1961—2017年基于地面观测的新疆积雪时空变化研究

选取新疆89个气象站1961—2017年逐日积雪深度观测资料, 分析近60 a新疆冬季最大积雪深度及积雪日数的时空变化特征。结果表明： 新疆冬季最大积雪深度以天山为界, 天山以北多于南部, 北疆北部和伊犁河谷最大达60 ~ 100 cm, 天山山区及天山北坡30 ~ 60 cm, 南疆大部地区不足20 cm; 新疆北部最大雪深多出现在1996年以后, 也是新疆气候由暖干转为暖湿的阶段。近60 a新疆区域尤其是北疆、 天山山区冬季最大积雪深度呈显著增加趋势, 南疆略有增加; 89个气象站中87.6%呈增加趋势, 20个显著增加, 主要分布在天山以北地区。分析不同积雪深度出现的日数, 新疆区域、 北疆地区、 天山山区≤10 cm积雪约占积雪总日数的48% ~ 58%, 10 ~ 20 cm积雪占24% ~ 32%, 20 ~ 30 cm积雪占12% ~ 15%, >30 cm积雪约占5%左右; 南疆地区以≤5 cm积雪为主。新疆区域、 北疆地区以及天山山区积雪日数总体呈减少趋势, 其中≤10 cm积雪日数减少, 尤其北疆显著减少, >20 cm积雪日数显著增加, 南疆变化不明显; 空间变化趋势分布基本与区域变化一致。     

东北地区冬半年积雪与气温对冻土的影响

利用东北地区121个气象站逐日冻土深度、积雪深度、平均气温、地表平均气温及降水量数据,分析了1964—2017年冬半年冻土的变化特征及气象要素对冻土的影响。结果表明：东北地区积雪深度、平均气温、地表平均气温与冻土深度相关系数较高,降水量相关性不大。20世纪60年代平均气温、地表平均气温及负积温最低,最大冻土深度为历年代最深;随着气候变暖,最大冻土深度以6.15 cm?（10a）^-1的速率显著减小。冬半年平均最大冻土深度为123 cm,呈显著纬向分布,自辽东半岛向大兴安岭北部递增;随纬度和海拔高度的增加,平均气温和地表平均气温降低,负积温增加,且由北向南地气温差增大。最大冻土深度全区有90%以上的站点减少,减少速率以0.1~10 cm?（10a）^-1为主。冻土持续时间随纬度升高而增加,月最大冻土深度和积雪深度最大值分别出现在3月和1月,最大冻土深度的增加要滞后于积雪深度的增加。由于积雪对地温的保温作用,积雪深度较浅时,冻土深度增加较明显,随着积雪深度的增加,冻土深度变化较小,积雪对冻土起到了保温的作用。对于高纬度地区站点,30 cm左右为积雪的保温界限值;对于沿海站点,积雪保温的界限值在5 cm左右;在相同地形下,冻土深度较浅区域积雪的保温值因海拔高度、气候特点而异。最大冻土深度对地表平均气温升温的响应更为显著,地表平均气温和平均气温每升高1 ℃,最大冻土深度将减小8.4 cm和10.6 cm,负积温每减少100 ℃?d,最大冻土深度减少4.9 cm。     

全球变暖背景下新疆地区近45 a来最大冻土深度变化及其突变分析

利用覆盖新疆大部分地区资料完整的93个站点资料,对1961-2005年新疆地区最大冻土深度进行了分析. 结果表明：新疆地区月最大冻土深度有明显的季节变化,低海拔区域(海拔<1 800 m)最大值出现在1月份,而高海拔区域(海拔≥1 800 m)的最大值出现在2月份,比低海拔区域要滞后. 新疆地区最大冻土深度的地理分布特征表现为北疆深于南疆,山区深于平原,且与气温的分布有很好的一致性. 全年和冬、春季最大冻土深度与气温场的空间相关系数分别为-0.795、-0.736和-0.848. 年际变化表明,近45 a来的最大冻土深度出现了较为明显的下降. 高海拔区域与低海拔区域年最大冻土深度的倾向率分别为-15.65 cm·(10a)^-1和-9.48 cm·(10a)^-1,且与气温的相关系数分别为-0.51和-0.69,均通过了0.001的信度检验. 同时发现,高海拔区域冬季下降多,而低海拔区域春季下降多. 新疆地区年最大冻土深度在近45 a有明显的突变现象,高海拔区域和低海拔区域突变发生年份分别为1996/1997年度和1978/1979年度,说明新疆地区高海拔区域的年最大冻土深度对气温变化的响应比低海拔区域要滞后. 突变年后高海拔区域与低海拔区域年最大冻土深度比突变年前的平均值分别降低了61.12 cm和26.67 cm.     

新疆区域近50a积雪变化特征分析

利用新疆91个气象台站1960-2011年的观测资料, 对南北疆及天山山区冬春年(10月-翌年5月)的积雪日数、最大积雪深度、积雪初始、终止日期等因子进行了统计分析, 并通过Kringing插值计算了新疆区域平均最大积雪深度的空间分布.结果表明: 新疆冬春季积雪主要分布在天山以北, 厚度可达30 cm以上, 天山以南积雪比较浅薄, 大部分在10 cm以下;50 a来, 南北疆及天山山区的积雪深度均呈小幅增长(天山山区增幅最大), 积雪日数呈略微降低趋势, 积雪初始、终止日期无明显变化. 天山山区的积雪变化与北疆有较高的相关性, 它们积雪深度和积雪日数的相关系数分别达0.708和0.614, 南疆积雪变化与它们几乎没有相关性;积雪深度与冬春年降水量的变化均有很好的一致性, 尤其在北疆,二者相关系数高达0.702, 但与平均温度呈低的负相关;积雪日数与冬春年降水量变化没有明显相关关系, 但均与气温呈较好的负相关, 在北疆二者的相关系数达-0.742.     

1961-2010年西藏季节性冻土对气候变化的响应

利用西藏1961-2010年17个站点最大冻土深度、 土壤解冻日期等资料, 采用气候倾向率、 累积距平、 信噪比和R/S分析等方法, 分析了近50 a西藏季节性冻土的年际和年代际变化特征, 预估了未来50 a和100 a最大冻土深度变化. 结果表明: 近50 a林芝最大冻土深度以1.4 cm·(10a)^-1的速度增大, 其他站点均呈减小趋势, 为-0.7~-21.3 cm·(10a)^-1, 以那曲减幅最大. 近30 a来大部分站点最大冻土深度减幅更大, 为-0.92~-37.2 cm·(10a)^-1, 并随着海拔升高, 最大冻土深度减幅在加大. 近40 a来当雄、 江孜和林芝土壤解冻日期表现为推迟趋势, 为2.1~5.2 d·(10a)^-1, 其他站点呈提早趋势, 平均每10 a提早1.8~12.7 d. 在10 a际尺度变化上, 近40 a大部分站点年最大冻土深度呈逐年代变浅趋势, 土壤解冻日趋于提早. 那曲、 安多和泽当年最大冻土深度分别在1984、 1987年和1979年发生了突变, 从一个相对偏深期跃变为一个相对偏浅期. 近40 a来各站点年最大冻土深度的Hurst值均大于0.5, 说明未来大部分站点年最大冻土深度仍将变薄. 如果未来气候按升温率0.044 ℃·a^-1变化, 50 a后西藏最大冻土深度减小1.1~77.3 cm, 未来100 a可能减小1.2~91.4 cm; 气候按升温率0.052 ℃·a^-1变化, 50 a后最大冻土深度减小2.1~155 cm, 未来100 a可能减小2.5~183 cm. 最大冻土深度变浅显然与气温、 地温的显著升高直接有关.     

新疆冬春季积雪及温度对冻土深度的影响分析

利用新疆64个气象台站1960-2010年的气象资料,分析了新疆50 a来冻土深度的变化趋势,并讨论了温度（平均地温、平均气温）、降水（冬春季年降水、平均积雪深度）与冻土深度（平均冻土深度、最大冻土深度）的相关关系. 结果表明：以10 a时段的年代际变化分析,新疆50 a来平均冻土深度和最大冻土深度均呈明显减小趋势. 50 a来平均冻土深度全疆、北疆、南疆分别减小了约7 cm、10 cm、4 cm,最大冻土深度则分别减小了约11 cm、16 cm、9 cm. 新疆50 a来平均气温和平均地温均呈波动上升趋势,且与冻土深度均有着良好的相关性,其与平均冻土深度的相关系数分别达到了-0.67、-0.77,与最大冻土深度的相关系数也分别达到了-0.51、-0.65,地温与气温的上升对应着冻土深度的减小. 新疆冬春季年降水与冻土深度有着较好的相关性,其与平均冻土深度、最大冻土深度的相关系数分别达到了-0.40、-0.37. 新疆的平均积雪深度与冻土深度也有着一定的弱相关,其原因与积雪对地面的保温作用有关.     

近50 a来新疆区域与天山典型流域极端洪水变化特征及其对气候变化的响应

以年极端洪水超标率来反映区域极端洪水, 分析了新疆区域极端洪水变化; 以年最大洪峰记录分析了天山山区主要河流极端洪水变化规律, 并用14站资料分析了天山山区气候变化特征, 讨论了天山主要河流极端洪水变化对区域气候变化的响应. 结果表明: 受气候变暖影响, 1957-2006年全疆极端洪水呈区域性加重趋势, 尤其南疆区域极端洪水明显加剧, 北疆区域也有加重趋势, 但相对较缓. 全疆及北疆、 南疆在20世纪90年代中期以来都处于洪水高发阶段. 近50 a来, 在新疆区域洪水呈加重趋势的变化背景下, 发源于天山南坡的托什干河和库玛拉克河年最大洪峰流量呈显著增加趋势, 发源于天山北坡的玛纳斯河与乌鲁木齐河年最大洪峰流量虽有增加, 但是变化趋势较缓. 以年最大洪峰流量发生转折年为界, 天山典型流域托什干河、 库玛拉克河、 玛纳斯河和乌鲁木齐河在20世纪90年代(或80年代)以来与前期相比, 呈现出相似的变化特征: 年最大洪峰流量明显增大, 年际间变化更加剧烈, 洪水年更频繁. 以年最大洪峰流量发生转折年份为界, 玛纳斯河、 托什干河和乌鲁木齐河后期的年最大洪峰集中日期较前期推迟2~9 d, 库玛拉克河却提前5 d. 玛纳斯河、 乌鲁木齐河和库玛拉克河后期的集中度较前期增加0.8%~8.3%, 托什干河减小1.1%. 1961-2010年, 新疆天山山区气温明显上升, 升温率为0.34 ℃·(10a)^-1, 1997年以后明显增暖; 天山山区降水显著增加, 增加速率15.6 mm·(10a)^-1, 同时极端降水强度增大、 频数增多. 近50 a来天山主要河流极端洪水变化与区域增温以及天山山区极端降水事件增多等有密切关系.     

气候变化背景下青藏铁路沿线多年冻土变化特征研究

多年冻土是复杂地气系统的产物, 以升温为特征的气候变化不可避免地对其产生影响. 基于青藏铁路沿线8个天然场地2006-2011年的地温监测资料, 分析了气候变化背景下, 多年冻土升温特征及上限变化规律, 并对低、高温冻土的变化特征进行了对比分析. 结果表明: 2006-2011年监测期间, 铁路沿线多年冻土正在经历明显的升温趋势, 上限附近和15 m深处平均升温率分别为0.015 ℃·a^-1和0.018 ℃·a^-1, 其中, 低温冻土区在上述两个深度处升温均比高温冻土区显著; 多年冻土上限深度也表现出一定的增深趋势, 平均增深速率为4.7 cm·a^-1, 其中, 高温冻土区增深速率大于低温冻土区. 低、高温冻土对气候变化的响应表现出了较大差异. 同时, 受局地因素的影响, 不同区域在升温和上限增深上也存在一定差异.     

1961—2017年新疆积雪期时空变化特征及其与气象因子的关系

利用新疆89个地面站逐日积雪深度观测资料,研究探讨了1961—2017年新疆区域积雪期、积雪初日、积雪终日的时空变化规律,分析了北疆和天山山区积雪期的年代际和周期变化特征及其与气温、降水的关系.结果表明:新疆各地积雪期、积雪初日和终日存在明显的差异,积雪期以天山为界北多南少;从空间分布看,天山山区和新疆北部阿勒泰、塔城...     

Relationship between Soil＇s Seasonal Freezing Process and Daily Accumulative Hourly Temperature in Northern Xinjiang Region

传统的度日因子模型很难分辨在结冻期土壤每日结冻和解冻的过程,而日小时积温可以区分正积温和负积温对土壤冻结过程的影响.利用北疆地区1951-2010年气象站数据和决策树算法,分析计算日小时积温及表层5cm和10cm土壤冻结状态数据及日小时积温对季节性冻土冻结现象的影响.结果表明：在北疆范围年小时正积温以每年平均160℃增长,而年小时负积温以每年平均153℃减少.季节性冻土发生冻结现象所需的临界值分布与北疆地区气候和土壤分布基本一致,但仍存在空间差异性.北疆地区5cm土壤结冻所需的日小时负积温为-50℃以下,而5cm到10cm土壤结冻所需日小时负积温的平均值差值为-15℃左右.与日最低气温和日平均气温作为土壤结冻判据相比,日小时积温临界值作为判据可获得较高的精确度.在昌吉地区和阿勒泰地区冻土的平均深度随着日小时负积温临界值的增加而减少.     

1961-2004年新疆气候突变分析

利用1961-2004年新疆53个气象台站逐日平均最高气温、平均最低气温和降水数据,采用Mann-Kendall法分别对北疆、天山山区和南疆气温、日较差和降水年序列进行了突变分析,同时利用滑动t检验和Yamamoto法对突变点的真伪做了验证.结果表明:1961-2004年北疆、天山山区和南疆年平均最低气温上升速率均明显高于年平均最高气温,年平均日较差均呈显著下降趋势,年降水量均有增加趋势.北疆年均最低气温、年平均日较差及年降水量分别在1988年、1979年和1984年发生了突变;天山山区年均最低气温、年平均日较差及年降水量分别在1985年、1983年和1992年发生了突变;南疆年平均最高气温、年均最低气温及年平均日较差分别在1993年、1991年和1981年发生了突变.20世纪80年代中期以来北疆、天山山区、南疆均进入增温多雨时期.这些结果对进一步研究和预测新疆气候有着重要意义,为研究全国甚至全球气候变化提供重要依据,同时也为决策者提供决策依据.     

吉林省季节冻土冻结深度变化及对气候的响应

为了掌握季节冻土冻结深度的变化对气候的响应,利用1961-2015年吉林省46个气象站的逐日平均气温、地表温度、积雪深度、冻土冻结深度等数据,采用线性倾向估计、突变分析等方法,研究了吉林省季节冻土冻结深度的时空演变规律及其与气温、积雪的关系。结果表明：吉林省季节冻土最大冻结深度呈由西向东逐渐减小的空间分布特征,绝大多数站最大冻结深度呈减小趋势。基本上在10月开始冻结,次年3月达到最深,6月完全融化。西部冻土冻结深度变幅较大,其次是中部,东部最小。1961-2015年季节冻土最大冻结深度以-5.8 cm·（10a）^-1的速率显著减小（P<0.01）。最大冻结深度基本上呈逐年代减小的趋势,从20世纪90年代开始,最大冻结深度明显减小。最大冻结深度在1987年发生了突变,突变后平均最大冻结深度比突变前平均最大冻结深度减小了22.2 cm。通过分析气温和积雪深度对冻结深度的影响,认为冻土冻结深度对气温变化较为敏感,绝大多数站最大冻结深度与平均气温呈负相关关系。在年际变化上,气温的上升是最大冻结深度减小的主要原因。在季节冻土稳定冻结期,积雪深度超过10 cm,保温作用逐渐变强;当积雪深度达到20 cm时,保温作用显著,冻土冻结深度变浅。     

我国北疆地区1961—2017年冻融指数的变化趋势

利用我国北疆地区49个主要气象站1961-2017年的逐日平均气温观测值计算了年冻融指数,并分析其变化趋势及分布特征。结果表明：北疆地区冻结指数出现明显的下降趋势,下降速率为51.6℃·d·（10a）^-1。冻结指数的范围在509~2 304.9℃·d之间,平均值为1 240℃·d。北疆地区融化指数出现明显上升趋势,上升速率为73.9℃·d·（10a）^-1。融化指数的范围在526.4~4 531.1℃·d之间,平均值为3 516℃·d。冻结指数表现出在经纬度和海拔较低的准噶尔盆地和伊宁地区较小,在海拔高的高山地区如阿尔泰山和天山山脉较大;融化指数与之相反。北疆地区冻结指数受经纬度及海拔的综合影响,融化指数则主要受海拔影响;年平均气温和冻融指数有非常强的线性关系。     

东北地区地温和冻结深度时空特征的细化分析

根据东北地区144个国家气象站1951—2016年的地温和土壤冻结深度资料,采用实测资料统计及统计建模推算的方法,对东北地区地温和冻结深度时空特征进行了细化分析。结果表明：东北地区地温整体由南到北逐渐降低,冻结深度逐渐增大。各层年平均地温呈向北2个纬度降低1 ℃左右,年平均最大冻结深度为向北2~3个纬度加深30 cm左右,极端最大冻结深度为向北2个纬度加深30 cm左右。地温和冻结深度与纬度关系显著,与经度和海拔也有一定相关性,但在东北北部的多年冻土区基本不受后两者影响。不同深度的地温季节特征不同,地表温度季节特征与气温一致,160 cm以下深度四季温度从高到低为秋、夏、冬、春。地表夏季与冬季温差达到33.5 ℃,而320 cm深处最热季与最冷季的温差仅为7 ℃。气候变暖使得东北地区各层地温升高、冻结深度减小、冻结期缩短,尤其在多年冻土区及其临近的高纬度季节冻土区更为显著。相对于下层土壤,地表升温最大。伊春地表升温趋势达到1.16 ℃?（10a）^-1,40~320 cm土层升温趋势为0.60 ℃?（10a）^-1左右,冻结深度减小、冻结期缩短趋势分别达到 23 cm?（10a）^-1、8 d?（10a）^-1,大幅升温不利于多年冻土的存在。     

1961-2013年新疆不同时间尺度降水量的气候特征及其历史演变规律

利用新疆1961-2013年资料完整的89个气象观测站降水量资料, 应用数理统计、线性趋势、突变、小波分析等方法, 对新疆降水量的时空分布和变化特征以及突变性、周期性特征进行了分析. 结果表明: 新疆年降水量空间分布极不均匀, 大值区分布主要在天山山区及其两侧; 降水集中出现在春末至夏季, 其中, 7月在全年所占比例最大. 新疆及其各分区年降水量与降水量距平百分率均呈显著增加趋势, 不同于中国大部分区域同期呈显著减少或无明显线性变化趋势的现象, 增加速率与年降水量有关, 同时年际波动及阶段性变化明显; 四季降水量增加趋势的显著性不如年降水量, 空间分布上年和四季降水量均表现为大部分地区呈增加趋势, 且增加趋势冬季 > 夏季 > 春季 > 秋季. 新疆及天山山区年降水量在1987年发生了突变, 北疆在1984年发生了突变, 而南疆在1981-1986年期间发生了突变; 新疆及北疆年降水量具有3 a、6 a、8 a、11 a、18 a的波动周期, 天山山区存在6 a与10 a的震荡周期, 南疆波动周期为5 a、8 a、18 a, 四季降水量也存在不同的波动周期.     

1961-2002年新疆季节冻土多年变化及突变分析

对新疆41 a(1961/1962-2001/2002年)冬季平均冻土深度、最大冻土深度、土壤10 cm深度封冻时段资料分析表明,随着全疆气候的变暖,各地的平均冻土深度、最大冻土深度趋向变浅,土壤封冻时间缩短.尤其是1986年以后,暖湿化特征十分明显,冻土深度和封冻时间变化更为显著.最大冻土深度南、北疆分别在1982/1983年和1986/1987年冬季发生了明显的突变.