青藏高原積雪覆蓋時空變化及其對氣候的響應

楊 維， 王永前，2

(1.成都信息工程大學資源環(huán)境學院，四川成都610225;2.中國科學院遙感與數(shù)字地球研究所，北京100094)

0 引言

積雪作為自然地表最重要、最活躍的組成成分之一，早已引起眾多地理學、氣象與氣候?qū)W以及水文等學科科技工作者的重視和關(guān)注。地球陸地上約有3/4的淡水資源以冰雪的形式存在，冬季的歐亞大陸和北美地區(qū)有超過80%的地區(qū)被積雪覆蓋。積雪覆蓋的動態(tài)變化不僅深刻地影響著氣候變化，而且積雪融水也是發(fā)展干旱和半干旱地區(qū)農(nóng)牧業(yè)的重要因素［1-2］。針對全球或區(qū)域性的積雪變化問題，國內(nèi)外開展了很多相關(guān)研究，有學者采用地面氣象站點資料對積雪進行長時間序列分析，以此來揭示不同地區(qū)積雪隨時間的變化特征［3-4］。然而，由于觀測臺站大多位于地勢平坦地區(qū)，空間連續(xù)性較差，在一些偏遠及高寒地區(qū)無法對積雪進行直接觀測記錄，造成這一方法往往不能及時、準確、全面地反映積雪的分布情況。隨著空間和信息技術(shù)的快速發(fā)展，特別是衛(wèi)星遙感技術(shù)以其多尺度、多時相、多譜段、多層次等優(yōu)勢，在對包括積雪在內(nèi)的綜合觀測發(fā)揮著越來越重要的作用。目前，已有不少學者利用(E)TM/LANDSAT、AVHRR/NOAA、VEGETATION/SPOT、MODIS/EOS等遙感傳感器資料對積雪監(jiān)測展開了研究［5-8］。其中，MODIS數(shù)據(jù)以其覆蓋范圍廣，具有較高的時間、空間以及光譜分辨率，成為在積雪監(jiān)測方面的最優(yōu)數(shù)據(jù)源。

被譽為“世界屋脊”的青藏高原平均海拔在4000 m以上，東西長達2945 km，橫跨31個經(jīng)度，南北寬約1532 km，縱貫 13 個緯度，范圍為 26°00＇12″N ～39°46＇50″N，73°18＇52″E ～104°46＇59″E，面積約為 277萬km2，占中國陸地總面積的28.85%，其廣泛分布的積雪資源不僅深刻地影響著中國的能量和水循環(huán)，而且也在很大程度上決定著全球范圍內(nèi)的大氣環(huán)流［9-11］。近年來，雖然已有不少學者對青藏高原雪情變化做了研究:柯長青等［12］利用NOAA積雪資料對高原積雪分布與變化特征作了研究，表明該地區(qū)積雪主要集中在東西兩側(cè)，且積雪年際變化主要集中在東部;巴桑等［13］利用NOAA及MODIS積雪產(chǎn)品分析出近30 a來西藏地區(qū)積雪在不斷減少，尤其以近些年較為明顯;韋志剛等［14］也利用氣象站點逐日觀測的積雪深度資料分析了高原積雪的空間分布和年代際變化特征。然而，青藏高原幅員遼闊、地形復雜，加之全球氣候變化日趨復雜化，造成該地區(qū)近期積雪時空變化特征，尤其是積雪變化的驅(qū)動因子仍存在諸多不確定性。文中以青藏高原為研究區(qū)，綜合利用2003～2012年長時間序列MODIS積雪產(chǎn)品、DEM數(shù)據(jù)以及相應的氣象站點資料，分析該地區(qū)近10 a來積雪的時空變化特征及其對氣候變化的響應。

1 研究數(shù)據(jù)及方法

1．1 研究數(shù)據(jù)

1.1.1 MOD10A2積雪產(chǎn)品

美國國家雪冰數(shù)據(jù)中心(National Snow and Ice Data Center，NSIDC)提供了多種MODIS的積雪產(chǎn)品，國內(nèi)外許多學者對其精度進行了驗證，證明其在晴空條件下對積雪的識別精度很高，整體精度能達到90%以上［15-17］。然而，MODIS逐日積雪產(chǎn)品(MOD10A1/MYD10A1)常常受到天氣狀況的影響，導致其積雪識別精度很難保證。MOD10A2/MYD10A2是由MOD10A1/MYD10A1每隔8 d合成的雪蓋產(chǎn)品，從每年第一天開始計算，其合成目的是為了盡可能地減少云污染，最大程度地反映出積雪信息。該產(chǎn)品包含積雪、冰蓋、水體、陸地、云層等信息(表1)，空間分辨率為500m，正弦投影，數(shù)據(jù)格式為HDF。

MOD10A2與MYD10A2的主要區(qū)別僅在于衛(wèi)星過境時間的不同。文中選用MOD10A2數(shù)據(jù)，研究區(qū)由圖幅編號分別為 h23v05、h24v05、h25v05、h25v06、h26v05、h26v06、h27v06等 7幅圖像拼接而成，包括2003～2012年近10 a 460個時相共3220幅圖像。

表1 MOD10A2產(chǎn)品編碼及意義

1.1.2 數(shù)字高程模型

收集美國航天飛機雷達地形測繪任務(shuttle radar topography mission，SRTM)提供的青藏高原地區(qū)空間分辨率為90 m的數(shù)字高程模型(digital elevation model，DEM)數(shù)據(jù)集。

1.1.3 氣象站點數(shù)據(jù)

收集了國家氣象局提供的青藏高原地區(qū)68個氣象站點2003～2012年近10 a的日氣溫和日降水資料。為了在不同季節(jié)條件下對積雪與氣象因子進行相關(guān)性分析，先將氣象數(shù)據(jù)進行每月1次的合成，然后再對其進行四季劃分(春季:3～5月;夏季:6～8月;秋季:9～11月;冬季:12～2月)。

1．2 研究方法

1.2.1 數(shù)據(jù)預處理

利用GIS及MRT等軟件對MOD10A2積雪產(chǎn)品進行鑲嵌和坐標變換處理，將正弦投影轉(zhuǎn)成地理坐標，橢球體選用1984年世界大地坐標系(WGS84)，重采樣選擇最鄰近方法，然后再利用青藏高原矢量邊界將其裁剪，最后將數(shù)據(jù)以GEOTIFF格式輸出。

1.2.2 積雪信息提取

為能基本消除云對MOD10A2產(chǎn)品積雪分類的影響，根據(jù)該產(chǎn)品的編碼及其意義，文中采用王瑋等［18］提出的圖像合成規(guī)則(表2)，將研究區(qū)每月4景圖像進行月最大積雪面積合成。

1.2.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析

根據(jù)積雪信息的提取結(jié)果，統(tǒng)計研究區(qū)2003～2012年近10 a的月最大積雪面積，結(jié)合DEM和氣象站點數(shù)據(jù)，分析研究區(qū)積雪覆蓋的時空變化特征以及對積雪覆蓋變化進行相關(guān)驅(qū)動因子分析。

表2 MOD10A2積雪產(chǎn)品合成規(guī)則

2 結(jié)果與分析

2．1 積雪隨時間變化特征

2.1.1 年內(nèi)變化

從年內(nèi)變化來看(圖1)，青藏高原積雪面積隨季節(jié)的變化十分顯著，有明顯的積雪和融雪時期，年內(nèi)呈現(xiàn)出兩個波峰和一個波谷。第一個波峰出現(xiàn)在2月，平均積雪面積達150.37萬km2。2月之后，進入春季，天氣回暖，積雪開始融化，積雪面積逐漸降低，5月之后，隨著夏季來臨，積雪面積出現(xiàn)驟然降低，直到7月降至最低，到達波谷，平均積雪面積僅為28.16萬km2。此后，隨著天氣轉(zhuǎn)涼，積雪開始緩慢回升，8月之后積雪面積陡然提升，直到10月達到年內(nèi)的另一個波峰，平均積雪面積達139.63萬km2，10月之后積雪面積呈現(xiàn)小幅度下滑。這是因為研究區(qū)10月的氣溫已經(jīng)足夠低，加上秋季相對豐富的降水，對積雪的發(fā)育十分有利，但10月之后逐漸進入冬季，降水大幅減少，這在一定程度上限制了積雪的發(fā)展。這與王葉堂等［19］提出的青藏高原積雪面積年內(nèi)最大值分別出現(xiàn)在11月和3月有所不同，主要是因為對積雪信息合成的時間尺度不同。

圖1 青藏高原積雪面積特征值年內(nèi)變化

2.1.2 年際變化

從年際變化來看(圖2)，青藏高原積雪面積呈現(xiàn)雙峰波動的特征，但波動幅度不大，10 a內(nèi)平均積雪面積在105.72萬km2左右，約占整個研究區(qū)面積的38.16%。其中，兩個峰值分別出現(xiàn)在2005和2008年，尤其是2008年，年均積雪面積達到了115.63萬km2，這與2008年冬中國出現(xiàn)罕見大范圍冰雪災害天氣的事實相符。兩個波谷分別出現(xiàn)在2007年和2010年，平均積雪面積分別僅為101.04萬km2和91.62萬km2。此外，近10 a青藏高原年均積雪面積整體表現(xiàn)為小幅下降的傾向，這與政府間氣候變化專門委員會(Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC)第四次評估報告《氣候變化2007》所指出的隨著全球氣候變暖，大范圍的冰雪在不斷融化減少的結(jié)論相一致。

圖2 青藏高原積雪面積特征值年際變化

2．2 積雪的空間分布特征

為分析青藏高原積雪的空間分布特征，利用積雪覆蓋時間指數(shù)［20］對研究區(qū)近10 a各像元的平均積雪指數(shù)進行了提取。式中:i和j分別代表月份和年份(i=1，2，…，12;j=2003，2004，…，2012)，SNCTij表示月合成積雪分布圖像各像元積雪覆蓋的時間值，有雪賦值為1，無雪賦值為0。將平均積雪覆蓋時間指數(shù)按照時間值從0到1重分為5類，得到近10 a青藏高原平均積雪覆蓋時間指數(shù)圖(圖3)，圖中時間指數(shù)越接近于1，表示積雪覆蓋時間越長。

圖3 近10 a青藏高原平均積雪覆蓋時間指數(shù)圖

可以看出，青藏高原積雪的空間分布極不均勻。高積雪區(qū)(積雪時間指數(shù)≥0.6)主要分布于西北部的喀喇昆侖山和阿爾金山脈、西南部的喜馬拉雅山脈、東南部的念唐古拉山和巴彥克拉山脈以及東北部的祁連山脈等地，而廣闊的高原中部腹地，尤其是烏蘭、共和等地區(qū)，由于受到高山地形阻隔等影響，水汽輸送較少，加之海拔較低，溫度相對較高，不利于積雪的發(fā)育和累積，故屬于積雪覆蓋時間指數(shù)的低值區(qū)域。

2.2.1 隨海拔變化分布特征

地形地貌是影響積雪分布的重要因素，海拔的差異會導致氣溫和降水的不同，從而導致積雪在垂直空間上的不均勻分布。文中采用1000 m為步長，將研究區(qū)地形數(shù)據(jù)分為6個不同的高程帶(表3)，探究青藏高原地區(qū)在不同高程帶下積雪覆蓋的變化特征。

表3 青藏高原各高程帶面積統(tǒng)計

從不同高程帶年際積雪覆蓋率統(tǒng)計來看(圖4)，總體上青藏高原積雪覆蓋率在不同高程帶上的年際變化波動較小，但隨空間垂直高度的增加而增大。具體來講，當海拔在3000 m以內(nèi)時，年均積雪覆蓋率約為10.9%;當海拔在3000～4000 m時，年均積雪覆蓋率約為27%;當海拔在4000～5000 m時，年均積雪覆蓋率約為37.8%;當海拔在5000～6000 m時，年均積雪覆蓋率出現(xiàn)明顯的提升，達到55.3%;而當海拔在6000 m以上時，積雪覆蓋率高達86.5%，說明此區(qū)域的積雪幾乎終年不化。這與賈翔等［21］提出的海拔在6000 m以上的積雪覆蓋率為78%左右存在一定差異，主要是因為研究區(qū)域的不同。

圖4 不同高程帶年際積雪覆蓋率統(tǒng)計

從不同高程帶積雪面積年內(nèi)變化來看(圖5)，各高程帶上的積雪面積隨季節(jié)更替的變化差異明顯。當海拔在3000 m以內(nèi)時，積雪面積年內(nèi)變化圖像大體呈“U”字形，兩個最大值分別出現(xiàn)在1月和12月，隨著海拔的提升，“U”字形底部有所收窄，說明融雪和積雪期都在加長。當海拔在3000～6000 m時，積雪面積年內(nèi)變化圖像逐漸過渡為倒“W”字形，且隨著海拔的升高，倒“W”字形的兩個波峰逐漸收窄。其中，海拔為3000～4000 m時，積雪面積的最大值分別出現(xiàn)在2月和11月;海拔為4000～5000 m時，積雪面積的最大值分別出現(xiàn)在2月和10月;海拔為5000～6000 m時，積雪面積的最大值分別出現(xiàn)在5月和10月。當海拔在6000 m以上時，積雪面積年內(nèi)變化圖像幾乎成一條直線，說明此區(qū)域的積雪覆蓋受季節(jié)影響不大。由此可知，在低海拔區(qū)域(≤4000 m)，積雪面積在隆冬時節(jié)達到最大，而在高海拔區(qū)域(海拔＞4000 m)，積雪面積卻在天氣適當回暖時才達到最大。這與馬勇剛等［22］的研究結(jié)果相吻合。其原因可能是:(1)當海拔達到一定高度時，氣溫已經(jīng)足夠低，完全滿足積雪的溫度條件，而在深冬時節(jié)降水較少，反而使得積雪面積降低。(2)冬季強風的搬運作用有利于積雪的再分配。(3)隨著海拔的增加，氣溫降低，水氣壓下降，太陽輻射增強，加劇了積雪的升華［23］。

圖5 不同高程帶積雪面積年內(nèi)變化

2.2.2 隨坡向變化分布特征

水汽和輻射條件是影響積雪發(fā)育的重要因素［24］。迎風坡受暖濕氣流影響嚴重，水汽來源豐富，降水量大，而背風坡由于的地形影響而不能接受暖濕水汽作用，蒸發(fā)量較大，故迎風坡的積雪面積應高于背風坡。另外，陽坡接受的太陽輻射量較陰坡多，容易導致融雪，故陰坡的積雪應比陽坡要多。將青藏高原地形數(shù)據(jù)的方位角信息按45°等間隔劃分為北坡(0°～22.5°和337.5°～360°)、東北坡(22.5°～67.5°)、東坡(67.5°～112.5°)、東南坡(112.5°～157.5°)、南坡(157.5°～202.5°)、西南坡(202.5°～247.5°)、西坡(247.5°～292.5°)及西北坡(292.5°～337.5°)共8 個坡向，結(jié)合提取的積雪信息，得到研究區(qū)在不同坡向的積雪覆蓋率(圖6)。

圖6 不同坡向積雪覆蓋率統(tǒng)計

可以看出，積雪覆蓋率隨坡向的不同而存在較大的差異。西北坡、西坡、北坡和東北坡的積雪覆蓋率較高，年均積雪覆蓋率超過40%，其中，又以西北坡的積雪覆蓋率最高，達41.54%。而南坡的積雪覆蓋率最低，僅為34.68%。這是由于青藏高原地區(qū)常受到西北冷空氣的影響，導致西北坡接受到相對豐富的水汽，有利于積雪的發(fā)育，而南坡處于陽坡，太陽輻射較強，不利于積雪的累積。

3 積雪覆蓋驅(qū)動因子分析

積雪的形成在很大程度上受到氣溫和降水的影響［25］，為了更好地揭示氣象因子對積雪覆蓋的驅(qū)動作用，分別對研究區(qū)4個季節(jié)的積雪面積及其對應的氣象資料做了相關(guān)性分析(表4)。

表4 積雪覆蓋與氣象因子變化相關(guān)性分析結(jié)果統(tǒng)計

總體而言，研究區(qū)四季的積雪與溫度均表現(xiàn)出不同程度的負相關(guān)，而與降水則均表現(xiàn)出不同程度的正相關(guān)。具體來講，春季積雪與溫度的相關(guān)系數(shù)較高，為-0.402，這說明春季氣溫的升高會顯著導致融雪的加劇;夏季積雪與溫度的相關(guān)性進一步提升，相關(guān)系數(shù)達到-0.432，而與降水的相關(guān)系數(shù)僅為0.102，說明夏季積雪主要受溫度的影響，這是因為夏季的積雪主要分布在高海拔常年積雪區(qū)，其變化與溫度有直接關(guān)系;秋季積雪與溫度的相關(guān)系數(shù)為-0.313，與降水的相關(guān)系數(shù)為0.274，這說明溫度和降水均能在一定程度上影響秋季的積雪。冬季積雪與溫度的相關(guān)系數(shù)僅為-0.132，而與降水的相關(guān)系數(shù)卻達0.343，這說明冬季的積雪主要受降水的影響，而與溫度的關(guān)系不大，這是因為冬季的氣溫已經(jīng)完全滿足了積雪的條件，而降雨的增多會帶來更多水汽，這對積雪的發(fā)育十分有利?？紤]全年，可得積雪與溫度的平均相關(guān)系數(shù)為-0.320，與降水的平均相關(guān)系數(shù)為0.235，說明溫度和降水均能在一定程度上影響積雪覆蓋，但積雪對溫度因子更加敏感，主要受到溫度變化的影響。這與楊倩等［26］的研究結(jié)果相吻合。

4 結(jié)論

利用MOD10A2積雪產(chǎn)品提取了青藏高原2003～2012年近10 a的積雪覆蓋信息，并結(jié)合DEM及相應氣象站點數(shù)據(jù)對監(jiān)測結(jié)果做了進一步分析，結(jié)果表明:

時間上，高原積雪面積隨季節(jié)的變化十分顯著，有明顯的積雪和融雪時期，年內(nèi)呈現(xiàn)出兩個波峰和一個波谷，最大積雪面積出現(xiàn)在2月和10月，最小積雪面積出現(xiàn)在7月;積雪面積年際變化呈現(xiàn)雙峰波動的特征，但波動幅度不大，10 a內(nèi)的平均積雪面積呈現(xiàn)小幅下降的傾向。

空間上，高原積雪分布極不均勻，高積雪覆蓋區(qū)主要集中于山區(qū)地帶，而廣闊的中部腹地，積雪分布較少;積雪覆蓋率隨海拔的增高而升高，不同高程帶的積雪面積隨季節(jié)更替的變化差異明顯，在低海拔區(qū)域，積雪面積在隆冬時節(jié)達到最大，而在高海拔區(qū)域，積雪面積卻在天氣適當回暖才時達到最大;積雪覆蓋率隨坡向的變化差異較大，西北坡積雪覆蓋率最高，南坡積雪覆蓋率最低。

氣候響應上，高原四季的積雪與溫度均表現(xiàn)出不同程度的負相關(guān)，而與降水則均表現(xiàn)出不同程度的正相關(guān)，但對溫度因子更加敏感，主要受到溫度變化的影響。

［1］ Yang T，Lu G H，Li H H，et al.Advances in the study of projection of climate change impacts on hydrological extremes［J］.Advances in Water Science，2011，22(2):279-286.

［2］ Dong L H，Xiong L H，Yu K X，et al.Research advances in effects of climate change and human activities on hydrology［J］.Advances in Water Science，2012，23(2):278-285.

［3］ 李培基.新疆積雪對氣候變暖的響應［J］.氣象學報，2001，59(4):491-500.

［4］ Martin L，Martin S.Long-term snow climate trends of the Swiss Alps［J］.International Journal of Climatology，2005，23(7):733-750.

［5］ 張飛，關(guān)紅軍，許春華.利用TM圖像提取瑪納斯河流域上游積雪信息的方法研究［J］.高原山地氣象研究，2011，31(1):69-73.

［6］ Hall D，Riggs Ga，Salomon son V V.Development of methods for mapping global snow cover using moderate resolution imaging spectroradiometer data［J］.Remote Sensing of Environment，1995，54(2):127-140.

［7］ 麻旭輝，劉志輝，肖繼東.NOAA/AVHRR與EOS/MODIS的積雪監(jiān)測模式對比［J］.水土保持研究，2008，15(3):220-225.

［8］ Xiao X M，Shen Z X，Qin X G.Assessing the potential of VEGETATION sensor data for mapping snow and ice cover:a Normalized Diference Snow and Ice Index［J］.International Journal of Remote Sensing，2001，22(13):2479-2487.

［9］ 唐光志，王建，李弘毅，等.青藏高原MODIS積雪面積比例產(chǎn)品的精度驗證和去云研究［J］.遙感技術(shù)與應用，2013，28(3):423-430.

［10］ 王瑋，黃曉東，呂志邦，等.基于MODIS和AMSR-E資料的青藏高原牧區(qū)雪被制圖的研究［J］.草業(yè)學報，2013，22(4):227-238.

［11］ Xu X K.Spatiotemporal variation and regional distribution characteristics of snowfall in China from 1970 to 2000［J］.Journal of Glaciology and Geocryology，2011，33(3):497-503.

［12］ 柯常青，李培基.青藏高原積雪分布與變化特征［J］.地理學報，1998，53(3):209-215.

［13］ 巴桑，楊秀海，拉珍，等.基于多源數(shù)據(jù)的西藏地區(qū)積雪變化趨勢分析［J］.冰川凍土，2012，34(5):1023-1030.

［14］ 韋志剛，黃榮輝，陳文，等.青藏高原地面站積雪的空間分布和年代際變化特征［J］.大氣科學，2002，26(4):496-506.

［15］ Hall D，Riggs G A.Accuracy assessment of the MODIS snow products［J］.Hydrological Processes，2007，21:1534-1547.

［16］ Wang X W，Xie H J，Liang T G.Evaluation of MODIS snow cover and cloud mask and its application in Northern Xinjiang，China［J］.Remote Sensing of Environment，2008，112:1497-1513.

［17］ 黃曉東，張學通，李霞，等.北疆牧區(qū)MODIS積雪產(chǎn)品MODIS10A1和MODIS10A2的精度分析與評價［J］.冰川凍土，2007，29(5):722-729.

［18］ 王瑋，馮綺勝，張學通，等.基于MODIS和AMSR-E資料的青海省旬合成雪被圖像精度評價［J］.冰川凍土，2011，33(1):88-100.

［19］ 王玉堂，何勇，侯書貴.2000-2005年青藏高原積雪時空變化分析［J］.冰川凍土，2007，29(6):855-861.

［20］ 薩楚拉，劉桂香，包剛，等.內(nèi)蒙古積雪面積時空變化及其對氣候響應［J］.干旱區(qū)資源與環(huán)境，2013，27(2):137-141.

［21］ 賈翔，陳蜀江，黃鐵成，等.基于MODIS數(shù)據(jù)的新疆葉爾羌河流域山區(qū)積雪特征分析［J］.冰川凍土，2014，36(2):296-303.

［22］ 馬勇剛，黃粵，陳曦，等.新疆積雪覆蓋時空變異分析［J］.水科學進展，2013，24(4):191-198.

［23］ Pu Z X，Li X，Salomonson V V.MODIS/Terra observed seasonal variations of snow cover over the Tibetan Plateau ［J］.GEOPHYSICAL RESEARCH LETTERS，2007，34(6):1-6.

［24］ 張文博，肖鵬峰，馮學智.基于MODIS數(shù)據(jù)的我國天山典型區(qū)積雪特征研究［J］.遙感技術(shù)與應用，2012，27(5)，746-752.

［25］ 白淑英，史建橋，沈渭壽，等.近30年西藏雪深時空變化及其對氣候變化的響應［J］.國土資源遙感，2014，26(1):144-151.

［26］ 楊倩，陳圣波，路鵬，等.2000-2010年吉林省積雪時空變化特征及其與氣候的關(guān)系［J］.遙感技術(shù)與應用，2012，27(3):413-419.