至今北疆積雪深度的變化特點

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1引言

積雪是新疆重要的水分氣候資源，北疆平原地區(qū)降雪量占年降水量30％以上，山區(qū)高達80％以上[1]。季節(jié)性雪深與農牧業(yè)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境改善關系密切。豐雪年對春季農耕生產和土壤保墑起重要補水作用，且對牧草生長和荒漠生態(tài)環(huán)境改善意義重大。同時，對山區(qū)冰雪存儲積累也起積極作用[2]。降雪過多和積雪過深掩蓋草場影響家畜正常放牧和覓食困難，造成“白災”。2010年1月17日08時-20日14時，北疆出現了2000年以來最強的一次寒潮過程，經濟損失嚴重。孫建奇等根據極端降雪頻率和變化強度指出我國極端降雪主要位于華東、新疆北部、青藏高原東部和東北地區(qū)，并指出新疆北部極端降雪事件呈上升趨勢，季節(jié)變化表現為雙峰特征[3]。李培基[4]等指出近50a新疆積雪年際波動是冬季降雪量和氣溫年際波動的共同結果。王秋香[5-6]等選用天山以北20個氣象站積雪日數、最大雪深和穩(wěn)定積雪日數指出1961年-2006年北疆地區(qū)積雪日數和穩(wěn)定積雪日數呈稍增加趨勢，主要發(fā)生在1960年-1980年，1990年以來有所減少。崔彩霞[7]等指出新疆積雪呈輕度增長趨勢，90年代增加明顯且山區(qū)積雪增幅大于平原。董安祥等[8]利用CEOF法分析了北疆地區(qū)20個氣象站1961年-2006年年降雪日數，發(fā)現年積雪日數場具有“南北一致型”和“西南-東北一致型”2種波動特征，前者具有6.4a和3.6a的周期，后者有6.4a的周期。本文利用北疆地區(qū)51個地面站1961年-2008年最大雪深和24h≥10cm積雪日數，基于GIS空間插值獲取了多雪區(qū)和少雪區(qū)的空間分布。重點分析了多雪區(qū)最大雪深和24h≥10cm積雪日數的周期特征，并對其局地差異的氣候成因進行了初步分析。同時，對比近十年北疆雪災頻發(fā)區(qū)和最大雪深空間范圍，獲得重災區(qū)最大雪深量值區(qū)間，這將為北疆雪災預警指標體系建立提供數據基礎。

2研究區(qū)概況

新疆北疆地區(qū)位于北緯42.2°-49.3°，東經79.8°-91.6°，整個地區(qū)被阿爾泰山脈和天山山脈包圍，內有盆地、河流、湖泊、戈壁、沙漠和平原綠洲，地貌輪廓非常明顯，平均海拔1265m（圖1）。該地區(qū)積雪主要集中在11月底至來年3月，積雪資源非常豐富，占全國積雪資源的1/3[9-10]，同時，也是雪災高發(fā)區(qū)。

3數據來源與研究方法

3.1數據來源數據來源于新疆北疆地區(qū)51個氣象站（圖1）1961年1月至2008年12月逐日雪深觀測值，并在此基礎上計算了年均最大雪深和年均冬季（11月至次年3月）最大雪深和24h≥10cm的積雪日數年均和年最大值。2000年至今的新疆各個地區(qū)縣鄉(xiāng)鎮(zhèn)村雪災災情數據，包括傷亡人數、過程降水量、房屋損失、牲畜受災和經濟損失等，在此基礎上計算了各縣市災情次數。

3.2研究方法

3.2.1最大雪深和24h≥10cm積雪日數的插值雪深數據來自有限地面站，且站點位置分布及密度受地形條件限制。因此，必須進行空間插值生成連續(xù)分布的雪深空間信息。首先，通過ArcMap9.3將包含氣象站點編號、經緯度、海拔高度和年、冬季最大雪深和積雪日數及雪災次數的xls文件生成點狀矢量數據。然后，在ArcGIS環(huán)境下通過IDW插值法繪制出年、冬季最大雪深和積雪日數的空間分布圖。IDW插值法是一種常見而簡便的空間插值方法，屬于精確性插值，基于相近相似的原理[11-12]：即兩個物體離得近，它們的性質就越相似。反之，離得越遠則相似性越小。它以插值點與樣本點間的距離為權重進行加權平均，離插值點越近的樣本點賦予的權重越大。設平面上分布一系列離散點，已知其坐標和值為Xi，Yi，Zi（i=1，2，…，n）通過距離加權值求z點值，公式為：

3.2.2時間序列數據生成小波分析對信號處理具有的特殊優(yōu)勢,將其應用于雪深序列時頻結構分析中，不僅可給出雪深序列變化尺度，還可顯現出變化時間位置[13-14]。本文選用Morlet小波函數來研究北疆地區(qū)積雪特征尺度、周期性。首先濾掉雪深序列1年的自然周期，在小波分析中采用最大雪深的距平序列。由于分析資料長度僅有48a，數據起始端和終端受邊界效應影響，本文將資料向前和向后各延拓一個樣本長度，得到長度為原序列3倍的數據序列，以此作為小波變化數據，延展后資料能夠減小邊界效應的影響。變換后再將延拓部分舍棄僅保留原始時段的小波系數[15-16]。設資料序列為：

4最大雪深和24h≥10cm積雪日數空間分布特征

本文最大雪深選用1961年-2008年48a北疆51個氣象站點年最大雪深的平均值和冬季（11月至次年3月）最大雪深的平均值以表征區(qū)域積雪深度空間分布的多年平均特征。由圖2和圖3可見，多雪區(qū)具有沿山脈分布的特征。北部阿爾泰山阿勒泰一帶及富蘊、青河一帶、中天山博格達峰、塔城盆地和西天山伊犁河谷多年平均最大雪深在30～45cm間，冬季平均最大雪深在60～70cm間。少雪區(qū)位于中部的準格爾盆地中心一帶、盆地西緣的精河地區(qū)和盆地東部戈壁沙漠區(qū)，多年平均最大雪深在5～25cm間，冬季最大雪深在10～30cm間，具有由盆地外緣向盆地中心逐漸遞減的趨勢。與王秋香等利用EOF法得到的北疆地區(qū)最大雪深空間分布特征吻合，與楊青等利用梯度距離平方反比法插值得到的海拔≥1500m天山山區(qū)最大雪深量值一致。24h≥10cm積雪日數與最大雪深空間分布特征具有一致性（圖4和圖5）。48a來多雪區(qū)年均積雪日數20～25d，年最大積雪日數65～75d。少雪區(qū)的克拉瑪依、溫泉和精河一帶年均積雪日數15d，年最大積雪日數為15～30d。上述積雪深度空間分布特征主要由水汽來向和地理因素共同造成，天山北坡是迎風坡，西北氣流受地形作用在北坡抬升，使得這里成為降水集中的區(qū)域。這種分布趨勢與實際積雪分布趨勢相一致，原因在于天山阻隔等地形影響降水天氣形勢而使研究區(qū)內降水的空間分布不均勻。通過對比近十年北疆雪災頻發(fā)地區(qū)雪災出現次數和最大雪深的空間分布，容易獲知雪災易發(fā)區(qū)最大雪深的量值區(qū)間，可以將其作為雪災預警的指標之一（圖6）。

5多雪區(qū)最大雪深和24h≥10cm積雪日數周期特征

5.1周期特征以阿勒泰、富蘊和青河1961年-2008年最大雪深和≥10cm積雪日數均值代表阿勒泰地區(qū)，塔城、裕民和額敏均值代表塔城盆地，伊寧、尼勒克和新源均值代表伊犁河谷，分別對其進行Morlet連續(xù)小波變換，得到小波系數實部，將實部信息以等值線形式投影到以年份為橫坐標、周期為縱坐標的二維平面上，得到塔城盆地、阿勒泰地區(qū)和伊犁河谷的最大雪深和≥10cm積雪日數在不同周期上的Morlet小波系數等值線圖（圖7-圖9）

5.2主要周期特征將不同時間尺度a的所有小波系數的平方在b域上的積分，即為小波方差：Var(a)=∫-∞±∞wf（|a,b）|2db（6）式中Var（a）為小波方差；Wf(a,b)為小波系數[17]。小波方差隨尺度a變化過程稱為小波方差圖，它反映了波動的能量隨尺度的分布。由公式（6）可確定一個時間序列中存在的主要周期成分。由圖10和圖11可見，阿勒泰地區(qū)最大雪深第一主周期和第二主周期分別是7.6a和11.4a，塔城盆地第一、第二主周期分別為7.3a和11.8a。伊犁河谷第一、第二主周期分別為11.5a和7.6a。阿勒泰地區(qū)>10cm積雪日數存在7.6a，11.8a和3.2a左右的主周期。塔城盆地存在3.2a、11.8a和7.6a左右的主周期。伊犁河谷存在11.5a、7a和1.2a左右的主周期。其中，7.6a周期與楊青等[7]對1959年-2003年天山山區(qū)17個氣象站冬季（12月-次年2月）最大雪深用最大墑譜分析得到的7.3a周期很接近。上述小波周期分析結果表明，塔城和阿勒泰的第一、第二周期一致，而伊犁河谷周期分布與之相反，這主要與氣候背景、環(huán)流形勢及影響系統不同有關[18-21]，其次是與地理位置、地形有關。塔城和阿勒泰屬于暖區(qū)降雪，所處緯度高，冬季的平均氣溫很低，積雪時間長；而伊犁河谷為冷鋒降雪，緯度較低，冬季平均氣溫較塔城、阿勒泰偏高3～6℃，積雪時間相對較短。小波系數為正表示積雪偏多時期，為負表示積雪偏少時期，由第一主周期小波系數圖（圖12）可見，阿爾泰地區(qū)、塔城盆地和伊犁河谷主周期小波系數曲線非常規(guī)則，很好的顯示了最大雪深的周期特征。其中，阿勒泰地區(qū)積雪最大深度經歷了7個轉換期，1961年-1966年、1982年-1989年、1990年-1997年和2005年-2008年最大雪深低于48年平均水平，1967年-1973年、1974年-1981年和1998年-2004年最大雪深高于48年平均水平，平均周期在7a。塔城盆地和伊犁河谷分別經歷了7個和5個轉換期。

6研究結論

（1）新疆北疆地區(qū)多雪區(qū)具有沿山脈分布的特征。集中分布在北部阿爾泰山阿勒泰一帶及富蘊、青河一帶、中天山博格達峰、塔城盆地和西天山伊犁河谷，多年平均最大雪深30～45cm，冬季平均最大雪深60～70cm。近10年來，雪災頻發(fā)縣市鄉(xiāng)村基本在多雪區(qū)內。

（2）新疆北疆地區(qū)少雪區(qū)具有由準格爾盆地外緣向盆地中心逐漸遞減的趨勢。集中在中部準格爾盆地中心一帶、盆地西緣精河地區(qū)和盆地東部戈壁沙漠區(qū)，多年平均最大雪深5～25cm，冬季最大雪深10～30cm。

（3）新疆北疆地區(qū)多雪區(qū)最大雪深時間序列數據周期特征顯著。同屬暖區(qū)降雪的阿勒泰地區(qū)和塔城盆地，所處緯度高，冬季平均氣溫很低，積雪時間長，具有7a和11a左右的第一、第二振蕩周期。屬冷鋒降雪的伊犁河谷，緯度較低，冬季平均氣溫較塔城、阿勒泰偏高3～6℃，積雪時間相對較短。具有11a和7a左右的第一、第二振蕩周期。

（4）塔城盆地和阿勒泰地區(qū)最大雪深小波分析第一、二周期一致，伊犁河谷周期分布與之相反，這主要與氣候背景、環(huán)流形勢和影響系統不同有關，其次是與地理位置、地形有關。