降水和相变之间的协同效应加剧了中亚天山和帕米尔地区未来雨夹雪事件的频率和强度

《Weather and Climate Extremes》：Synergistic effects of precipitation and phase changes intensify future rain-on-snow events in the Tianshan and Pamir regions, Central Asia

天山与帕米尔地区雨雪混合事件（ROS）时空特征及未来变化研究。基于WRF/Noah-MP模型和CMIP6气候数据，分析1995-2014年历史与2041-2060年SSP245/SSP585情景下ROS频率、强度及对径流贡献。结果显示：历史平均ROS频率1.86天，最大日强度13.52毫米，总强度46.02毫米，集中分布在西部天山西坡、北天山及西帕米尔；未来两者分别增加49.57%/49.33%和65.67%/66.63%，雪融贡献占比下降11.97%-11.39%，而ROS驱动的雪融贡献上升1.32%-1.35%。气候变暖导致降水相变（雨/雪比例下降8.53%-8.30%）、极端降水日数增加（11.63/11.36天）及温度升高（2.49-2.51℃），加剧山区洪水风险与季节性水资源供需错配。

　　### 气候变化下塔里木与帕米尔地区的雨雪同降事件及其水文影响分析

在气候变暖的背景下，雨雪同降（Rain-on-Snow, ROS）事件对水文极端现象产生了显著影响。这类事件通常指降雨落在已有积雪层上，形成一种复杂的水文气象过程，其频率和强度的变化对区域水文系统有着深远的影响。尽管已有研究揭示了ROS事件在全球范围内，特别是在高纬度和高海拔地区的重要性，但其在塔里木与帕米尔地区的历史特征及未来变化趋势仍缺乏系统性分析。本研究通过采用WRF动态降尺度模拟，结合偏差校正后的CMIP6数据，探讨了在SSP245和SSP585情景下，1995–2014年历史时期和2041–2060年中期情景中，ROS特征和其对径流贡献的变化。

### 研究背景与意义

ROS事件是影响山地水文系统的重要因素，其发生机制涉及降水相态、气温和积雪条件的相互作用。相比于单纯的温度驱动融雪，ROS事件能够通过降雨的热力学和机械效应，引发更快速和广泛的积雪消融。这种现象不仅改变了积雪的物理特性，还可能加剧山地水文和地貌灾害，如洪水、雪崩和坡面不稳定性。因此，理解ROS事件在气候变化下的时空演变，对于提升山区融雪灾害的应对能力以及制定可持续的水资源管理策略至关重要。

塔里木和帕米尔地区作为欧亚大陆内部最大的山地系统，其积雪和冰川资源丰富，对周边河流的水源供应起着关键作用。这些区域的气候具有显著的冷-干旱特征，积雪的时空分布差异明显，尤其是在东西部区域和南北坡面之间。随着全球变暖的加剧，该地区的气温上升趋势显著，特别是在近几十年中，温度每十年上升了0.36到0.42°C，几乎是全球平均水平的两倍。这种升温趋势导致了积雪覆盖范围和持续时间的显著减少，同时降雨比例增加，从而可能增加ROS事件的发生频率和强度。

### 研究方法与数据

本研究采用WRF模型与Noah-MP陆面模型的耦合系统，对塔里木和帕米尔地区的ROS事件进行动态降尺度模拟。研究使用了偏差校正后的CMIP6数据，覆盖了SSP245（中等排放情景）和SSP585（高排放情景）两种情景下的模拟。模型在9公里的分辨率下运行，以确保对区域水文过程的准确捕捉。模拟数据包括近地表气温（T2）、降水（prcp）、雪水当量（SWE）等关键变量，并通过统计方法评估了不同情景下ROS特征的变化。

研究还引入了多种指标，以量化ROS事件对融雪、降水和径流的贡献。这些指标包括ROS频率、ROS最大日强度、ROS总强度、ROS-降水比（ROS_RP）、ROS-融雪比（ROS_SS）、ROS-径流比（ROS_RSRS）以及ROS-融雪对径流的贡献（ROS_SRS）。通过这些指标，可以更全面地评估ROS事件在区域水文系统中的作用。

### 研究结果

#### 历史时期的ROS特征

在历史时期（1995–2014年），塔里木和帕米尔地区的平均年ROS频率为1.86天，最大日ROS强度为13.52毫米，年总ROS强度为46.02毫米。ROS事件的频率在海拔2250–2500米的区域达到峰值，这一区域的积雪厚度较高，有利于ROS的发生。从区域分布来看，ROS活动在西方塔里木、北方塔里木和西方帕米尔的迎风坡面最为显著，显示出这些区域在气候条件下的高度敏感性。季节分布上，春季是ROS事件的主要发生期，占全年发生次数的50.64%，其中帕米尔和西方塔里木地区的占比分别为57.09%和52.65%。春季的高降雨概率和接近融点的气温，使得ROS事件在这一季节更为频繁和强烈。

#### 未来情景下的ROS变化

在SSP245和SSP585情景下，ROS事件的频率、强度及其对径流的贡献均预计会显著增加。预计年ROS频率将分别增加49.57%和49.33%，最大日ROS强度将分别增加43.39%和45.44%，年总ROS强度将分别增加65.67%和66.63%。这些变化主要发生在高海拔地区，尤其是西方塔里木、北方塔里木和西方帕米尔的迎风坡面。这些区域的气温上升幅度较大，降水总量增加，同时降雨比例上升，导致更多的降水以液态形式落在积雪上，从而加剧ROS事件的发生。

#### ROS对径流的影响

ROS事件对径流的贡献在历史时期占总径流的60.5%，而在未来情景下，这一比例可能进一步下降。传统融雪对径流的贡献预计减少11.97个百分点（pp）和11.39个百分点（pp），表明温度驱动的融雪过程在未来可能减弱。相比之下，ROS诱导的融雪对总融雪的贡献将增加1.42个百分点和1.46个百分点，进一步凸显ROS事件在水文系统中的重要性。此外，ROS强度对径流的贡献也将显著上升，分别增加1.32个百分点和1.35个百分点。

这些变化主要受到年降水量增加（295毫米和288毫米）、降雨/降雪比例下降（?8.53 pp和?8.30 pp）以及强烈降雨事件频率上升（11.63天和11.36天）的影响。气温上升（2.49°C和2.51°C）也对ROS事件的频率和强度产生重要影响。随着气候变化的加剧，区域水文系统将更加易受ROS驱动的极端事件影响，进而增加洪水、雪崩和土壤侵蚀的风险。

### 气候驱动因素与水文影响

#### 降雨与融雪比例变化

降雨/降雪比例的下降是ROS事件频率和强度增加的关键因素之一。在SSP245和SSP585情景下，这一比例分别下降了8.53个百分点和8.30个百分点，表明更多降水以液态形式降落，而非固态形式。这种变化不仅增加了ROS事件的发生概率，还可能加剧水文极端事件的强度。

#### 降水总量增加

未来降水总量的增加也是ROS事件增强的重要驱动因素。在SSP245和SSP585情景下，年降水量分别增加至295毫米和288毫米。这一趋势使得积雪层更容易被液态降水渗透，从而加速融雪过程，并增加ROS事件对径流的贡献。

#### 气温变化与融雪过程

气温的上升对积雪的消融和融化过程产生了显著影响。随着气温升高，积雪的持续时间和覆盖范围减少，同时积雪的密度和热导率增加，使得融雪速率加快。这种变化不仅影响了ROS事件的发生频率，还可能改变整个水文系统的季节性分布。

#### ROS对水文系统的影响

ROS事件的增强可能对水文系统产生多方面的冲击。首先，春季ROS诱导的融雪可能加速径流的形成，导致峰值流速增加，从而增加洪水和快速径流事件的发生频率。其次，ROS事件可能改变积雪的结构，使其更加松散和不稳定，从而增加雪崩的风险。此外，ROS诱导的融雪还可能增加地表土壤侵蚀的强度，特别是在陡峭的坡面和植被稀疏的地区，对下游的基础设施和生态系统造成威胁。

### 研究结论与展望

本研究的结果表明，随着全球变暖的持续，塔里木和帕米尔地区的ROS事件频率和强度将显著增加，这可能对区域水资源和生态环境带来一系列挑战。同时，传统融雪过程的作用将减弱，而ROS诱导的融雪过程将变得更加重要。这种变化不仅影响了水文系统的季节性分布，还可能导致水供应与需求之间的季节性不匹配，尤其是在干旱的高山地区。

未来的研究需要进一步探讨ROS事件的不确定性来源，包括气象强迫数据的准确性、模型参数化方案的局限性以及ROS事件定义的合理性。通过引入更高质量的遥感数据和先进的数据同化技术，可以提高模型对复杂地形下ROS事件的模拟精度。此外，还需要结合实际观测数据，优化ROS事件的识别阈值，并通过系统性的敏感性分析，更好地量化ROS事件对径流的贡献。这些努力将有助于更准确地预测ROS事件的演变趋势，为区域水资源管理和灾害防治提供科学依据。