劉 艷,張 璞

(中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所,烏魯木齊830002)

以往研究表明,作為冰雪融水性河流,瑪納斯河(以下簡稱“瑪河”)徑流變化與氣候變化關系密切[1-6]。流域內高山冰川區(qū)氣象、水文站網稀少,直接獲得高山區(qū)氣溫、降雨和積雪等氣象觀測資料非常困難。因此,這些研究主要分析了徑流量與氣溫、降水的關系。氣象要素影響下高山區(qū)冰雪如何變化及如何補給徑流?徑流豐枯演變與高山區(qū)積雪變化的關系如何?這都依賴于更全面地收集資料和進一步提高監(jiān)測手段。近年出現(xiàn)的MODIS數(shù)據可為大尺度資源調查提供更好的數(shù)據源[7-8],在積雪動態(tài)監(jiān)測方面具有比較明顯的優(yōu)勢。與傳統(tǒng)衛(wèi)星影像相比,MODIS是當前世界上新一代“圖譜合一”的中分辨率光學遙感儀器,具有高效的數(shù)據存儲格式(HDF)、信息豐富、數(shù)據獲取快和覆蓋范圍廣等特點,每日兩次獲取全球36個光譜波段的地球綜合信息觀測數(shù)據[9-11],有利于捕捉地面積雪、植被覆蓋等的動態(tài)變化信息。

以瑪納斯河為研究對象,利用2001-2007年MODIS 8日合成全球雪蓋數(shù)據(MOD10A 2)、1957-2007年瑪納斯河流域出山口肯斯瓦特水文站年徑流量以及2001-2007年水文站逐日平均徑流量、氣溫和降雨等數(shù)據,重點分析流域積雪分布特征和近57 a來流域徑流的豐枯演變規(guī)律及氣象要素作用下對積雪覆蓋對徑流豐枯的影響作用。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

瑪河流域位于準噶爾盆地南緣,南起依連哈比爾尕山,北接古爾班通古特沙漠,東起塔西河,西至巴音溝河,匯集十多條支流,河流貫穿山地-綠洲-荒漠系統(tǒng),地表過程復雜,是北疆地區(qū)的一個典型流域?，敽恿饔蚨竞渎L,冬季降水(11月-翌年3月)以積雪形式儲蓄在天山北坡的中低山一帶,到了夏季(6-8月)主要融水進入河槽,該流域的河流具有明顯的夏汛特點。

1.2 研究材料

主要利用以下數(shù)據:(1)遙感數(shù)據。NASA Earth Observing System DataGateway數(shù)據中心定制的2000-2008年1-12月769景MODIS 8日全球雪蓋產品MOD10A 2,8日合成MOD10A 2最大程度地降低了云層的影響。MOD10A 2主要利用積雪在不同波段的光譜反射特征來計算,空間分辨率為500 m×500 m,時間分辨率為8 d。MOD10A 2以ISIN(Integerized Sinusoidal)一種全球投影格式存放,它把全球影像數(shù)據劃分為36列×18行的方格網,每一格表示一個文件產品的存放區(qū)域,以0開始記錄文件的位置行列號,如文件名中的h23v04表示第24行第5列所在位置。新疆覆蓋 h23v04、h23v05、h24v04、h24v05、h25v04、h25v05 共 6 個區(qū)域?，敽恿饔蚋采w了h23v04、h24v04。(2)氣象數(shù)據:肯斯瓦特水文站1957-2007年逐日徑流數(shù)據;1995-2008年逐日平均氣溫、降雨數(shù)據。(3)輔助數(shù)據:天山山區(qū)DEM數(shù)據,空間分辨率83 m×83 m。北疆地區(qū)地、州、市和縣級行政分區(qū)、河流、湖泊和水庫、道路數(shù)據。

1.3 研究方法

1.3.1 瑪河流域提取及流域分帶 利用A rcMap hydrology Modeling模塊對天山山區(qū)DEM數(shù)據進行流向分析、流水累積量計算、提取河流網絡及矢量數(shù)據,根據指定流域面積大小進行流域分析、提取瑪河流域,生成流域邊界矢量數(shù)據。然后,根據DEM分類指標(表1),利用ERDAS Modeler模塊對流域DEM數(shù)據進行分類運算,經柵格-矢量轉換后獲取流域各分帶矢量邊界數(shù)據并進行投影轉換,采用WGS84坐標系雙標準緯線阿爾勃斯等面積圓錐投影(A lbers conical equal area p rojection)。

1.3.2 流域積雪面積計算 利用MRT(MODIS Reprojection Tool)對MOD10A 2數(shù)據進行地理幾何校正與重采樣批處理,進行雙標準緯線阿爾勃斯等面積圓錐投影,提取積雪覆蓋數(shù)據。然后,利用流域邊界矢量數(shù)據進行MASK掩模處理,獲取瑪河流域積雪覆蓋數(shù)據。根據MOD10A 2數(shù)據key信息,判讀并統(tǒng)計積雪覆蓋(snow=200)及云覆蓋(cloud=50)像元數(shù)目,最后,計算出流域積雪覆蓋及云覆蓋面積。

1.3.3 流域分帶氣溫柵格數(shù)據生成 流域內氣象、水文資料很少,只在流域出山口肯斯瓦特設有水文站,提供水文和氣象要素數(shù)據,流域上游地區(qū)沒有實測資料。因此,只能采取遞推方法獲取高山區(qū)氣溫數(shù)據。一般來說山區(qū)降水和氣溫的垂直地帶性明顯,通常降水量總體上隨著高程的上升而增加,氣溫的分布與降水相反,高度增加氣溫降低。

式中:Tem——溫度;H low、Hhigh——為各分帶的平均海拔高度,low表示海拔低的帶,high為海拔高的帶。

1.3.4 流域分帶平均氣溫和積雪面積計算 利用各分帶邊界數(shù)據對插值氣溫柵格數(shù)據、積雪覆蓋數(shù)據進行MASK掩模處理,獲取各帶氣溫柵格數(shù)據和各帶8日合成積雪分布影像數(shù)據,然后計算影像平均值即得各帶平均氣溫和8日合成積雪覆蓋數(shù)據。最后,利用Originpro插值模塊對8日序列積雪面積數(shù)據進行插值運算,最終獲取流域各分帶逐日積雪面積。

1.3.5 數(shù)據分析 利用計算機技術,采用統(tǒng)計分析方法,建立相關模型。

2 結果分析

2.1 流域分帶地貌特征

該流域地形呈南高北低走勢,源頭海拔5 000～5 500m,有現(xiàn)代冰川分布,面積達608.25 km2。在天山山地中山區(qū)和前山區(qū)匯合了眾多支流,至前山的肯斯瓦特水文站流出山區(qū)進入山前平原,海拔高度也隨之降到500 m左右,山地垂直地帶性特征十分明顯。流域內冰川面積占天山北坡冰川面積的32%,除冰川覆蓋外,流域內另有少量森林和高山草甸。

表1 瑪河流域垂直分布帶及積雪-植被分布特征

2.2 流域內積雪分布季節(jié)變化

四季更替,積雪隨之發(fā)生變化,主要表現(xiàn)在積雪覆蓋面積和積雪深度兩個方面。本文利用MOD10A 2積雪面積數(shù)據制作了積雪覆蓋面積的變化曲線,用以描述積雪面積在積累和消融期間逐漸變化的過程。2000-2008年平均積雪覆蓋面積的年際變化顯示,流域積雪面積變化可以分為兩個階段,見圖 1。

Ⅰ段(8月中旬-次年1月上旬):增長期。積雪覆蓋面積逐旬增長,并達到最大值。

Ⅱ段(1月中旬-8月上旬):衰減期。積雪覆蓋面積逐漸減少,積雪逐漸消融。

圖1 流域積雪覆蓋面積變化曲線圖

2.3 徑流豐枯特征分析

《水文情報預報規(guī)范》對徑流豐枯情況的劃分標準規(guī)定為,按距平百分率P。

P＞20%為豐水;10%＜P≤20%為偏豐;-10%＜P≤10%為平水;-20%≤P＜-10%為偏枯;P＜-20%為枯水。以肯斯瓦特水文站51年(1957-2007)徑流資料為樣本分析瑪河流域年徑流豐枯水演變規(guī)律(圖2)。結果顯示,瑪河流量在20世紀90年代以來持續(xù)增加,但在2002年、2003年出現(xiàn)歷史上罕見的豐水和枯水現(xiàn)象(表2)。

圖2 1957-2007年肯斯瓦特水文站年平均徑流量變化

2.4 徑流豐枯演變與積雪覆蓋關系

瑪河徑流豐枯演變規(guī)律表明,2000-2007年間,2002年徑流量最大,2003年、2006年兩年流量相當,低于歷年平均。本文以2002年、2003年數(shù)據為例找尋徑流豐枯突變的原因。

2.4.1 冬季積雪量估計 積雪量的估計是流域水量平衡的重要組成組分。在沒有達到融化條件時,積雪以固態(tài)形式儲存在流域內,形成一個特定的蓄水體,這個蓄水體會對流域水文過程起一定的調蓄作用。由表3可見,2003年,徑流偏枯,冬季最大積雪覆蓋面積為3 655.62 km2,占總流域的68%,5月山區(qū)積雪覆蓋率占31%;2002年,徑流豐水,冬季最大積雪覆蓋面積高達80%,5月山區(qū)積雪覆蓋率為47%?？梢?冬季積雪面積越大,為春夏季河道來水儲備的水源也越豐富。

表2 肯斯瓦特水文站2000-2007年年徑流量及豐枯特性

表3 1-5月流域積雪覆蓋最大面積 km2

2.4.2 氣溫-降雨要素分析 肯斯瓦特水文站降雨觀測數(shù)據統(tǒng)計結果顯示(表4),2002年、2003年3-6月出現(xiàn)降雨天數(shù)分別為40 d和39 d,降水基本相當。由此可見,降雨不是引起2003年徑流偏低的主要原因。計算3-6月流域不同高度帶≥0℃平均氣溫的累積積溫(圖3)。結果顯示,低山荒漠草原帶(a),2002年、2003年累積積溫大小相當;云杉林帶(b),2002年出現(xiàn)正積溫提前2003年月30 d;高山區(qū)的高山高寒草甸(c)和冰雪帶(d),2002年積溫明顯低于2003年。

表4 2002和2003年肯斯瓦特水文站日平均降雨比較

圖3 流域各分帶3-6月≥0℃積溫

2.4.3 積雪消融速率的估計 當融雪條件滿足時,積雪開始融化。這時重要的是要估計融雪強度或速率,以及在一定時段內的融雪量。融雪強度和融雪量決定于積雪的狀態(tài)和融雪的熱量平衡條件,也決定雪融水對徑流補給作用的大小。逐日積雪覆蓋率衰減曲線是表征積雪消融速率和融雪強度的過程變化曲線(圖4)。

Ⅰ低山荒漠草原帶。2002年和2003年最大積雪面積相當。2002年積雪較2003年積雪先消融完結,且該年積雪消融速率大于2003年的。原因在于,該帶2002年3-6月累積正積溫大于2003年積溫(圖4a);

圖4 2002年和2003年流域分帶積雪融化速率比較

Ⅱ云杉林帶。該帶最大積雪面積2002年低于2003年,但其消融速率明顯高于2003年的。原因在于,2002年出現(xiàn)正積溫日期提前2003年約1個月,且2002年積雪面積顯著小于2003年積雪面積(圖4b);

Ⅲ高山高寒草甸。該帶最大積雪面積2002年略低于2003年,積雪消融速率兩年相當,6月后,2002年消融速率下降,積雪緩慢消融。原因在于,6月前,2002年累積正積溫與2003年累積正積溫大小相當,之后降低(圖 4c);

Ⅳ冰雪帶。2002年和2003年最大積雪面積相當。2002年積雪消融速率明顯低于2003年的,后期有所增大。原因在于,2002年累積正積溫明顯低于2003年累積正積溫(圖4d)。6月中旬后,2002年溫度增加趨勢和幅度顯著,造成后期積雪消融速率出現(xiàn)增加趨勢。

綜上所述,春季隨氣溫上升,淺山區(qū)和中高山區(qū)的薄雪區(qū)、中厚雪區(qū)和厚雪區(qū)的積雪會大部或部分融化,表現(xiàn)為積雪面積縮小,積雪融化匯入河道流出山區(qū)。

圖5 2002年和2003年流域積雪融化速率比較

Ⅴ全流域(圖5)。在整個融雪期(1月中旬至8月上旬),2002年,隨氣溫升高,流域積雪迅速消融,積雪消融強度和速率較強(公式5)。2003年,4月末前積雪消融強度緩和,5月末期出現(xiàn)較大幅度的消融強度,6月末期強度下降,至7月莫出現(xiàn)新的降雪(公式6)。2003年瑪納斯河產流區(qū)的高山帶冰川和積雪不能大量消融導致在2003年出現(xiàn)了歷史上罕見的汛期枯水現(xiàn)象。

2002年積雪消融速率:

2003年積雪消融速率:

3 結語

本文首次對瑪納斯河流域積雪分布、高山區(qū)氣溫特征進行分析,并且討論了流域春季融雪性徑流豐枯特征與流域冬季積雪累積量及春季升溫后積雪消融強度的關系。瑪納斯河流域水資源在春季主要以融雪徑流方式為主,春季隨著氣溫的升高,積雪面積逐漸變小,流量也逐漸增加。流域冬季積雪的累積量和春季積雪的消融速率和強度將決定流域春季徑流的多少。降雨條件相當?shù)乃哪曛?冬季山區(qū)形成的積雪越厚,以固態(tài)形式存儲的水量越大,春夏季隨著氣溫的升高,河流來水量就越豐富。

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