張夢(mèng)肖， 王 豫， 買買提艾力·買買提依明， 劉永強(qiáng)，高佳程， 肖婉秋， 溫 聰， 宋美琪，艾力亞爾·艾海提， 王衛(wèi)平， 孟湘堯

（1.新疆大學(xué)地理與遙感科學(xué)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830017；2.新疆大學(xué)新疆綠洲生態(tài)自治區(qū)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830017；3.中國(guó)氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆 烏魯木齊 830002；4.新疆塔克拉瑪干沙漠氣象國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站/新疆沙漠氣象與沙塵暴重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830002；5.中國(guó)氣象局塔克拉瑪干沙漠氣象野外科學(xué)試驗(yàn)基地/中國(guó)氣象局樹(shù)木年輪理化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)，新疆 烏魯木齊 830002）

0 引言

大氣邊界層是對(duì)流層的最低層，其變化直接影響地表和自由大氣之間水汽、熱量、動(dòng)量以及污染物質(zhì)等交換過(guò)程［1-4］，對(duì)天氣和氣候有重要影響［5］。邊界層高度是大氣邊界層的一個(gè)重要物理參數(shù)［6-8］，在描述低層大氣特征，評(píng)估各種大氣過(guò)程、天氣以及空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)中，扮演重要角色［9-10］，并隨時(shí)間和空間不斷變化［11-12］。眾多學(xué)者［13-15］研究發(fā)現(xiàn)，1958—2013年我國(guó)西北地區(qū)的邊界層高度呈下降趨勢(shì)，冬季以增加趨勢(shì)為主。

積雪深度的變化對(duì)全球能量平衡以及水文循環(huán)具有顯著影響［16］，是積雪氣候效應(yīng)、水資源管理、水文預(yù)報(bào)及監(jiān)測(cè)、陸面過(guò)程、評(píng)估雪災(zāi)發(fā)生和等級(jí)劃分的重要參數(shù)［17］。積雪深度變化存在明顯的區(qū)域性差異，1980—2005年，緯度大于40°N的地區(qū)冬季最大積雪深度和平均積雪深度增加，而緯度小于40°N的地區(qū)積雪深度則呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)［18］。多位學(xué)者［19-22］發(fā)現(xiàn)，1957—2014年中國(guó)西北部地區(qū)積雪深度呈顯著上升趨勢(shì)，而Huang等［23］發(fā)現(xiàn)，2000—2014年中國(guó)西北部地區(qū)積雪深度呈下降趨勢(shì)，但在新疆北部區(qū)域積雪深度呈上升趨勢(shì)。

古爾班通古特沙漠是我國(guó)第一大固定/半固定沙漠，其大氣邊界層受地形和地表差異的影響，近地大氣邊界層的氣象要素和下墊面類型呈現(xiàn)明顯的季節(jié)性變化，進(jìn)而影響邊界層高度［24-26］。以往針對(duì)其大氣邊界層的研究多基于單點(diǎn)數(shù)據(jù)分析，對(duì)邊界層高度的影響研究則多集中在太陽(yáng)輻射、風(fēng)速、濕度、地形因素上［27-28］。古爾班通古特沙漠是中國(guó)少有的冬季具有穩(wěn)定積雪覆蓋的沙漠，穩(wěn)定積雪深度約為15 cm左右［29］。針對(duì)該沙漠積雪的研究多集中在雪深對(duì)季節(jié)性凍土［30-31］、沙塵天氣［32］、植被生長(zhǎng)［33-35］的影響及雪深的特征和影響因素上［36-38］，影響因素的研究多集中于氣溫、降水、高程、坡度和坡向等氣候因子和地形因子［39-42］，特別是李楊等［32］研究發(fā)現(xiàn)，由于積雪反射率極高，使沙漠地表輻射冷卻強(qiáng)烈，形成冷源性下墊面和近地層逆溫層結(jié)，增加了大氣穩(wěn)定度。除此之外，鮮少有人討論古爾班通古特沙漠及周邊區(qū)域冬季邊界層高度對(duì)積雪的響應(yīng)。積雪下墊面影響沙漠的動(dòng)力和熱力，其作用又通過(guò)邊界層高度傳遞到自由大氣，邊界層演變方面在此區(qū)域有著特殊的規(guī)律，并對(duì)區(qū)域氣候產(chǎn)生著重要的影響。因此，研究古爾班通古特沙漠及周邊區(qū)域邊界層高度對(duì)積雪深度的響應(yīng)尤為重要。

目前大氣邊界層的研究資料主要來(lái)自探空、星載遙感以及再分析數(shù)據(jù)等［43］，古爾班通古特沙漠腹地人跡罕至，獲取長(zhǎng)時(shí)間序列的邊界層高度探空資料非常困難［44］，前期研究大多基于少數(shù)站點(diǎn)數(shù)據(jù)或短期探空資料數(shù)據(jù)的分析，對(duì)沙漠大氣邊界層長(zhǎng)期變化特征的研究甚少，遙感各類資料豐富，在邊界層領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，但星載遙感探測(cè)資料對(duì)于邊界層研究來(lái)說(shuō)其垂直分辨率仍不夠高［45］，再分析數(shù)據(jù)的不斷更新，從時(shí)空上彌補(bǔ)了觀測(cè)數(shù)據(jù)的不足，對(duì)進(jìn)一步開(kāi)展這一區(qū)域邊界層高度的研究，提供了更好的基礎(chǔ)［46］。ERA5（the Fifth Generation ECMWF Reanalysis）是歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心ECWMF（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts）的再分析產(chǎn)品，具有長(zhǎng)時(shí)間序列、高時(shí)空分辨率的優(yōu)點(diǎn)［47］，研究顯示，ERA5資料在新疆有較好的適用性［48］，另外，評(píng)估5種再分析資料在東疆地區(qū)的適用性發(fā)現(xiàn)，ERA5的適用性最高［49］。因此，ERA5再分析數(shù)據(jù)更適用于開(kāi)展古爾班通古特沙漠大氣邊界層高度變化研究。

古爾班通古特沙漠氣象站點(diǎn)少，獲取大區(qū)域長(zhǎng)時(shí)間序列的雪深資料非常困難，遙感是估算大尺度積雪時(shí)空變化的唯一有效的方法［50］。被動(dòng)微波遙感可以透過(guò)云層，全天候地提供地表雪深信息并且具有高時(shí)間分辨率［51］，利用來(lái)自美國(guó)國(guó)家雪冰數(shù)據(jù)中心（NSIDC）處理的SMMR（1979—1987年），SSM/I（1987—2007年）和SSMI/S（2008—2019）逐日被動(dòng)微波亮溫?cái)?shù)據(jù)（EASE-Grid）反演得到的長(zhǎng)時(shí)間序列積雪數(shù)據(jù)集，精度較好［52］，目前已有研究者使用該數(shù)據(jù)集在不同區(qū)域進(jìn)行了大尺度長(zhǎng)時(shí)間序列的氣候分析［53］、水文模擬［54-55］、雪災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃［56］、積雪時(shí)空變化及影響因素［57］等研究并取得了相對(duì)滿意的結(jié)果。

本文利用2014—2019年SMMR、SSM/I、SSMI/S雪深數(shù)據(jù)、歐洲中心ERA5再分析資料邊界層高度數(shù)據(jù)和古爾班通古特沙漠陸氣相互作用觀測(cè)站點(diǎn)實(shí)測(cè)雪深數(shù)據(jù)，分析古爾班通古特沙漠及周邊區(qū)域冬季積雪深度和邊界層高度的時(shí)空分布特征以及邊界層高度對(duì)積雪深度變化的響應(yīng)，為理解該沙漠積雪對(duì)區(qū)域大氣邊界層影響提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)（圖1）位于天山以北的古爾班通古特沙漠及周邊地區(qū)，地理范圍為42°10′～49°13′N，81°18′～91°53′E，面積3.10×105km2，海 拔180～5 252 m，整個(gè)地區(qū)被阿爾泰山山脈和天山山脈包圍，內(nèi)有盆地、河流、湖泊、戈壁、沙漠和平原綠洲，地貌輪廓非常明顯［58］。古爾班通古特沙漠是中國(guó)第二大沙漠，地處新疆北部，位于準(zhǔn)噶爾盆地中央，西接伊犁河谷，南鄰天山山脈，北靠阿爾泰山［59］，地理范圍為44°15′～46°50′N，84°50′～91°20′E，面積4.88×104km2，海拔300～600 m［60］。該沙漠以典型的大陸性溫帶荒漠氣候?yàn)橹?，風(fēng)向以東北風(fēng)和西風(fēng)為主，夏季干熱少雨，冬季嚴(yán)寒多雪，是我國(guó)唯一冬季存在長(zhǎng)期積雪的沙漠［61-62］。

2 數(shù)據(jù)資料與分析方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

2.1.1 雪深數(shù)據(jù)

雪深實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，來(lái)源于古爾班通古特沙漠陸-氣相互作用觀測(cè)試驗(yàn)站（簡(jiǎn)稱克拉美麗站，45°14′N，87°35′E，海拔531 m，圖1）。該觀測(cè)試驗(yàn)站是中國(guó)氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所于2012年在古爾班通古特沙漠腹地克拉美麗地區(qū)所建。觀測(cè)系統(tǒng)主要包括渦動(dòng)相關(guān)系統(tǒng)、梯度探測(cè)系統(tǒng)和輻射觀測(cè)系統(tǒng)［63］。本研究數(shù)據(jù)來(lái)自梯度觀測(cè)系統(tǒng)中雪深實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)（美國(guó)Campbell Scientific公司，型號(hào)SR50A-L，安裝高度1.5 m，采集器型號(hào)CR1000），采集頻率為1 Hz，并輸出10 s、1 min、30 min、1 d數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)時(shí)間段為2013—2018年。

圖1 研究區(qū)位置示意圖Fig.1 Location of the study area

雪深產(chǎn)品數(shù)據(jù)中國(guó)雪深長(zhǎng)時(shí)間序列數(shù)據(jù)集，來(lái)源于國(guó)家青藏高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http：//data.tpdc.ac.cn/）。該 數(shù) 據(jù) 集 是 車 濤 等［64］、Dai等［65-66］利 用SMMR、SSM/I、SSMI/S被 動(dòng) 微 波 遙 感 數(shù) 據(jù)，在Chang算法基礎(chǔ)上，針對(duì)中國(guó)地區(qū)修正的算法，反演得到雪深數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采用EASE-Grid和地理坐標(biāo)投影2種投影方式，時(shí)間分辨率為1 d，空間分辨率為25 km，積雪深度單位為cm。本研究選取數(shù)據(jù)集時(shí)間范圍為1980—2020年，每年選取冬季12月至次年2月的雪深數(shù)據(jù)代表本年冬季積雪雪深。

2.1.2 邊界層高度數(shù)據(jù)

邊界層高度數(shù)據(jù)，來(lái)源于哥白尼氣候數(shù)據(jù)庫(kù)（https：//cds.climate.copernicus.eu/），采用分辨率為0.25°×0.25°的ERA5再分析資料。數(shù)據(jù)采用常規(guī)經(jīng)緯度網(wǎng)格投影方式，時(shí)間分辨率為1 h，空間分辨率為0.25°，數(shù)據(jù)單位為m。本研究選取數(shù)據(jù)的時(shí)間范圍為1980—2020年，每年選取冬季12月至次年2月的邊界層高度數(shù)據(jù)代表本年冬季邊界層高度。

2.2 研究方法

2.2.1 趨勢(shì)分析法

為研究古爾班通古特沙漠及周邊區(qū)域雪深和邊界層高度變化趨勢(shì)，采用基于像元的一元線性回歸分析法計(jì)算其變化特征，單個(gè)像元多年線性回歸方程的趨勢(shì)線斜率slope即為年際變化速率［67-68］。以時(shí)間為自變量，雪深、邊界層高度為因變量。如果slope是正值，表示積雪深度或邊界層高度呈增加趨勢(shì)，如果slope是負(fù)值，則說(shuō)明積雪深度或邊界層高度呈下降趨勢(shì)。

2.2.2 Pearson相關(guān)性分析

皮爾森相關(guān)系數(shù)（Pearson correlation coefficient，R）可以直觀反映兩個(gè)變量線性相關(guān)的密切程度［69］。R為正數(shù)，表示二者正相關(guān)；反之，則表明二者負(fù)相關(guān)，且R的絕對(duì)值越大表明二者相關(guān)性越強(qiáng)。

2.3 雪深產(chǎn)品數(shù)據(jù)和再分析資料的適用性評(píng)估

為了評(píng)估中國(guó)0.25°×0.25°長(zhǎng)時(shí)間序列雪深數(shù)據(jù)集在古爾班通古特沙漠及周邊區(qū)域的適用性，利用克拉美麗站2013—2018年每年12月至次年2月的實(shí)測(cè)雪深數(shù)據(jù)對(duì)遙感雪深產(chǎn)品進(jìn)行檢驗(yàn)，以此評(píng)估該產(chǎn)品數(shù)據(jù)在沙漠區(qū)域的適用性。當(dāng)兩種數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.9以上時(shí)，認(rèn)為基于遙感的積雪數(shù)據(jù)產(chǎn)品可用于區(qū)域積雪時(shí)空變化特征研究。由圖2可知，克拉美麗站實(shí)測(cè)雪深數(shù)據(jù)和青藏高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心的積雪產(chǎn)品相關(guān)性相當(dāng)高，呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.93，并通過(guò)P＜0.05置信驗(yàn)證，由此斷定該數(shù)據(jù)產(chǎn)品可用于古爾班通古特沙漠地區(qū)尺度的積雪時(shí)空分布規(guī)律以及大氣邊界層高度相關(guān)性研究。圖2中顯示被動(dòng)微波遙感雪深較實(shí)測(cè)雪深偏大，原因可能與沙漠中站點(diǎn)稀少有關(guān)，僅克拉美麗一個(gè)站點(diǎn)，未選用多個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行適用性評(píng)估，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)代表性有誤差；其次，因?yàn)楸粍?dòng)微波遙感數(shù)據(jù)的空間分辨率較低，把一定區(qū)域內(nèi)積雪粒徑和密度看作是相同的值，造成被動(dòng)微波遙感反演的雪深存在誤差［70］；雪中的含水量太大、水體的影響、積雪粒徑的變化或積雪表面融化等引起的散射特性改變也會(huì)造成SMMR、SSM/I、SSMI/S被動(dòng)微波遙感數(shù)據(jù)反演的雪深與地面實(shí)測(cè)的存在誤差；Chang的微波估計(jì)方法存在薄雪時(shí)估計(jì)過(guò)高的問(wèn)題［71］；理論上講，植被也會(huì)影響雪層的微波輻射特征［50］，克拉美麗站存在稀疏植被，影響遙感數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

圖2 雪深產(chǎn)品在研究區(qū)的適用性評(píng)估Fig.2 Applicability evaluation of snow depth products in the study area

由王豫等［72］研究結(jié)果可以看出，ERA5再分析資料與該沙漠腹地實(shí)測(cè)探空資料有很好的一致性，兩者相關(guān)系數(shù)達(dá)0.98，認(rèn)為ERA5再分析資料的邊界層高度產(chǎn)品可用于該區(qū)域大氣邊界層時(shí)空演變規(guī)律研究。

3 結(jié)果與討論

3.1 冬季雪深時(shí)空變化特征

對(duì)1980—2019年冬季雪深進(jìn)行算數(shù)平均，得到年平均值，分析40年研究區(qū)冬季積雪深度整體變化趨勢(shì)。從圖3和圖4可以看出，研究區(qū)冬季雪深隨時(shí)間變化幅度較大，多年冬季平均雪深約為8.45 cm，最大與最小平均雪深分別出現(xiàn)在2016年和2007年，分別為12.84 cm和5.02 cm。研究區(qū)內(nèi)部的古爾班通古特沙漠地區(qū)，冬季雪深變化幅度也較大，多年冬季平均雪深約為7.68 cm，最大與最小平均雪深分別出現(xiàn)在1993年和2014年，分別為16.84 cm和2.51 cm?？傮w上，研究區(qū)冬季雪深呈現(xiàn)不顯著的微弱增加趨勢(shì)，以0.02 cm·a-1（R2=0.012，P=0.507）的速率增加，沙漠地區(qū)冬季雪深同樣呈不顯著的增加趨勢(shì)，以0.09 cm·a-1（R2=0.068，P=0.104）的速率增加。

圖3 1980—2019年冬季平均雪深的空間分布特征及變化趨勢(shì)空間分布Fig.3 Spatial distribution（a）and trend（b）of average snow depth in winter during 1980 to 2019

圖4 1980—2019年冬季平均雪深的變化趨勢(shì)Fig.4 Variation and trend of average winter snow depth during 1980 to 2019

根據(jù)圖3（a）可知，研究區(qū)冬季雪深空間分布具有明顯的地區(qū)差異，研究區(qū)東北部和南部積雪較深，其他區(qū)域積雪較淺并呈現(xiàn)出由沙漠中心區(qū)域向四周逐漸減少的特點(diǎn)。沙漠地區(qū)的冬季雪深空間分布表現(xiàn)為沙漠中心及南北部的豎直區(qū)域積雪較深而東西部沙漠邊緣地區(qū)積雪較淺。從研究區(qū)雪深空間分布可以看出，研究區(qū)29.74%的區(qū)域雪深小于6 cm；研究區(qū)51.63%的區(qū)域雪深在6～12 cm，主要分布于古爾班通古特沙漠、天山北坡和塔城地區(qū)西部；研究區(qū)18.90%的區(qū)域雪深大于12 cm，主要分布在古爾班通古特沙漠南緣、阿爾泰山山脈及研究區(qū)西部地區(qū)。在古爾班通古特沙漠地區(qū)，79.21%的區(qū)域雪深在6～12 cm，20.79%的區(qū)域雪深小于6 cm，零星分布在沙漠東西緣。雪深空間分布特征與地形地貌、溫度變化和降水來(lái)源有很大關(guān)聯(lián)，水分主要來(lái)源于北冰洋，造成北部地區(qū)降水偏多而南部地區(qū)降水偏少，同時(shí)東北部雪深高值區(qū)位于高海拔的阿爾泰山山脈地區(qū)，海拔高積雪不易融化，每年積雪期積累導(dǎo)致雪深較高；南部雪深高值區(qū)分布于植被農(nóng)田多的區(qū)域，雪深大的現(xiàn)象可能與當(dāng)?shù)亟陙?lái)植被覆蓋度的增加減緩了積雪融化有關(guān)。

根據(jù)研究區(qū)冬季年均雪深變化趨勢(shì)空間分布［圖3（b）］可知，研究區(qū)64.77%的區(qū)域雪深呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，主要分布在研究區(qū)中心偏南方向的古爾班通古特沙漠及其東北部、南部的臨近區(qū)域；而研究區(qū)35.23%的區(qū)域雪深呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，分布于研究區(qū)北部的阿爾泰山山脈、南部的天山山脈和西部區(qū)域。在古爾班通古特沙漠地區(qū)，99.86%的區(qū)域雪深呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，分布于沙漠大部分區(qū)域；僅0.14%的區(qū)域雪深呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，零星分布于沙漠的西北部。研究區(qū)10.12%的區(qū)域積雪深度呈顯著性變化，主要分布于研究區(qū)北部的阿爾泰山山脈、南部天山山脈邊緣地區(qū)、古爾班通古特沙漠東南區(qū)域及沙漠西南方向臨近區(qū)域。

3.2 冬季邊界層高度時(shí)空變化特征

對(duì)1980—2019年冬季邊界層高度進(jìn)行算數(shù)平均，得到年平均值，分析40年研究區(qū)冬季邊界層高度整體變化趨勢(shì)。從圖5和圖6可以看出，整個(gè)研究區(qū)冬季邊界層高度隨時(shí)間變化幅度較大，多年冬季平均邊界層高度約為105.54 m，最大與最小平均高度分別出現(xiàn)在2014年和1986年，分別為126.38 m和82.44 m。沙漠地區(qū)冬季邊界層高度變化幅度也較大，多年冬季平均高度約為102.88 m，最大與最小平均高度分別出現(xiàn)在1994年和1986年，分別為120.68 m和72.56 m?？傮w上，研究區(qū)冬季邊界層高度呈極顯著增長(zhǎng)趨勢(shì)，以0.44 m·a-1（R2=0.232，P＜0.01）的速率升高，沙漠地區(qū)冬季邊界層高度呈不顯著的微弱增長(zhǎng)趨勢(shì)，以0.06 m·a-1（R2=0.005，P=0.667）的速率升高。

圖5 1980—2019年冬季邊界層高度的空間分布特征及變化趨勢(shì)空間分布Fig.5 Spatial distribution（a）and trend（b）of boundary layer height in winter during 1980 to 2019

圖6 1980—2019年冬季邊界層高度的變化趨勢(shì)Fig.6 Variation and trend of winter boundary layer height during 1980 to 2019

根據(jù)圖5（a）可知，研究區(qū)邊界層高度空間分布具有明顯的地區(qū)差異，研究區(qū)的東南部和西北部高度較大，中心沙漠區(qū)域、東北部、西南部高度較淺。沙漠地區(qū)冬季邊界層高度空間分布呈現(xiàn)出西部較低、東部沙漠邊緣地區(qū)較高的特點(diǎn)。從邊界層高度空間分布可以看出，研究區(qū)47.32%的區(qū)域邊界層高度小于100 m；研究區(qū)40.97%的區(qū)域高度在100～150 m，研究區(qū)11.71%的區(qū)域高度大于150 m。而在沙漠地區(qū)，40.56%的區(qū)域邊界層高度小于100 m，57.09%的區(qū)域高度在100～150 m，僅2.35%的區(qū)域高度大于150 m，零星分布在沙漠東緣。邊界層高度空間分布特征與溫度、風(fēng)速和濕度關(guān)聯(lián)密切，邊界層高度較高值分布在研究區(qū)的西北、東南部地區(qū)，極有可能是因?yàn)楫?dāng)?shù)爻Ｄ觑L(fēng)速較大，湍流活動(dòng)劇烈，使得邊界層高度較高，沙漠地區(qū)南緣區(qū)域同樣是這個(gè)原因，風(fēng)速大、積雪少、邊界層高度高，圖5（a）底部中間的綠色區(qū)域?yàn)闉豸斈君R市南部，其邊界層高度較高可能是因?yàn)闊釐u效應(yīng)［73］。

根據(jù)研究區(qū)冬季年均邊界層高度變化趨勢(shì)空間分布［圖5（b）］可知，研究區(qū)86.80%的區(qū)域邊界層高度呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，分布于古爾班通古特沙漠及周邊區(qū)域；而研究區(qū)13.20%的區(qū)域邊界層高度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，主要分布在研究區(qū)北部的阿爾泰山山脈、南部地區(qū)和古爾班通古特沙漠的西部區(qū)域。在沙漠地區(qū)，63.95%的區(qū)域邊界層高度呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，分布于沙漠東部；而36.05%的區(qū)域邊界層高度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，主要分布于沙漠的西部和南部區(qū)域。研究區(qū)31.64%的區(qū)域邊界層高度呈顯著性變化，主要分布于研究區(qū)北部阿爾泰山山脈、南部天山山脈和東部區(qū)域；不顯著變化的區(qū)域主要分布在沙漠中心區(qū)域及其西部和東南部。

3.3 冬季雪深和邊界層高度的相關(guān)性

在柵格尺度上計(jì)算1980—2019年古爾班通古特沙漠地區(qū)多年冬季平均雪深和邊界層高度的相關(guān)系數(shù)，分析比較其相關(guān)性及空間分布規(guī)律（圖7）。沙漠93.17%的區(qū)域冬季雪深與邊界層高度呈負(fù)相關(guān)，僅6.83%的區(qū)域呈正相關(guān)，平均相關(guān)系數(shù)為-0.32，最高達(dá)-0.58，即積雪深度增加，邊界層高度會(huì)降低，冬季邊界層高度受雪深變化的影響顯著。從相關(guān)系數(shù)的空間分布可以看出，沙漠地區(qū)61.76%的區(qū)域相關(guān)系數(shù)在-0.6～-0.3，主要分布于沙漠的北部和西部區(qū)域；沙漠地區(qū)31.41%的區(qū)域相關(guān)系數(shù)在-0.3～0，分布于沙漠的南部和東南部區(qū)域；沙漠區(qū)域僅6.83%的區(qū)域相關(guān)系數(shù)在0～0.11，分布于沙漠東南角。沙漠地區(qū)67.96%的區(qū)域冬季雪深和邊界層高度的相關(guān)性通過(guò)0.05置信驗(yàn)證，主要分布在克拉美麗站東側(cè)及古爾班通古特沙漠東南部。

從圖8可以看出，1980—2019年每年沙漠區(qū)域平均的冬季雪深和邊界層高度相關(guān)系數(shù)為-0.42（P＜0.05），呈現(xiàn)明顯的負(fù)相關(guān)變化趨勢(shì)。冬季大氣層結(jié)較為穩(wěn)定，大氣邊界層高度較低，積雪下墊面通過(guò)影響空氣溫度來(lái)影響高空自由大氣變化，從而引起大氣邊界層高度的變化。從圖3（a）和圖5（a）可以看出，當(dāng)積雪深度在0.3～21.5 cm時(shí)，研究區(qū)的冬季大氣邊界層高度保持在29～235 m，雪深高值區(qū)亦是邊界層高度低值區(qū)。圖8顯示，1980—2019年隨著雪深增加時(shí)，邊界層高度呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，雪深降低時(shí)邊界層高度呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)。

為進(jìn)一步探討雪深與邊界層高度的關(guān)系，根據(jù)圖8中1980—2019年冬季雪深變化趨勢(shì)選取近40年中具有代表性的大雪年2012年和小雪年2017年，來(lái)討論古爾班通古特沙漠冬季逐日雪深和邊界層高度的變化趨勢(shì)（圖9），當(dāng)年冬季時(shí)間為每年12月至次年2月。結(jié)果表明邊界層高度對(duì)雪深的響應(yīng)具有滯后性，且沙漠冬季日尺度積雪深度和邊界層高度呈明顯負(fù)相關(guān)性，在2013年1月20—31日、2018年1月1—23日和1月27—31日，當(dāng)雪深呈增加趨勢(shì)時(shí)，邊界層高度呈下降趨勢(shì)，反之亦然。

圖8 古爾班通古特沙漠冬季雪深與邊界層高度年際變化趨勢(shì)Fig.8 Interannual variation and trend of winter snow depth and boundary layer height over the Gurbantunggut Desert

圖9 古爾班通古特沙漠冬季雪深與邊界層高度逐日變化趨勢(shì)Fig.9 Daily variation and trend of winter snow depth and boundary layer height over the Gurbantunggut Desert

3.4 討論

古爾班通古特沙漠冬季積雪深度呈現(xiàn)微弱的增加趨勢(shì)，這與諸多研究結(jié)果比較相似。Che等［19］利用被動(dòng)微波遙感數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，從1978—2006年中國(guó)積雪深度呈現(xiàn)微弱的上升趨勢(shì)；Zhang等［20］發(fā)現(xiàn)1980—2014年，西北地區(qū)雪深變化呈增加趨勢(shì)，積雪深度變化在2000年以后更為顯著；馬麗娟等［21］發(fā)現(xiàn)1957—2009年，中國(guó)年均雪深呈波動(dòng)增加趨勢(shì)，新疆西北部呈顯著上升趨勢(shì)；Huang等［23］發(fā)現(xiàn)從2000—2014年，新疆北部天山和阿爾泰山地區(qū)積雪深度呈增加趨勢(shì)；劉暢宇［74］研究發(fā)現(xiàn)，北疆積雪區(qū)積雪深度呈上升趨勢(shì)，年均積雪深度為8.6 cm，積雪深度變量平均增加0.2 cm·（10a）-1，與本文結(jié)果高度一致。

在邊界層高度方面，研究區(qū)與沙漠多年冬季平均邊界層高度都是呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，這個(gè)結(jié)果與Zhang等［13］給出的1958—2001年冬季邊界層高度總體是增加趨勢(shì)，年際波段呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì)一致；萬(wàn)云霞等［75］研究發(fā)現(xiàn)，1979—2009年新疆西北部分地區(qū)邊界層高度增高而東部地區(qū)降低，暫未發(fā)現(xiàn)相同研究區(qū)范圍邊界層高度變化趨勢(shì)不同的研究結(jié)論，李巖瑛等［15］發(fā)現(xiàn)2006—2012年中國(guó)西北干旱區(qū)邊界層高度變化呈減小趨勢(shì)，由于研究時(shí)間段和空間區(qū)域不同，造成了研究結(jié)果不一致。

1980—2019年冬季古爾班通古特沙漠平均雪深和邊界層高度的相關(guān)性空間分布，呈不顯著負(fù)相關(guān)的東南部區(qū)域及其鄰近區(qū)域常年風(fēng)速較大，湍流活動(dòng)劇烈，使得邊界層高度較高，造成此區(qū)域邊界層高度與雪深不顯著負(fù)相關(guān)，也可能是因?yàn)槠渲袔啄甓旧衬畺|南部區(qū)域受風(fēng)速影響較小，邊界層高度較低，其雪深也低于正常水平，從而導(dǎo)致1980—2019年沙漠東南部及鄰近區(qū)域相關(guān)性降低。

積雪下墊面作為冬季特殊的下墊面類型，通過(guò)地表能量重新分配影響大氣邊界層高度的發(fā)展，積雪通過(guò)影響氣溫間接影響大氣邊界層高度的變化，李楊等［32］研究也指出，由于積雪的高反射率，使沙漠地表輻射冷卻強(qiáng)烈，形成冷源性下墊面和近地層逆溫層結(jié)，導(dǎo)致大氣穩(wěn)定度增強(qiáng)，邊界層高度降低；李媛［76］研究表明，邊界層高度具有明確的季節(jié)性，春夏季較高，秋冬季較低，邊界層高度變低與秋冬季節(jié)地面溫度較低有關(guān)。古爾班通古特沙漠也屬于同一類型。

4 結(jié)論

本文利用SMMR、SSM/I、SSMIS被動(dòng)微波遙感雪深數(shù)據(jù)、實(shí)測(cè)雪深數(shù)據(jù)和ERA5再分析資料邊界層高度數(shù)據(jù)，分析古爾班通古特沙漠及周邊區(qū)域1980—2019年冬季雪深和邊界層高度的時(shí)空分布及演變規(guī)律，并結(jié)合冬季雪深、邊界層高度數(shù)據(jù)探討沙漠冬季邊界層高度對(duì)雪深變化的響應(yīng)關(guān)系，得出以下結(jié)論：

（1）研究區(qū)1980—2019年冬季雪深年際變化整體呈現(xiàn)不顯著上升趨勢(shì)，多年冬季平均雪深約為8.45 cm，以0.02 cm·a-1（R2=0.012，P=0.507）的速率緩慢增加，古爾班通古特沙漠地區(qū)冬季雪深同樣呈現(xiàn)不顯著增加趨勢(shì)，多年冬季平均雪深約為7.68 cm，以0.09 cm·a-1（R2=0.068，P=0.104）的速率增加。沙漠地區(qū)的冬季雪深空間分布沙漠中心及南北部的豎直區(qū)域積雪較深、東西部沙漠邊緣地區(qū)積雪較淺；而沙漠地區(qū)冬季雪深的變化趨勢(shì)則是在沙漠大部分區(qū)域呈增加趨勢(shì)，在沙漠西北部零星區(qū)域呈減少趨勢(shì)。

（2）研究區(qū)1980—2019年冬季邊界層高度年際變化整體呈現(xiàn)極顯著上升趨勢(shì)，多年冬季平均邊界層高度約為105.54 m，以0.44 m·a-1（R2=0.232，P＜0.01）的速率升高，古爾班通古特沙漠地區(qū)冬季邊界層高度同樣呈現(xiàn)不顯著增長(zhǎng)趨勢(shì)，多年冬季平均邊界層高度約為102.88 m，以0.06 m·a-1（R2=0.005，P=0.667）的速率升高。沙漠地區(qū)冬季邊界層高度空間分布呈現(xiàn)出西部較低、東部沙漠邊緣地區(qū)較高的特點(diǎn)；而沙漠地區(qū)冬季邊界層高度的變化趨勢(shì)表現(xiàn)為沙漠東部區(qū)域呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，在沙漠西部、西北部和南部區(qū)域呈下降趨勢(shì)。

（3）古爾班通古特沙漠地區(qū)1980—2019年冬季雪深和邊界層高度在時(shí)空上整體呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)性。沙漠93.17%的區(qū)域多年冬季雪深和邊界層高度呈負(fù)相關(guān)變化，相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值最高可達(dá)0.58，平均值為-0.32，1980—2019年沙漠冬季多年平均雪深與邊界層高度的相關(guān)系數(shù)為-0.42（P＜0.05）。當(dāng)積雪深度為0.3～21.5 cm時(shí)，研究區(qū)的冬季大氣邊界層高度保持在29～235 m，雪深高值區(qū)亦是邊界層高度低值區(qū)，1980—2019年隨著雪深增加時(shí)，邊界層高度呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，呈明顯負(fù)相關(guān)性。