重要的作用[2-4]。为此，选择内蒙古地区作为研究区，运用1986—2021年的ECMWF资料，研究了积雪深度在时间、空间上的变化特征，为草地雪害防治和牧草返青期预测给予研究价值。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

选择内蒙古高原作为研究对象，地处38°33' N～54°31' N，88°54' E～127°15' E。植被分布从北边到南边，从森林到草原，从典型草原到森林。大体而言，西北部多为山区，西南部为戈壁沙漠，中东部为地势较为开阔的平原地带，高度在1 591 m左右[5-6]。此区属于典型的陆上气候，降水少，干旱，冬季春季多风，风向以西风为主，其次是西南风。内蒙古高原北部和東部分别受到北冰洋和太平洋的水汽作用，东北部的降水最多，温度特性与降雨呈反向关系。因此，北方的温度很低，而西南的温度很高。

1.2 数据来源与处理

积雪深度资料采用欧洲中央气象中心NetCDF4格网资料，通过MATLAB软件，将资料格式统一地转化成GeoTIFF，并对WGS84/Albers等价AreaConic进行了定义[7]。采用极大值综合技术获得了内蒙古平原1986—2021年的逐月光栅影像，从内蒙古的气候特点来看，从10月至翌年3月是一个降雪的时间。利用网格计算得到月、年平均雪深度的资料，DEM资料由GIS资料组成，具有90 m的高分辨率。

1.3 研究方法

1.3.1 Mann-Kendall突变检验 假定初

始的时序是x1，x2，…，xn，确定了Sk=∑ki=1ri（k=1，2，…，n），并假定在时间顺序的任意情况下，确定统计学值：

UKk=-    （k=1，2，…，n）

其中，UK1=0；E（Sk）=k（k+1）/4；var（Sk）=k（k-1）（2 k+5）/72为 Sk累积均值。将UKk按照一定的次序构成UF曲线，UF=UKk，即时序图。在反序列中使用相同的方式，使得UB=-UKk，即反向时间的时序，给出了α值，|UF|> Ua表示该系列有明显趋势改变。UF>0表示该序列有增加的倾向，而UF<0表示该序列有降低的倾向。如果UF与UB存在交点，且在两条关键线上，则相交的那一刻即为突变发生的时刻。当UF超出了显著度的幅度，表示有明显的升高或降低的倾向。

1.3.2 森斜率 当时间顺序为x1，x2，…，xn有一个直线的倾向，那么就可以用 Sen所发展的简易无参量程序估算出实际的坡度，公式如下：

Qk=median    （k=1，…，n）

在方程式中，xj与xi为时间j及i（j> i）之资料数值，这个数值的中间Qk是由该序列所得出的一个梯度，Qk代表该系列的平均值和时间序列的发展，Qk>0则是一个递增的过程；Qk=0，且不存在显著的序列变化；Qk<0，且各指标均有降低的倾向。本研究应用森斜率对内蒙古地区的平均积雪深度空间变化，并应用M-K法估算了其倾向的显著程度。

2 结果与分析

2.1 雪深时间变化特征

内蒙古高原1986—2021年的积雪深度变化幅度为6.5～23.2 mm，积雪深度为10.22 mm，其生长速度为0.31 mm/年[8]。表明积雪深度具有很强的周期性和波动性：1986—1993期间积雪深度趋于稳定；1994—2005年间发展呈现出一定波动，但其发展的势头并不显著，1996年为最低水平；2000年后，这种波动幅度最大，且有显著的上升势头，在2003、2009、2012年连续3次高峰，2012年最高。M-K分析表明，内蒙古地区的积雪深度没有显著的变化，而1990年代则出现了突变。这与气候变化的年相吻合。积雪深度的改变呈现出单一的高峰，从10月起逐渐增大，第2年2月则为最大；3月由于温度升高，积雪逐渐融化。冬季内蒙古地区降雪深度最大值在2月，最小值在3月。

1986—2021期间，除10月以外，其余各月都有增加的势头，且这一增速会随着月份的推移而增加；2月的增幅最大（表1）。月雪深的变动在2001年后呈现显著的起伏，且在2017—2020年期间各月最高积雪深度都有显著的差异。表明近年来内蒙古地区的降水量和降雪的变化规律是相符合的。在这些数据中，降雪深度最大值在2017年2月，最小值在1997年10月。

2.2 雪深空间分布特征

在内蒙古高原北部、西北部和东北部分，由于积雪厚度比较大，而在西南部则雪较少，因而构成了一个深低值区。其中，积雪深度主要集中在高原地带，北方则分布最广。结果表明，内蒙古地区冬季降雪深度分布较大，且不均一。积雪深度由北到南，由东到西逐渐减小，这与降水的分布特点是一致的，但与温度呈正相关。

这是由于降水可以供给冰雪资源，温度会对冰雪的消融产生作用。同时，由于风场（风向）和地形条件的影响，使得雪的分布也受到影响。北部和西北部多山区，植被茂密，有利于下雪。西南是一片沙漠，中部和东部是平坦的草地，地势不高，所以积雪较浅，且分布比较均衡。以上研究说明了雪深分布特征与该区气候因素和地形地貌关系十分紧密。

从森斜率的分析可知，内蒙古高原1986—2021年积雪深度的空间分布特征具有显著的空间分异特征。多数区域积雪深度趋势在1～6 mm/年范围内，约72%。整体来看，积雪深度有下降的倾向，在整个区域中，降水量约为67%，而上升的幅度只有33%。北部有明显的增长约7%，其他大多数都有下降的倾向，内蒙古的东北部尤为突出，约为3%。

2.3 雪深分布与地形

由于地貌因素对雪的分布的影响较大，为了更好地研究雪的分布，利用DEM对高程、坡向、坡度等因素进行了研究。下面重点探讨了冬季最大季节和冬季累积期雪深分布特点与地貌因素之间的相关性。

2.3.1 高程 为了研究高程对积雪分布的作用，将内蒙古地区按照天然断点区分为5个高程区，并分别分析了各高区的平均降雪深度（图1）。结果表明：在不同海拔高程内，积雪深度存在明显分布不均匀，局部下降、零增长或迅速增长。积雪深度在88～780 m范围内的波动比较稳定；780～1 638 m的积雪深度与海拔高度之间存在显著的负向关系，在1 638 m时，积雪厚度变化幅度为最低；1 638 m以上，随着海拔高度的升高，积雪深度逐渐增大，尤其是2月的积雪深度最大，在4 226 m以上。结果表明，1 638 m为1个拐点，积雪深度为780～1 638 m，為该区积雪深度的主要区域。这与其他天气因素如阳光照射、风力等相关。总的来看，积雪深度与海拔高度有显著的相关性，其相关性为0.75，且具有显著的季节性特征。

2.3.2 坡向 为了从多个角度研究积雪深度，将坡向分为：北坡（315°<坡向<45°）、东坡（45°<坡向<135°）、南坡（135°<坡向<225°）和西坡（225°<坡向<315°）。在不同斜坡方向上，积雪深度分布较为一致，分别为26%、22%、26%和26%，其中东坡和南部分别为26%和26%。总之，在相同的高度区，东坡和南坡的雪层深度都比西坡和北坡要大。

与2月相比，11月积雪深度的分布比较平均，二者的差别在2 242～4 226 m北部斜面上表现出来。在风力的影响下，斜面分为迎风坡和背风坡2种类型。内蒙古地区地处西北季风，主要的风向是由西风和西北风组成的。结果表明：在该地区，西、北2个斜坡均为上风坡，东坡、南边是下风坡。由于大风和雪的作用，在逆风坡面上堆积了大量的雪，造成了不同斜面上的降雪（图2）。这说明在东南方的山坡上雪较多。

2.3.3 坡度 将其划分为5个水平，即0～1°、1°～3°、3°～5°、5°～10°和＞10°的5个水平。内蒙古高原多为平原地带，积雪深度多集中在3°以内的平缓山坡上。从图3可以看出，不管坡度有多大，东、南坡向的积雪深度都较大。且南坡的积雪深度也随坡面的增加而增加；东、西和北坡的积雪较深，最大时为5°～10°，其后逐渐减小。在2月，坡度相对平稳（<5°）时，积雪深度的变化幅度较大，而南部则显著地小于其他3个方向；8°以后，随着坡面的增大，积雪深度逐渐增大，而东坡则明显大于西坡和北坡。在11月，坡地相对平坦（<5°）时，积雪深度的变化幅度较小，而西部则显著高于其他3个方向；8°以后，随着坡面的增大，积雪深度逐渐增大，而东坡则比西部和北部的积雪深度要高得多。东坡和南坡由于是1个受雪堆积的斜坡，加之坡面较大，因此，由于雪层自身的重量而下滑。研究表明坡度为5°～10°时利于积雪。

3 讨论

ECMWF再分析资料可以为长期序列的积雪深度提供信息，尤其是在山地等气候条件较差的地方，可以利用ECMWF的资料。本研究采用内蒙古地区1986～2021年的冰雪季节资料，分析比较了不同地区的积雪深度。内蒙古高原多数地方植物较少，因此本研究忽视了植物的作用，仅对高程、坡向、坡度等地貌因素进行了分析。研究发现，地形因子可以用地貌要素描述，风吹雪是使雪层重新分布的重要原因。风吹雪必须具备3个要求：充足的雪资源、风力（方向）及良好的地势。内蒙古地区的降雪是由北到南、由东到西逐渐减小的特点，同时也将风的作用也纳入其中。内蒙古地区的主要风向是由西、西两股风组成的，在冬季还伴随着暴风雪。高程对降雨有一定的负反馈效应，高原上的降雪则相对多。通过悬浮、沉积、升华等作用，将雪从风向的斜面输送至下风面，从而提高了下雪的率概，本研究的结论和以往的研究是相符合的。

4 结论

内蒙古高原是气候敏感区和气候关键区，深入调查了其水文、气候、生态等方面。采用ECMWF再分析数据，研究了内蒙古地区1986—2021年的积雪深度的时空变化特点和积雪深度在不同地区空间分布规律，结果表明：

（1）内蒙古地区积雪深度在2003、2009、2012年均出现了3次高峰，降雪期的深度呈单峰值特征，从10月起逐渐增大，翌年2月最大，3月出现了融化现象。

（2）内蒙古高原北部、西北部和东北部分的雪较厚，而在西南部则雪较少，这是一个深低值区。其分布特点与降水的分布规律基本相同，由北到南，由东到西逐渐减小，而温度则正好相反。森斜率分析显示，多数区域積雪深度下降。

（3）地貌对雪的重新分配起着重要的作用，其对雪的分布有一定的影响。从整体上看，雪的深度与高程呈正比，东南坡、坡度5°～10°对积雪的影响较大，比较利于积雪。

参考文献

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责任编辑：黄艳飞

Spatial and Temporal Variation Characteristics of Snow Depth in Inner Mongolia Plateau Based on ECMWF Reanalysis Data

Ma Xue-feng （Inner Mongolia Autonomous Region Meteorological Station， Hohhot， Inner Mongolia 010051）

Abstract Based on ECMWF reanalysis data， the relationship between time， space and geomorphic factors of snow layer thickness in Inner Mongolia Plateau from 1986 to 2021 was discussed. The research found that the snowfall rate in Inner Mongolia from 1986 to 2021 showed an increasing trend of 0.31 mm/a， especially after 2000， but there was no significant difference. On a monthly scale， the depth of winter snowfall gradually increases from October to February of the next year， which is the largest. From the perspective of space， the snow depth in the north， northwest and northeast of Inner Mongolia Plateau is deep， while the southwest is the area with light snow depth. The variation of snow depth is closely related to the terrain. On the whole， there is a significant correlation between snow depth and altitude， with a correlation coefficient of 0.75， which varies with different aspect， slope and curvature. The southeast slope， gradient of 5 °～10 ° and uneven areas have a greater impact on snow cover， which lays a foundation for grassland snow disaster prevention and prediction of grassland Spring time in China.

Key words Snow depth; Inner Mongolia Plateau; Space time characteristics; Topographical factor

作者简介 马学峰（1988—），男，内蒙古呼和浩特人，工程师，主要从事天气预报与分析工作。

收稿日期 2022-12-10