雪灾是由于冬、春季降雪量过多, 温度低引起持续性积雪, 草场被覆盖, 造成家畜采食困难或无法采食而发生的牲畜伤亡, 伴有群众生命财产损失、交通中断、电力和通讯设备损害的一种气象灾害。西藏高原是中国五大牧场之一, 各类天然草地占西藏土地总面积的71.2%, 畜牧业在西藏经济中占有很重要的地位。西藏牧区处于稳定积雪和不稳定积雪区域, 是雪灾多发地区之一。雪灾对西藏畜牧业的破坏是毁灭性的, 对人民生命财产、交通运输和电力通讯也造成重大损失, 并导致农牧民普遍返贫。

我国对牧区雪灾形成及指标体系的研究经历了两个阶段。20世纪90年代前, 采用雪灾灾情资料与月降雪量和温度关系建立了雪灾指标统计模型(假拉等, 1995; 靳立亚等, 1996), 或采用微波遥感探测数据反演积雪深度研究雪灾时空分布特征(李培基, 1998)。随着对雪灾机制研究的深入和积雪数据的不断完善, 90年代末开始分析积雪深度和积雪日数对雪灾影响, 并建立了不同区域的雪灾指标, 开展了雪灾气候规律、风险评估等方面的研究(假拉等, 2008; 韦志刚等, 2005; 周秉荣等, 2006; 李红梅等, 2013; 杜华明等, 2015; 郭建平等, 2016; 周利敏等, 2016; 宋燕等, 2016; 黄鑫等, 2017)。但对青藏高原雪灾气候变化、成因及其与大气环流关系的研究较少(董文杰等, 2001; 梁潇云等, 2002; 王希娟等, 2007; 时兴合等, 2006; 郭晓宁等, 2010), 且以青藏高原东部为主, 对青藏高原主体西藏区域的研究就更少。黄晓清等(2013)采用积雪深度和积雪持续日数二项要素组合的雪灾等级指标为基础, 较客观的得出了西藏高原不同等级雪灾空间分布特征, 分析了区域性雪灾异常年的大气环流特点。依据雪灾等级指标, 利用西藏高原高海拔牧区1979年10月至2013年4月19个气象站逐日积雪资料、月降水量和月平均温度及NCEP/NCAR 500 hPa高度场再分析资料, 采用统计学方法进一步研究近33年西藏高原雪灾气候变化特征, 分析雪灾年代际变化与大气环流之间关系, 试图寻找雪灾发生发展规律, 以提高西藏高原雪灾变化认知和预测水平。

在雪灾致灾气象因子中, 积雪深度和积雪持续日数二项要素能反映雪灾发生的必要性和充分性条件。西藏高原地域宽阔, 气候、地理和植被等环境条件的差异很大, 相同的积雪量以及积雪持续时间所造成的灾害程度也有所不同。为此, 在牧区雪灾等级国家标准(李海红等, 2006)的基础上, 黄晓清等(2013)结合西藏高原东部和西部牧草高度差异, 采用积雪深度和积雪持续日数二项要素组合, 制定了西部和东部牧区雪灾强度等级指标, 将雪灾强度等级划分为轻灾、中灾和重灾三级(表 1)。西部区域包括阿里地区(狮泉河、改则、普兰3个站)和那曲地区中西部(申扎、班戈、安多、那曲和当雄5个站), 东部区域为那曲地区东部(索县、嘉黎和比如3个站)、昌都地区(昌都、丁青、类乌齐和芒康4个站)和喜玛拉雅南坡(聂拉木、帕里、错那和隆子4个站)。而雅鲁藏布江中段农区和林芝市林区出现雪灾概率较小。

表 1(Table 1)

表 1 西藏高原牧区西部、东部雪灾等级指标 Table 1 The snow disaster level indicator over Tibetan Plateau 雪灾等级 积雪状态 积雪深度/cm 积雪持续日数/d 轻灾 3~5a 10~15a 5~10 7~10 中灾 3~5a ≥15a 5~10 10~15 重灾 5~10a ≥15a >10 ≥10 a:表示西部雪灾等级指标; 其余为东部雪灾指标

表 1 西藏高原牧区西部、东部雪灾等级指标 Table 1 The snow disaster level indicator over Tibetan Plateau

为此, 选取了1979—2013年10月至次年4月19个气象站的积雪深度和积雪日数资料, 根据以上雪灾等级指标统计了1979—2013年逐月雪灾出现站次(表 2)。

表 1(Table 1)

表 2 西藏高原逐月雪灾站次 Table 2 Frequency of monthly snow disaster over Tibetan Plateau 10月 11月 12月 1月 2月 3月 4月 站次/次 4 20 44 27 36 6 1

表 2 西藏高原逐月雪灾站次 Table 2 Frequency of monthly snow disaster over Tibetan Plateau

从表 2中可以得出, 西藏高原牧区雪灾出现在11月至次年2月的站次约占年总次数的92%, 出现在10月和3—4月份的占年总次数的8%。西藏牧区雪灾主要发生在11月至次年2月这一时段。其中12月份的大部分雪灾是11月后期强降雪天气过程加上温度低引发持续性积雪造成的。本文将冬、春季节划分为3个时段: 10月15日至12月为前冬; 次年1—2月为隆冬; 3—4月为春季。对于跨时段的雪灾过程, 鉴于雪灾的危害主要发生在降雪过程的后期, 所以, 规定如果前一时段的积雪日数占该过程积雪总日数的三分之二以上, 则认定该次雪灾为前一时段的雪灾, 否则算为后一时段的雪灾。同时, 以前一年10月15日至当年4月30日内时段为一个雪灾年, 如1980年的雪灾年为1979年10月至1980年4月时段, 以此类推。

采用每个气象站出现不同程度的雪灾记为1站次, 将西藏高原牧区作为一个整体来考虑, 分别统计了前冬、隆冬、春季和总的雪灾(10月15日至次年4月30日)发生站次。通过1979—2013年西藏高原不同程度雪灾站次(图 1)可以看出, 33年来西藏高原总共出现雪灾站次为138次, 平均每年发生4次。轻度雪灾有63次, 占总站次的46%, 而中度和重度分别为39和36次, 两者合计占总站次的54%。

图 1(Figure 1)

图 1 1979—2013年西藏高原不同程度雪灾站次 Figure 1 Frequency of snow disaster in Tibetan plateau from 1979 to 2013

从3个时段上(图 2)分析, 前冬和隆冬雪灾分别占总雪灾站次49%和46%, 春季相对较少(占总站次5%)。反映出前冬的降雪次数多、强度大, 且温度逐渐下降, 形成的积雪时间长且深厚, 隆冬温度低, 一旦有降雪天气过程容易形成长时间、较厚的积雪, 而3—4月份是季节转换时期, 地面温度开始回暖, 积雪不易持续。从图 2中还明显看到, 前冬、隆冬容易出现中度以上雪灾(占时段总站次57%), 春季以轻灾为主(占时段总站次71%), 未出现重灾。

图 2(Figure 2)

图 2 1979—2013年前冬(10—12月)、隆冬(1—2月)、春季(3—4月)3个时段不同程度雪灾站次 Figure 2 Frequency of snow disaster in three different periods from 1979 to 2013

以上分析表明西藏高原上发生雪灾的概率较大, 且易出现中度以上雪灾, 11月至次年2月是雪灾多发期及灾害重, 3—4月雪灾明显偏少、且强度较弱。

通过一元线性回归方程计算1980—2013年不同等级年雪灾次数的气候倾向率(图 3), 各类雪灾变化具有显著减少趋势。其中, 总雪灾和重灾出现站次的气候倾向率为-1.13次·(10a)^-1和-0.51次·(10a)^-1, 均通过0.02的显著性水平检验, 轻灾、中灾气候倾向率分别是-0.34次·(10a)^-1、-0.27次·(10a)^-1, 未通过显著性水平检验。3个时段雪灾变化趋势与总雪灾相同(图略)。

图 3(Figure 3)

图 3 1980—2013年不同程度年雪灾(a~d)年际变化(点实线)及气候倾向率(实线) Figure 3 The interannual variations (dot solid line) and trend (solid line) of total, mild, moderate and severe snow disaster (a~d) from 1980 to 2013

从图 3(a)中看出, 西藏高原年雪灾存在着年代际变化。1980—1997年呈波动性上升趋势, 为雪灾高发期, 年均发生雪灾5.5次; 1998—2007年雪灾发生次数呈减少趋势, 年均发生1.7次, 处于10年的低值期, 此后雪灾发生次数有所回升; 2008—2013年年均发生3.4次。分析年总灾的Mann-Kendall检验结果(图 4)可见, 在20世纪末和21世纪10年代末雪灾次数发生两次突变, 突变时间点分别在1999年和2008年。两次突变时间点正好对应年代际变化特征, 即1999年突变反映出雪灾次数由增多趋势向减少趋势转变, 而2008年雪灾次数略有回升。结合雪灾指标的标准差变化(图 5), 西藏高原雪灾在1990年代末之前呈增加趋势, 之后明显减少, 1999年为突变点。

图 4(Figure 4)

图 4 1980—2013年总雪灾Mann-Kendall统计量曲线 Figure 4 Mann-Kendall test of total snow disaster form 1980 to 2013

图 5(Figure 5)

图 5 1980—2013年冬春降雪、温度和年总灾的标准差演变 Figure 5 Standardized time series of precipitation, temperature and total snow disaster in winter spring from 1980 to 2013

虽然与董文杰等(2001)研究的青藏高原东部雪灾在区域和时间上不同, 但在相同的分析时间段(1980—1996年)雪灾气候变化分析结果比较一致。郭晓宁等(2010)分析表明青海高原1960—2008年的雪灾发生频次呈上升趋势, 与本研究结论相反, 但年代际变化基本相同。西藏高原与青海高原的雪灾变化趋势的差异有待于进一步研究。

在全球气候变暖的大背景下, 近50年(1961—2010年)西藏高原平均温度明显升高, 其中冬季增温达0.46 ℃·(10a)^-1, 高于全国其他地区, 年降水量平均增加8.0 mm·(10a)^-1(宋善允等, 2013)。通过计算冬春(10月至次年4月)累计降雪量和平均温度与总雪灾次数之间的相关系数, 可以得出, 冬春平均温度与总雪灾次数之间有较高负相关(0.67), 通过0.001的显著性水平检验; 与冬春降雪总相关系数为0.25, 通过0.1的显著性水平检验。雪灾与温度高相关性是否反映了持续性积雪对温度的影响。从温度与雪灾之间超前、同时、滞后的相关性分析(表 3)可知, 雪灾当月和滞后1个月负相关很高, 通过0.05以上的显著性水平检验, 滞后2个月之后相关性很弱, 甚至滞后4个月后出现较高正相关。前期温度与雪灾无显著相关。

表 1(Table 1)

表 3 温度与雪灾之间超前、同时、滞后的相关性分析 Table 3 The before, meanwhile and after correlative coefficients between temperature and snow disaster 超前、同时、滞后月份 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 相关系数 0.38* 0.07 0.16 -0.001 -0.32*** -0.26** -0.06 0.04 0.34* 0.51** *、**、***分别代表通过0.1, 0.05和0.001的信度检验

表 3 温度与雪灾之间超前、同时、滞后的相关性分析 Table 3 The before, meanwhile and after correlative coefficients between temperature and snow disaster

冬春季降雪、温度和总雪灾次数的标准差年际变化(图 5)可以看出, 总雪灾和温度年际变化非常一致, 当冬春季温度偏低时积雪不易融化易发生雪灾, 在冬春平均温度偏高时即使降雪偏多出现雪灾的概率很低, 如20世纪80年代后期和21世纪00年代中期虽然降雪偏多但温度偏高未发生雪灾。从冬春季温度和降雪的气候倾向率和突变分析(图略), 近33年冬春平均温度显著增温, 增温率为0.57 ℃·(10a)^-1(通过0.001的显著性水平检验), 温度增暖的突变点在1997年, 与雪灾减少的突变点早两年。降雪变化趋势不明显, 突变点发生在1985和2001年, 分别对应1980年代降雪由偏少到偏多和1990年代末后期降雪由偏多突变为偏少。

由以上分析可以得出, 温度对雪灾的发生有重要影响, 气温会影响积雪深度和积雪时间, 日平均温度在-5 ℃以下时, 积雪可以保存相当长时间, 若达到0 ℃以上, 积雪会很快融化, 很少成灾(李硕等, 2000)。近些年, 西藏高原增温幅度大于全球增温幅度(郑然等, 2015), 尤其是冬春季节(杜军等, 2013), 因此随着冬春季温度增暖西藏高原雪灾次数显著减少, 冬春季平均温度对雪灾气候变化起着决定性作用。

大气环流变化是影响雪灾气候变化的主要因子之一。图 6给出了总雪灾次数与东半球500 hPa冬春平均高度场格点值相关系数, 其中有4个区域相关值通过0.05以上的显著性水平检验, 位于北非至西亚、印度洋北部、北冰洋东部和日本海, 分别对应大气环流系统的西风带南支槽、副热带高压、东半球极涡和东亚大槽。相关系数分布反映了当西藏高原雪灾偏多年时, 东半球极涡偏强位于东半球及东亚大槽偏西有利于北部冷空气南下, 西风带南支槽活动频繁和副热带高压偏西输送了充沛的南部水汽, 西风带南支槽是发生雪灾的影响系统。这与董文杰等(2011)和黄晓清等(2013)的研究结果一致, 即冬季, 到达我国大陆的水汽输送其中一支来自于青藏高原南侧, 即西南水汽, 成为影响高原雪灾的一个重要因素。

图 6(Figure 6)

图 6 1980—2013年总雪灾次数与东半球500 hPa冬春平均高度场格点值的相关系数 Figure 6 Correlations between the number of snow disasters and 500 hPa height fields in the Eastern Hemisphere in the winter spring of 1980—2013

冬春东半球4个环流系统与雪灾气候变化又有什么关系？能否说明雪灾气候变化的机制？选取4个区域内相关系数≥0.3的格点值进行加权平均, 得到33年来冬春4个环流系统的序列变化。分析4个环流系统演变与雪灾变化之间关系(图 7)可以得到, 4个环流系统和雪灾的年际波动相同, 即西风带南支槽活跃和东半球极涡偏强、东亚大槽偏西和副热带高压偏西时雪灾易发生, 反之则然。近33年西风带南支槽和东半球极涡呈明显的减弱(高度场正距平)趋势, 气候倾向率分别为4.5 dagpm·(10a)^-1和12.2 dagpm·(10a)^-1, 通过0.01和0.02的显著性水平检验, 东亚大槽偏西和副热带高压变化趋势不明显。同时, 西风带南支槽和东半球极涡存在年代际变化和突变点, 西风带南支槽1980—1990年代偏强, 之后明显偏弱; 而东半球极涡1980年代前期偏弱, 1986—1990年代偏强, 随后显著减弱。西风带南支槽和东半球极涡在1998年为突变点(图略)。

图 7(Figure 7)

图 7 1980—2013年冬春冬半球4个环流系统和年总灾的标准差演变 Figure 7 Standardized time series of four large-scall circulation systems in Eastern Hemisphere and snow disasters in the winter spring of 1980—2013

可见, 西风带南支槽和东半球极涡变化及突变点与西藏高原雪灾变化和突变点非常一致, 表明在20世纪90年代后随着西风带南支槽不活跃和东半球极涡偏弱, 使得南部水汽输送减少和北部冷空气弱, 造成西藏高原雪灾呈减少趋势。

(1) 1979年10月至2013年4月西藏高原总共出现了138站次雪灾, 平均每年发生4站次, 轻度雪灾占总站次的46%, 而中度和重度合计占总站次的54%。在秋冬季节(10月至次年2月)雪灾发生站次达95%, 且中度以上雪灾占时段总站次的57%;春季(3—4月)雪灾占总站次的5%, 以轻度雪灾为主。

(2) 33年期间, 不同等级的总雪灾和3个分时段(初冬、隆冬、初春)的雪灾变化总体上均具有显著减少的趋势, 其中总雪灾和重灾气候倾向率分别为-1.13次·(10a)^-1和-0.51次·(10a)^-1, 通过0.02的显著性水平检验。1980—1997年以波动性上升趋势, 为较长的雪灾高发期, 从1998—2007年雪灾发生次数呈减少趋势, 处于10年的低值期, 此后雪灾发生次数有所回升, 突变时间点分别在1999年和2008年。

(3) 冬春平均温度与总雪灾次数之间有很高的负相关性(0.67), 33年冬春平均温度增温率为0.57 ℃·(10a)^-1, 与冬春降雪总相关系数为0.25, 通过0.1的显著性水平检验, 降雪变化趋势不明显。冬春平均温度突变点(1997年)比雪灾突变点提前两年。

(4) 总雪灾次数与东半球500 hPa冬春平均高度场相关系数有4个区域通过0.05以上的显著性水平检验。反映了西风带南支槽活跃和东半球极涡偏强、东亚大槽偏西和副热带高压偏西时雪灾易发生, 反之则然。33年西风带南支槽和东半球极涡呈明显的减弱趋势, 突变点出现在1998年, 东亚大槽和副热带高压变化趋势不明显。

西风带南支槽和东半球极涡变化及突变点与西藏高原雪灾变化和突变点非常一致, 是西藏高原雪灾变化的一个可能原因, 有助于深入研究西风带南支槽和东半球极涡变化及其对高原雪灾影响的机理。