阿尔泰山脉雪盖的高海拔依赖性变化及其对气候和极地涡旋的响应

《Atmospheric Research》：Elevation-dependent variations in snow cover and their response to climate and the polar vortex in the Altai mountains

　　

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  在气候变暖的背景下，阿尔泰山的雪水资源呈现出虽不明显但持续增加的趋势，这与北半球大部分山区普遍下降的情况形成对比。
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  由于秋季降水量增加，雪的开始日期提前，而雪的结束日期主要受温度控制，这表明雪的变化受到不同气候因素的影响。
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  雪的变化具有很强的海拔依赖性，在大约2500米的高度处存在一个关键转变区，并且南北坡之间存在明显的不对称性。
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  北极涛动和极地涡旋的变化通过大尺度环流异常和水分传输显著影响着极端降雪事件。

引言

在全球变暖的背景下，北半球山区的积雪量普遍减少，高海拔地区的雪季缩短，积雪深度（SD）和雪水储量（SWE）也有所下降（Brown和Mote，2009年；Pepin等人，2025年）。在亚洲，以往的研究主要集中在青藏高原、天山山脉和喜马拉雅山脉等主要山脉系统上，这些地区的积雪变化存在显著的区域差异（Liu等人，2017年；Zhou等人，2017年）。相比之下，欧亚内陆的阿尔泰山脉在过去二十年里积雪深度和雪水资源有所增加（Wang等人，2024年）。这些对比鲜明的趋势表明，阿尔泰山的积雪变化不能仅用温度变化来解释，很可能受到降水变化和地形因素的影响（Qin等人，2022年；Zhong等人，2021年），这也突显了从多指标和多尺度角度进行系统研究的必要性。然而，目前针对该地区的积雪研究仍存在三个主要局限性。首先，以往的研究主要关注单一指标（如积雪深度SCA或SD）（Barnett等人，2005年；Lievens等人，2019年），对不同海拔梯度上的积雪深度、降水量和雪水储量的综合分析有限。在包括欧洲阿尔卑斯山、落基山脉和喜马拉雅山脉在内的主要山脉系统中，已经广泛记录到积雪随海拔变化的情况，其变化幅度和主要的气候驱动因素也有所不同（Choudhury等人，2021年；Kotlarski等人，2015年；Pepin等人，2025年；Rangwala和Miller，2012年）。然而，在阿尔泰山脉，海拔对积雪资源增加的贡献尚不清楚。其次，现有的研究主要依赖于简单的温度-降水相关性分析（Dozier等人，2016年；Viviroli等人，2007年），没有区分对各个积雪指标的不同气候控制因素。例如，雪深度SED通常对春季气温更敏感，而雪水储量SWE主要受积雪季节降水的影响，但在积雪积累-消融过渡期间对温度的敏感性逐渐增加（Haleakala等人，2021年；Liu等人，2017年）。第三，很少有研究将区域积雪变化与极地涡旋等大尺度环流异常联系起来，导致对极端降雪年份和低降雪年份背后的动力机制理解不足。总体而言，这些差距表明，关于阿尔泰山脉积雪变化的研究应超越描述性趋势分析，转向整合多指标响应和多尺度气候驱动因素的机制框架。

阿尔泰山脉稀疏的气象和雪观测网络限制了对该地区复杂地形和海拔植被带积雪变化的 représentation（表示方法）。因此，卫星遥感已成为该地区大规模和长期监测雪动态的主要手段。遥感技术、传感器性能和反演算法的迅速发展大大改善了数据稀少地区的积雪研究。来自光学、微波和雷达传感器的多源观测现在能够连续监测积雪面积（SCA）、积雪深度（SD）和雪水储量（SWE），有效克服了传统地面观测的空间限制。

积雪研究逐渐从描述长期平均状态的变化转向研究极端降雪事件及其背后的机制。最近的研究越来越强调大尺度大气环流在调节欧亚大陆降雪变化中的作用。北极放大效应已成为这些环流变化的重要驱动因素，增加了中纬度地区冬季环流异常、冷空气爆发和强降雪事件的发生频率（Cohen等人，2014年；Peings和Magnusdottir，2014年；Screen和Simmonds，2013年）。在影响欧亚冬季气候的大尺度环流系统中，极地涡旋尤为重要。其强度和位置的变化可以改变北极冷空气向南入侵、中层环流以及中亚地区的水分传输，从而影响区域降雪的变化（Chen等人，2023年；Kim和Choi，2021年）。由于阿尔泰山脉位于中亚北部，这里北极冷空气爆发经常与中纬度西风相互作用，因此该地区的降雪变化预计对极地涡旋的变化特别敏感（Zhang等人，2018年）。以往的研究已经证明了极地涡旋变化与中亚和新疆北部降雪之间的显著联系（Li等人，2025年），这表明极地涡旋变化也可能在阿尔泰山的降雪变化中起重要作用。然而，大多数以往的研究主要集中在确定大尺度环流与区域降雪之间的统计关系上。在阿尔泰山脉，极地涡旋变化如何通过大气环流和水分传输过程影响长期积雪变化，以及这些大尺度机制如何与区域气候变暖相互作用以调节积雪变化，仍不明确。为了弥补这些差距，本研究结合了多个积雪指标与极地涡旋指数、500百帕位势高度场的复合分析以及垂直积分水汽传输（IVT），以研究与阿尔泰山脉积雪变化相关的大尺度大气过程。通过将极地涡旋变化与环流异常和水分传输联系起来，本研究提供了关于气候变暖背景下积雪变化大气机制的新见解。

作为阿尔泰山脉水塔的关键组成部分，区域积雪可能同时受到持续气候变暖和高纬度环流异常的影响。本研究利用MODIS雪产品和其他数据集，整合了不同海拔梯度和坡向的积雪深度、降水量和雪水储量，并将积雪变化与区域气候变化和极地涡旋相关的环流异常联系起来，扩展了以往的研究。

章节片段

研究区域

阿尔泰山脉位于欧亚大陆内陆，横跨中国、哈萨克斯坦、俄罗斯和蒙古。该山脉面积约为3.45×10⁵平方公里，呈西北-东南走向，全长近2000公里，大多数主山脊海拔超过3000米。该地区具有典型的大陆性气候，年平均气温在-10至7.4℃之间。植被具有明显的高度带状分布，从灌木草原和沙漠草原逐渐过渡。

积雪深度（SP）的空间分布和年际变化

从空间上看，阿尔泰山脉南北坡之间的积雪深度（SOD）差异较小，而积雪深度（SED）和积雪深度变化（SCD）则表现出明显的坡向依赖性。该地区大部分地区的积雪深度在10月下旬达到平均值，南北坡之间的差异仅2天（南部为10月22日，北部为10月24日）。相比之下，积雪深度（SED）表现出强烈的空间异质性（图2d）。

积雪物候变化的驱动因素

在全球山区积雪普遍减少的背景下，中亚内陆山区的积雪变化仍然具有高度异质性和不确定性（Dedieu等人，2014年）。我们的研究结果表明，阿尔泰山的积雪深度和雪水储量呈现增加趋势，其变化与大多数山区的情况明显不同。与全球普遍的积雪开始日期推迟的趋势不同，大约65%的

结论

基于MODIS、ERA5-Land和多源合并的雪水储量数据集，本研究系统地分析了2000-2025年间阿尔泰山脉的积雪深度（SP）、降水量（SD）和雪水储量（SWE）的时空变化。进一步揭示了积雪变化的海拔和南北坡差异，并探讨了气候变化和极地涡旋异常对雪变化的影响。研究结果表明，阿尔泰山的积雪变化具有明显的高度依赖性和

Jiarui Li：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，方法论，概念化。Wei Zhang：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，方法论，概念化。Xuejiao Wu：撰写 – 审稿与编辑。An'an Chen：撰写 – 审稿与编辑。Xinyue Zhong：撰写 – 审稿与编辑。Yongping Shen：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法论，概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金 [资助编号 42471162, 42271147, 42471512-->]、国家重点研发计划 [资助编号 2024YFE0113200-->] 和 冰冻圈科学与冻土工程国家重点实验室 [资助编号 -->CSFSE-FX-2505--> 的支持。作者还感谢国家航空航天局的Level-1和Atmosphere Archive & Distribution System Distributed Active Archive Center (LAADS DAAC) 的支持。

Jiarui Li|Wei Zhang|Xuejiao Wu|An'an Chen|Xinyue Zhong|Yongping Shen