肉克亞木·艾克木，玉素甫江·如素力,，海日古麗·納麥提

（1.新疆師范大學(xué) 地理科學(xué)與旅游學(xué)院，烏魯木齊 830054；2.新疆干旱區(qū)湖泊環(huán)境與資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊 830054）

0 引 言

積雪作為氣候系統(tǒng)的重要組成部分，對(duì)氣候變化非常敏感。在可變表面環(huán)境中，積雪是一個(gè)關(guān)鍵的可變因素，是全球變暖引起的區(qū)域變暖的指標(biāo)[1-2]。在我國(guó)西部地區(qū)積雪作為變化較快的下墊面因素之一，因具有反射能力，且導(dǎo)熱性差，在融化過程中會(huì)吸收大量的熱量，產(chǎn)生水文效應(yīng)，而導(dǎo)致土壤的增濕降溫，改變積雪面的輻射平衡和大氣熱條件，引起大氣環(huán)流的變化，因此區(qū)域氣候變化一直對(duì)我國(guó)西部積雪時(shí)空變化產(chǎn)生重大影響[3]。積雪的時(shí)空分布以及變化規(guī)律已越來越受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究和重視[4]。如馬麗娟等[5]利用 1957—2009年中國(guó)地面氣象臺(tái)站觀測(cè)積雪資料對(duì)積雪的時(shí)空變化特征進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)新疆西北部雪深有顯著增加趨勢(shì)。韓蘭英等[6]利用EOS/MODIS、NOAA資料以及氣象資料，分析祁連山積雪面積時(shí)空分布及其對(duì)氣候的影像，發(fā)現(xiàn)祁連山東段積雪面積有減少趨勢(shì)。李斐等[7]利用來自中國(guó)氣象站的氣溫與降水資料、結(jié)合 DEM數(shù)據(jù)，分析了開都河流域不同海拔區(qū)域的積雪時(shí)空分布變異以及與氣候因素的響應(yīng)研究。前人多采用站點(diǎn)積雪數(shù)據(jù)與站點(diǎn)氣象數(shù)據(jù)（點(diǎn)-點(diǎn)）或空間遙感積雪信息與站點(diǎn)氣象數(shù)據(jù)（空間-點(diǎn)）的方法開展有關(guān)積雪時(shí)空分布變異規(guī)律以及對(duì)氣候因素的響應(yīng)研究，較少考慮氣象因素的空間變異性、連續(xù)性和存在研究尺度不匹配等問題[8]。尤其是氣象站點(diǎn)比較稀缺的我國(guó)西部山區(qū)，氣象站點(diǎn)多分布在海拔為2 500 m以下區(qū)域，積雪與氣象因素空間差異比較大，處于低海拔的有限氣象站點(diǎn)資料無法滿足積雪時(shí)空分布變異規(guī)律以及對(duì)氣象因子的響應(yīng)分析需求，已有我國(guó)西部地區(qū)積雪時(shí)空變異研究，但只針對(duì)天山中段進(jìn)行的有關(guān)積雪時(shí)空變異規(guī)律與地表溫度（LST）相關(guān)性研究比較少。

MODIS 8d合成積雪產(chǎn)品（MODIS10A2）和地表溫度產(chǎn)品（MODIS11A2）能夠較好地去除“云污染”影響，提供長(zhǎng)時(shí)間序列、高精度的空間積雪分布信息，已廣泛應(yīng)用于積雪時(shí)空變化研究[9]。以上數(shù)據(jù)為缺資料的山區(qū)積雪分布格局及氣候響應(yīng)研究提供了新的途徑。因此，本文嘗試使用天山中段2001—2017年MODIS積雪數(shù)據(jù)、地表溫度（LST）數(shù)據(jù)，采用趨勢(shì)分析、相關(guān)分析法，探索變化環(huán)境下積雪時(shí)空變化特征及其與LST相關(guān)關(guān)系，揭示天山中段近年來積雪時(shí)空變化規(guī)律及可能的變化原因，為天山中段應(yīng)對(duì)氣候變化以及積雪水資源的優(yōu)化利用提供一定理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

天山山脈是亞洲中部最大的一條山脈，橫亙中國(guó)新疆的中部，東西綿延1 700 km，山地的平均海拔高度為4 000 m，天山是南疆和北疆的分界線，將新疆分為氣候差異比較大的2個(gè)氣候區(qū)域。以季節(jié)性冰雪資源而著稱，在新疆干旱地區(qū)被稱為“濕島”，其春，夏季積雪融水是天山北部和南部許多河流的供水來源。目前，天山中段尚未明確界定。本文將天山山區(qū)中段區(qū)分為伊犁河谷、艾比湖流域、吐魯番盆地、博斯騰湖流域和渭庫河流域，經(jīng)緯度范圍介于41.02°N—45.18°N、80.23°E—89.20°E 之間。天山山脈屬于山地地形，當(dāng)?shù)貙儆跍貛Т箨懶詺夂?，南坡地區(qū)屬于高原，降水很少，北坡有濕潤(rùn)的西北氣流吹過，降水多，南坡日光充足，北坡日照少，導(dǎo)致南坡溫度高，北坡溫度低。11月到翌年 4月時(shí)在天山山區(qū)常有大量的冰川與永久性積雪，成為天山水資源的主要來源[10-14]。

圖1 研究區(qū)域Fig.1 Research area

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)

1）MODIS積雪產(chǎn)品數(shù)據(jù)：用于研究的積雪數(shù)據(jù)資料來自于美國(guó)國(guó)家冰雪數(shù)據(jù)中心（NSIDC，http：//nsidc.org/NASA/MODIS）網(wǎng)站下載的MOD10IS/Terra合成的8日積雪產(chǎn)品MODIS10A2，空間分辨率為500 m，時(shí)間范圍為2001—2017年。MODIS10A2對(duì)積雪識(shí)別率較高[4]。MODIS10A2具體處理方法：首先利用MODIS數(shù)據(jù)投影及格式轉(zhuǎn)換工具（MODIS Reprojection Tool，MRT）對(duì) MODIS10A2影像進(jìn)行拼接和重投影，投影轉(zhuǎn)換為 ALBERS，橢球體選為WGS84，圖像文件轉(zhuǎn)換為 GeoTIFF格式；其次利用接口描述語言（Interface description language，IDL）軟件進(jìn)行裁剪，最后統(tǒng)計(jì)積雪日數(shù)（SCD）、積雪覆蓋率（SCP）。

2）DEM 數(shù)據(jù)：此數(shù)據(jù)從地理空間數(shù)據(jù)云（www.gscloud.cn）平臺(tái)下載獲取的SRTM DEM數(shù)據(jù)，其空間分辨率為90 m。

3）MODIS11A2地表溫度（LST）數(shù)據(jù)：本研究所使用的地表溫度數(shù)據(jù)有由 NASA 網(wǎng)站（http://reverb.echo.nass.gov/）下載的MODIS11A2地表溫度（LST）8 d合成產(chǎn)品，空間分辨率為1 km。

2.2 研究方法

1）積雪覆蓋的計(jì)算方法是將特定范圍內(nèi)的雪像素?cái)?shù)除以研究區(qū)域內(nèi)總像素?cái)?shù)。某個(gè)像素的積雪日數(shù)是總數(shù)1 a內(nèi)像素被雪覆蓋的日子。積雪日數(shù)反映了積雪的持續(xù)時(shí)間，通過計(jì)算每個(gè)像素在特定時(shí)間間隔內(nèi)的積雪日數(shù)以下等式：

式中：is-snow(i)=1表示像素被雪覆蓋，is-snow(i)=0表示像素沒有被雪覆蓋；46是MODIS 8d圖像在1 a內(nèi)總覆蓋像素?cái)?shù)。

2）趨勢(shì)分析：采用一元線性回歸分析方法對(duì)2001—2017年艾比湖流域積雪的動(dòng)態(tài)進(jìn)行變化趨勢(shì)分析，單個(gè)像元多年回歸方程中趨勢(shì)線斜率即為年際變化率。計(jì)算式為：

3）相關(guān)性分析：能夠真實(shí)的反映積雪和LST之間的相關(guān)性，本文利用了線性相關(guān)系數(shù)來計(jì)算2個(gè)變量之間的相關(guān)性，計(jì)算式為：

式中：n為年份數(shù)17（2001—2017）年。當(dāng)Rxy>0時(shí)，意味著正相關(guān)，即兩要素同向相關(guān)；Rxy＜0時(shí)，意味著負(fù)相關(guān)，即兩要素異向相關(guān)。Rxy的絕對(duì)值越接近于1，表示兩要素的相關(guān)性高；越接近于0，表示兩要素的相關(guān)性不密切。此外，對(duì)相關(guān)性進(jìn)行檢驗(yàn)時(shí)，當(dāng)r<0.05時(shí)，2個(gè)變量之間的要素不相關(guān)，不能反映兩要素之間的相關(guān)關(guān)系。

3 結(jié)果與分析

3.1 年內(nèi)積雪覆蓋率（SCP）變化

圖2（a）為天山中段SCP年際變化。由圖2（a）可知，天山中段積雪覆蓋率年際變化呈“單峰”型曲線，6月最小值為50.2%，12月與1月達(dá)到最大值為100%，從2月開始逐漸下降，從7月初開始積雪覆蓋率開始逐漸增加，其中3初—4月初的SCP變化率最為明顯。

圖2（b）為 5個(gè)子區(qū)域月平均積雪覆蓋率。由圖2（b）可知，5個(gè)子區(qū)域月平均積雪覆蓋率呈3種變化趨勢(shì)。第 1種為伊犁河谷流域及博斯騰湖流域SCP變化，2個(gè)子區(qū)域相之處為年內(nèi)SCP值均＞50%；不同之處為伊犁河谷流域年內(nèi)最小值出現(xiàn)在6月，最大值出現(xiàn)在11月到次年3月、博斯騰湖流域最小值出現(xiàn)在7月，最大值出現(xiàn)在12月到次年1月。第2種為吐魯番盆地、艾比湖流域SCP變化，2個(gè)子區(qū)域相之處為年內(nèi)SCP最小值均出現(xiàn)在7月；不同之處為艾比湖流域最大值出現(xiàn)在11月—次年3月、吐魯番盆地SCP最大值出現(xiàn)在12月—次年1月。第3種為渭庫河流域SCP變化，跟其他子區(qū)域不同的是年內(nèi)SCP最小值出現(xiàn)在4月，這與不同區(qū)域的氣候河下墊面類型有關(guān)，渭庫河流域?qū)儆谄皆貐^(qū)，因此受人來活動(dòng)的影響比其他子區(qū)域明顯，因此導(dǎo)致SCP最小值出現(xiàn)在4月的原因。

圖2 2001—2017年天山中段與各子區(qū)域積雪覆蓋變化Fig.2 Snow cover change in the middle part of Tianshan Mountains and various subregions from 2001 to 2017

3.2 年際SCP差異分析

圖3為2001—2017年天山中段與5個(gè)子區(qū)域年際SCP變化對(duì)比。從圖3可以看出，對(duì)天山中段來說年際SCP變化幅度波動(dòng)不明顯。博斯騰湖流域和渭庫河流域SCP變化曲線顯示，SCP最高值分別為24.1%、23.6%，相比天山中段和其他區(qū)域，年際變化非常大，天山中段、吐魯番盆地、艾比湖流域和伊犁河谷流域SCP最高值分別為95.7%、24%、27.8%、25.7%。

圖3 2001—2017天山中段與各子區(qū)域積雪覆蓋時(shí)間變化序列Fig.3 2001—2017 Middle Tianshanand sub-region snow cover time series

圖4為2001—2017年天山中段不同季節(jié)和年際SCP變化。從圖4可以看出，天山中段年際SCP呈減少趨勢(shì)，且四季的SCP值波動(dòng)比較大，春季的SCP值變化幅度差值最高為30.3%，呈略微減少趨勢(shì)，最大值為86%，最小值為55.6%；夏季與秋季積雪覆蓋率變化均呈增加趨勢(shì)，變化幅度差值分別為8.18%、22.88%，最大值分別為40.1%、82.8%；冬季SCP變化趨勢(shì)跟全年年際SCP變化趨勢(shì)基本相似，均呈出減少趨勢(shì)，最高值為98.6%，最小值出現(xiàn)在2009年為83.2%。

圖4 不同季節(jié)和年際的天山中段積雪覆蓋率變化Fig.4 Snow cover changes in the middle Tianshan Mountains in different seasons and years

3.3 積雪日數(shù)（SCD）變化分析

圖5顯示了2001—2017年平均SCD分布情況。根據(jù)積雪穩(wěn)定程度，可以將研究區(qū)域分為穩(wěn)定積雪區(qū)、年周期性不穩(wěn)定積雪區(qū)與非年周期性不穩(wěn)定積雪區(qū)[15-17]。其中，穩(wěn)定積雪區(qū)的積雪年際變率低于0.4，年平均積雪日數(shù)超過60 d，主要分布伊犁河谷與艾比湖中部地區(qū)、天山山脈的南北坡、博格達(dá)爾的邊緣地區(qū)、天山山脈、博格達(dá)爾山；年周期性不穩(wěn)定積雪區(qū)的積雪年際變率為0.4~1.0，年平均積雪時(shí)間為10~60 d，非年周期性不穩(wěn)定積雪區(qū)有的年份出現(xiàn)積雪，有的年份不出現(xiàn)，其積雪年際變化率在1.0~3.0，年平均積雪日數(shù)為0~10 d，主要分布在吐魯番盆地博斯騰湖流域的邊緣、庫爾勒上南部和阿克蘇的西部和南部地區(qū)。

綜上可知，天山中段的積雪空間分布特征受地形地貌的影響，整體為高山區(qū)多雪，盆地少雪，南坡的積雪日數(shù)相對(duì)較低。

圖5 天山中段平均積雪時(shí)間分布Fig.5 Distribution of average snow days in the middle section of the Tianshan Mountains

圖6 天山中段與各子區(qū)域平均SCD變化Fig.6 Annual average SCD changes in the middle section of the Tianshan Mountains

從圖6可以看出，天山中段SCD值年際變化趨勢(shì)呈增加趨勢(shì)，其中艾比湖流域SCD值的增加趨勢(shì)最為明顯，平均SCD值為139 d；伊犁河谷流域、渭庫河流域SCD值年際變化呈減少趨勢(shì)，且伊犁河谷流域SCD值是天山中段SCD值為最高區(qū)域，平均SCD值為179 d反而渭庫河流域?yàn)镾CD值最低區(qū)域，平均SCD值為97 d；博斯騰湖流域和吐魯番盆地平均SCD值分別為110 d與125 d。

3.4 積雪日數(shù)（SCD）趨勢(shì)變化與顯著性分析

從2001—2017年天山中段與5個(gè)子區(qū)域積雪日數(shù)變化趨勢(shì)及其顯著性水平分布圖7可以看出，天山中段54.08%區(qū)域的積雪日數(shù)呈減少趨勢(shì)，其中4.36%區(qū)域呈顯著減少趨勢(shì)，主要分布在渭庫河流域東南部區(qū)域；45.92%區(qū)域的積雪日數(shù)呈增加趨勢(shì)，其中3.03%區(qū)域積雪日數(shù)呈顯著增加趨勢(shì)，主要分布在中部以從西向東延伸的天山山脈。

圖7 天山中段與各子區(qū)域2001—2017年SCD變化趨勢(shì)與顯著性分布Fig.7 SCD change trend and significance distribution in the middle of Tianshan Mountains and various subregions from 2001 to 2017

從5個(gè)子區(qū)域年平均SCD變化趨勢(shì)與顯著性分布結(jié)果可以得出：①伊犁河谷流域51.51%區(qū)域SCD呈減少趨勢(shì)，其中 2.67%區(qū)域呈顯著減少趨勢(shì)；48.49%區(qū)域SCD呈增加趨勢(shì)，其中3.64%區(qū)域呈明顯增加趨勢(shì)。②艾比湖流域49.52%區(qū)域SCD呈減少趨勢(shì)，其中2.67%區(qū)域呈顯著下降趨勢(shì)；50.48%區(qū)域SCD呈增加趨勢(shì)，其中3.64%區(qū)域呈顯著增加趨勢(shì)。③博斯騰湖流域53.71%區(qū)域SCD呈減少趨勢(shì)，其中4.28%區(qū)域呈顯著下降趨勢(shì)；46.29%區(qū)域SCD呈增加趨勢(shì)，其中1.92%區(qū)域呈明顯增加趨勢(shì)。④渭庫流域78.99%區(qū)域SCD呈減少趨勢(shì)，其中17.54%區(qū)域呈明顯增加趨勢(shì)；21.01%區(qū)域SCD呈增加趨勢(shì)，其中3.73%區(qū)域呈顯著增加趨勢(shì)。⑤吐魯番盆地60.05%區(qū)域SCD呈減少趨勢(shì)，其中 3.66%區(qū)域呈明顯減少趨勢(shì)；39.95%區(qū)域SCD呈減少趨勢(shì)，其中1.43%區(qū)域呈明顯減少趨勢(shì)。

圖8 2001—2017年天山中段年際與各季節(jié)積雪與LST相關(guān)分析Fig.8 Correlation Analysis of Interannual and Seasonal Snow Cover and LST in the Middle Part of Tianshan from 2001 to 2017

3.5 積雪與LST的相關(guān)性

從積雪和LST相關(guān)性水平分布來看（如圖8），積雪與LST年際相關(guān)性呈負(fù)相關(guān)性比較明顯，負(fù)相關(guān)占總面積的55.89%，其中34.98%區(qū)域呈極顯著負(fù)相關(guān)，正相關(guān)占0.15%。從季節(jié)相關(guān)性來看：春季積雪與LST相關(guān)系數(shù)達(dá)到-0.98~0.82，負(fù)相關(guān)性占69.37%，其中 49.35%區(qū)域呈極顯著負(fù)相關(guān)，正相關(guān)性占0.04%，主要分布在天山山脈與附近；夏季積雪與LST相關(guān)系數(shù)達(dá)到-0.95~0.89，負(fù)相關(guān)性占26.19%，其中12.36%區(qū)域呈極顯著負(fù)相關(guān)，正相關(guān)性占0.91%，主要分布在LST相對(duì)比較低的高海拔地區(qū)；秋季積雪與LST相關(guān)性和空間分布跟春季相關(guān)性分布基本相似，負(fù)相關(guān)性占58.99%，其中36.48%區(qū)域呈極顯著負(fù)相關(guān)，正相關(guān)性占0.15%；冬季積雪與LST相關(guān)系數(shù)達(dá)到-0.98~0.82，負(fù)相關(guān)性占41.03%，其中24.68%區(qū)域呈極顯著負(fù)相關(guān)，正相關(guān)性占0.38%，分布面積比其他季節(jié)相關(guān)性分布面積廣?？偟膩碇v，LST與積雪呈負(fù)相關(guān)的關(guān)系，在四季節(jié)里春季的負(fù)相關(guān)性最強(qiáng)，反而在夏季積雪只分布在LST比較低的高海拔地區(qū)的永久性積雪，因此夏季積雪受LST影響比其他季節(jié)來看是比較慢且敏感性緩慢的。

4 討 論

本研究中，天山中段年際積雪覆蓋率呈增加趨勢(shì)，其中春季的幅度變化最明顯；54.08%區(qū)域的積雪日數(shù)呈減少趨勢(shì)，其中艾比湖流域SCD值的增加趨勢(shì)最為明顯，平均SCD值為139 d；整個(gè)研究區(qū)積雪覆蓋跟地表溫度呈負(fù)相關(guān)性。積雪與LST年際相關(guān)性呈負(fù)相關(guān)性比較明顯，負(fù)相關(guān)占總面積的55.89%，其中34.98%區(qū)域呈極顯著負(fù)相關(guān)，正相關(guān)占0.15%，其中春季的負(fù)相關(guān)性最強(qiáng)。在過去半個(gè)多世紀(jì)，我國(guó)天山山區(qū)表現(xiàn)出明顯的暖濕化過程[18]，諸多研究因數(shù)據(jù)來源或研究時(shí)段不同，得出氣候變化背景下的天山積雪變化趨勢(shì)說法不同。一些研究表明積雪呈增加趨勢(shì)[19-21]，但也有研究表明積雪面積或積雪日數(shù)呈減少趨勢(shì)[11,22-23]。本文對(duì)2001—2017年積雪數(shù)據(jù)分析與探索地表溫度的相關(guān)性關(guān)系，發(fā)現(xiàn)近17年來積雪日數(shù)呈減少趨勢(shì)。這與天山自1998年“突變型”增溫以及目前全球增溫滯緩現(xiàn)象[24]。目前涉及天山中段大尺度遙感積雪參數(shù)時(shí)空變化研究較少，不同季節(jié)與研究區(qū)內(nèi)的不同子區(qū)域積雪時(shí)空變異對(duì)比分析有待探索。

5 結(jié) 論

1）天山中段SCP年際變化呈“單峰”型曲線，6月為最小值，12月到次年1月達(dá)到最大值，從2月開始逐漸下降到最小值；從7月初開始SCP開始逐漸上升到最大值。

2）天山中段年際SCP呈減少趨勢(shì)，且四季的SCP值波動(dòng)比較大，春季的SCP變化呈略微減少趨勢(shì)，最大值為 86%，最小值為 55.6%；夏季與秋季SCP變化均呈增加趨勢(shì)，變化幅度差值分別為 8.18%、22.88%，最大值分別為40.1%、82.8%；冬季SCP變化趨勢(shì)跟全年年際SCP變化趨勢(shì)基本相似，且均呈減少趨勢(shì)，最高值為98.6%，最小值出現(xiàn)在2009年為83.2%。

3）天山中段54.08%區(qū)域的SCD呈減少趨勢(shì)，其中4.36%區(qū)域呈顯著減少趨勢(shì)，主要分布在渭庫河流域東南部區(qū)域；45.92%區(qū)域的SCD呈增加趨勢(shì)，其中3.03%區(qū)域呈顯著增加趨勢(shì)，主要分布在中部以從西向東延伸的天山山脈。

4）積雪與LST年際相關(guān)性呈負(fù)相關(guān)性比較明顯，負(fù)相關(guān)占總面積的 55.89%，主要分布在高海拔的天山山脈、博格達(dá)爾；34.98%區(qū)域呈極顯著負(fù)相關(guān)，主要分布在伊犁河谷、天山南北坡地區(qū)與阿克蘇、庫爾勒、博斯騰湖流域周邊。