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1引言

積雪是新疆重要的水分氣候資源，北疆平原地區(qū)降雪量占年降水量30％以上，山區(qū)高達(dá)80％以上[1]。季節(jié)性雪深與農(nóng)牧業(yè)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境改善關(guān)系密切。豐雪年對(duì)春季農(nóng)耕生產(chǎn)和土壤保墑起重要補(bǔ)水作用，且對(duì)牧草生長(zhǎng)和荒漠生態(tài)環(huán)境改善意義重大。同時(shí)，對(duì)山區(qū)冰雪存儲(chǔ)積累也起積極作用[2]。降雪過(guò)多和積雪過(guò)深掩蓋草場(chǎng)影響家畜正常放牧和覓食困難，造成“白災(zāi)”。2010年1月17日08時(shí)-20日14時(shí)，北疆出現(xiàn)了2000年以來(lái)最強(qiáng)的一次寒潮過(guò)程，經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重。孫建奇等根據(jù)極端降雪頻率和變化強(qiáng)度指出我國(guó)極端降雪主要位于華東、新疆北部、青藏高原東部和東北地區(qū)，并指出新疆北部極端降雪事件呈上升趨勢(shì)，季節(jié)變化表現(xiàn)為雙峰特征[3]。李培基[4]等指出近50a新疆積雪年際波動(dòng)是冬季降雪量和氣溫年際波動(dòng)的共同結(jié)果。王秋香[5-6]等選用天山以北20個(gè)氣象站積雪日數(shù)、最大雪深和穩(wěn)定積雪日數(shù)指出1961年-2006年北疆地區(qū)積雪日數(shù)和穩(wěn)定積雪日數(shù)呈稍增加趨勢(shì)，主要發(fā)生在1960年-1980年，1990年以來(lái)有所減少。崔彩霞[7]等指出新疆積雪呈輕度增長(zhǎng)趨勢(shì)，90年代增加明顯且山區(qū)積雪增幅大于平原。董安祥等[8]利用CEOF法分析了北疆地區(qū)20個(gè)氣象站1961年-2006年年降雪日數(shù)，發(fā)現(xiàn)年積雪日數(shù)場(chǎng)具有“南北一致型”和“西南-東北一致型”2種波動(dòng)特征，前者具有6.4a和3.6a的周期，后者有6.4a的周期。本文利用北疆地區(qū)51個(gè)地面站1961年-2008年最大雪深和24h≥10cm積雪日數(shù)，基于GIS空間插值獲取了多雪區(qū)和少雪區(qū)的空間分布。重點(diǎn)分析了多雪區(qū)最大雪深和24h≥10cm積雪日數(shù)的周期特征，并對(duì)其局地差異的氣候成因進(jìn)行了初步分析。同時(shí)，對(duì)比近十年北疆雪災(zāi)頻發(fā)區(qū)和最大雪深空間范圍，獲得重災(zāi)區(qū)最大雪深量值區(qū)間，這將為北疆雪災(zāi)預(yù)警指標(biāo)體系建立提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2研究區(qū)概況

新疆北疆地區(qū)位于北緯42.2°-49.3°，東經(jīng)79.8°-91.6°，整個(gè)地區(qū)被阿爾泰山脈和天山山脈包圍，內(nèi)有盆地、河流、湖泊、戈壁、沙漠和平原綠洲，地貌輪廓非常明顯，平均海拔1265m（圖1）。該地區(qū)積雪主要集中在11月底至來(lái)年3月，積雪資源非常豐富，占全國(guó)積雪資源的1/3[9-10]，同時(shí)，也是雪災(zāi)高發(fā)區(qū)。

3數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

3.1數(shù)據(jù)來(lái)源數(shù)據(jù)來(lái)源于新疆北疆地區(qū)51個(gè)氣象站（圖1）1961年1月至2008年12月逐日雪深觀測(cè)值，并在此基礎(chǔ)上計(jì)算了年均最大雪深和年均冬季（11月至次年3月）最大雪深和24h≥10cm的積雪日數(shù)年均和年最大值。2000年至今的新疆各個(gè)地區(qū)縣鄉(xiāng)鎮(zhèn)村雪災(zāi)災(zāi)情數(shù)據(jù)，包括傷亡人數(shù)、過(guò)程降水量、房屋損失、牲畜受災(zāi)和經(jīng)濟(jì)損失等，在此基礎(chǔ)上計(jì)算了各縣市災(zāi)情次數(shù)。

3.2研究方法

3.2.1最大雪深和24h≥10cm積雪日數(shù)的插值雪深數(shù)據(jù)來(lái)自有限地面站，且站點(diǎn)位置分布及密度受地形條件限制。因此，必須進(jìn)行空間插值生成連續(xù)分布的雪深空間信息。首先，通過(guò)ArcMap9.3將包含氣象站點(diǎn)編號(hào)、經(jīng)緯度、海拔高度和年、冬季最大雪深和積雪日數(shù)及雪災(zāi)次數(shù)的xls文件生成點(diǎn)狀矢量數(shù)據(jù)。然后，在ArcGIS環(huán)境下通過(guò)IDW插值法繪制出年、冬季最大雪深和積雪日數(shù)的空間分布圖。IDW插值法是一種常見而簡(jiǎn)便的空間插值方法，屬于精確性插值，基于相近相似的原理[11-12]：即兩個(gè)物體離得近，它們的性質(zhì)就越相似。反之，離得越遠(yuǎn)則相似性越小。它以插值點(diǎn)與樣本點(diǎn)間的距離為權(quán)重進(jìn)行加權(quán)平均，離插值點(diǎn)越近的樣本點(diǎn)賦予的權(quán)重越大。設(shè)平面上分布一系列離散點(diǎn)，已知其坐標(biāo)和值為Xi，Yi，Zi（i=1，2，…，n）通過(guò)距離加權(quán)值求z點(diǎn)值，公式為：

3.2.2時(shí)間序列數(shù)據(jù)生成小波分析對(duì)信號(hào)處理具有的特殊優(yōu)勢(shì),將其應(yīng)用于雪深序列時(shí)頻結(jié)構(gòu)分析中，不僅可給出雪深序列變化尺度，還可顯現(xiàn)出變化時(shí)間位置[13-14]。本文選用Morlet小波函數(shù)來(lái)研究北疆地區(qū)積雪特征尺度、周期性。首先濾掉雪深序列1年的自然周期，在小波分析中采用最大雪深的距平序列。由于分析資料長(zhǎng)度僅有48a，數(shù)據(jù)起始端和終端受邊界效應(yīng)影響，本文將資料向前和向后各延拓一個(gè)樣本長(zhǎng)度，得到長(zhǎng)度為原序列3倍的數(shù)據(jù)序列，以此作為小波變化數(shù)據(jù)，延展后資料能夠減小邊界效應(yīng)的影響。變換后再將延拓部分舍棄僅保留原始時(shí)段的小波系數(shù)[15-16]。設(shè)資料序列為：

4最大雪深和24h≥10cm積雪日數(shù)空間分布特征

本文最大雪深選用1961年-2008年48a北疆51個(gè)氣象站點(diǎn)年最大雪深的平均值和冬季（11月至次年3月）最大雪深的平均值以表征區(qū)域積雪深度空間分布的多年平均特征。由圖2和圖3可見，多雪區(qū)具有沿山脈分布的特征。北部阿爾泰山阿勒泰一帶及富蘊(yùn)、青河一帶、中天山博格達(dá)峰、塔城盆地和西天山伊犁河谷多年平均最大雪深在30～45cm間，冬季平均最大雪深在60～70cm間。少雪區(qū)位于中部的準(zhǔn)格爾盆地中心一帶、盆地西緣的精河地區(qū)和盆地東部戈壁沙漠區(qū)，多年平均最大雪深在5～25cm間，冬季最大雪深在10～30cm間，具有由盆地外緣向盆地中心逐漸遞減的趨勢(shì)。與王秋香等利用EOF法得到的北疆地區(qū)最大雪深空間分布特征吻合，與楊青等利用梯度距離平方反比法插值得到的海拔≥1500m天山山區(qū)最大雪深量值一致。24h≥10cm積雪日數(shù)與最大雪深空間分布特征具有一致性（圖4和圖5）。48a來(lái)多雪區(qū)年均積雪日數(shù)20～25d，年最大積雪日數(shù)65～75d。少雪區(qū)的克拉瑪依、溫泉和精河一帶年均積雪日數(shù)15d，年最大積雪日數(shù)為15～30d。上述積雪深度空間分布特征主要由水汽來(lái)向和地理因素共同造成，天山北坡是迎風(fēng)坡，西北氣流受地形作用在北坡抬升，使得這里成為降水集中的區(qū)域。這種分布趨勢(shì)與實(shí)際積雪分布趨勢(shì)相一致，原因在于天山阻隔等地形影響降水天氣形勢(shì)而使研究區(qū)內(nèi)降水的空間分布不均勻。通過(guò)對(duì)比近十年北疆雪災(zāi)頻發(fā)地區(qū)雪災(zāi)出現(xiàn)次數(shù)和最大雪深的空間分布，容易獲知雪災(zāi)易發(fā)區(qū)最大雪深的量值區(qū)間，可以將其作為雪災(zāi)預(yù)警的指標(biāo)之一（圖6）。

5多雪區(qū)最大雪深和24h≥10cm積雪日數(shù)周期特征

5.1周期特征以阿勒泰、富蘊(yùn)和青河1961年-2008年最大雪深和≥10cm積雪日數(shù)均值代表阿勒泰地區(qū)，塔城、裕民和額敏均值代表塔城盆地，伊寧、尼勒克和新源均值代表伊犁河谷，分別對(duì)其進(jìn)行Morlet連續(xù)小波變換，得到小波系數(shù)實(shí)部，將實(shí)部信息以等值線形式投影到以年份為橫坐標(biāo)、周期為縱坐標(biāo)的二維平面上，得到塔城盆地、阿勒泰地區(qū)和伊犁河谷的最大雪深和≥10cm積雪日數(shù)在不同周期上的Morlet小波系數(shù)等值線圖（圖7-圖9）

5.2主要周期特征將不同時(shí)間尺度a的所有小波系數(shù)的平方在b域上的積分，即為小波方差：Var(a)=∫-∞±∞wf（|a,b）|2db（6）式中Var（a）為小波方差；Wf(a,b)為小波系數(shù)[17]。小波方差隨尺度a變化過(guò)程稱為小波方差圖，它反映了波動(dòng)的能量隨尺度的分布。由公式（6）可確定一個(gè)時(shí)間序列中存在的主要周期成分。由圖10和圖11可見，阿勒泰地區(qū)最大雪深第一主周期和第二主周期分別是7.6a和11.4a，塔城盆地第一、第二主周期分別為7.3a和11.8a。伊犁河谷第一、第二主周期分別為11.5a和7.6a。阿勒泰地區(qū)>10cm積雪日數(shù)存在7.6a，11.8a和3.2a左右的主周期。塔城盆地存在3.2a、11.8a和7.6a左右的主周期。伊犁河谷存在11.5a、7a和1.2a左右的主周期。其中，7.6a周期與楊青等[7]對(duì)1959年-2003年天山山區(qū)17個(gè)氣象站冬季（12月-次年2月）最大雪深用最大墑譜分析得到的7.3a周期很接近。上述小波周期分析結(jié)果表明，塔城和阿勒泰的第一、第二周期一致，而伊犁河谷周期分布與之相反，這主要與氣候背景、環(huán)流形勢(shì)及影響系統(tǒng)不同有關(guān)[18-21]，其次是與地理位置、地形有關(guān)。塔城和阿勒泰屬于暖區(qū)降雪，所處緯度高，冬季的平均氣溫很低，積雪時(shí)間長(zhǎng)；而伊犁河谷為冷鋒降雪，緯度較低，冬季平均氣溫較塔城、阿勒泰偏高3～6℃，積雪時(shí)間相對(duì)較短。小波系數(shù)為正表示積雪偏多時(shí)期，為負(fù)表示積雪偏少時(shí)期，由第一主周期小波系數(shù)圖（圖12）可見，阿爾泰地區(qū)、塔城盆地和伊犁河谷主周期小波系數(shù)曲線非常規(guī)則，很好的顯示了最大雪深的周期特征。其中，阿勒泰地區(qū)積雪最大深度經(jīng)歷了7個(gè)轉(zhuǎn)換期，1961年-1966年、1982年-1989年、1990年-1997年和2005年-2008年最大雪深低于48年平均水平，1967年-1973年、1974年-1981年和1998年-2004年最大雪深高于48年平均水平，平均周期在7a。塔城盆地和伊犁河谷分別經(jīng)歷了7個(gè)和5個(gè)轉(zhuǎn)換期。

6研究結(jié)論

（1）新疆北疆地區(qū)多雪區(qū)具有沿山脈分布的特征。集中分布在北部阿爾泰山阿勒泰一帶及富蘊(yùn)、青河一帶、中天山博格達(dá)峰、塔城盆地和西天山伊犁河谷，多年平均最大雪深30～45cm，冬季平均最大雪深60～70cm。近10年來(lái)，雪災(zāi)頻發(fā)縣市鄉(xiāng)村基本在多雪區(qū)內(nèi)。

（2）新疆北疆地區(qū)少雪區(qū)具有由準(zhǔn)格爾盆地外緣向盆地中心逐漸遞減的趨勢(shì)。集中在中部準(zhǔn)格爾盆地中心一帶、盆地西緣精河地區(qū)和盆地東部戈壁沙漠區(qū)，多年平均最大雪深5～25cm，冬季最大雪深10～30cm。

（3）新疆北疆地區(qū)多雪區(qū)最大雪深時(shí)間序列數(shù)據(jù)周期特征顯著。同屬暖區(qū)降雪的阿勒泰地區(qū)和塔城盆地，所處緯度高，冬季平均氣溫很低，積雪時(shí)間長(zhǎng)，具有7a和11a左右的第一、第二振蕩周期。屬冷鋒降雪的伊犁河谷，緯度較低，冬季平均氣溫較塔城、阿勒泰偏高3～6℃，積雪時(shí)間相對(duì)較短。具有11a和7a左右的第一、第二振蕩周期。

（4）塔城盆地和阿勒泰地區(qū)最大雪深小波分析第一、二周期一致，伊犁河谷周期分布與之相反，這主要與氣候背景、環(huán)流形勢(shì)和影響系統(tǒng)不同有關(guān)，其次是與地理位置、地形有關(guān)。