楊 維， 王永前，2

(1.成都信息工程大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，四川成都610225;2.中國(guó)科學(xué)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(xué)、氣象與氣候?qū)W以及水文等學(xué)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(guò)80%的地區(qū)被積雪覆蓋。積雪覆蓋的動(dòng)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(duì)全球或區(qū)域性的積雪變化問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外開展了很多相關(guān)研究，有學(xué)者采用地面氣象站點(diǎn)資料對(duì)積雪進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間序列分析，以此來(lái)揭示不同地區(qū)積雪隨時(shí)間的變化特征［3-4］。然而，由于觀測(cè)臺(tái)站大多位于地勢(shì)平坦地區(qū)，空間連續(xù)性較差，在一些偏遠(yuǎn)及高寒地區(qū)無(wú)法對(duì)積雪進(jìn)行直接觀測(cè)記錄，造成這一方法往往不能及時(shí)、準(zhǔn)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(shí)相、多譜段、多層次等優(yōu)勢(shì)，在對(duì)包括積雪在內(nèi)的綜合觀測(cè)發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。目前，已有不少學(xué)者利用(E)TM/LANDSAT、AVHRR/NOAA、VEGETATION/SPOT、MODIS/EOS等遙感傳感器資料對(duì)積雪監(jiān)測(cè)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(shí)間、空間以及光譜分辨率，成為在積雪監(jiān)測(cè)方面的最優(yōu)數(shù)據(jù)源。

被譽(yù)為“世界屋脊”的青藏高原平均海拔在4000 m以上，東西長(zhǎng)達(dá)2945 km，橫跨31個(gè)經(jīng)度，南北寬約1532 km，縱貫 13 個(gè)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(wàn)km2，占中國(guó)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(guó)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(lái)，雖然已有不少學(xué)者對(duì)青藏高原雪情變化做了研究:柯長(zhǎng)青等［12］利用NOAA積雪資料對(duì)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(lái)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(diǎn)逐日觀測(cè)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(fù)雜，加之全球氣候變化日趨復(fù)雜化，造成該地區(qū)近期積雪時(shí)空變化特征，尤其是積雪變化的驅(qū)動(dòng)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(zhǎng)時(shí)間序列MODIS積雪產(chǎn)品、DEM數(shù)據(jù)以及相應(yīng)的氣象站點(diǎn)資料，分析該地區(qū)近10 a來(lái)積雪的時(shí)空變化特征及其對(duì)氣候變化的響應(yīng)。

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(guó)國(guó)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(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)其精度進(jìn)行了驗(yàn)證，證明其在晴空條件下對(duì)積雪的識(shí)別精度很高，整體精度能達(dá)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(dǎo)致其積雪識(shí)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(jì)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(guò)境時(shí)間的不同。文中選用MOD10A2數(shù)據(jù)，研究區(qū)由圖幅編號(hào)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(gè)時(shí)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(guó)航天飛機(jī)雷達(dá)地形測(cè)繪任務(wù)(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(diǎn)數(shù)據(jù)

收集了國(guó)家氣象局提供的青藏高原地區(qū)68個(gè)氣象站點(diǎn)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(duì)積雪與氣象因子進(jìn)行相關(guān)性分析，先將氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行每月1次的合成，然后再對(duì)其進(jìn)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(yù)處理

利用GIS及MRT等軟件對(duì)MOD10A2積雪產(chǎn)品進(jìn)行鑲嵌和坐標(biāo)變換處理，將正弦投影轉(zhuǎn)成地理坐標(biāo)，橢球體選用1984年世界大地坐標(biāo)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(duì)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(jìn)行月最大積雪面積合成。

1.2.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析

根據(jù)積雪信息的提取結(jié)果，統(tǒng)計(jì)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(diǎn)數(shù)據(jù)，分析研究區(qū)積雪覆蓋的時(shí)空變化特征以及對(duì)積雪覆蓋變化進(jìn)行相關(guān)驅(qū)動(dòng)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(shí)間變化特征

2.1.1 年內(nèi)變化

從年內(nèi)變化來(lái)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(shí)期，年內(nèi)呈現(xiàn)出兩個(gè)波峰和一個(gè)波谷。第一個(gè)波峰出現(xiàn)在2月，平均積雪面積達(dá)150.37萬(wàn)km2。2月之后，進(jìn)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(lái)臨，積雪面積出現(xiàn)驟然降低，直到7月降至最低，到達(dá)波谷，平均積雪面積僅為28.16萬(wàn)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(dá)到年內(nèi)的另一個(gè)波峰，平均積雪面積達(dá)139.63萬(wàn)km2，10月之后積雪面積呈現(xiàn)小幅度下滑。這是因?yàn)檠芯繀^(qū)10月的氣溫已經(jīng)足夠低，加上秋季相對(duì)豐富的降水，對(duì)積雪的發(fā)育十分有利，但10月之后逐漸進(jìn)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?yàn)閷?duì)積雪信息合成的時(shí)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(lái)看(圖2)，青藏高原積雪面積呈現(xiàn)雙峰波動(dòng)的特征，但波動(dòng)幅度不大，10 a內(nèi)平均積雪面積在105.72萬(wàn)km2左右，約占整個(gè)研究區(qū)面積的38.16%。其中，兩個(gè)峰值分別出現(xiàn)在2005和2008年，尤其是2008年，年均積雪面積達(dá)到了115.63萬(wàn)km2，這與2008年冬中國(guó)出現(xiàn)罕見(jiàn)大范圍冰雪災(zāi)害天氣的事實(shí)相符。兩個(gè)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(wàn)km2和91.62萬(wàn)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(huì)(Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC)第四次評(píng)估報(bào)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(shí)間指數(shù)［20］對(duì)研究區(qū)近10 a各像元的平均積雪指數(shù)進(jìn)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(shí)間值，有雪賦值為1，無(wú)雪賦值為0。將平均積雪覆蓋時(shí)間指數(shù)按照時(shí)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(shí)間指數(shù)圖(圖3)，圖中時(shí)間指數(shù)越接近于1，表示積雪覆蓋時(shí)間越長(zhǎng)。

圖3 近10 a青藏高原平均積雪覆蓋時(shí)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(shí)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(duì)較高，不利于積雪的發(fā)育和累積，故屬于積雪覆蓋時(shí)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(huì)導(dǎo)致氣溫和降水的不同，從而導(dǎo)致積雪在垂直空間上的不均勻分布。文中采用1000 m為步長(zhǎng)，將研究區(qū)地形數(shù)據(jù)分為6個(gè)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(jì)

從不同高程帶年際積雪覆蓋率統(tǒng)計(jì)來(lái)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(dòng)較小，但隨空間垂直高度的增加而增大。具體來(lái)講，當(dāng)海拔在3000 m以內(nèi)時(shí)，年均積雪覆蓋率約為10.9%;當(dāng)海拔在3000～4000 m時(shí)，年均積雪覆蓋率約為27%;當(dāng)海拔在4000～5000 m時(shí)，年均積雪覆蓋率約為37.8%;當(dāng)海拔在5000～6000 m時(shí)，年均積雪覆蓋率出現(xiàn)明顯的提升，達(dá)到55.3%;而當(dāng)海拔在6000 m以上時(shí)，積雪覆蓋率高達(dá)86.5%，說(shuō)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?yàn)檠芯繀^(qū)域的不同。

圖4 不同高程帶年際積雪覆蓋率統(tǒng)計(jì)

從不同高程帶積雪面積年內(nèi)變化來(lái)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(dāng)海拔在3000 m以內(nèi)時(shí)，積雪面積年內(nèi)變化圖像大體呈“U”字形，兩個(gè)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(shuō)明融雪和積雪期都在加長(zhǎng)。當(dāng)海拔在3000～6000 m時(shí)，積雪面積年內(nèi)變化圖像逐漸過(guò)渡為倒“W”字形，且隨著海拔的升高，倒“W”字形的兩個(gè)波峰逐漸收窄。其中，海拔為3000～4000 m時(shí)，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(shí)，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(shí)，積雪面積的最大值分別出現(xiàn)在5月和10月。當(dāng)海拔在6000 m以上時(shí)，積雪面積年內(nèi)變化圖像幾乎成一條直線，說(shuō)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(shí)節(jié)達(dá)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(dāng)回暖時(shí)才達(dá)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(dāng)海拔達(dá)到一定高度時(shí)，氣溫已經(jīng)足夠低，完全滿足積雪的溫度條件，而在深冬時(shí)節(jié)降水較少，反而使得積雪面積降低。(2)冬季強(qiáng)風(fēng)的搬運(yùn)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(yáng)輻射增強(qiáng)，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(fēng)坡受暖濕氣流影響嚴(yán)重，水汽來(lái)源豐富，降水量大，而背風(fēng)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(fēng)坡的積雪面積應(yīng)高于背風(fēng)坡。另外，陽(yáng)坡接受的太陽(yáng)輻射量較陰坡多，容易導(dǎo)致融雪，故陰坡的積雪應(yīng)比陽(yáng)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(gè)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(jì)

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(guò)40%，其中，又以西北坡的積雪覆蓋率最高，達(dá)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(dǎo)致西北坡接受到相對(duì)豐富的水汽，有利于積雪的發(fā)育，而南坡處于陽(yáng)坡，太陽(yáng)輻射較強(qiáng)，不利于積雪的累積。

3 積雪覆蓋驅(qū)動(dòng)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(duì)積雪覆蓋的驅(qū)動(dòng)作用，分別對(duì)研究區(qū)4個(gè)季節(jié)的積雪面積及其對(duì)應(yīng)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(jì)

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(fù)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(lái)講，春季積雪與溫度的相關(guān)系數(shù)較高，為-0.402，這說(shuō)明春季氣溫的升高會(huì)顯著導(dǎo)致融雪的加劇;夏季積雪與溫度的相關(guān)性進(jìn)一步提升，相關(guān)系數(shù)達(dá)到-0.432，而與降水的相關(guān)系數(shù)僅為0.102，說(shuō)明夏季積雪主要受溫度的影響，這是因?yàn)橄募镜姆e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(shuō)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(dá)0.343，這說(shuō)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?yàn)槎镜臍鉁匾呀?jīng)完全滿足了積雪的條件，而降雨的增多會(huì)帶來(lái)更多水汽，這對(duì)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(shuō)明溫度和降水均能在一定程度上影響積雪覆蓋，但積雪對(duì)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(yīng)氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果做了進(jìn)一步分析，結(jié)果表明:

時(shí)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(shí)期，年內(nèi)呈現(xiàn)出兩個(gè)波峰和一個(gè)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(dòng)的特征，但波動(dòng)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(shí)節(jié)達(dá)到最大，而在高海拔區(qū)域，積雪面積卻在天氣適當(dāng)回暖才時(shí)達(dá)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(yīng)上，高原四季的積雪與溫度均表現(xiàn)出不同程度的負(fù)相關(guān)，而與降水則均表現(xiàn)出不同程度的正相關(guān)，但對(duì)溫度因子更加敏感，主要受到溫度變化的影響。

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