雪面雨（Rain-on-Snow，ROS）洪水是指由降落到积雪表面的雨诱发形成的一种雨雪混合型洪水，因其具有突发性、低频性和强破坏性［1］，通常被界定为极端洪水［2］，往往会造成重大灾害。受全球气候变暖影响，春季降雨提前［3］，雪面雨事件增多［4］，且向海拔更高、积雪更多、坡度更陡、更容易快速形成洪水的山区及高纬度地区发展［5-8］，导致早春特别是冬季雪面雨洪水增多［6，9-11］。未来全球特别是北半球，雪面雨洪水将会增多，且峰值会增大，灾害风险也将加大［4-5，12-13］，如在北美洲西海岸洪灾风险可增加20%~200%［4］，中国西部高海拔地区和东北地区雪面雨洪灾风险防范形势将更加严峻［7，14］。然而，由于雪面雨洪水致灾机理及演变规律尚不明确，Trubilowicz等［15］2017年将雪面雨洪水致灾机理界定为水文学“最需要解决的”科学问题；2019年，前欧洲地球科学联合会（European Geosciences Union，EGU）主席及水文学分会主席Günter Blöschl联合全球近210名水文学家，界定雪面雨洪水致灾机理为水文学中“23个主要待解决的关键科学问题之一”［16］。因此，在全球变化背景下，深入认识雪面雨洪水的基本特点、致灾机理及演变规律，不仅是一个前沿科学问题，也是世界各国防灾减灾工作的迫切需求。
1 雪面雨洪水基本特点
雪面雨洪水在全球高纬度、高海拔地区普遍存在［15，17-18］，分布广泛，在欧洲西部和东北部、美国西部和东北部以及加拿大西南部等地频发［5，19-21］，如德国海拔400 m以上流域的河道侵蚀主要由雪面雨洪水造成［2］，奥地利490个流域的11 518场洪水中约54%为雪面雨洪水［22］，北美洲特别是加拿大不列颠哥伦比亚省以及美国西海岸加利福尼亚州、俄勒冈州和华盛顿州等更是雪面雨洪水的重灾区［12，23-24］。此外，瑞士［6］、英国［25］、南美洲安第斯山脉［26］和日本［27］等国家和地区也常常发生雪面雨洪水，挪威的冬季雪面雨已有诱发冰川区洪水的迹象［28］。高海拔亚洲地区［29-30］，包括中国青藏高原、新疆［18，31］、东北［32］和华东北部等地也是雪面雨事件的多发区［7］，由此引发的雪面雨洪水也较多［33］，但相关研究较为薄弱［7，14，18］。
（1）在全球主要积雪区，雪面雨洪水基本为极端洪水。小雪面雨事件一般不会诱发洪水［34］，雪面雨洪水主要为强降雨过程诱发的极端洪水［35］。雪面雨降低了积雪反照率［36-37］，同时其携带的热量也加速了积雪消融［38-40］，在雨强较大的情况下，可强烈侵蚀积雪［41-42］，而此时土壤冻结，容易形成地表径流，强地表降雨径流叠加积雪融水快速冲蚀下坡积雪和河冰，并侵蚀土壤和河道［43］，也可能造成雪崩［44］和滑坡［45］等并发性灾害，往往形成灾害性较强的极端雨雪混合洪水或泥石流［14］。如在美国西海岸、西部内陆山脉和阿巴拉契亚山脉等地，超过70%的极端洪水（小于0.1%概率）为雪面雨洪水［12］，内华达山脉甚至整个北美洲西海岸历史上最大的几场洪水也均由雪面雨造成［24，45］。在中国新疆，70%以上的雪面雨洪水为5年一遇以上水平［33］。
（2）雪面雨洪水的极端性和强致灾性常常造成重大灾害。美国西部受灾最严重的洪水均为雪面雨洪水［45］，如1964年美国俄勒冈州和加利福尼亚州北部的一场雪面雨洪水造成了120万美元的损失［46］，2017年2月萨克拉门托—圣华金三角洲发生的雪面雨洪水破坏了奥罗维尔大坝的溢洪道，迫使18.8万居民撤离［12，45］。加拿大阿尔伯塔省2013年6月的雪面雨洪水，是加拿大历史上损失最惨重的自然灾害，经济损失约60亿加元［47］。瑞士2011年10月的雪面雨洪水淹埋了进出阿尔卑斯山的唯一通道，20万方土石涌入下游水库，总损失达9 000万瑞士法郎［48］。德国2011年底的“圣诞洪水”和澳大利亚2016年的休恩河洪水［49］，造成严重的人员伤亡和财产损失。中国雪面雨洪水灾害损失也极为严重。如1988年3月，以新疆呼图壁县军塘湖河为中心的天山北坡雪面雨洪水灾害，累计冲毁公路130 km、渠道181 km、堤坝4.6 km、建筑物70座，冲毁淹没农田约9 593 hm2，淹没房屋268间、倒塌房屋1 038间，20 余万人受灾，直接经济损失3 182万元。2010年3月呼图壁、伊犁、塔城和阿勒泰等地因快速升温和雪面雨事件形成了严重洪灾，共造成130.5万人受灾，因灾死亡13人、失踪2人，紧急转移安置18.4万人，直接经济损失12.7亿元。此外，2001年8月天山南坡托什干河、2002年4月和2003年晚冬伊犁以及2019年冬天阿勒泰等地也发生了较为严重的雪面雨洪水灾害［33］。
2 主要研究进展及发展动态
2.1 诱发阈值尚处在“潜在洪水”阶段且不确定性大
雪面雨洪水能否形成取决于雪面雨强度、积雪量以及其他组合条件，如气温和积雪性质等［50］，率定其形成阈值是界定、预报雪面雨洪水最简单的方法及对未来进行预估的依据。Freudiger等［51］基于2011年1月发生在欧洲中部的1场大范围雪面雨洪水和德国的3场雪面雨洪水数据，提出了“潜在雪面雨洪水”发生的阈值：①日降雨量≥3 mm；②雪水当量≥10 mm；③融雪水量占洪水总量的20%以上。Musselman等［4］结合北美西部特点，将以上第①个阈值更改为：①日降雨量≥10 mm。但同样在北美西部，Huang等［52］提出的阈值为：①日降雨量≥25 mm；②雪水当量≥10 mm；③融雪水量占洪水总量的25%以上；④雪表温度为0 ℃。Ohba等［27］定义日本的“潜在雪面雨洪水”阈值为：①日降雨量≥10 mm；②雪深≥10 cm。
2.2 雪面雨洪水致灾机理仍是待解决的关键问题
目前研究对雪面雨洪水形成条件及案例分析较多，但对洪水致灾机理仍不明确：
（2）雪面雨洪水形成过程及其致灾机理。相对于雪面雨对积雪消融过程的影响，对雪面雨洪水形成及其致灾机理的研究相对较少［42］，目前主要有两方面的探索：一是采用人工降雨试验，这种研究相对较少［59］，目前见诸文献的、较大规模的约有7次，其中以洪水形成过程为研究目的的仅有3次［53，58，60］；二是采用监测+模型探讨雪面雨洪水的形成过程，开展雪面雨洪水重大灾害案例及其影响因素分析，这也是主流研究内容［26，51，61-62］。以上研究的主要认知包括：①多数大雨可导致雪面雨洪水发生［34］，但在积雪饱水或流域土壤水分含量高的情况下，小降雨事件也可能会引起洪水［45，53］；②雪内结冰或底部土壤冻结对洪水形成有重要的促进作用［57，63］；③雪面雨洪水不仅与降雨量及其强度有关，而且与0 ℃等温层高度和积雪特性等有关，暖薄积雪更容易产生洪水［50，52，64］；④高纬度地区森林间隙区容易出现优先流［65］，森林砍伐会加速雪面雨洪水的形成过程并增大峰值［66］；⑤在北美等地受北极涛动或北大西洋涛动的影响较大［5］，在欧洲南部则主要受西南季风的影响［67］，而在大西洋中部则主要由一个异常深的500 mb低压槽控制［62］，Rössler等［61］和Guan等［68］还认为天河（atmospheric rivers）的出现加大了雪面雨洪水的风险。总体来看，不同于主要受热量控制的升温融雪型洪水，雪面雨强度、雪水当量和雪层初始含水量是雪面雨洪水形成最重要的影响因素［69］。
2.3 雪面雨洪水演变规律多聚焦“潜在洪水”
（1）雪面雨演变规律。雪面雨事件是雪面雨洪水发生的基本前提。关于不同空间尺度雪面雨事件的过去及未来可能变化的研究较多［5，30，42，50-51，57，71-73］，得出的较为一致的结论有：过去几十年，雪面雨事件总体呈现增加趋势，其发生区域多集中于更高海拔和更高纬度地区，且在时间分布上，早春特别是冬季更加频繁。相对于雪面雨洪水，雪面雨事件相对容易界定，常用的方法是通过实测气象和遥感数据，如基于气温阈值的雨雪分离法或降水类型监测数据来确定降水类型是否为降雨，通过可见光遥感、地面气象站记录或水文模型手段等判断地面是否为积雪。在未来预估方面也基于类似方法，主要是利用雨雪分离方案+积雪消融模型来判断是否发生了雪面雨事件［6，27］。近年来，对中国雪面雨事件过去的变化特征及空间分布的研究已取得了显著进展［7，18，31，71］，但亟待开展对未来变化趋势的预估工作。
（3）问题及不确定性。Schirmer等［13］指出，基于以上方法预估的未来雪面雨洪水风险存在很大的不确定性：①冬季降雨时由于气温较低或积雪较干，很难形成洪水，不考虑气温和积雪初始含水量阈值，仅以降雨量和雪水当量来界定的方法［27］存在较大缺陷；②将融雪水量占洪水量的比例设定为≥20%［51］或≥25%［52］作为阈值，相当于补充了气温和/或含水量因子，但这种方法预估的未来雪面雨洪水次数，仅在以前融雪水量比重小于该阈值的地区增加明显（降雨和雪水当量阈值未变），而在融雪水量比重大于该阈值的地区，预估的洪水次数则变化不大（降雨量和雪水当量引起的除外），但实际上未来这些地区在小于上述降雨阈值的情况下仍然可能发生洪水事件，比如在夏季早期雪温较高、积雪快速融化的情况下；③气候模式预估的未来气象数据也存在较大不确定性，Jasper等［75］指出较小的降雨和气温等误差很可能会造成较大的洪水预估误差，Schirmer等［13］更是认为气象数据的不确定性可占总不确定性的70%以上。
2.4 中国升温融雪洪水研究较好但雪面雨洪水研究刚起步
融雪洪水主要分为2种：升温融雪型和雨雪混合型，雪面雨洪水属于雨雪混合型中的一种特殊类型。中国融雪径流过程研究具有长久的历史，在监测、模拟和预估等方面均取得了长足进展［76］。在升温融雪型洪水及灾害分布［77-78］、灾害效应［79］、洪水模拟［80］、重大灾害案例分析［81］以及决策支持系统研发［82-86］等方面也有较好的基础［14］。近年来，在国家相关项目支持下，在西北干旱区极端升温过程融雪洪水致灾机理［87-88］和演变规律［89-90］，立体监测［91-93］、精细格网化气象预报技术研发［94］、高精度驱动［95-96］和预报数据集制作，产汇流［97-100］、雨雪混合洪水河道演进［101］和冰塞洪水模型［102］构建，以及预报预警决策支持系统研发和业务化应用［103］等方面，开展了较为系统的研究工作。针对致灾性极强的雪面雨洪水，中国已开展了东亚季风区洪水分类方法及雪面雨洪水识别［32］，干旱区山地雪面雨侵蚀积雪动力过程野外试验［60］等工作，但在雪面雨洪水致灾机理、演变规律及预报预警等方面，尚缺乏专门而系统的研究。
3 研究展望
面向防灾减灾需求，针对雪面雨洪水这种分布范围广、致灾性强、未来风险大的复合型极端洪水，聚焦其致灾机理这一当前水文学“亟需解决的”“23个主要待解决的关键科学问题之一”，应突破当前“潜在雪面雨洪水”的概念限制，从孕灾环境、致灾因子和承灾体3个方面，与理论模式、野外试验、阈值率定和综合分析相结合，揭示致灾机理，构建机理或AI模型，在系统认识区域/流域尺度雪面雨洪水演变规律的基础上，开展洪水预报预警和灾害风险评估。
当前亟需开展的工作包括但不限于：
（1）雪面雨洪水事件界定方法探索。为突破当前“潜在雪面雨洪水”概念的限制，首先需要基于水文站多年洪水记录或日流量数据以及其他相关数据，探索“真实”雪面雨洪水事件界定方法，包括但不限于阈值（组合）法和人工智能法等。
（2）雪面雨洪水致灾机理研究。建议基于实际雪面雨洪水数据，从不同雪面雨分区重大雪面雨洪水事件孕灾环境、致灾因子及承灾体分析入手，并结合雪面雨对积雪消融过程的影响试验，提出雪面雨洪水形成关键过程理论模式并构建定量表征方法，据此揭示不同孕灾环境下的关键致灾因子并率定阈值，在此基础上开展雪面雨洪水致灾机理综合分析。
（3）雪面雨洪水模型构建及示范应用。构建基于致灾机理和AI的雪面雨洪水模型，在典型流域不同频次雪面雨洪水事件复演的基础上，开展典型流域雪面雨洪水事件预报应用示范。
（4）区域/流域尺度雪面雨洪水演变规律及潜在风险评估。基于区域/流域实测数据，开展雪面雨洪水演变规律分析，并基于雪面雨洪水模拟模型，开展对未来雪面雨洪水可能变化预估，并评估典型流域未来超标准雪面雨洪水的风险。
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