瑪納斯河流域融雪徑流與積雪-氣象因子分析*

劉 艷,李 楊 ,張 璞

(中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所,烏魯木齊830002)

高山區(qū)冰雪融水和瑪納斯河(以下簡稱“瑪河”)上游降水是瑪納斯河流域主要的徑流水源[1]。該流域徑流與氣候的響應(yīng)性研究局限于應(yīng)用平原區(qū)(高程低于800 m)石河子氣象站氣溫、降水?dāng)?shù)據(jù)[2-6],缺乏流域積雪覆蓋和融雪徑流的關(guān)系分析。氣象要素影響下瑪河流域高山區(qū)冰雪如何變化?如何影響徑流變化?這將依賴于更全面地收集資料和進(jìn)一步提高監(jiān)測手段。近年出現(xiàn)的 Terra-MODIS數(shù)據(jù)為大尺度資源調(diào)查提供了更好的數(shù)據(jù)源[7-8]。與傳統(tǒng)衛(wèi)星影像相比,MODIS具有高效的數(shù)據(jù)存儲格式(HDF)、信息豐富、數(shù)據(jù)獲取快和覆蓋范圍廣等特點(diǎn),每日兩次獲取全球36個光譜波段的地球綜合信息觀測數(shù)據(jù)[9-11],有利于捕捉地面動態(tài)變化信息。

通過GIS和遙感技術(shù)對天山雪蓋衛(wèi)星監(jiān)測數(shù)據(jù)、徑流、氣象因子數(shù)據(jù)進(jìn)行分析以掌握瑪河流域融雪徑流特征及其與積雪-氣溫-降雨的關(guān)系。首先,根據(jù)地形、植被和積雪分布特征建立了流域分帶體系。然后,以 2000-2008年3-6月 8日合成MODIS積雪產(chǎn)品(MOD10A 2)為基礎(chǔ),插值獲取流域分帶日均積雪面積數(shù)據(jù)。根據(jù)天山山區(qū)氣溫-降雨的垂直地帶性特征,以肯斯瓦特水文站 1995-2008年逐日氣溫、降水?dāng)?shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源,應(yīng)用DEM遞推獲取流域分帶日均氣溫、降水?dāng)?shù)據(jù)。最后,定性分析流域各帶氣溫-降雨-積雪分布特征和相關(guān)關(guān)系;流域積雪面積-徑流的定量關(guān)系,為流域水資源合理利用和開發(fā)提供數(shù)據(jù)支撐。

1 研究 區(qū)概況

瑪河流域位于準(zhǔn)噶爾盆地南緣,南起依連哈比爾尕山,北接古爾班通古特沙漠,東起塔西河,西至巴音溝河,匯集十多條支流,河流貫穿山地-綠洲-荒漠系統(tǒng),地表過程復(fù)雜,是北疆地區(qū)的一個典型流域。該流域地形呈南高北低走勢,源頭海拔5 000～5 500m,有現(xiàn)代冰川分布,面積達(dá)608.25 km2。在天山山地中山區(qū)和前山區(qū)匯合了眾多支流,至前山的肯斯瓦特水文站流出山區(qū)進(jìn)入山前平原,海拔高度也隨之降到500 m左右,山地垂直地帶性特征十分明顯。流域內(nèi)冰川面積占天山北坡冰川面積的32%,除冰川覆蓋外,流域內(nèi)另有少量森林和高山草甸。按積雪分布、植被覆蓋特征,流域可分為4個垂直分布帶(表1)?，敽恿饔蚨竞渎L,冬季降水(11至翌年3月)以積雪形式儲蓄在天山北坡的中低山一帶,到了夏季(6-8月)主要融水進(jìn)入河槽,該流域的河流具有明顯的夏汛特點(diǎn)。

表1 瑪河流域垂直分布帶及積雪-植被分布特征

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

肯斯瓦特水文站1954-2008年逐日平均徑流量;1995-2008年逐日平均氣溫、降雨數(shù)據(jù)。2000-2008年1-12月MODIS 8日合成積雪覆蓋產(chǎn)品(MOD10A2),共300多景。8日合成 MOD10A2最大程度地降低了云層的影響。天山山區(qū)DEM數(shù)據(jù),空間分辨率83m×83m。烏魯木齊、石河子等10個氣象臺站2000-2008逐日平均氣溫和降雨數(shù)據(jù)。

2.2 數(shù)據(jù)處理

2.2.1 分帶矢量數(shù)據(jù)的生成 (1)利用A rcMap Hydrology M odeling模塊對天山山區(qū)DEM進(jìn)行流向分析、流水累積量計算、提取河流網(wǎng)絡(luò)及其矢量數(shù)據(jù)、根據(jù)指定的流域面積大小進(jìn)行流域分析、提取瑪河流域,生成流域邊界矢量數(shù)據(jù)。(2)根據(jù)表1數(shù)據(jù),利用ERDASM odeler模塊對流域DEM 數(shù)據(jù)進(jìn)行分類運(yùn)算,經(jīng)柵格-矢量轉(zhuǎn)換后獲取流域各分帶矢量邊界數(shù)據(jù)并進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換,采用WGS84坐標(biāo)系雙標(biāo)準(zhǔn)緯線阿爾勃斯等面積圓錐投影(A lbers conical equal area projection)。

2.2.2 分帶氣溫、降雨數(shù)據(jù)的生成 流域內(nèi)氣象、水文資料很少,只在流域出山口肯斯瓦特設(shè)有水文站,提供水文和氣象要素數(shù)據(jù),流域上游地區(qū)沒有實測資料。因此,只能采取遞推方法獲取高山區(qū)氣溫和降雨數(shù)據(jù)。一般來說山區(qū)降水和氣溫的垂直地帶性明顯,通常降水量總體上隨著高程的上升而增加,氣溫的分布與降水相反,高度增加氣溫降低。降水遞推法為利用帶1肯斯瓦特水文站實測數(shù)據(jù)加上降水遞增率和高程差的乘積。其中,降水遞增率采用胡汝驥根據(jù)瑪河臨近的烏魯木齊河流域的實測數(shù)據(jù)推算得出。

式中:Pre——降水量;Tem——溫度;Hlow、Hhigh分別為各分帶的最低、最高海拔高度。

2.2.3 分帶平均氣溫、降雨計算 利用各分帶邊界數(shù)據(jù)對插值氣溫、降水柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行MASK掩模處理,獲取各帶氣溫和降水柵格數(shù)據(jù)后計算影像平均值即得各帶平均氣溫、降雨數(shù)據(jù)。

2.2.4 分帶平均積雪面積計算 (1)利用MRT(MODIS Reprojection Tool)對 MOD10A 2數(shù)據(jù)進(jìn)行地理幾何校正與重采樣批處理,提取積雪覆蓋數(shù)據(jù),進(jìn)行雙標(biāo)準(zhǔn)緯線阿爾勃斯等面積圓錐投影。(2)利用各分帶邊界數(shù)據(jù)進(jìn)行M ASK掩模處理,獲取各帶8日合成積雪分布影像數(shù)據(jù)并計算獲取各帶平均積雪面積。最后,利用Origin插值模塊對8日序列積雪面積數(shù)據(jù)進(jìn)行插值運(yùn)算,最終獲取流域各分帶逐日積雪面積。利用計算機(jī)技術(shù),采用統(tǒng)計分析方法,建立相關(guān)模型。

3 結(jié)果分析

3.1 徑流年內(nèi)變化及融雪期的確定

由于受氣溫和降水影響,徑流年內(nèi)分配極不均勻(圖1),流量逐月變化呈單峰近似對稱分布:1-3月流量占年徑流總量的4.48%,這一時期為枯季徑流。4-5月流量占6.78%,6-9月流量占80.09%,10-12月為河流的退水期流量僅占8.64%?？菟谠?-5月,月平均最小徑流量出現(xiàn)在2月,僅為1.41%;豐期在6-9月,月平均最大徑流量在7月。12月至翌水年2月,逐日流量十分穩(wěn)定,并達(dá)到最小值,這一最小值可視為基流。在無降水時徑流增加超過基流部分,是融雪補(bǔ)給造成的。雨季到來后,情況十分復(fù)雜,而且,現(xiàn)在無法區(qū)分降雨徑流和融雪徑流。本文以6月30日為界劃分融雪徑流的界限,重點(diǎn)分析這期間的徑流量和積雪、氣溫及降雨的關(guān)系。

3.2 融雪期流域積雪變化特征

一年四季更替,積雪也會隨之發(fā)生變化,表現(xiàn)在積雪覆蓋面積和積雪深度的改變。積雪覆蓋率變化曲線是描述雪蓋面積在積累和消融期間逐漸變化的過程線。根據(jù)雪蓋曲線,3-6月是積雪覆蓋衰減期,積雪覆蓋率逐漸減少,積雪逐漸消融。雪蓋消融期為122 d(圖2)。

圖1 肯斯瓦特水文站1954-2008年逐月徑流變化

圖2 融雪期流域各帶積雪消融曲線

3.3 氣象因子特征分析

3.3.1 氣溫垂直地帶性特征檢驗 瑪河流域周邊烏魯木齊、石河子等10個氣象站同期逐日平均氣溫多年平均值與流域各帶多年平均氣溫及平均海拔高度比較分析結(jié)果顯示,流域分帶插值氣溫符合天山山區(qū)氣溫的垂直分布性特征(圖3)。

圖3 瑪河流域周邊氣象站及各帶年均氣溫與高程變化響應(yīng)關(guān)系

3.3.2 分帶氣溫特征分析 從年際尺度看,2001-2008年3-6月各帶溫度變化不大,歷年數(shù)據(jù)間具有很好的周期性。月尺度上,低山荒漠草原在3月22號前后,云杉林帶4月11號前后,高山高寒草甸5月14號前后,冰雪帶6月12號前后氣溫持續(xù)在零度以上。

圖4 瑪河流域各帶氣溫逐月變化

3.3.3 流域降雨特征分析 1995-2008年肯斯瓦特水文站降雨數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析顯示,降水量的年內(nèi)分配極不均勻,降水主要集中在夏季(6-8月),占年降水量的 43.39%,春季(4-5月)為 28.14%,秋冬季降雨偏少,分別為13.04%和15.24%。徑流年內(nèi)分配集中于4-8月,降水年內(nèi)分配集中于6-8月,徑流過程滯后于降水過程(圖5)。冬季枯水期,徑流量穩(wěn)定。3-5月幾乎沒有降水,但過程線上流量穩(wěn)定地增加;6月,流域出現(xiàn)大量降水(降雨),每日流量顯著增大(圖6)。

3.4 氣溫-積雪-徑流關(guān)系分析

對2000-2008年3-6月流域平均氣溫、降雨、徑流和積雪面積進(jìn)行分析,結(jié)果如圖7所示,該時間段內(nèi)徑流增長趨勢與氣溫上升趨勢及積雪面積消退趨勢一致,與降雨間則不具有這種一致性。這表明流域水資源在春季主要以融雪徑流方式為主,春季氣溫逐日升高,積雪面積逐漸變小,流量逐漸增加(圖8)。

圖5 肯斯瓦特水文站1954-2008年降水與徑流年內(nèi)分配對比

圖6 肯斯瓦特水文站2001-2008年3-6月逐日徑流和降雨變化的關(guān)系

圖7 2001-2008年平均數(shù)據(jù)對比

圖8 肯斯瓦特水文站2001-2008年3-6月逐日徑流和氣溫變化的關(guān)系

了解積雪與氣候的關(guān)系,闡明積雪對氣溫和降雪量變化的敏感性,是探討積雪對氣候變化響應(yīng)的核心內(nèi)容之一,也是預(yù)測未來積雪變化的基礎(chǔ)。年際尺度看,2001-2008年3-6月流域積雪面積和徑流間存在周期性(圖9),流域不同水文年的積雪面積與徑流關(guān)系有規(guī)律的發(fā)生變化。歷年3-6月,流域積雪逐漸消融,面積逐日下降,高山區(qū)積雪融水成為徑流的主要補(bǔ)給來源,徑流量隨之也逐漸增大。

圖9 肯斯瓦特水文站2001-2008年3-6月逐日徑流和積雪變化的關(guān)系

2001-2008年3-6月瑪河流域分帶積雪面積和氣溫相關(guān)分析結(jié)果表明(圖10),各帶積雪面積和氣溫間相關(guān)性很高,3-6月各帶氣溫逐漸升高,積雪逐漸融化,帶1-3積雪在此期間消融完結(jié),帶1表現(xiàn)更為明顯,帶4不完全消融;帶3、帶4積雪面積和氣溫之間呈線性相關(guān)。積雪面積和流量散點(diǎn)圖顯示出很好的冪指數(shù)相關(guān)(圖11)。

圖10 瑪河流域各帶積雪面積和氣溫的相關(guān)關(guān)系

圖11 瑪河流域 2001-2008年3—6月逐日積雪面積和徑流量相關(guān)分析

4 討 論

瑪河流域因地處內(nèi)陸干旱少雨區(qū)域,河流補(bǔ)給主要靠高山區(qū)積雪冰川融水。整個冬春季節(jié),流城內(nèi)大片地區(qū)常為積雪所覆蓋,3月下旬以后,氣溫回升,積雪從低處向高處逐漸消融,從4月起,氣溫持續(xù)在℃以上,受大量融雪補(bǔ)給,河流水量顯著增加,至5月形成河流春汛。與降雨相比,融雪期流量與同期氣溫、流域積雪面積間具有更密切的相關(guān)性;徑流年內(nèi)分配集中于6-8月,降水的年內(nèi)分配集中于4-8月,徑流過程滯后于降水過程;春季徑流量的大小主要取決于春季山區(qū)氣溫的回升率,因此防洪部門要特別警惕春季氣溫的急劇上升。

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