田琛鈺, 袁金國(guó)

(河北師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院,河北省環(huán)境變化遙感識(shí)別技術(shù)創(chuàng)新中心,河北省環(huán)境演變與生態(tài)建設(shè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北 石家莊 050024)

0 引 言

2015年奧委會(huì)宣布將由北京舉辦第24屆冬奧會(huì),張家口市協(xié)辦(主要承辦大多數(shù)雪上項(xiàng)目).冬奧會(huì)舉辦地的選址并不是越北越好、越冷越好,氣溫過低會(huì)影響參賽人員的人體反應(yīng)速度和觀眾的觀賽舒適度[1],也容易導(dǎo)致凍傷;氣溫過高,比賽場(chǎng)地積雪表面會(huì)融化而且還會(huì)變松,選手不容易滑行,動(dòng)作易失誤,還易受傷.雪上比賽因是在戶外舉行,所以對(duì)氣象條件要求很高.冬奧會(huì)的選址有一些專業(yè)性的要求,河北省張家口市崇禮區(qū)是東亞大陸性季風(fēng)氣候中溫帶亞干旱區(qū),冬季空氣活動(dòng)頻繁,平均氣溫-12 ℃,平均風(fēng)速僅為2級(jí),降雪早、積雪厚、存雪期長(zhǎng),全年積雪約1.5 m,存雪期150多天,大多數(shù)雪上項(xiàng)目選擇在張家口市崇禮區(qū)舉辦必有其緣由.

地形、氣溫、降雪等因素是冬奧會(huì)選址的主要影響因素.張磊[2]對(duì)2014,2010和2006年冬奧會(huì)舉辦城市索尼、溫哥華、都靈的地理位置和氣候特征進(jìn)行分析后得出,冬奧會(huì)的承辦地具有地理位置便捷、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、氣候條件適宜等特點(diǎn),并從冬季雪期、雪質(zhì)、氣溫、風(fēng)速、地形、空氣質(zhì)量和交通狀況方面對(duì)雪上項(xiàng)目選址崇禮區(qū)進(jìn)行了分析.趙亮[3]結(jié)合“歷屆冬奧會(huì)舉辦城市分布圖”(八年級(jí)上冊(cè)地理書),從氣溫、降雪、地形和社會(huì)來分析冬奧會(huì)的選址問題.徐慶喆等[4]利用崇禮區(qū)1960—2014年日氣象數(shù)據(jù),通過計(jì)算降雪概率對(duì)降雪初終日、冬季雪期和最長(zhǎng)連續(xù)無降雪時(shí)段進(jìn)行研究,分析冬奧會(huì)期間的降雪特征.錢昊等[5]使用NOAA-AVHRR的北半球每周積雪覆蓋數(shù)據(jù)MOD10A1和MYD10A1研究崇禮區(qū)積雪面積和積雪覆蓋頻率變化,利用微波積雪深度數(shù)據(jù)分析積雪深度的時(shí)空分布,通過對(duì)積雪的研究分析為冬奧會(huì)的成功舉辦建言獻(xiàn)策.

利用衛(wèi)星遙感,可以獲得時(shí)間長(zhǎng)、空間廣、全天候、準(zhǔn)確度高的數(shù)據(jù),地形、氣象的限制較小.利用美國(guó)MODIS積雪覆蓋數(shù)據(jù)和積雪深度數(shù)據(jù),對(duì)河北省張家口市崇禮區(qū)的高度、坡度及2001—2015年冬季的積雪覆蓋度、積雪深度、氣溫等進(jìn)行研究,分析2022冬奧會(huì)選址崇禮區(qū)的原因.

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

河北省張家口市崇禮區(qū)位于河北省西北部,東南緊靠北京市,總面積2 334 km2,處于40 °47 ′～41 °17 ′N,114 °47 ′～115 °34 ′E,海拔高度824～2 162 m,地勢(shì)呈東高西低,區(qū)城內(nèi)大多數(shù)為山地,山峰海拔高度基本為1 500～2 000 m,屬于中低山區(qū).坡度為0 °～63 °(99.5 %為0 °～35 °),較為平緩,幾乎沒有陡坡.由于地理位置和地形的因素,崇禮區(qū)冬季空氣流動(dòng)較為活躍,平均氣溫為-11 ℃,平均風(fēng)速2級(jí),降雪較早,積雪較厚,積雪期較長(zhǎng),冬季的平均積雪深度約為2.7 cm,積雪天數(shù)150多天(大致從11月下旬到次年4月初).

1.2 數(shù) 據(jù)

1.2.1 DEM數(shù)據(jù)

在地理空間數(shù)據(jù)云(http:∥www.gscloud.cn)下載30 m分辨率的ASTER GDEM,投影為UTM,數(shù)據(jù)平面為WGS84.

1.2.2 MODIS積雪覆蓋數(shù)據(jù)

中分辨率成像光譜儀MODIS是搭載在美國(guó)地球觀測(cè)系統(tǒng)EOS的Terra和 Aqua衛(wèi)星上的傳感器[6],研究所用的是MODIS月合成積雪數(shù)據(jù)MOD10CM.利用崇禮區(qū)2001—2015年每年1,2月和上一年12月的月積雪覆蓋數(shù)據(jù)來研究積雪面積,空間分辨率為經(jīng)緯度0.05 °,積雪覆蓋月平均值是根據(jù)每日的標(biāo)準(zhǔn)差雪被指數(shù)(normalized difference snow index,NDSI)計(jì)算得到的,并且只有滿足以下條件時(shí),才能被定義為雪[7].

(1)

NDSI≥0.4,

(2)

ρMODIS2≥0.1,

(3)

ρMODIS4≥0.1.

(4)

式中,ρMODIS2,ρMODIS4和ρMODIS6分別代表數(shù)據(jù)的第2,4,6波段的反射率(https:∥nsidc.org/data/MOD10CM/).

月積雪覆蓋數(shù)據(jù)的像元值及其含義見表1.

表1 月積雪覆蓋數(shù)據(jù)的像元值及其含義

1.2.3 積雪深度數(shù)據(jù)

日積雪深度數(shù)據(jù)來自國(guó)家青藏高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心(https:∥data.tpdc.ac.cn/zh-hans/),單位為cm,空間分辨率為25 km,為美國(guó)國(guó)家冰雪數(shù)據(jù)中心處理后的數(shù)據(jù)[7-10].該數(shù)據(jù)時(shí)間長(zhǎng)、空間分布廣、全天候、不受云層影響、穿透力強(qiáng)且分辨率高.

1.2.4 冬季氣溫?cái)?shù)據(jù)

冬季氣溫?cái)?shù)據(jù)來自中國(guó)地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集,主要使用2000—2015年河北省內(nèi)站點(diǎn)和附近站點(diǎn)的數(shù)據(jù).

2 數(shù)據(jù)處理與分析方法

2.1 DEM和坡度

使用ArcGIS對(duì)數(shù)字高程數(shù)據(jù)DEM進(jìn)行鑲嵌,利用崇禮區(qū)的矢量文件,對(duì)鑲嵌后的DEM圖像進(jìn)行裁切,得到研究區(qū)的高程.

使用ArcGIS的Slope工具對(duì)DEM提取坡度并進(jìn)行分級(jí),結(jié)果如表2所示.

表2 不同坡度類型的分類標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 Classification Standard of Different Slopes

2.2 積雪面積計(jì)算

MODIS積雪覆蓋數(shù)據(jù)MOD10CM的格式為HDF-EOS,使用HEG工具對(duì)2001—2015年每年1,2月和上一年12月的月積雪覆蓋數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換、重采樣和投影變換.為避免分析年數(shù)據(jù)時(shí)產(chǎn)生歧義,年份統(tǒng)計(jì)采用水文年,2000年12月屬于2001年.

MOD10CM產(chǎn)品柵格值0～100指的是每個(gè)像元的積雪覆蓋率,0是指這個(gè)像元內(nèi)沒有積雪覆蓋,100是指這個(gè)像元內(nèi)全部覆蓋著積雪,通過屬性提取工具將無效數(shù)據(jù)剔除后求平均值,得到2001—2015年的年平均積雪覆蓋及12月和1,2月的月平均積雪覆蓋,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行裁切后得到崇禮區(qū)的積雪覆蓋,以此分析冬季各月之間的積雪覆蓋度變化.由于MODIS傳感器原因,2003年12月積雪覆蓋數(shù)據(jù)缺片.研究區(qū)積雪面積計(jì)算公式[11]為

(5)

式中S為積雪面積,N為像元數(shù)量,An為像元面積,F為像元的值.

2.3 積雪深度數(shù)據(jù)處理

積雪深度數(shù)據(jù)集中的文件為ASCII碼文件,利用ArcGIS將文件批處理為柵格影像,積雪深度數(shù)據(jù)為逐日積雪數(shù)據(jù),借助柵格計(jì)算器獲取月積雪深度,進(jìn)行重采樣后獲得分辨率為0.009 °的柵格影像,以此得到冬季平均積雪深度、2001—2015年年均積雪深度及12月和1,2月的月平均積雪深度,利用裁切工具得到崇禮區(qū)的積雪深度.利用克里金插值得到崇禮區(qū)冬季積雪深度分布圖以及12月和1,2月的月積雪深度分布圖,分析冬季各月份之間的積雪深度變化.

2.4 氣溫?cái)?shù)據(jù)處理

使用R語(yǔ)言對(duì)氣溫日值數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,求出各個(gè)站點(diǎn)月平均氣溫,將12月和1,2月的氣溫?cái)?shù)據(jù)導(dǎo)入ArcGIS中,利用克里金工具進(jìn)行插值計(jì)算,得到氣溫的空間分布,利用柵格計(jì)算器得到冬季平均氣溫及12月和1,2月的平均氣溫.

3 結(jié)果分析

3.1 DEM和坡度分析

冬奧會(huì)場(chǎng)地的選址最主要的條件是海拔落差,對(duì)于速降項(xiàng)目,奧委會(huì)規(guī)定比賽場(chǎng)地的平均海拔落差要超過800 m.崇禮區(qū)海拔高度824～2 162 m,最大高差1 338 m(見圖1).

雪上項(xiàng)目賽場(chǎng)依賴有一定坡度的低山區(qū),特別是高山滑雪項(xiàng)目對(duì)坡度的要求很高.由圖2和表3可知,研究區(qū)坡度為0 °～63 °,且99.45 %為0 °～35 °,所以崇禮區(qū)多為緩坡和斜坡(81.73 %),陡坡和急坡比較少(7.65 %),險(xiǎn)坡幾乎沒有(0.03 %),符合冬奧會(huì)雪上項(xiàng)目比賽的要求.崇禮區(qū)地勢(shì)東部高、西部低,因此雪上項(xiàng)目賽場(chǎng)大多分布在東部地區(qū).

圖1 研究區(qū)高程Fig.1 Elevation of the Study Area

圖2 研究區(qū)坡度Fig.2 Slope of the Study Area

表3 各級(jí)坡度的像元數(shù)量及其占比Tab.3 Numbers and Proportion of Pixels at Each Level of Slope

3.2 多時(shí)間序列積雪覆蓋時(shí)空分布

由圖3可知,研究區(qū)北部和東部的積雪覆蓋度較大,最大覆蓋度達(dá)到79.17 %,西南地區(qū)覆蓋較少,最少為5.28 % .

圖3 冬季平均積雪覆蓋度分布Fig.3 Distribution of Average Snow Coverage in Winter

積雪覆蓋度是冬奧會(huì)雪上項(xiàng)目比賽選址的一個(gè)重要因素,崇禮區(qū)2001—2015年冬季平均積雪面積為694 km2,約占崇禮區(qū)總面積(2 334 km2)的30 %,冬季積雪面積比較大,滿足冬奧會(huì)雪上項(xiàng)目選址的需求.由圖4可知,研究區(qū)2001—2015年積雪面積呈現(xiàn)微弱的減少趨勢(shì),與同年的氣溫?cái)?shù)據(jù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,氣溫較低時(shí)積雪面積大,氣溫較高時(shí)積雪面積小.研究發(fā)現(xiàn),2014,2015年冬季氣溫較高,使得2014—2015年積雪面積驟減,整體呈微弱減少的趨勢(shì).

圖4 2001—2015年積雪面積和氣溫的變化Fig.4 Snow Area and Air Temperature Change from 2001 to 2015

由圖5可知,12月的平均積雪面積變化趨勢(shì)不太明顯(由于MODIS傳感器原因,圖5中2003年12月積雪覆蓋數(shù)據(jù)缺失),1,2月的平均積雪面積呈減少趨勢(shì),與2001—2015年積雪面積的逐年變化趨勢(shì)相對(duì)應(yīng).計(jì)算得到2001—2015年冬季每個(gè)月的積雪面積平均值,即12月約為628 km2,占27 %;1月約為900 km2,占39 %;2月約為549 km,占24 %.因此,1月積雪面積最大,12月次之,2月最小,1月積雪狀況在冬季中最好.1,2月積雪面積變化趨勢(shì)與逐年積雪面積變化趨勢(shì)相似,由此分析得出,年積雪面積減少與1,2月積雪面積趨于減少相關(guān)性比較大,2月處于冬季末期、春季初期,日最高氣溫超過0 ℃的頻率較高,容易造成積雪消融,積雪覆蓋度較小的地區(qū)很可能會(huì)沒有積雪.但因?yàn)檠芯繀^(qū)年均積雪面積為694 km2,相較于其他地區(qū)還是比較大的,也符合冬奧會(huì)雪上項(xiàng)目選址的要求,不過冬奧會(huì)籌備部門還是需要關(guān)注1,2月的積雪覆蓋度.

圖5 2001—2015年12～2月各月的積雪面積變化Fig.5 Snow Area Change from December to February from 2001 to 2015

3.3 多時(shí)間序列積雪深度分析

研究區(qū)東北部地區(qū)積雪深度較大,最大為3.83 cm;西南地區(qū)積雪深度較小,最小為1.3 cm(見圖6).研究區(qū)北部或者西北部平均氣溫較低,南部氣溫較高,因此北部或者西北部的積雪較厚、南部的積雪較薄.冬奧會(huì)選址不只是選擇積雪深度厚的地區(qū),同時(shí)還要考慮高差、坡度等因素,崇禮區(qū)的坡度空間分布特點(diǎn)為東南地區(qū)坡度較高、西北地區(qū)坡度較低,而且東部積雪深度相對(duì)于其他地區(qū)也比較厚,約為2.3～3.3 cm,所以雪上項(xiàng)目的比賽場(chǎng)地主要分布在崇禮區(qū)東部.

圖6 冬季平均積雪深度分布Fig.6 Distribution of Average Snow Depth in Winter

積雪深度對(duì)雪上項(xiàng)目很重要,積雪深度小不利于滑雪.由圖7可知,2013年積雪厚度最厚,為12.45 cm;2014年最薄,為0.10 cm;2001—2015年冬季平均積雪深度總體呈增加趨勢(shì),冬季積雪深度與同年氣溫呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,氣溫較低時(shí),積雪深度大.崇禮區(qū)2001—2015年冬季平均積雪深度為2.67 cm,其中2006,2007,2008,2014和2015年小于1 cm.

圖7 2001—2015年積雪深度與氣溫的變化Fig.7 Snow Depth and Air Temperature Change from 2001 to 2015

2001—2015年冬季各月積雪深度呈增加趨勢(shì)(見圖8),12月平均積雪深度為2.59 cm,1月為2.63 cm,2月為2.80 cm,2月積雪深度高于冬季平均值,1月次之,12月最低.主要是因?yàn)?2月剛剛開始積雪,氣溫比較低,均低于0 ℃,所以積雪不易融化,降雪可以累積;1月氣溫最低,積雪累積比較穩(wěn)定,積雪深度持續(xù)增加;2月平均氣溫雖然在3個(gè)月中最高,但依然低于0 ℃,為-6.2 ℃,僅在積雪特別薄的地區(qū)出現(xiàn)消融現(xiàn)象,積雪較厚的地區(qū)反而會(huì)繼續(xù)積累,所以2月積雪深度累積達(dá)到巔峰.

圖8 2001—2015年12～2月各月積雪深度變化Fig.8 Snow Depth Change from December to February from 2001 to 2015

3.4 多年冬季氣溫分析

由圖9可知,研究區(qū)西北部冬季平均氣溫較低,最低為-10.40 ℃,南部冬季平均氣溫較高,最高為-6.67 ℃,因此冬季南部比西北部的氣溫更高.

圖9 冬季平均氣溫分布Fig.9 Distribution of Average Air Temperature in Winter

雪上項(xiàng)目主要在室外舉辦,周圍環(huán)境氣溫過高,比賽場(chǎng)地的雪面和冰面容易融化和松軟,選手容易受傷,比賽動(dòng)作容易失誤;環(huán)境氣溫過低,會(huì)影響參賽人員的人體反應(yīng)速度和觀眾的舒適度,也容易導(dǎo)致凍傷,所以?shī)W委會(huì)雪上項(xiàng)目比賽場(chǎng)地要求在保證積雪厚度合格的情況下,2月的平均氣溫低于0 ℃.由圖10可知,研究區(qū)2001—2015年冬季平均氣溫逐年降低且幅度較大,有利于崇禮區(qū)積雪的累積,崇禮區(qū)2001—2015年冬季平均氣溫為-8.37 ℃.

圖10 2001—2015年冬季平均氣溫變化Fig.10 Average Air Temperature Change in Winter from 2001 to 2015

2001—2015年冬季各月氣溫變化趨勢(shì)與逐年氣溫變化趨勢(shì)相似,均為逐漸降低(見圖11),區(qū)別在于1月降低幅度較小,2月降低幅度很大,有利于冬奧會(huì)在2月舉辦.12月平均氣溫為-8.73 ℃,1月為-10.18 ℃,2月為-6.20 ℃,所以1月氣溫最低,12月次之,2月最高,但因溫度較低,依舊能夠促進(jìn)2月降雪的累積,使積雪深度達(dá)到最大.

圖11 2001—2015年12～2月平均氣溫變化Fig.11 Average Air Temperature Change from December to February from 2001 to 2015

4 結(jié) 論

張家口市崇禮區(qū)最大高程差為1 338 m,可以滿足雪上項(xiàng)目比賽的高差需求,而且其坡度大多為0 °～35 °,占比達(dá)到99.45 %,緩坡和斜坡比較多,占比為81.73 %,基本沒有陡峭的山坡,多為低山,適合進(jìn)行滑雪比賽.

崇禮區(qū)北部和東部地區(qū)的積雪覆蓋度較大,西南地區(qū)的積雪覆蓋度較小.1月積雪面積最大,12月次之,2月最小.北部或西北部平均氣溫較低,南部氣溫較高,所以導(dǎo)致北部或西北部的積雪深度較大,南部的積雪深度較小,東部的積雪深度大致為2.3～3.3 cm.綜合對(duì)比積雪深度與氣溫?cái)?shù)值發(fā)現(xiàn),冬季積雪在12月開始積累,平均氣溫約為-8.73 ℃,僅次于1月平均氣溫,有利于積雪的積累;1月積雪持續(xù)增加,但較為緩慢,因?yàn)?月氣溫最低,降水較少,空氣比較穩(wěn)定,積雪緩慢增加;2月積雪繼續(xù)累加,氣溫在冬季里面最高,容易造成積雪較薄地區(qū)的積雪融化,使得積雪面積減少,但是較厚積雪區(qū)會(huì)繼續(xù)積累(2月平均氣溫雖然在冬季最高,但仍為-6.20 ℃,所以積雪深度總體呈增加趨勢(shì)).

冬奧會(huì)比賽場(chǎng)地所用雪多為人工雪,自然雪會(huì)影響比賽動(dòng)作的完成,所以對(duì)雪上項(xiàng)目而言更重要的是高差和坡度.崇禮區(qū)東部地勢(shì)較高,坡度更為符合要求,積雪覆蓋度較廣,積雪深度也較大.2月氣溫比12月和1月高,對(duì)參賽選手的人體反應(yīng)速度和觀眾的舒適度更加有利,而且2月的積雪深度比12月和1月都大,有利于比賽的進(jìn)行,因此2022冬奧會(huì)大多數(shù)雪上項(xiàng)目選址在崇禮區(qū).