青藏高原积雪和雪深的时空变率外文翻译资料

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青藏高原积雪和雪深的时空变率

WENFANG XU,

State Key Laboratory of Cryospheric Sciences, Northwest Institute of Eco-Environment and Resources, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou, and University of Chinese Academy of Sciences, Beijing, China

LIJUAN MA,

National Climate Center, Beijing, China

MINNA MA,

State Key Laboratory of Cryospheric Sciences, Northwest Institute of Eco-Environment and Resources, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou, and University of Chinese Academy of Sciences, Beijing, China

HAICHENG ZHANG,

State Key Laboratory of Earth Surface Processes and Resource Ecology, Beijing Normal University, Beijing, China

WENPING YUAN

State Key Laboratory of Cryospheric Sciences, Northwest Institute of Eco-Environment and Resources, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou, China

(Manuscript received 14 October 2015, in final form 14 November 2016)

摘要

近年来，由于气候变化的影响，青藏高原积雪的变化备受关注。由于站点观测的限制，只有少许关于积雪动态的分析研究。通过使用青藏高原上103个气象站的观测资料，本次课题研究了积雪深度和积雪覆盖天数的空间变率和时间变率。结果表明，从1961年到2010年的冬春两季，积雪深度和覆盖天数有弱的负趋势，但是有两个不同的趋势被发现：最初时有增加的趋势和随后变为减少的趋势。在夏季和秋季，大多数测站的积雪深度和积雪覆盖天数表现为显著的下降趋势。在渐晚的降雪开始时间（1.6plusmn;0.8天/十年）和渐早的降雪结束时间（-1.9plusmn;0.8天/十年）的联合控制下，雪盖的持续时间呈现明显的下降趋势（-3.5plusmn;1.2天/十年），这符合对气候变化的响应。本篇文章突出了温度升高和降水量变化的相互矛盾的影响，这使得理解和解释观测到的青藏高原积雪深度和积雪覆盖天数的变化成为一项非常严峻的挑战。

1. 介绍

雪盖对于调节区域和全球气候起着非常重要的作用，尤其是位于青藏高原的雪盖，因为其隔热效果和较高的地表反射率影响了地表和大气之间的能量交换(Barnett et al.1988; Yang et al.2001; Chapin et al.2005; Euskirchen et al.2007)。一个多世纪以前，Blanford (1884)提出在印度西北部地区的夏季降水和喜马拉雅山脉西部平均积雪之间存在着相反的关系。近几年，众多的研究报告都显示出青藏高原积雪和印度夏季降水之间呈负相关关系(Yasunari et al.1991; Zhao and Moore 2004)以及青藏高原积雪和中国南方夏季降水之间呈正相关关系(Bamzai and Shukla 1999; Robock et al.2003; Zhao and Moore 2004)。此外，积雪也对水文过程，植物物候和碳循环有巨大的影响(Goulden et al.1998; Barnett et al.2005; Monson et al.2006; Rawlins et al.2006; Dorrepaal et al.2009; Peng et al.2013)。

FIG.1. 中国青藏高原上的气象台站分布，阴影区域表示青藏高原，点表示气象站。

青藏高原是地球上最高的高原，有超过200万平方公里的区域平均海拔在4500米以上。地形和气候相当大的不均匀性创造了时间和空间上复杂的积雪模式。由于站点观测的限制，大多数研究使用卫星观测资料表明了积雪分布及其多样性(Zhang et al.2004; Che et al.2008; Gao et al.2012; Marchane et al.2015)。然而，有关积雪的卫星资料缺少关于积雪深度的数据，也没有提供足够的时间序列长度。通过使用积雪深度的地表观测数据，一些研究显示出雪深在青藏高原上的增长趋势(Qin et al.2006; Ma and Qin 2012)。一次之前的研究表明从1957至1998年，高原年际日累积雪深每十年增长23%，尽管冬季温度变得更暖了(Qin et al.2006)。有趣的是，在2000年以后，2001年10月该区域的平均气温和20世纪90年代相比上升了1.1℃(Li et al.2012)，这里的变暖速率高于全球其他区域。雪盖的响应机制需要使用长期跟踪观测资料迫切地被评估出来（Qin et al.2006)。特别是在剧烈的气候变暖背景下，当前十年间的积雪变化是需要被研究的。

在本次研究中，我们基于青藏高原上103个气象站的观测资料，研究了从1961年到2010年的雪深和积雪天数的时空变化及趋势。更具体地说，我们的目的有：1.比较青藏高原雪深和积雪天数在时间和空间模式之间的不同；2.评估雪深和积雪天数的年际变化；3.分析不同季节的雪深和气候因素（即降水和温度）之间的联系；4.研究降雪开始时间、降雪结束时间和积雪持续时间对于气候变化的响应所产生的改变。

1. 数据和方法
2. 积雪和气候资料

中国气象局的103个国家气象站观测的青藏高原每日积雪深度资料和气象资料(Fig.1)。丢失记录的每日雪深资料用气象资料（即日降水量和日气温）代替（根据Yuan et al. 2015,2016)。当丢失的记录少于连续15天时，如果日平均气温低于0℃，则日降水量加到每日积雪深度上；如果日平均气温在0℃和2℃之间，则将降水量的一半加到每日积雪深度上。在严格的质量控制下，站点资料被整合为自然积雪年（从八月到明年七月）。然后，将1961年到2010年的积雪年资料平分为四季：春季（三月至五月）、夏季（六月至八月）、秋季（九月至十一月）、冬季（十二月至二月）。在本次研究中，日平均雪深是在一定时期内（即春季，夏季，秋季，冬季和积雪年）所有天数的平均积雪深度。

在填充雪深资料和积雪天数之后，我们把每个站点下半年（八月至十二月）雪深ge;1CM的第一天确认为降雪开始时间，降雪结束时间定义为上半年（一月至七月）雪深ge;1CM的最后一天，积雪持续时间定义为从降雪开始时间到降雪结束时间之间的天数。为了精确地测定降雪开始时间和结束时间，以及避免由缺失数据导致的错误，缺失从八月到降雪开始时间或从降雪结束时间到七月记录的年份被排除出积雪物候的分析研究。此外，如果半年期（一月至七月或八月至十二月）内降雪开始时间和降雪结束时间都存在缺失，则该站点对应年份的数据不被考虑。总共有20.7%的年份被排除出本次分析。

1. 统计学分析

线性分析被应用于分析从1961年至2010年每个站的日平均雪深、积雪天数和降雪气候变量（即降雪开始时间、降雪结束时间和积雪持续天数）。我们使用一个线性数学模型 (Zhang et al.2009; Chen et al.2014)来模拟对时间的关系。我们使用参数区间估计来估算出的标准偏差。对于这个线性模型来说，和分别是和的估计。（i=0,1）的区间估计是：

和（1）

所以：

（2）

或者：

（3）

其中的，，和分别是置信水平，样本容量，区间估计的下限和上限。统计量[是的标准偏差]存在T分布，T检验被用来分析和归类强、中、弱趋势的意义。当＜1.0时，在一个标准偏差内，则将趋势归类为弱趋势；当1.0le;＜时（是T分布的10％临界值），归类为中等趋势；当ge;时，该趋势是在统计学上显著的，归类为强趋势。根据统计趋势的斜率，以上分类被进一步分为六种：负的强趋势、负的中等趋势、负的弱趋势、正的弱趋势、正的中等趋势和正的强趋势。

一种分段回归方法被用于调查在1961年至2010年时间段内102个站点的日平均雪深和积雪天数[聂拉木站（28.28°N，86.08°E；3810.0米）除外，因为它的位置处在峡谷中]：

（4）

其中是降雪变量（即日平均雪深或积雪天数），是年份，是时间序列的估计转折点，定义了趋势变化的时间；、和是回归系数，是拟合残差。在转折点之前，降雪变量的线性趋势是，转折点之后趋势是加上。最小二乘线性回归法被用作估计和其它的系数。P值le;0.50则被认为是显著的。

1. 结果
2. 雪深和积雪天数的时空变化

雪深和积雪天数都被观测到有较高的空间不均匀性。平均来说，有76.5％的站点在春夏秋冬四季和1961年至2010年期间的平均积雪年的日平均雪深低于0.5厘米(Fig.2)。在除去青藏高原西南部一个位于峡谷中的气象站的情况下，从1961年到2010年冬季的日平均雪深普遍低于1.5厘米(Fig.2)。冬季年际积雪天数是11.1plusmn;1.0天，从最小值0.1到最大值41.8依次排列(Fig.2n)。由于海拔很高，唐古拉山东部和喜马拉雅山的积雪很深而且多年不化(Fig.2r)。

FIG.2. 青藏高原103个气象站1961年至2010年日平均雪深和积雪天数的空间分布模型及趋势图。底部左侧的镶嵌图显示的是相应长期均值和趋势的频率分布。

关于1961年至2010年不同季节的雪深和积雪天数，大多数站点存在弱的变化趋势(Fig.2)。平均来说，在春夏秋冬四季和平均积雪年，分别有53.4％，20.4％，54.4％，57.3％，和46.6％的站点日平均雪深显示出较弱的趋势。同样地，有21.4％-40.8％的站点在所有季节的积雪天数有负的弱趋势，有7.7％-35.9％的站点有正的弱趋势(Fig.2)。四个季节中的日平均雪深和积雪天数的趋势有较高的空间不均匀性。例如，在春季，日平均雪深有正趋势的站点中有54.4％的站点主要位于青藏高原东部。然而，在冬季，日平均雪深有负趋势的站点中有47.6％的站点位于青藏高原东南部。

我们的结果表明，1961年至2010年的雪深和积雪天数的趋势都不是连续的。积雪年的日平均雪深在1961年至1981年以0.004plusmn;0.003厘米/年的速率不显著地增长（R²=0.12；P=0.13），但是在1981年至2010年有显著的下降趋势（-0.004plusmn;0.002厘米/年；R²=0.16；P＜0.05）被观测到。对日平均雪深和积雪天数更进一步的分析显示出类似的结果，在不同季节的转折点前后均存在不同的趋势(Fig.3)。例如，在1981年以前，大多数站点（56.9％）的春季日平均雪深有正趋势，尤其是在青藏高原东部地区，但是在1981年之后，有57.8％的站点观测到了负趋势(Figs.3b,c)。

FIG.3. 1961年至2010年转折点（即转折年份）前后日平均雪深和积雪天数的年际变化和趋势。年际变率（图左）： 箭头标示了转折点，灰色虚线表示1961至2010年间的趋势，红色虚线表示转折年份之前的趋势，蓝色实线表示转折年份之后的趋势。转折点之前的趋势分布（图中）和之后的趋势分布（图右）；底部左侧的镶嵌图表示相应趋势的频率分布。

温度和降水决定了积雪的变化，然而这些环境变量在不同季节起着不同的做用。在春、夏、秋季，气温是调节日平均雪深和积雪天数的主导变量(Figs.4a-c; Table 1)。例如，从1961年到2010年，春季的日平均雪深在1981年以前是增长的，而在之后是下降的(Fig.3a)，这同气温的变化相符合(Fig.4a; Table 1)。相反，在冬季，降水决定了日平均雪深和积雪天数的变化(Fig.4d; Table 1)。从1998年到2003年，降水量在六年间持续下降导致了日平均雪深的低值(Fig.4d)。

FIG.4. 青藏高原102个气象站1961年至2010年的（a）春季、（b）夏季、（c）秋季、（d）冬季的降水（黑线）、气温（红线）、日平均雪深（蓝线）、积雪天数（绿色）的年际变率

TABLE.1. 1961年至2010年青藏高原不同季节的日平均雪深、积雪天数、降水和气温的Pearson相关系数。一个和两个星号分别表示在0.05层次和0.01层次的意义。

1. 降雪物候对气候变化的响应

图5(Fig.5)显示了从1961年到2010年降雪开始时间、降雪结束时间和积雪持续时间的空间分布。三个参数都有明显的空间变化(Figs.5a,c,e)。就降雪开始时间而言，67.9％的站点存在正的趋势(Fig.5b)，这表明大多数站点的积雪开始日期会更晚。相比之下，61.2％的站点的降雪结束时间有更早的趋势(Fig.5d)，68.0％的站点的积雪持

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