1972年至2022年间，北半球雪相变化对气候变化的响应受纬度/海拔的影响

《Journal of Hydrology》：Latitude/elevation-dependent response of snow phenology to climate change in the Northern Hemisphere from 1972 to 2022

雪物候时空异质性及气候敏感性研究显示，1972-2022年北半球初雪（-3.4天/10年）、终雪（-1.2天/10年）日期及持续时间（-1.32天/10年）显著提前，低海拔地区贡献率超90%。温度与降水对其影响呈现纬度-海拔分异：SCOD受积雪期温度（51.04%）和降水（48.96%）主导，SCED以气温（Tm）驱动为主。高海拔（>4500米）SCED对降水响应转为正向。

　　

郭辉|王晓燕|郭泽成|朱高峰|车涛

中国兰州大学地球与环境科学学院，兰州730000

摘要

雪相变化特征表现为雪盖和降雪的周期性季节性模式，受到全球变暖的显著影响。雪相变化的动态变异性会影响区域气候。雪相变化包括关键指标，如雪盖开始日期（SCOD）、雪盖结束日期（SCED）和雪盖持续时间（SCD）。在本研究中，我们调查了1972年至2022年间北半球（NH）雪相变化的时空变化、其对气候变化的敏感性以及相关的纬度和垂直差异。研究结果表明，在过去的50年里，雪盖开始日期（SCOD）和结束日期（SCED）提前，分别以每十年-3.4天和-1.2天的速度变化。雪盖持续时间（SCD）以每十年-1.32天的速度减少。不同纬度和海拔高度对北半球整体趋势的贡献存在明显差异。25°N至75°N之间的纬度区域的贡献率超过90%，低海拔地区（<1000米）对北半球雪相变化有显著的正面影响，这表明低海拔地区的雪相变化与北半球的整体趋势一致。雪盖开始日期（SCOD）受积雪季节平均温度（Ta，占比51.04%）和积雪季节总降水量（Pa，占比48.96%）的影响，而雪盖结束日期（SCED）主要受融雪季节平均温度（Tm）控制。雪相变化对气候变化的响应在不同海拔和纬度地区的差异显著。随着海拔的升高，SCOD对温度和降水的敏感系数从负值变为正值。在所有海拔区域，SCED对Tm的敏感系数为负值，但在海拔4500米以上，SCD对Pa的响应呈强正相关，表明更多的降水量导致SCED推迟。

引言

政府间气候变化专门委员会（IPCC）的第六次评估报告指出，人类活动加速了气候变暖的速度，从而加快了融雪过程（IPCC，2021年）。值得注意的是，全球陆地上的98%季节性雪盖位于北半球（NH）（Armstrong和Brodzik，2001年）。大规模雪区的减少可能导致大气、海洋、冰冻圈和生物圈的广泛而快速的变化（Dong等人，2023年）。雪盖的长期变化影响生态系统的季节动态，极端降雪事件也可能产生破坏性的社会和经济影响（Harpold和Brooks，2018年；Bonsoms等人，2023年）。

雪相变化用于描述雪盖变化对气候变化的响应，并显示出规律的季节性和年际变化特征（Sun等人，2020年）。典型的雪相变化参数包括雪盖持续时间（SCD）、雪盖开始日期（SCOD）和雪盖结束日期（SCED）（Keet等人，2015年；Tomaszewska等人，2022年；Xue等人，2022年）。在全球变暖的背景下，雪相变化经历了显著变化。这些季节性雪盖的变化通过改变大气和地表能量平衡，在调节区域和全球气候系统中起着关键作用（Yu等人，2013年）。此外，雪盖的变化可以通过改变地表反照率和影响地表与大气之间的能量交换来驱动气候变化（Euskirchen等人，2016年）。

在北半球，一些研究表明雪相变化的趋势与研究时间的长度有关。多数据集分析显示，春季融雪每十年提前3-5天，从1970年到2000年总共提前了约9-15天（Dye，2002年；Chenet等人，2015年）。20世纪末和21世纪初，雪盖开始日期（SCOD）没有显著变化（Callaghan等人，2011年；Chen等人，2016年）。与2001年至2005年相比，2016年至2020年的雪盖开始日期（SCOD）推迟了约1.69天，而雪盖结束日期（SCED）提前了约0.94天（Chen等人，2021年）。然而，在相对低海拔的平原地区，如西西伯利亚平原和东欧平原，雪盖开始日期（SCOD）趋于提前，而雪盖结束日期（SCED）则推迟（Sun等人，2020年）。

目前，许多数据集被用于雪研究。卫星和再分析数据能够提供连续尺度的雪信息，并在北半球乃至全球范围内得到广泛应用（Urraca和Gobron，2022年）。一些典型的雪盖数据包括雪盖范围（SCE）、雪水当量（SWE）和雪深（SD）（Stigter等人，2017年；Razie等人，2017年；Khan等人，2022年）。当从SWE和SD数据中提取雪相变化参数时，这些数据集通常会被转换为SCE。由于再分析数据的空间分辨率较低（>25公里），其提供详细雪信息的能力有限。因此，卫星数据已成为获取准确和高分辨率雪信息的可靠来源。在现有的卫星数据中，自1966年至今可用的北半球每周雪盖和海冰范围（NHSCE）数据集代表了最长的高分辨率记录，适合研究北半球的长期雪相变化。

季节性雪盖对气象因素的变化非常敏感，雪盖与气候之间存在密切关系（Dutra等人，2011年；Xu和Dirmeyer，2011年；Bettset等人，2014年）。在过去50年里，北半球经历了显著的气候变化，尤其是在温度和降水模式方面。自20世纪70年代以来，地表空气温度平均升高了约0.3°C（IPCC，2021年）。这种升温趋势在高纬度和高海拔地区尤为明显，北极放大效应和海拔依赖性升温加剧了温度的上升（Serreze和Barry，2011年；Mountain Research Initiative EDW工作组，2015年）。除了温度升高外，降水模式也发生了变化。北半球中高纬度地区的年降水量总体上有所增加，尤其是在寒冷季节，尽管地区间仍存在差异（Zhanget等人，2007年；Donat等人，2016年）。这些气候变化对雪动态产生了深远影响。温度的升高推迟了秋季的雪盖开始日期（SCOD），并导致春季融雪提前。然而，温度和降水的共同变化使雪盖对全球变暖的响应变得复杂，尤其是在高纬度和高海拔地区（R?is?nen，2008年；Wanget等人，2022年）。除了温度和降水外，纬度和海拔也影响雪的分布和变化。一般来说，随着纬度/海拔的升高，温度下降，有利于雪盖的形成和维持（Redpath等人，2019年；Wanget等人，2022年）。多项研究表明，北半球的雪相变化与气候变化之间存在密切关系（Penget等人，2013年；Chenet等人，2021年）。然而，纬度和海拔如何影响雪相变化以及雪相变化对气候的响应在不同纬度和海拔地区的差异尚不清楚。

为了探索最长可用时间序列中雪相变化的时空变化及其对不同纬度和海拔地区气候变化的响应，本研究的主要目标是：（1）研究雪相变化的时空特征，并量化过去50年间不同纬度和海拔地区的雪相变化对北半球雪相变化趋势的贡献；（2）分析雪相变化对气候变化的敏感性；（3）评估雪相变化对不同纬度和海拔地区温度和降水变化的响应差异。

数据集片段

数据集

北半球每周雪盖和海冰范围（NHSCE）由美国国家海洋和大气管理局（NOAA）生成，覆盖整个北半球，提供每周一次的数据集。该数据集包括二进制雪盖范围和海冰数据，空间分辨率为25公里（https://nsidc.org/data/nsidc-0046/versions/4）。雪盖数据集的时间跨度从1966年10月3日至2023年1月1日，是目前最长的雪盖数据集。然而，1972年之前的部分数据缺失。

雪相变化的时空分布特征

使用1972-2022年的NHSCE雪盖数据计算了北半球的雪相变化参数。图1显示了雪相变化的时空分布及其与纬度和海拔的相关趋势。随着纬度的增加，平均雪盖开始日期（SCOD）以每度纬度0.09天的速度提前（图1 d）。特别是在大约25°N和30°N处出现了两个明显的最小值，表明降雪开始时间提前。

结果概述与现有研究的比较

凭借丰富的观测数据和多种研究方法，研究人员对北半球的雪相变化进行了广泛研究（Allchin和Déry，2020年；Pulliainen等人，2020年；Mudryket等人，2020年；Xiao等人，2020年）。这些研究一致发现，无论数据来源或方法如何，雪相变化的时空分布模式相似（Choiet等人，2010年；Chenet等人，2015年；Penget等人，2013年；Chen等人，2021年）。雪盖最早在

结论

雪相变化参数在评估全球雪盖动态及其与气候变化的相互作用中起着重要作用。我们的研究结果表明，雪相变化表现出明显的纬度和垂直分布模式。随着纬度的增加，平均雪盖开始日期（SCOD）以每度纬度0.09天的速度提前，而平均雪盖结束日期（SCED）以每度纬度0.10天的速度推迟。在过去50年里，SCOD和SCED都逐渐提前，分别以每十年-3.40天和-1.20天的速度变化。

未引用的参考文献

Gong和Ge，2009年；Gorelick等人，2017年；Kimet等人，2013年。

CRediT作者贡献声明

郭辉：撰写——初稿、验证、方法论、正式分析、数据管理、概念构思。王晓燕：撰写——审稿与编辑、监督、资金获取、正式分析、概念构思。郭泽成：软件开发、方法论、正式分析。朱高峰：方法论、正式分析。车涛：资金获取、正式分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（42125604，42271373）的支持。我们感谢NASA官方网站提供的雪盖数据（NHSCE），同时感谢匿名审稿人的宝贵意见和建设性建议。