戴禮云，肖林，王靜，車濤*

1.中國科學院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院，蘭州 730000

2.甘肅省遙感重點實驗室，蘭州 730000

3.中國科學院黑河遙感試驗研究站，甘肅張掖 734000

引 言

積雪因其高反照率和低熱導性在氣候系統(tǒng)中扮演著重要的角色，同時又是氣候變化的指示器[1-2]。積雪是重要的淡水資源，是干旱和半干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活用水的主要來源[3-4]。中國積雪分布不均勻，持續(xù)時間以及年際變率各異，其特性和分布具有時空復雜和不連續(xù)特點。因此，積雪特性及其時空變化調查對于冰凍圈和氣候變化研究具有重要意義，是評估中國積雪水資源、開展積雪災害監(jiān)測和預警的基礎性工作。

積雪特性包括物理特性和化學特性。物理特性主要包括積雪深度、密度、雪水當量、雪層溫度、含水率、雪粒徑形態(tài)以及雪粒徑等?；瘜W特性主要包括pH值、陰陽離子和微量元素等。積雪特性調查的方法主要有地面觀測、遙感反演和模型模擬。地面調查是獲取積雪特性的直接方法，可以從點尺度上獲取積雪的物理特性和化學特性。遙感反演和模型模擬是獲取積雪特性的間接方法，可以從面尺度上獲取有限的積雪物理特性，如積雪面積、積雪深度、積雪反照率[5-8]。模型模擬還可以得到積雪密度和粒徑[9]。但遙感反演和模型模擬的精度均受制于輸入?yún)?shù)的精度。地面調查數(shù)據(jù)則可以為遙感反演和模型模擬提供先驗信息，也為其估算結果提供驗證數(shù)據(jù)。

大規(guī)模的積雪特性調查最初都是以站點觀測為主。各國的氣象站和水文站，提供了長時間序列的雪深和雪水當量數(shù)據(jù)，但山區(qū)觀測較少。由于山區(qū)積雪分布不均，美國在落基山脈建立了800多個積雪遙測（Snowpack telemetry，SnoTel）點，連續(xù)獲得雪深和雪水當量。中國氣象局從20世紀50年代開始建立各級氣象臺站，積雪深度和雪壓是基本的觀測要素。隨著需求增大、研究范圍拓展，氣象局站點不斷增多。

隨著人類社會越來越重視氣候變化給地球帶來的影響，對作為氣候變化指示器的積雪研究和觀測也逐漸增加。為驗證或發(fā)展積雪過程模型、遙感反演算法，美國、芬蘭以及日本都開展了規(guī)模相對較大的積雪剖面觀測。美國宇航局（National Aeronautics and Space Administration, NASA）于2002-2003年，2017-2020年在科羅拉多地區(qū)開展了2個年度的地面調查和遙感調查，獲取了多點不同時期的積雪特性數(shù)據(jù)，用于驗證積雪微波和光學遙感反演方法以及輻射傳輸模型（https://nsidc.org/data/clpx/index.html；https://nsidc.org/data/snowex）。芬蘭氣象研究所為了發(fā)展和驗證微波輻射傳輸模型，在 Sodankyla實驗站開展了連續(xù)多年的逐周積雪剖面觀測[10]。日本為了發(fā)展積雪光學輻射傳輸模型，開展了連續(xù)2年的定點積雪剖面觀測，觀測頻率為3-4天[11]。

中國的各研究單位也陸續(xù)開展了小范圍的積雪特性人工觀測，觀測參數(shù)也逐漸增多。多個積雪自動觀測站建立。但這些觀測不是在統(tǒng)一的觀測規(guī)范指導下完成。中國氣象局的氣象觀測站選址以監(jiān)測氣象和氣候要素為依據(jù)，并沒有考慮積雪觀測的代表性，且與積雪相關的觀測要素少。同時，受自然和經(jīng)濟條件的限制，很難在山區(qū)和林區(qū)等復雜環(huán)境條件下建立氣象站。各研究單位不定期的野外試驗由各個單位自行架設觀測設備，觀測參數(shù)、使用儀器、觀測規(guī)范和記錄方式也不盡相同。這些觀測數(shù)據(jù)相互之間的可對比性差，使得資源不能得到充分利用。因此，亟待在中國地區(qū)系統(tǒng)地開展規(guī)范性的積雪特性和分布調查，為我國相關科學研究和行業(yè)應用提供基礎調查數(shù)據(jù)。

在科技基礎資源調查項目“中國積雪特性及分布調查”[12]的支持下，中國科學院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院組織國內9家單位在2017-2020年期間首次對中國三個典型積雪區(qū)開展了兩個積雪年的積雪特性調查。調查的積雪特性包括物理特性和化學特性，調查采用了統(tǒng)一的積雪特性觀測規(guī)范[11]，調查數(shù)據(jù)經(jīng)過了多次檢查和質量控制，形成了中國積雪地面調查數(shù)據(jù)集。較之國際上已有的積雪數(shù)據(jù)集，定點觀測剖面頻率高，并在多個地區(qū)開展，觀測參數(shù)多，不但有物理參數(shù)還有化學參數(shù)，并增加了移動觀測，獲取大范圍上積雪特性的空間變化性。本數(shù)據(jù)集在國家冰川凍土沙漠科學數(shù)據(jù)中心開放共享（http://www.ncdc.ac.cn）。

1 數(shù)據(jù)采集和處理方法

1.1 試驗總體設計

中國典型積雪區(qū)積雪特性觀測采用點、線、面的方式開展。典型區(qū)是指中國東北-內蒙古地區(qū)、新疆地區(qū)和青藏高原地區(qū)。這三個區(qū)域是我國主要的積雪區(qū)，積雪水資源對區(qū)域的農(nóng)業(yè)和生活用水、生態(tài)環(huán)境都起著至關重要的作用。

采用點、線、面觀測可以從時間和空間上調查積雪特性的分布。點觀測主要是指依托于氣象臺站及相關科研單位自建觀測站的長期連續(xù)定點觀測（圖1），包括三個部分：1）830個中國氣象局氣象站的雪深和雪壓觀測；2）由各科研單位在3個典型區(qū)架設的41個自動觀測站，自動獲取雪深信息；3）由科研單位在3個典型區(qū)架設的6個綜合觀測站?？梢宰詣荧@取雪深、雪水當量、積雪溫度等，同時開展積雪特性人工觀測。點觀測數(shù)量較少，但是連續(xù)觀測可以反映不同典型區(qū)積雪特性的演變過程。線觀測（圖1）是指在3個典型區(qū)不同氣候帶、不同下墊面、不同海拔高度條件下規(guī)劃了6條線路，沿著這6條線路開展積雪特性人工觀測。線路上的觀測在空間上反映不同氣候帶、不同下墊面、不同海拔的積雪特性。面觀測（圖2）是指樣方觀測，針對25 km分辨率的被動微波遙感雪深和500 m分辨率的MODIS積雪面積數(shù)據(jù)設計樣方，對遙感產(chǎn)品進行驗證。

下面將詳細介紹觀測要素和采集規(guī)范。830個氣象站點的雪深和雪壓數(shù)據(jù)由國家氣象局協(xié)議貢獻，其觀測按氣象局制定的規(guī)范操作，在本項目的支持下整編，在此不贅述。

圖1 830個氣象站、41個雪深自動觀測點（普通站），6個綜合觀測站（超級站）以及6條積雪觀測線路的位置分布（審圖號：GS 京(2022)0038號）Figure 1 Location of 830 meteorological stations, 41 common stations, 6 super stations, and 6 lines for snow pit observation.

圖2 25 km樣方（上）和500 m樣方（下）位置及布設示意圖（審圖號：GS 京(2022)0038號）Figure 2 Location of sample plot of 25 km (up) and 500 m (down), and schematic diagram of point arrangement in a sample plot.

1.2 數(shù)據(jù)處理積雪觀測要素和觀測規(guī)范

在點、線、面三種觀測方案中，觀測參數(shù)有重疊，但不完全相同，所有的參數(shù)和參數(shù)定義都包含在表1中。這些參數(shù)包含了積雪的物理特性和化學特性。點觀測包括普通站和超級站觀測。普通站觀測參數(shù)少，采用聲波測距儀（SR50A Sonic Distance Sensor，SR50A）自動觀測雪深。超級觀測站的觀測參數(shù)比較全面，包括人工觀測和自動觀測。自動觀測包括利用積雪分析儀（Snow Pack Analyser，SPA）測量密度；利用SR50A測量雪深；利用伽馬射線監(jiān)測儀（Gamma Monitor，GMON）測量雪水當量；Campbell溫度探頭自動記錄雪層溫度；以及利用四分量表（4-Component net radiometer，CNR4）測量反照率。

人工觀測采用雪坑的形式每天觀測雪表面硬度、積雪分層以及分層積雪特性。分層特性包括厚度、密度、粒徑、形態(tài)、液態(tài)含水量、介電常數(shù)以及雪樣。在表層和每一層采集雪樣，帶回實驗室測量 pH值、黑碳濃度和陰陽離子濃度。積雪深度、分層厚度采用直尺觀測。雪密度采用三種方式觀測：利用雪筒觀測整個積雪層的密度；分別利用雪鏟和雪特性分析儀（Snow fork）觀測每5 cm積雪密度。利用帶相機的顯微鏡ViewTer-500UV以及自制的1 mm網(wǎng)格晶體板觀測積雪粒徑，并對比積雪形態(tài)卡記錄雪顆粒形態(tài)。介電常數(shù)和含水量采用雪特性分析儀測量；積雪表面硬度采用硬度計測量。雪樣利用無菌袋封裝并用保溫箱低溫保存郵寄回實驗室，進行pH值、黑碳濃度以及陰陽離子濃度的測量。由于受到儀器的限制，6個超級站最后觀測的要素不完全相同，觀測具體參數(shù)見數(shù)據(jù)集中的說明文檔。線路上的觀測和超級站的人工觀測一樣，都是采用雪坑的形式觀測積雪特性，觀測要素和儀器相同。樣方中的雪深采用直尺測量，積雪密度利用雪筒觀測。

各參數(shù)的觀測均參考《中國積雪地面觀測規(guī)范》[13]進行，包括：雪坑位置的選擇；雪坑的大小；積雪參數(shù)觀測的順序（分層，分層的粒徑和形態(tài)、液態(tài)含水量、分層密度、獲取雪樣）以及每個參數(shù)的觀測儀器；觀測步驟和注意事項。雪坑觀測完畢后，利用原來鏟掉的雪進行回填，盡量減少對積雪的破壞。

表1 中國積雪地面調查參數(shù)及參數(shù)觀測使用的儀器Table 1 Snow parameters investigated in the project and corresponding measurement instruments

2 數(shù)據(jù)樣本描述

中國積雪地面調查數(shù)據(jù)集根據(jù)觀測方式和屬性分成7個數(shù)據(jù)集：1）中國典型積雪區(qū)線路積雪觀測數(shù)據(jù)集（2017-2021）；2）中國典型積雪區(qū)普通站雪深數(shù)據(jù)集（2017-2019）；3）中國典型積雪區(qū)超級站積雪特性數(shù)據(jù)集（2017-2020）；4）中國典型積雪區(qū)25 km積雪樣方數(shù)據(jù)集（2017-2020）；5）中國典型積雪區(qū)500 m積雪樣方數(shù)據(jù)集（2017-2020）；6）中國典型積雪區(qū)積雪化學數(shù)據(jù)集（2017-2021）；7）中國典型積雪區(qū)積雪測線數(shù)據(jù)集（2018-2019）。每個數(shù)據(jù)集都包含數(shù)據(jù)實體和數(shù)據(jù)說明文檔。

1）中國典型積雪區(qū)線路積雪觀測數(shù)據(jù)集（2017-2021）：該數(shù)據(jù)集共包括6條線路的積雪觀測數(shù)據(jù)，文件夾內包括“yyyy-yyyy年度”的三個文件夾和數(shù)據(jù)自檢表，其中“yyyy-yyyy年度”表示：2017-2018年度、2018-2019年度、2019-2020年度；各yyyy-yyyy年度文件夾內又包括表示該積雪年不同積雪時期的三個文件夾，命名為“x_積雪期_yyyymmdd-yyyymmdd”，其中：x表示觀測線路，積雪期表示：積累期、穩(wěn)定期和消融期，yyyymmdd-yyyymmdd表示各積雪期的剖面雪深觀測的時間跨度；各x_積雪期_yyyymmdd-yyyymmdd文件夾內包括命名為“yyyymmdd0xnn”、“剖面點線矢量文件”、“剖面數(shù)據(jù)圖”共三個文件夾，其中yyyymmdd表示剖面積雪要素觀測的日期，0x表示觀測的線路編號，nn表示剖面編號；各yyyymmdd0xnn文件夾中存放著命名為“yyyymmdd0xnn環(huán)境”“yyyymmdd0xnn粒徑”的兩個文件夾，電子記錄表和紙質記錄版的電子版。其中：環(huán)境照片是對雪剖面及東、南、西、北四個方向周圍環(huán)境進行記錄，如圖3所示。根據(jù)積雪深度將其劃分為不同的積雪層，并對各層積雪進行拍照，粒徑照片如圖4所示。表2描述了剖面觀測的所有內容，包括環(huán)境信息和積雪屬性信息。

圖3 環(huán)境照片示例Figure 3 Samples of environment photos

表2 積雪剖面記錄表格的內容Table 2 All fields in record table for snow pit

圖4 雪粒徑照片示例（積雪深度30cm，每5cm拍攝積雪粒徑）Figure 4 Samples of snow grain photos (a snow depth of 30 cm, and the photos of snow particle sizes taken by every 5 cm）

2）中國典型積雪區(qū)普通站雪深數(shù)據(jù)集（2017-2019）：該數(shù)據(jù)集包括新疆、青海、西藏和東北地區(qū)共41個氣象站點的自動觀測雪深數(shù)據(jù)。各文件夾內包括數(shù)據(jù)分析圖、數(shù)據(jù)自檢表、數(shù)據(jù)字段說明、以及2017-2018和2018-2019兩個積雪年的雪深記錄表。同一積雪年各站點的雪深數(shù)據(jù)存放于同一個EXCEL表格中。圖5展示了伊寧站兩個年度的自動雪深觀測數(shù)據(jù)。

圖5 伊寧站自動觀測2017/2018和2018/2019雪深變化Figure 5 Hourly variation in snow depth during 2017-2018 and 2018-2019 at Yining Station

3）中國典型積雪區(qū)超級站積雪特性數(shù)據(jù)集（2017-2020）：該數(shù)據(jù)集包括6個綜合觀測站的積雪觀測信息，各站的觀測數(shù)據(jù)存放于對應站名命名的文件夾內。除錯那站沒有人工觀測雪深數(shù)據(jù)外，其余5個站點均包含“人工觀測”和“自動觀測”的子文件夾。其中：各積雪年人工觀測的文件夾內存有命名為“yyyymmdd”的文件夾，表示人工觀測的日期，各“yyyymmdd”文件夾內存放著環(huán)境、粒徑、電子記錄表和紙質記錄表照片，存放規(guī)則和觀測內容與線路積雪觀測數(shù)據(jù)集一致；各積雪年自動觀測文件夾內存放著不同傳感器觀測數(shù)據(jù)的 EXCEL記錄表和積雪觀測要素的數(shù)據(jù)分析圖文件夾，不同傳感器觀測的參數(shù)可以在對應的EXCEL表格中查看。自動觀測要素比普通站多，包括雪水當量（SWE）、積雪溫度、土壤溫度等。圖6展示了阿勒泰站2018-2019年兩個要素的自動觀測結果。

圖6 2018-2019年阿勒泰超級站自動觀測SWE和積雪分層溫度變化Figure 6 Hourly variation in SWE and layering snow temperatures during 2017-2018 and 2018-2019 at Altay Station

4）中國典型積雪區(qū)25 km積雪樣方數(shù)據(jù)集（2017-2020）：該數(shù)據(jù)集中存放著命名為“x_yyyymmdd”的文件夾和“數(shù)據(jù)自檢表”。其中：“x”表示積雪觀測路線，“yyyymmdd”表示樣方觀測的具體日期；各“x_yyyymmdd”文件夾中存放著與文件夾同名的雪深觀測點的shp文件、kmz文件、tif文件和樣方觀測數(shù)據(jù)記錄EXCEL表格（如表3）。圖2（上）體現(xiàn)了部分25 km樣方點位分布。

表3 25 km樣方內積雪要素觀測記錄表（以1_20190302記錄表為例）Table 3 Record table for a 25 km sample plot (take 1_20190302 for example)

編 號時間 經(jīng)度(°E) 緯度(°N)高程(m)雪深(cm)雪壓(g/cm2)平均雪深(cm)平均雪壓(g/cm2)平均密度(g/cm3)下墊面類型3 88.11171 47.51261 534 12,12,12 1.8,2.5,2.5 12.00 2.27 0.19............21 88.14861 47.49622 524 14,18,17 3.1,3,3.6 16.33 3.23 0.20樣方范圍：左下經(jīng)度87.9188°E左下緯度47.4151°N右上經(jīng)度88.2847°E右上緯度47.6294°N

5）中國典型積雪區(qū)500 m積雪樣方數(shù)據(jù)集（2017-2020）：該數(shù)據(jù)集中數(shù)據(jù)存放的規(guī)則與25 km積雪樣方數(shù)據(jù)集數(shù)據(jù)存放規(guī)則一致。圖2（下）體現(xiàn)了部分500 m樣方點位分布。

6）中國典型積雪區(qū)積雪化學數(shù)據(jù)集（2017-2021）：該數(shù)據(jù)集中存放著“超級站”和“線路觀測”兩個文件夾，“積雪化學數(shù)據(jù)說明文檔”和“數(shù)據(jù)自檢表”。其中：“超級站”文件夾中存放著不同積雪年超級站附近積雪的化學參數(shù)記錄表和“數(shù)據(jù)分析圖”文件夾；“線路觀測”文件夾中存放著積雪調查1-6號線各積雪年雪剖面附近積雪的積雪化學參數(shù)記錄表格和數(shù)據(jù)分析圖，電子記錄表如表4所示，內容包括采樣日期、位置、雪深、黑碳含量、電導率、pH值以及多種陰陽離子?；谠摂?shù)據(jù)集獲得我國典型積雪區(qū)陰陽離子和微量元素的分布特征[14-15]。

表4 積雪化學參數(shù)記錄表（以1號線上2017-2018期間觀測的4個雪坑的數(shù)據(jù)為例）Table 4 Record table for snow chemistry parameters(take the data of 4 snow pits along snow Route One during 2017-2018 for example)

陽離子(mg/L)電導率(SO42- 7.4482 17.9991 1.2582 18.1452 9.6264 1.0484 1.8322 1.3300 2.1032 NO3- 1.2917 3.3418 0.9821 5.4344 7.9259 0.9761 1.6209 2.2329 1.5377 PO43- n.a.n.a.0.0087 n.a.n.a.n.a.n.a.n.a.n.a.Na+ 0.5483 3.4512 0.3209 13.4052 15.8469 0.9646 2.4290 1.2668 2.1451 NH4+ 2.0031 5.8218 0.7716 2.0513 2.4574 0.2412 0.2127 0.8982 0.5162 K+ 0.0881 0.3562 0.0856 0.4157 0.2102 0.2377 0.1609 0.1013 0.2177 Mg2+ 0.2882 0.6279 0.1388 1.0685 0.9469 0.3527 0.2852 0.3021 0.1681 Ca2+ 7.7793 6.7187 2.5996 22.5980 10.1091 3.8957 3.6032 1.6356 2.1786 μs/cm) 65.54 155.60 25.35 268.70 212.20 38.24 60.06 25.86 35.30

7）中國典型積雪區(qū)積雪測線數(shù)據(jù)集（2018-2019）：該數(shù)據(jù)集中存放著命名為“x_yyyymmdd”的文件夾和數(shù)據(jù)自檢表。其中：“x”表示積雪觀測路線，“yyyymmdd”表示樣方觀測的具體日期；各x_yyyymmdd文件夾中存放著與文件夾同名的雪深觀測點的shp文件、kmz文件、tif文件和積雪測線觀測數(shù)據(jù)記錄表。記錄表形式與表3一致。

3 數(shù)據(jù)質量控制和評估

數(shù)據(jù)質量控制和評估主要通過數(shù)據(jù)采集當日自查、小組年度自檢和不同小組交叉檢查三個階段，從數(shù)據(jù)一致性、準確性和完整性三個方面展開。

首先，各小組在野外采樣當晚對數(shù)據(jù)進行電腦錄入，立刻檢查數(shù)據(jù)錄入的規(guī)范性和完整性，數(shù)值和小數(shù)點的準確性等。同時，將紙質版積雪參數(shù)記錄表拍照存入數(shù)據(jù)文件夾中，以便之后復核。

各小組完成一個年度的野外數(shù)據(jù)采集后，自行開展當年度的數(shù)據(jù)自檢工作。小組自檢工作主要通過數(shù)據(jù)自檢表和各積雪要素時間序列分析圖進行數(shù)據(jù)質量控制和評估。各小組主要通過數(shù)據(jù)自檢表各項內容對數(shù)據(jù)缺失進行補錄或備注，對數(shù)據(jù)存儲不規(guī)范等問題進行修正，通過積雪要素時序圖剔除異常數(shù)據(jù)。

項目還組織開展了三次數(shù)據(jù)交叉檢查工作，即不同小組成員相互檢查其他小組的野外數(shù)據(jù)。各小組通過數(shù)據(jù)交叉檢查表復核數(shù)據(jù)的一致性和完整性，結合之前年份的數(shù)據(jù)以及當年的時序分析圖進一步檢查數(shù)據(jù)的準確性和一致性。

最后，對數(shù)據(jù)進行區(qū)域與時間上的整合，統(tǒng)計通過質量控制和評估的數(shù)據(jù)總量，對每個數(shù)據(jù)集進行元數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)文檔的撰寫。其中，元數(shù)據(jù)主要介紹了數(shù)據(jù)集名稱，數(shù)據(jù)要素、數(shù)據(jù)的時空范圍、數(shù)據(jù)量以及簡明的數(shù)據(jù)描述。數(shù)據(jù)說明文檔則詳細記錄了數(shù)據(jù)集的文件夾存放規(guī)則、數(shù)據(jù)字段、數(shù)據(jù)條目、觀測手段和方式、以及數(shù)據(jù)共享方式等。通過以上三步數(shù)據(jù)質量控制和評估、數(shù)據(jù)整合、元數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)文檔編寫，最終形成了存儲規(guī)范、格式一致、數(shù)據(jù)準確的積雪要素數(shù)據(jù)集。

4 數(shù)據(jù)使用方法和建議

本數(shù)據(jù)集是中國典型積雪區(qū)兩個完整年度積雪理化特性數(shù)據(jù)，可服務于積雪遙感反演、積雪模型模擬以及大氣分析等研究。數(shù)據(jù)集具有時間上連續(xù)以及不同地區(qū)分布的物理特性，可為遙感積雪面積和雪深反演提供先驗信息，提高遙感反演精度，并為反演結果提供驗證數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)集提供了完備的積雪特性信息，可為積雪過程模型或陸面過程模型提供輸入?yún)?shù)。季節(jié)性積雪中的不同化學物質也是記錄當時氣候和污染狀況的載體。本數(shù)據(jù)集為積雪分類、大氣沉降、雪崩等研究提供了重要的依據(jù)。

5 數(shù)據(jù)使用方法和建議

數(shù)據(jù)可通過國家冰川凍土沙漠科學數(shù)據(jù)中心（www.ncdc.ac.cn）下載。使用前請參考使用說明，了解數(shù)據(jù)內容和格式。所有數(shù)據(jù)格式統(tǒng)一，可編程處理。

致 謝

感謝科技基礎資源調查項目“中國積雪特性及分布調查”項目首席科學家王建研究員、課題組長李震研究員等專家對數(shù)據(jù)采集、整編和質量控制等提供指導建議。特別感謝第二課題“中國積雪時空分布特性遙感調查”對像元尺度觀測的貢獻。