《Weather and Climate Extremes》：Linking Rain-on-Snow Events to River Floods in the Tianshan Mountains
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雨雪事件（Rain-on-Snow，ROS）被广泛认为是冰冻圈与水文耦合的重要机制，然而ROS事件在何时何地转化为河流洪水仍缺乏精确约束，尤其在干旱高山区。本研究首次在天山山脉开展了潜在致洪ROS事件（ROS-PF）与实际致洪ROS事件（ROS-AF）的流域尺
雨雪事件（Rain-on-Snow，ROS）被广泛认为是冰冻圈与水文耦合的重要机制，然而ROS事件在何时何地转化为河流洪水仍缺乏精确约束，尤其在干旱高山区。本研究首次在天山山脉开展了潜在致洪ROS事件（ROS-PF）与实际致洪ROS事件（ROS-AF）的流域尺度评估。研究基于ERA5-Land再分析资料（1951–2019年）及覆盖40个天山流域的基于观测重建的日径流数据集，将ROS强迫与重建的高流量响应相关联。ROS-PF事件——定义为降雪水当量（SWE）≥10 mm的积雪上发生≥10 mm降雨——集中于春季（4–6月）和中海拔带（2.0–3.5 km），其发生温度窗口狭窄，为–0.24 ± 1.49 °C。过去七十年间ROS-PF事件频率显著增加，主要驱动因素为强降雨发生频率上升而非积雪可用性变化。平均而言，ROS-PF事件贡献了天山流域6日融雪总量的14.7%及6日可用水总量的8.3%。关键在于，仅约44%的ROS-PF事件演化为ROS-AF事件，揭示了强烈的流域依赖性转化效率。部分流域如婆城子流域几乎将所有ROS-PF事件转化为洪水，而其他流域虽ROS-PF频率较高但洪水响应极小。多数ROS-AF事件存在最长六天的滞后，凸显了延迟水文响应的重要性。这些发现表明，ROS并非均匀放大洪水风险，而是在变暖背景下重组了洪水生成路径，对干旱山区系统的洪水预报和水资源管理具有重要意义。
一、研究背景与科学问题
雨雪事件（Rain-on-Snow，ROS）指液态降水降落在既有积雪层上的水文气象过程，是连接大气强迫与积雪水文的关键机制，对中高纬度山区的淡水供给、洪水灾害及生态系统功能具有重要调控作用。ROS通过增强湍流、潜热和感热通量强烈扰动积雪能量平衡，加速融雪进程，同时增加积雪液态水含量并降低反照率，促进能量吸收，可能导致积雪提前消融甚至出现积雪干旱。通过这些耦合的能量与质量过程，ROS可触发早期融雪和快速径流，显著增加高流量事件的发生概率。
尽管已有大量研究刻画了ROS事件的时空变异性、物理机制及未来演变，但现有工作几乎集中于湿润或半湿润山区系统，干旱高山区——如中亚地区——在ROS空间变异性研究中明显缺失，尽管该区域拥有广泛的季节性积雪并作为下游人口的关键水塔。更为根本的不足在于，确定ROS事件何时、如何及何处转化为实际洪水仍是水文学中未解决的重大问题之一。这一不确定性源于积雪的双重角色：许多ROS事件因积雪（尤其是新雪）可滞留大量降雨而不产生洪水，但特定前期积雪条件、降雨强度和温度组合可触发短暂而强烈的径流，导致大范围洪水。
现有直接关联ROS与观测极端洪水的经验证据有限且地理上集中于美国西部，研究表明尽管相当比例的大流量和极端径流事件与ROS日重合，但ROS对极端洪水总量的径流贡献往往有限。在干旱高山区，这一局限性尤为突出，因为积雪空间破碎且积雪主导流域的长期径流观测稀缺。基于此，本研究聚焦天山山脉——中亚水塔，将ROS事件与重建日径流记录识别的高流量事件相关联，将视角从ROS作为潜在灾害转向其与实际高流量响应的关联，系统探究ROS-PF事件的分布、趋势及水文贡献，并量化其演化为ROS-AF的条件，从而回答干旱高山区ROS事件何时、如何及何处转化为实际洪水这一长期未决问题。
二、数据与方法概述
研究使用ERA5-Land再分析资料（0.1°空间分辨率，1951–2019年）获取日降水、降雪、雪水当量（SWE）、温度和融雪数据，其中降雨量由总降水与降雪之差估算。实际洪水评估采用天山流域径流（TSWS）数据集，该数据集整合国内外水文站资料，结合改进的HBV模型和长短期记忆（LSTM）模型重建了1901–2019年56个流域的日径流过程，其中40个流域通过S检验（纳什效率系数≥0.5、百分比偏差≤25%、均方根误差与观测标准差之比≤0.7）被保留用于分析。ROS-PF事件定义为日降雨量≥10 mm且降落在SWE≥10 mm积雪上的事件；ROS-AF事件定义为ROS-PF发生后六天内径流超过第90百分位数的事件。趋势分析采用Sen斜率估计器和Mann–Kendall检验。
三、主要研究结果
3.1 ROS-PF事件的分布与特征
1951–2019年间，天山西部和北部（如Talgar、Uch-Korgon、Chinor和Jilede河流域）ROS-PF事件累计超过300天，其中Dagana-Ata流域达515天，而多数流域69年累计不足100天。ROS-PF事件的分布受降雨>10 mm和SWE>10 mm条件的共同影响，但总体上降雨条件比积雪可用性对ROS-PF发生起更强的控制作用。年内分布集中于4月（18.88%）、5月（32.19%）和6月（23.44%），7月和8月分别降至8.5%和4.8%，冷季（10–3月）各月占比均低于3%。海拔分布上，超过80%的ROS-PF事件发生在2.0–3.5 km，低海拔因积雪浅、高海拔因强降雨稀少而频率较低。ROS-PF事件发生在狭窄的温度窗口内（–0.24 ± 1.49 °C），事件期间平均融雪速率为4.73 ± 4.04 mm，部分地区超过10 mm。
3.2 ROS-PF事件的趋势变化
过去69年间，ROS-PF事件呈显著上升趋势（0.007天/年，p<0.05），40个流域中30个呈增加趋势，主要位于中天山东部和北天山西部。Talgar（0.04天/年）、Dagana-Ata（0.05天/年）和Takfon（0.04天/年）增长最快。区域尺度上，降雨>10 mm天数（0.025天/年）和SWE>10 mm天数（0.21天/年）均显著增加，但相关分析显示ROS-PF频率与强降雨天数（R=0.52）的关联强于与SWE天数（R=0.36）。海拔上，3–4 km中海拔带增长最快；季节上，除7月和10月外各月均呈增加趋势，5月和6月增速最快。这些结果表明ROS-PF事件的长期增加主要由强降雨增强驱动。
3.3 ROS-PF事件对水可利用量的贡献
在事件尺度框架下，ROS-PF事件平均贡献了40个天山流域6日融雪总量的14.7%和6日可用水总量的8.3%，比年尺度估算高一个数量级。贡献最高的流域包括Jiagestai（29.8%/16.2%）、Tekeli（23.6%/14.8%）、Qiedeke（23.3%/13.4%）等，最低的Hero Bridge（3.5%/1.7%）和Zhicaichang（3.8%/1.7%）仍占数个百分点。月尺度上，融雪份额在冬季达到峰值（1月46.8%、12月34.4%、11月30.9%），而可用水份额在4–6月融雪季最高（11.5–12.3%），秋季（8–9月）最低（3.7–4.5%）。海拔分布呈U型：低中海拔（1–2 km）贡献较高（融雪19.0–20.4%，水分10.0–11.5%），中海拔（2.5–4 km）下降，5 km以上再度升高（融雪20.4–22.8%，水分13.3–14.3%）。
3.4 ROS-PF向ROS-AF的转化
1951–2019年间，约44.46%的ROS-PF事件触发ROS-AF事件（共1552次）。Dagana-Ata（354次）和Chinor（223次）的ROS-AF频率最高。转化率存在显著空间异质性：婆城子流域59次ROS-PF中54次转化为ROS-AF，转化率达91%；约37%的流域转化率超过50%；而Talgar流域389次ROS-PF仅16次转化为ROS-AF，转化率仅4.11%。Talgar与婆城子的冰川覆盖率分别为0%和44.4%，平均坡度25.6°和29.2°，SWE分别为500.6和1130.5 mm，降雪占比49.8%和69.4%，表明ROS相关洪水响应受多种气候和地形特征共同调控。ROS-AF事件呈显著上升趋势（0.19次/年，p<0.05），年频率从早期（1951–1984）的18.2天增至近期（1985–2019）的26.5天。ROS-AF集中于4–8月，5–7月占比高达88.2%。时间滞后分析显示，同日发生ROS-AF约占29.8%，滞后1–5天各约10%，滞后6天占比升至19.39%。多数ROS-AF事件集中于降雨10–14 mm或SWE 10–50 mm区间。
四、讨论与结论
本研究首次在天山干旱高山区开展ROS-PF与ROS-AF的流域尺度评估，揭示了ROS事件发生与洪水响应的季节和海拔控制规律。ROS-PF集中于4–6月和2.0–3.5 km海拔，与春季升温下SWE峰值和降雨强度增加相吻合。ROS-PF热点与ROS-AF频率之间存在显著空间错配，表明融雪径流产生取决于流域水文敏感性——包括土壤蓄水、前期积雪条件、入渗效率和融雪-降雨耦合——而非仅ROS频率。时间分析揭示强滞后响应：仅约30%的ROS-AF同日发生，约70%在六天内发生，凸显灵活归因窗口对避免洪水漏检的重要性。基于LSTM模拟序列的验证显示，在婆城子和谢赫拉两个有完整观测资料的流域，模拟序列对ROS相关高流量事件的检测概率分别达0.96和0.95，表明重建径流可可靠识别ROS相关洪水事件，但其余38个流域的结果应视为基于重建径流的估计。
研究存在若干不确定性来源：ERA5-Land的0.1°空间分辨率相对于天山陡峭地形可能平滑垂直温度和降水相态梯度，网格内高程范围平均达421.7 m，可能低估局地地形增强的极端降雨；阈值选择对结果具有决定性影响，≥10 mm降雨和≥10 mm SWE确保ROS-PF捕捉洪水相关事件，第90百分位径流阈值有效隔离与ROS相关的高流量事件。
研究结论表明，天山地区ROS-PF和ROS-AF事件呈增加趋势，提示洪水生成条件正在转变，降雨增强的春季洪水正逐渐取代融雪主导的夏季洪峰。对依赖天山径流的下游地区，这一转变可能带来多重影响：洪峰出现时间提前数天至数周、夏季基流和生态供水减少、径流年际变率增大、与天气尺度降雨事件相关的洪水强度增加。这些变化对灌溉用水分配、水库调度、水电生产和跨界水协商具有深远影响。ROS并非简单地增加径流潜力，而是在变暖背景下重组洪水生成路径、重塑径流时间并加速从融雪主导向降雨增强洪水机制的转变。区分潜在致洪ROS事件（ROS-PF）与实际致洪ROS事件（ROS-AF）为识别ROS何时可能转化为灾害性洪水提供了更具过程基础的框架，有助于改进积雪主导山区流域的洪水预报、预警和风险管理。未来研究应整合野外SWE观测、亚日径流测量、能量平衡融雪模拟、冰冻圈-水文耦合及气候情景预估，以提升ROS洪水风险预报和水资源管理规划能力。
