降水是流域水文循环的主要驱动，主要包括固态和液态这2种形态，降水形态的变化将导致流域水文过程的改变。全球至少1/6的人口生活在以降雪为主要补给的流域内^[1]，中国寒区面积占43.5%^[2]，降雪也是该地区水资源的主要组成部分。美国西部山区及高纬度地区的观测显示，受气候变暖的影响，降雪减少导致春季径流增加以及春汛的提前，改变了流域年内径流分布，恶化了夏季农业和生活用水的情势^{[3, 4, 5]}。另外，总降水量不变、降雪比例的下降也会降低流域的径流系数，从而直接影响可利用的水资源总量^[6]。在气候变化及水资源短缺背景下，研究降雪特征的变化及其所引起的水文响应尤显重要。

过去对降雪的关注主要针对包括与大气环流的关系^[7]、 降雪天气的触发^[8]、 动力机制^[9]、 诊断分析^[10]以及数值模拟^[11]等天气机制研究。由于国家气象站的降水数据在1980年之后缺乏降水类型的标记，导致无法直接使用降雪观测数据^[12]，对过去中国全范围长时间段降雪特征变化的分析较为困难。同时，对长期降雪的研究主要着眼于对气象站的点数据序列分析^{[13, 14]}，而对影响流域水文响应关键因素的面平均网格插值数据的分析较少。在过去50 a中，中国的年降水总量没有显著的变化，总体呈现西部和东南增加，东北和中部减少的趋势，但是季节性分布变化明显，冬季降水有增加趋势，年内降水的强度也有显著的增加^[15]。降雪变化与降水情势是否有相似性，尤其是对水文过程有影响的降雪特征是否有显著变化，这种探讨分析还较少。

本文根据国家气象站实测降水及其他气象、海拔数据，通过采用基于数据拟合所获得的经验关系来区分降水形态，插值计算网格降雪数据，分析中国过去50 a的降雪特征时空变化，重点关注对水文过程有影响的降雪特征的演变趋势，以期深入认识、评估对这种降雪变化的流域水文响应。

本文使用国家气象局提供的743个国家级气象站点1956—2010年的逐日气象资料，主要包括日平均气温、相对湿度和日降水量等以及测站所在位置、高程信息。采用Ding等^[16]利用该数据集1951—1979年有降雪形态记录数据所拟合的关系式来判断某次降水事件的性质(降雪、雨夹雪和降雨)。具体通过比较湿球温度(T_w)与临界温度(T_A、T_B )来确定当日的降水形态如式(1)所示，即

根据判断的逐日降水性质，将雨夹雪视为降雪，得到研究时段的逐日降雪量。采用距离方向权重法将降雪量在全国范围内插值到10 km的网格数据，相比于Thiessen多边形等其他插值方法，能够获得更为均匀的空间分布，识别降雨的空间渐变模态。

以当年9月1日至次年的8月31日作为当年的降雪年时段，例如1999年9月1日到2000年8月31日视为1999降雪年，加和这段时间内的日降雪量得到1999年的年降雪量。因为较小的降雪量对流域水文过程的影响较小，在本文的分析中不考虑多年平均降雪量小于10 mm的网格，将其视为无显著降雪区域。

如图 1a所示，中国过去50 a的平均降雪量呈现较为明显的区域性。东北北部、东部和长白山地区，天山山脉北部，祁连山及青藏高原东部和南部，长江中、下游和华北地区，构成了中国主要的4个降雪集中区域。中国降雪集中区域与主要山脉的分布有着高度的一致性，相关程度高于其与纬度的相关性。本文计算的降雪集中区域和多年平均年值与刘玉莲等^[14]的结果相符： 青藏高原的年降雪量最高，大部分地区达到60 mm，长白山部分地区也达到了60 mm以上，是中国降雪的峰值区域。

图 1 1956—2010年多年平均的降雪情况空间分布

图选项

另一方面，影响流域径流系数的降雪比例在中国的空间分布如图 1b，与降雪量的分布大致相同。但由于长江中下游地区的年降水量达到1 000 mm以上，降雪比例较小，降雪对水文过程的影响基本可以忽略。东北地区的降雪比例(0.1左右)低于新疆北部和青藏高原地区(0.2左右)，在中国4个主要降雪区域中，新疆北部和青藏高原的降雪对该地区水资源影响是最大的。

考察过去50 a的年均降雪总量是否具有趋势性变化。考虑到降雪受大气环流等大尺度气候现象影响，如厄尔尼诺(${\rm{EL}}\;{\rm{Ni}}\widetilde {\rm{n}}{\rm{o}}$)暖流等，年际之间的降雪总量可能存在一定的相关性，采用去趋势预置白法^[17]检验年降雪量的趋势性变化。如图 2所示，除长江中下游地区，中国主要降雪地区的年降雪量均呈现显著的上升趋势，在东北、新疆北部以及青藏高原降雪线性趋势增加率都达到了10 mm/10 a，其中在青藏高原西南部喜马拉雅山脉地区的最大值达到了30 mm/10 a。因为过去50 a的降水总量变化不大，各降雪年的降雪比例的变化与降雪量的变化趋势及其空间分布是高度一致的。

图 2 中国1956—2010年降雪变化趋势 (括号内数字表示相应显著性水平)

图选项

上述各区域年降雪的趋势性变化与年总降雨量的并不一致。在过去50 a间，东北的年总降雨量普遍呈减少趋势，但该区域冬、春季降水的增加^{[15, 18]}与降雪增加是相吻合的，同时增加的降雪也被认为能够一定程度上缓解由年降水减少而造成的紧张水资源情势^[6]。在新疆北部和青藏高原地区，年降雪和年降水的变化趋势是一致的。这些地区的秋、冬、春季天气条件均较利于形成降雪，降雪多少主要由水汽因素决定，该地区近50 a来四季的降水都呈较显著的增加趋势，降雪的增加是这些地区总体变湿的结果。长江中下游地区的降雪变化与年总降水以及冬季降水的变化关系不大。

为了进一步认识降雪的代际变化，识别年降雪在空间上是否有阶跃、突变行为，将研究阶段划分为前后2个时段，计算这2个时段差值与多年平均的比值，如图 3所示。可以看出，以1980年为界(图 3b)，前后2阶段平均降雪量的变化最为显著，并且随着分界时间的前移(图 3a)或者推后(图 3c，图 3d，图 3e)，所得到的前后2个阶段平均降雪量差值均变小； 同时，1995年之后与1985年之前的多年平均的差值(图 3f)也显示了一定，但并不显著的差距。说明了中国过去50 a总体呈增加趋势的年降雪量，在80年代达到较高值，到1995年左右回落，但仍然大于1980年之前的多年平均。在全国范围内降雪这种“少—多—少”的代际变化模态，在青藏高原^[19]以及青海—西藏^[20]积雪等变化情况是一致的，其中亚洲季风环流转变^[21]被认为与之有一定的关联。在东北地区，年总降水量变化也呈这种代际变化，松花江和辽河流域近50 a中最大的10 a降水量为1986—1995年平均值^[15]，说明年降雪的代际变化与东北地区总体的干湿变化也是一致的。而中国径流变化年份阈值也呈现相似模态^[22]，多年平均降雪量的变化对相关流域径流变化的贡献需要进一步开展研究。

图 3 前后2个时段年平均降雪量之差与多年平均的比值

图选项

年降雪量在各个月份分布特征的不同，影响着该流域的有效积雪^[23]，从而改变流域水文过程。因为较小的降雪对水文过程影响不大，同时考虑本文所用的降雪区分模型对个别降水事件的误判，设定当月降雪量占当年降雪量的10%作为阈值来区分该月是否属于有降雪的月份。

如图 4所示，在东北、天山北部及青藏高原地区多年平均的降雪月份数多为4个月，并且在过去的50 a有显著的增加趋势，这些地区首次出现降雪月份的多年平均值为11月份，其中唐古拉山脉地区为10月份。华北地区降雪月份主要为12月份至次年2月份，降雪月数的趋势变化不明显； 长江中下游地区降雪集中在1—2月份，降雪月份数有减少趋势。

图 4 中国1956—2010年的降雪月份数多年平均值和趋势变化

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如2.1节所述，除长江中下游地区，中国主要降雪地区的年降雪量都是显著增加的，而降雪月份数的变化情况相异，考察其最大降雪月份降雪的比例，可以从一定程度上认识降雪年内分布的特征。多年平均的最大月降雪量年总降雪量的比例如图 5a所示，东北、天山北部和青藏高原为30%左右，唐古拉山脉地区更低，只有20%； 而华北地区为50%，长江中下游地区则达到60%以上。其中，青藏高原地区最大月降雪量主要出现在2—3月份，要晚于其他地区1个月以上，这与该地区来自印度洋的水汽降水转化率在2月和3月为峰值^[23]是相一致的。结合年降雪量和降雪月份的分析可知，东北、天山北部和青藏高原的降雪在降雪季内分布更为均匀，并且最大降雪月份的降雪比例也呈趋势性减少(图 5b)，持续的降雪条件容易产生稳定的积雪，相较于直接形成径流入渗的降雨，将引起更为显著差异的水文响应。华北和长江中下游区有更加集中的降雪产生，这体现在华北地区增加的年降雪量和不变的降雪月份数以及长江中下游地区增加的最大月降雪比例。

图 5 月最高降雪量占年总降雪量之比的多年平均值和趋势变化

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细化分析降雪的集中特征，考察最大日降雪的情况。单日的降雪对流域年水文过程的影响不大，但会对农业生产和社会生活造成重要影响，尤其是暴雪天气。多年平均的最大日降雪量占多年平均总降雪量的比例和出现的月份如图 6所示。可以看出，长江中下游地区降雪在月份集中的基础上进一步在日尺度集中，最大日降雪量占到年总降雪量的40%左右，最大地区达到50%。同时，该区域最大连续降雪日数的多年平均值达到了3~4 d，为全国的峰值区域，进一步说明了该地区年内降雪集中于数天内发生的特征。东北地区的最大日降雪比例在15%~25%，新疆北部和青藏高原在5%~15%，除青藏高原部分地区达到4 d，最大的平均连续降雪日数均为2 d，与2.3中的结论相符，即这些地区在降雪季中不存在明显的降雪集中现象。

图 6 日最大降雪占年总降雪之比的多年平均值及出现月份

图选项

在变化趋势上，最大的日降雪量在华北、东北、天山北部和青藏高原的大部分地区都有显著的增加趋势，长江中下游地区有减少趋势，但是这种变化都不是区域性的。同时，最大日降雪发生的时间，在全国范围内均没有显著的趋势变化。这些特征都说明了日最大降雪量受临近时段的天气状况决定，随机特征明显。

本文基于中国743个国家气象站1956—2010年气象数据，采用考虑温度、相对湿度和海拔等因素的经验判别式来区分日降雨和降雪事件，从年、月、日不同尺度来分析过去50 a中国的降雪特征变化，探究其对水文过程的影响，得到的主要结论有：

1) 中国有4大主要的降雪区域： 东北、天山北部、青藏高原和长江中下游及华北地区。长江中下游地区的降雪比例较小，降雪未明显改变降水参与水文过程的方式，该地区降雪对水文循环的影响较小。

2) 除长江中下游地区，中国主要降雪区域的年降雪量都有显著的增加趋势，并且代际变化明显，相对于20世纪80年代之前，80年代至90年代前期增加显著，达到高峰，之后有降低的变化，呈现了“少—多—少”的变化模态。

3) 东北、天山北部和青藏高原地区的降雪在年内没有显著的集中现象，降雪月份平均为4个月，过去50 a有增长的趋势； 最大月降雪量占总降雪的比例在30%左右，有显著减少的趋势，这种较为平均的年内降雪被认为有助于形成持续积雪，从而显著改变水文过程。在气候变化条件下，研究这些地区的流域对降雪变化的水文响应是有意义的。

4) 长江中下游地区的降雪年内集中，最大日降雪量占到年降雪量的50%，且多年平均的最大连续降雪天数达3~4 d，年总降雪由主要的个别降雪事件构成，较难形成稳定的积雪，降雪对该地区的径流过程影响不大。