鄞州区积雪变化特征及其对农业的影响因素分析

夏静雯，蔡仕博，申子彬，陈晓海

(1.鄞州区气象局，浙江 鄞州 315194； 2.宁海县气象局，浙江 宁海 315600)

积雪作为重要的淡水资源，是气候系统的重要组成部分[1-2]，对农业生产的影响不容忽视。积雪的累积和消融改变地表与大气之间的热量、水分平衡，从而影响气候变化；气候异常引起的气温和降水变化又会对积雪产生反馈作用[3]。中国的积雪多分布于新疆北部、天山积雪区、青藏高原积雪区、内蒙古和东北积雪区[4]，已有众多学者对这些区域的积雪进行研究[5-8]认为，青藏高原积雪主要出现在上年10月至当年5月，且高原冬春积雪在20世纪后40年呈现出平稳增长的趋势。北疆区域内，对积雪日数、积雪深度等积雪变量的影响力大小依次为海拔>坡向>坡度>植被>纬度>经度[9]。利用辽宁省52个气象观测站数据[10]研究发现，积雪初、终日期对温度较降水敏感，且与平均地面温度较平均气温更为密切。但以往研究多基于北方地区，由于积雪观测资料的缺乏，目前关于南方积雪的研究还较有限。

鄞州区地处浙江省东部沿海，是典型的亚热带季风气候，积雪出现的频次并不高，但给农业生产带来的灾害却很严重。2008年1月中旬至2月上旬，鄞州区出现的积雪天气造成农业经济损失达6 800万元。基于此，研究鄞州区的积雪特征及对农业的影响因素，对提高其预报准确率、减少积雪灾害对农业的损失非常重要。

1 数据与方法

1.1 IGRA探空数据

本文所使用的全球常规无线电探空数据集(The Integrated Global Radiosonde Archive，简称IGRA)[11]是由美国国家气候数据中心(National Climatic Data Center，简称NCDC)提供。提供了每日0000UTC(世界时，下同)和1200UTC这两个时次的探测数据，包括各标准等压面上的温度、位势高度、露点温度、风向和风速等大气参数。

浙江地区有3个IGRA探空测站，分别为杭州(站号58457，120.17°E，30.23°N)、洪家(站号58665，121.42°E，28.65°N)和衢州(站号58633，118.87°E，28.97°N)。

1.2 对流有效位能定义

不稳定能量是发生强对流天气需要具备的基本条件之一，用来描述不稳定能量的物理量有很多，其中对流有效位能(Convective Avialable Potential Energy，简称CAPE)是一个能同时表征低层大气特征和气块上升运动过程中经过的高层大气特性的物理量，因此，被认为能比较真实地描述探空资料所表示的大气不稳定度[12-13]。

1.3 积雪年

根据积雪的季节变化特征，将上年的9月1日至当年的8月31日定义为一个积雪年，每个积雪年从秋季开始至夏季结束。下文中将积雪年简称为年。

1.4 积雪深度

根据地面气象观测规范，积雪深度是指从积雪表面到地面的垂直深度，以厘米(cm)为单位，取整数。当气象站四周视野地面被雪(包括霰、米雪、冰粒)覆盖超过一半以上时，需要观测积雪深度，平均雪深不足0.5 cm记为0。因此，当雪深数据为痕量，计算时将其当做0.5 cm。

2 结果与分析

2.1 积雪日数的变化特征

对鄞州国家基本气象站的积雪日数进行分析(图1)可以看出，鄞州站的积雪具有明显的季节性，主要集中在冬春两季，从12月开始至次年3月结束，因此，称为积雪期。其中，2月积雪最多，出现对农业生产有影响的积雪灾害的可能性最高，年均积雪1.53 d，占全年积雪日数的46.40%；1月次之，年均积雪1.19 d；3月积雪最少，年均积雪0.16 d，仅占全年积雪日数的0.47%，约为2月的1/10。

图1 鄞州站积雪日数月际变化

对积雪日数的年际变化趋势(图2)分析可知，鄞州站年均积雪日数为3.3 d，总体呈现出下降的趋势(趋势倾向率为-0.5 d/10 a)，尤以1986年后下降趋势更明显。1986年以前，年均积雪日为4.47 d，其中1970和1977年的年均积雪日数达12和14 d；1987年之后，年均积雪日数为1.97 d，相比1953—1986年少2.5 d，其中10年无积雪。

图2 鄞州站积雪日数年际变化

图3 鄞州站积雪深度月际变化

2.2 积雪深度的变化特征

由图3可知，冬季(12、1和2月)的积雪深度大于春季(3月)。2月的积雪日数最多，平均积雪深度也最大，达3.56 cm；1、12月的平均积雪深度分别为3.42和3.34 cm；3月积雪最少，积雪也最浅，仅为2.67 cm。

积雪深度无明显年际变化(图4)。就年际而言，鄞州站多年平均积雪深度为2.95 cm，最大积雪深度出现在1986年，为9.5 cm；而1954、1962、1966、1973和2016年的积雪深度最小，低于0.5 cm。1964、1977年的年积雪日数和年均积雪深度均较大，分别为9 d、7.13 cm和14 d、8.21 cm，说明这两年相对多雪且积雪较厚，对农业造成的不利影响也最为严重。

图4 鄞州站积雪深度年际变化

2.3 积雪和降水、温度的关系

本文还选取了积雪期内的降水量、气温、地表温度和下垫面温度，并结合风速综合分析不同要素对积雪的影响。

由图5可知，不论是气温、地面温度或下垫面温度，积雪期各气温变量均呈增加趋势，这与积雪日数的长期变化趋势相反。其中，气温和地面温度每10 a升温幅度分别达0.349和0.286 ℃，这种升温趋势从20世纪80年代开始更为显著。值得注意的是，在温度波动性上升过程中，存在几个低温时期，如1963、1968、1977、1984、2011年等，在低温达到谷值的当年或其后1～2年内，积雪日数则会呈现峰值，这在一定程度上反映了温度对于积雪的影响。而降水量在80年代中期以前表现为波动性，以后表现出增加趋势(0.568 mm/10 a)。积雪期平均风速呈明显减小趋势，这可能与观测环境的变化和观测仪器的变更有关。

图5 积雪期内年积雪日数和各气象要素的年际变化

由积雪期内积雪日数和各气候因子之间的相关系数分析可知，积雪期内积雪日数的变化与气温和地表温度的变化有较好的负相关性，相关系数达-0.565和-0.527，说明积雪日数与气温关系较为密切，这是由于气温在积雪维持方面较为重要，较低的气温有利于积雪的发育和保有，故对应较高的积雪日数，反之较高的气温加快了积雪的融化，故对应较低的积雪日数。降水量、风速对积雪日数的影响(相关系数分别为-0.279和0.321)则没有那么显著。而草面、砖面、沥青地面、水泥地面等下垫面温度与积雪日数之间的相关性(相关系数分别为-0.098，-0.074，-0.207和-0.019)都不高，这可能由于下垫面温度观测在2008年以后才启用，样本数过少使得相关性的计算缺少代表性。

2.4 积雪前后气象要素对比

为了深化对积雪的认识，本文还给出了积雪前日及当日气象要素的概率密度分布图。

由图6可知，积雪前日平均气温为2 ℃，0 ℃左右的气温所占比例最高(20.8%)，有超过37%的积雪在前日气温高于1 ℃；积雪当日，气温平均值为0.91 ℃，降幅达到1.09 ℃，0 ℃左右的气温所占比例更高(27%)，超过60%的积雪日气温维持在-1～1 ℃。同样的，积雪当日，地表温度也会有所降低，由积雪前日的2.42 ℃降至1.45 ℃，降幅达0.97 ℃，其概率密度分布情况与平均气温类似。对于风速而言，积雪前日最大风速平均为3.39 m·s-1，其概率分布呈现出2个峰值，分别为2.5和3.0 m·s-1，所占比例15.5%～16.6%；积雪当日风速降至3.29 m·s-1，有超过50%的积雪风速分布在2.5～4.0 m·s-1。

图6 积雪前日和当日各气象要素的概率密度分布

由图7可知，出现积雪时下垫面温度都会降低。其中，沥青路面温度下降最多，由积雪前日的2.54 ℃降至0.74 ℃，降幅达1.8 ℃，其他3种下垫面温度降幅约1.4～1.5 ℃。概率密度分布图上也表现出类似特征，在积雪前日，下垫面温度较为均匀地分布于0～4 ℃，当积雪现象出现时，概率的高值区会集中于更低的温度范围。

图7 积雪前日和当日下垫面温度的概率密度分布

表1详细列出了积雪前日和积雪当日各气象要素的平均值，说明更低的温度和较小的风速是积雪积累的基础条件，这样的气象条件下需谨防出现对农业有影响的积雪灾害。

本文还利用浙江省内3个探空站的探空数据，来分析积雪发生前后大气垂直结构。

由图8可知，积雪前后温度廓线差异主要出现在近地面及对流层上部，积雪当日近地面平均温度约-0.9 ℃，而前一日近地面平均温度略高(约0.04 ℃)；700～150 hPa高度层内积雪见后温度廓线基本一致，平均温度递减率约6.4 ℃·km-1；150～70 hPa对流上部区域，积雪当日的平均温度更高，较前一日约高0.5～0.8 ℃，说明更低的近地面温度和更高的对流层顶温度有利于积雪的累积，更易造成农业损失。

图8 积雪前日和积雪当日温度、露点温度及其对应均方差的垂直分布

相比于温度廓线，积雪前后的湿度差异更大。积雪前后的平均温度露点差自地面至925 hPa，均低于4 ℃，且均方差小(4～5 ℃)，表明大气低层水汽比较充足且稳定；随着高度升高，温度露点差逐渐增大，在400～200 hPa高度层内可达10～13 ℃，说明此时上部大气较干燥；至200 hPa以上大气又略变湿润，温度露点差降至9 ℃以下。与积雪当日相比，积雪前一日的平均温度露点差略低，特别是在850～300 hPa的对流层中上部，平均温度露点差偏低1.5～3.2 ℃，说明在积雪前一日整层大气都更加湿润。积雪前一日CAPE平均值为9.19 J·kg-1，积雪当日为10.81 J·kg-1，说明积雪当日大气层结的不稳定能量更高。

3 小结与讨论

根据地面气象观测资料和探空资料，对鄞州的积雪变化特征及其对农业的影响因素分析表明，鄞州的积雪主要集中在冬春两季，12月始至次年3月结束，其中2月的积雪最多，占全年积雪日数的46.4%；平均积雪深度也最大，达3.56 cm。年积雪日数3.3 d，总体呈下降趋势，尤以1986年后下降趋势较明显；平均积雪深度为2.95 cm，最大积雪深度9.5 cm，出现在1986年，说明积雪对农业的影响逐年减轻，但冬春两季特别是2月更需做好农业生产的积雪防范工作。

积雪期内积雪日数的变化与气温和地表温度的变化有较好的负相关性，相关系数达-0.565和-0.527，相比积雪前日，积雪当日气温降幅达1.09 ℃，地表温度降幅达0.97 ℃，说明积雪日数与气温和地表温度的关系较为密切，这是由于温度在积雪维持方面较重要，低温有利于积雪的发生和保有，而降水量、风速对积雪日数的影响较弱，且更低的近地面温度、更高的对流层顶温度、干燥的大气层结和更高的不稳定能量均有利于积雪的出现，此时需加固农业设施大棚、做好设施喜温作物保温工作，减少积雪灾害对农业生产的影响。