降水是流域水文循環(huán)的主要驅(qū)動(dòng)，主要包括固態(tài)和液態(tài)這2種形態(tài)，降水形態(tài)的變化將導(dǎo)致流域水文過(guò)程的改變。全球至少1/6的人口生活在以降雪為主要補(bǔ)給的流域內(nèi)^[]，中國(guó)寒區(qū)面積占43.5%^[]，降雪也是該地區(qū)水資源的主要組成部分。美國(guó)西部山區(qū)及高緯度地區(qū)的觀(guān)測(cè)顯示，受氣候變暖的影響，降雪減少導(dǎo)致春季徑流增加以及春汛的提前，改變了流域年內(nèi)徑流分布，惡化了夏季農(nóng)業(yè)和生活用水的情勢(shì)^{[, , ]}。另外，總降水量不變、降雪比例的下降也會(huì)降低流域的徑流系數(shù)，從而直接影響可利用的水資源總量^[]。在氣候變化及水資源短缺背景下，研究降雪特征的變化及其所引起的水文響應(yīng)尤顯重要。

過(guò)去對(duì)降雪的關(guān)注主要針對(duì)包括與大氣環(huán)流的關(guān)系^[]、 降雪天氣的觸發(fā)^[]、 動(dòng)力機(jī)制^[]、 診斷分析^[]以及數(shù)值模擬^[]等天氣機(jī)制研究。由于國(guó)家氣象站的降水?dāng)?shù)據(jù)在1980年之后缺乏降水類(lèi)型的標(biāo)記，導(dǎo)致無(wú)法直接使用降雪觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)^[]，對(duì)過(guò)去中國(guó)全范圍長(zhǎng)時(shí)間段降雪特征變化的分析較為困難。同時(shí)，對(duì)長(zhǎng)期降雪的研究主要著眼于對(duì)氣象站的點(diǎn)數(shù)據(jù)序列分析^{[, ]}，而對(duì)影響流域水文響應(yīng)關(guān)鍵因素的面平均網(wǎng)格插值數(shù)據(jù)的分析較少。在過(guò)去50 a中，中國(guó)的年降水總量沒(méi)有顯著的變化，總體呈現(xiàn)西部和東南增加，東北和中部減少的趨勢(shì)，但是季節(jié)性分布變化明顯，冬季降水有增加趨勢(shì)，年內(nèi)降水的強(qiáng)度也有顯著的增加^[]。降雪變化與降水情勢(shì)是否有相似性，尤其是對(duì)水文過(guò)程有影響的降雪特征是否有顯著變化，這種探討分析還較少。

本文根據(jù)國(guó)家氣象站實(shí)測(cè)降水及其他氣象、海拔數(shù)據(jù)，通過(guò)采用基于數(shù)據(jù)擬合所獲得的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系來(lái)區(qū)分降水形態(tài)，插值計(jì)算網(wǎng)格降雪數(shù)據(jù)，分析中國(guó)過(guò)去50 a的降雪特征時(shí)空變化，重點(diǎn)關(guān)注對(duì)水文過(guò)程有影響的降雪特征的演變趨勢(shì)，以期深入認(rèn)識(shí)、評(píng)估對(duì)這種降雪變化的流域水文響應(yīng)。

本文使用國(guó)家氣象局提供的743個(gè)國(guó)家級(jí)氣象站點(diǎn)1956—2010年的逐日氣象資料，主要包括日平均氣溫、相對(duì)濕度和日降水量等以及測(cè)站所在位置、高程信息。采用Ding等^[]利用該數(shù)據(jù)集1951—1979年有降雪形態(tài)記錄數(shù)據(jù)所擬合的關(guān)系式來(lái)判斷某次降水事件的性質(zhì)(降雪、雨夾雪和降雨)。具體通過(guò)比較濕球溫度(T_w)與臨界溫度(T_A、T_B )來(lái)確定當(dāng)日的降水形態(tài)如式(1)所示，即

其中臨界溫度是海拔、相對(duì)濕度和平均氣壓的經(jīng)驗(yàn)函數(shù)。相較于其他的降水形態(tài)區(qū)分的方法，該公式更為符合中國(guó)的情況，并且能夠直接應(yīng)用于降雪區(qū)分。

根據(jù)判斷的逐日降水性質(zhì)，將雨夾雪視為降雪，得到研究時(shí)段的逐日降雪量。采用距離方向權(quán)重法將降雪量在全國(guó)范圍內(nèi)插值到10 km的網(wǎng)格數(shù)據(jù)，相比于Thiessen多邊形等其他插值方法，能夠獲得更為均勻的空間分布，識(shí)別降雨的空間漸變模態(tài)。

以當(dāng)年9月1日至次年的8月31日作為當(dāng)年的降雪年時(shí)段，例如1999年9月1日到2000年8月31日視為1999降雪年，加和這段時(shí)間內(nèi)的日降雪量得到1999年的年降雪量。因?yàn)檩^小的降雪量對(duì)流域水文過(guò)程的影響較小，在本文的分析中不考慮多年平均降雪量小于10 mm的網(wǎng)格，將其視為無(wú)顯著降雪區(qū)域。

如所示，中國(guó)過(guò)去50 a的平均降雪量呈現(xiàn)較為明顯的區(qū)域性。東北北部、東部和長(zhǎng)白山地區(qū)，天山山脈北部，祁連山及青藏高原東部和南部，長(zhǎng)江中、下游和華北地區(qū)，構(gòu)成了中國(guó)主要的4個(gè)降雪集中區(qū)域。中國(guó)降雪集中區(qū)域與主要山脈的分布有著高度的一致性，相關(guān)程度高于其與緯度的相關(guān)性。本文計(jì)算的降雪集中區(qū)域和多年平均年值與劉玉蓮等^[]的結(jié)果相符： 青藏高原的年降雪量最高，大部分地區(qū)達(dá)到60 mm，長(zhǎng)白山部分地區(qū)也達(dá)到了60 mm以上，是中國(guó)降雪的峰值區(qū)域。

另一方面，影響流域徑流系數(shù)的降雪比例在中國(guó)的空間分布如，與降雪量的分布大致相同。但由于長(zhǎng)江中下游地區(qū)的年降水量達(dá)到1 000 mm以上，降雪比例較小，降雪對(duì)水文過(guò)程的影響基本可以忽略。東北地區(qū)的降雪比例(0.1左右)低于新疆北部和青藏高原地區(qū)(0.2左右)，在中國(guó)4個(gè)主要降雪區(qū)域中，新疆北部和青藏高原的降雪對(duì)該地區(qū)水資源影響是最大的。

考察過(guò)去50 a的年均降雪總量是否具有趨勢(shì)性變化?？紤]到降雪受大氣環(huán)流等大尺度氣候現(xiàn)象影響，如厄爾尼諾(${ m{EL}};{ m{Ni}}widetilde { m{n}}{ m{o}}$)暖流等，年際之間的降雪總量可能存在一定的相關(guān)性，采用去趨勢(shì)預(yù)置白法^[]檢驗(yàn)?zāi)杲笛┝康内厔?shì)性變化。如所示，除長(zhǎng)江中下游地區(qū)，中國(guó)主要降雪地區(qū)的年降雪量均呈現(xiàn)顯著的上升趨勢(shì)，在東北、新疆北部以及青藏高原降雪線(xiàn)性趨勢(shì)增加率都達(dá)到了10 mm/10 a，其中在青藏高原西南部喜馬拉雅山脈地區(qū)的最大值達(dá)到了30 mm/10 a。因?yàn)檫^(guò)去50 a的降水總量變化不大，各降雪年的降雪比例的變化與降雪量的變化趨勢(shì)及其空間分布是高度一致的。

上述各區(qū)域年降雪的趨勢(shì)性變化與年總降雨量的并不一致。在過(guò)去50 a間，東北的年總降雨量普遍呈減少趨勢(shì)，但該區(qū)域冬、春季降水的增加^{[, ]}與降雪增加是相吻合的，同時(shí)增加的降雪也被認(rèn)為能夠一定程度上緩解由年降水減少而造成的緊張水資源情勢(shì)^[]。在新疆北部和青藏高原地區(qū)，年降雪和年降水的變化趨勢(shì)是一致的。這些地區(qū)的秋、冬、春季天氣條件均較利于形成降雪，降雪多少主要由水汽因素決定，該地區(qū)近50 a來(lái)四季的降水都呈較顯著的增加趨勢(shì)，降雪的增加是這些地區(qū)總體變濕的結(jié)果。長(zhǎng)江中下游地區(qū)的降雪變化與年總降水以及冬季降水的變化關(guān)系不大。

為了進(jìn)一步認(rèn)識(shí)降雪的代際變化，識(shí)別年降雪在空間上是否有階躍、突變行為，將研究階段劃分為前后2個(gè)時(shí)段，計(jì)算這2個(gè)時(shí)段差值與多年平均的比值，如所示?？梢钥闯?，以1980年為界()，前后2階段平均降雪量的變化最為顯著，并且隨著分界時(shí)間的前移()或者推后(，，)，所得到的前后2個(gè)階段平均降雪量差值均變小； 同時(shí)，1995年之后與1985年之前的多年平均的差值()也顯示了一定，但并不顯著的差距。說(shuō)明了中國(guó)過(guò)去50 a總體呈增加趨勢(shì)的年降雪量，在80年代達(dá)到較高值，到1995年左右回落，但仍然大于1980年之前的多年平均。在全國(guó)范圍內(nèi)降雪這種“少—多—少”的代際變化模態(tài)，在青藏高原^[]以及青海—西藏^[]積雪等變化情況是一致的，其中亞洲季風(fēng)環(huán)流轉(zhuǎn)變^[]被認(rèn)為與之有一定的關(guān)聯(lián)。在東北地區(qū)，年總降水量變化也呈這種代際變化，松花江和遼河流域近50 a中最大的10 a降水量為1986—1995年平均值^[]，說(shuō)明年降雪的代際變化與東北地區(qū)總體的干濕變化也是一致的。而中國(guó)徑流變化年份閾值也呈現(xiàn)相似模態(tài)^[]，多年平均降雪量的變化對(duì)相關(guān)流域徑流變化的貢獻(xiàn)需要進(jìn)一步開(kāi)展研究。

年降雪量在各個(gè)月份分布特征的不同，影響著該流域的有效積雪^[]，從而改變流域水文過(guò)程。因?yàn)檩^小的降雪對(duì)水文過(guò)程影響不大，同時(shí)考慮本文所用的降雪區(qū)分模型對(duì)個(gè)別降水事件的誤判，設(shè)定當(dāng)月降雪量占當(dāng)年降雪量的10%作為閾值來(lái)區(qū)分該月是否屬于有降雪的月份。

如所示，在東北、天山北部及青藏高原地區(qū)多年平均的降雪月份數(shù)多為4個(gè)月，并且在過(guò)去的50 a有顯著的增加趨勢(shì)，這些地區(qū)首次出現(xiàn)降雪月份的多年平均值為11月份，其中唐古拉山脈地區(qū)為10月份。華北地區(qū)降雪月份主要為12月份至次年2月份，降雪月數(shù)的趨勢(shì)變化不明顯； 長(zhǎng)江中下游地區(qū)降雪集中在1—2月份，降雪月份數(shù)有減少趨勢(shì)。

如2.1節(jié)所述，除長(zhǎng)江中下游地區(qū)，中國(guó)主要降雪地區(qū)的年降雪量都是顯著增加的，而降雪月份數(shù)的變化情況相異，考察其最大降雪月份降雪的比例，可以從一定程度上認(rèn)識(shí)降雪年內(nèi)分布的特征。多年平均的最大月降雪量年總降雪量的比例如所示，東北、天山北部和青藏高原為30%左右，唐古拉山脈地區(qū)更低，只有20%； 而華北地區(qū)為50%，長(zhǎng)江中下游地區(qū)則達(dá)到60%以上。其中，青藏高原地區(qū)最大月降雪量主要出現(xiàn)在2—3月份，要晚于其他地區(qū)1個(gè)月以上，這與該地區(qū)來(lái)自印度洋的水汽降水轉(zhuǎn)化率在2月和3月為峰值^[]是相一致的。結(jié)合年降雪量和降雪月份的分析可知，東北、天山北部和青藏高原的降雪在降雪季內(nèi)分布更為均勻，并且最大降雪月份的降雪比例也呈趨勢(shì)性減少()，持續(xù)的降雪條件容易產(chǎn)生穩(wěn)定的積雪，相較于直接形成徑流入滲的降雨，將引起更為顯著差異的水文響應(yīng)。華北和長(zhǎng)江中下游區(qū)有更加集中的降雪產(chǎn)生，這體現(xiàn)在華北地區(qū)增加的年降雪量和不變的降雪月份數(shù)以及長(zhǎng)江中下游地區(qū)增加的最大月降雪比例。

細(xì)化分析降雪的集中特征，考察最大日降雪的情況。單日的降雪對(duì)流域年水文過(guò)程的影響不大，但會(huì)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和社會(huì)生活造成重要影響，尤其是暴雪天氣。多年平均的最大日降雪量占多年平均總降雪量的比例和出現(xiàn)的月份如所示?？梢钥闯?，長(zhǎng)江中下游地區(qū)降雪在月份集中的基礎(chǔ)上進(jìn)一步在日尺度集中，最大日降雪量占到年總降雪量的40%左右，最大地區(qū)達(dá)到50%。同時(shí)，該區(qū)域最大連續(xù)降雪日數(shù)的多年平均值達(dá)到了3~4 d，為全國(guó)的峰值區(qū)域，進(jìn)一步說(shuō)明了該地區(qū)年內(nèi)降雪集中于數(shù)天內(nèi)發(fā)生的特征。東北地區(qū)的最大日降雪比例在15%~25%，新疆北部和青藏高原在5%~15%，除青藏高原部分地區(qū)達(dá)到4 d，最大的平均連續(xù)降雪日數(shù)均為2 d，與2.3中的結(jié)論相符，即這些地區(qū)在降雪季中不存在明顯的降雪集中現(xiàn)象。

在變化趨勢(shì)上，最大的日降雪量在華北、東北、天山北部和青藏高原的大部分地區(qū)都有顯著的增加趨勢(shì)，長(zhǎng)江中下游地區(qū)有減少趨勢(shì)，但是這種變化都不是區(qū)域性的。同時(shí)，最大日降雪發(fā)生的時(shí)間，在全國(guó)范圍內(nèi)均沒(méi)有顯著的趨勢(shì)變化。這些特征都說(shuō)明了日最大降雪量受臨近時(shí)段的天氣狀況決定，隨機(jī)特征明顯。

本文基于中國(guó)743個(gè)國(guó)家氣象站1956—2010年氣象數(shù)據(jù)，采用考慮溫度、相對(duì)濕度和海拔等因素的經(jīng)驗(yàn)判別式來(lái)區(qū)分日降雨和降雪事件，從年、月、日不同尺度來(lái)分析過(guò)去50 a中國(guó)的降雪特征變化，探究其對(duì)水文過(guò)程的影響，得到的主要結(jié)論有：

1) 中國(guó)有4大主要的降雪區(qū)域： 東北、天山北部、青藏高原和長(zhǎng)江中下游及華北地區(qū)。長(zhǎng)江中下游地區(qū)的降雪比例較小，降雪未明顯改變降水參與水文過(guò)程的方式，該地區(qū)降雪對(duì)水文循環(huán)的影響較小。

2) 除長(zhǎng)江中下游地區(qū)，中國(guó)主要降雪區(qū)域的年降雪量都有顯著的增加趨勢(shì)，并且代際變化明顯，相對(duì)于20世紀(jì)80年代之前，80年代至90年代前期增加顯著，達(dá)到高峰，之后有降低的變化，呈現(xiàn)了“少—多—少”的變化模態(tài)。

3) 東北、天山北部和青藏高原地區(qū)的降雪在年內(nèi)沒(méi)有顯著的集中現(xiàn)象，降雪月份平均為4個(gè)月，過(guò)去50 a有增長(zhǎng)的趨勢(shì)； 最大月降雪量占總降雪的比例在30%左右，有顯著減少的趨勢(shì)，這種較為平均的年內(nèi)降雪被認(rèn)為有助于形成持續(xù)積雪，從而顯著改變水文過(guò)程。在氣候變化條件下，研究這些地區(qū)的流域?qū)笛┳兓乃捻憫?yīng)是有意義的。

4) 長(zhǎng)江中下游地區(qū)的降雪年內(nèi)集中，最大日降雪量占到年降雪量的50%，且多年平均的最大連續(xù)降雪天數(shù)達(dá)3~4 d，年總降雪由主要的個(gè)別降雪事件構(gòu)成，較難形成穩(wěn)定的積雪，降雪對(duì)該地區(qū)的徑流過(guò)程影響不大。