2002-2012年西藏積雪面積時空變化研究

謝忠俍,肖聲華

(1. 陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 渭南 714099; 2. 廣東省大寶山礦業(yè)有限公司，廣東 韶關(guān) 512128)

0 前 言

雪是地表最活躍的自然要素之一，雪的特征(如積雪面積、積雪分布、雪深等)是全球氣候、能量平衡、生態(tài)模型和水文的重要輸入?yún)?shù)。中國是一個積雪多并且雪災(zāi)頻繁的國家，穩(wěn)定的季節(jié)性積雪大概是420 km×104 km左右[1]，其主要分布在內(nèi)蒙古和青藏高原以及新疆北部和東北等地。復(fù)雜的氣候背景和地理環(huán)境及多樣的降雪天氣導(dǎo)致我國的積雪分布很不均勻，雪蓋特征多樣。積雪特征研究以往大多是基于氣象站和水文站直接觀測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，但是這種人工作業(yè)方式，容易受到歷史氣象資料缺失及站點數(shù)量稀少的影響，尤其是在西藏自然地理、氣象條件惡劣的情況下更使得地面觀測數(shù)據(jù)受到限制。近年來，隨著遙感技術(shù)的不斷發(fā)展，應(yīng)用遙感數(shù)據(jù)進行積雪方面的研究取得了很大的進步。美國國家海洋和大氣局(NOAA)早在1966年第一顆極軌衛(wèi)星發(fā)射以后就開始制作北半球雪蓋產(chǎn)品，通過衛(wèi)星遙感監(jiān)測分析得到了全球積雪年際變化資料[2]。Frei等[3]通過遙感手段分析表明北美洲的積雪從20世紀(jì)30年代到80年代初在冬季一直呈現(xiàn)增加趨勢，隨后積雪呈減少趨勢。楊修群等[4]對北半球的雪蓋變化進行了時空特征分析，數(shù)據(jù)采用NOAA提供的1988-1998年北半球逐周的雪蓋數(shù)據(jù)，研究發(fā)現(xiàn)1988-1998年這十年來，北半球的積雪變化最強烈的異常區(qū)域在我國的青藏高原。楊存建等[5]通過實驗構(gòu)建新的積雪提取模型能有效提取積雪，并通過目視判讀檢驗,積雪提取效果理想。巴桑[6]等利用多源遙感數(shù)據(jù)分析西藏積雪變化趨勢，結(jié)果表明近年來西藏地區(qū)的積雪面積總體呈下降趨勢，同時存在明顯的季節(jié)性變化。楊倩[7]等利用MOD10A1通過積雪覆蓋指數(shù)研究了2000-2010年吉林省積雪時空變化特征及其與氣候的關(guān)系。楊志剛[8]等利用MODIS數(shù)據(jù)研究了近15年青藏高原積雪覆蓋時空變化。

西藏地區(qū)地處青藏高原的核心區(qū)域，是南亞和我國的許多大江大河的發(fā)源地。研究已表明該區(qū)域是我國積雪面積最大、時間最長的地區(qū)之一，其對長江流域夏季降水及東亞季風(fēng)及旱澇等災(zāi)害性天氣等會產(chǎn)生直接的影響[6,9]。文中利用MODIS積雪產(chǎn)品，采用月最大值合成的方式，獲取了西藏2002-2012年的積雪面積時空變化特征，并分析其積雪時空分布和變化特征，為西藏經(jīng)濟建設(shè)、環(huán)境保護及防災(zāi)減災(zāi)提提供科學(xué)依據(jù)。

2 研究區(qū)概況

西藏自治區(qū)土地面積120多萬km2，平均海拔高于4 000 m，大小湖泊共計1 500多個。由于夏季西南季風(fēng)和冬季西風(fēng)的交替控制，西藏的氣候類型復(fù)雜，干季和雨季的分別也非常明顯，干季一般在每年10月至第二年4月，雨季在每年的5月至9月。西藏的南部邊緣地區(qū)和藏北一線牧業(yè)生產(chǎn)受影響最嚴(yán)重的自然災(zāi)害就是雪災(zāi)。從20世紀(jì)80年代到現(xiàn)在，西藏曾發(fā)生多次重大雪災(zāi)，嚴(yán)重損害了牧民的生命財產(chǎn)安全。西藏的降雪南北多而中部少，南部邊緣降水量特點為雙峰型、那曲東北部和中西部則為單峰型[10]。同時由于高原地形復(fù)雜，基礎(chǔ)資料缺失及氣候獨特等原因，也給積雪研究帶來了許多困難。

3 研究數(shù)據(jù)與方法

3.1 研究數(shù)據(jù)

目前，NASA面向全球用戶共提供了陸地、大氣以及海洋三類共計44種的MODIS標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)產(chǎn)品。在MODIS的各種標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)產(chǎn)品里，MOD10(Terra提供)和MYD10(Aqua提供)代表的是陸地2級或者3級的標(biāo)準(zhǔn)雪蓋產(chǎn)品，它們是由美國國家雪冰數(shù)據(jù)中心(NSIDC)的分布式主動存檔中心(DAAC)面向全球用戶進行免費發(fā)布。本文收集的覆蓋西藏自治區(qū)，時間段為2002-2012年的空間分辨率為500 m的雪蓋產(chǎn)品MOD10A2影像數(shù)據(jù)，其影像生成頻率為每8天一次，它是利用每8景 MOD10A1 影像合成1期得到的產(chǎn)品，這樣合成能較大程度的降低云覆蓋對積雪識別的影響。

3.2 研究方法

1)數(shù)據(jù)預(yù)處理

利用 Arcgis10.1、Envi5.4等專業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件對 MOD10A2積雪產(chǎn)品進行鑲嵌和坐標(biāo)變換、投影轉(zhuǎn)換，選用最鄰近方法進行重采樣,再利用西藏矢量邊界對其進行裁剪，最后的數(shù)據(jù)結(jié)果以GEOTIFF格式輸出。

2)影像合成、積雪數(shù)據(jù)提取

選擇將研究區(qū)進行每月4景的MOD10A2圖像融合，為了去除云污染對 MOD10A2雪蓋產(chǎn)品分類所造成的影響,根據(jù)MOD10A2產(chǎn)品編碼及意義，通過設(shè)定地表類型的優(yōu)先級(積雪>湖冰>水體>陸地云層無意義)的方法來對積雪面積進行合成處理，其合成規(guī)則[11-12]見表1。對像元數(shù)據(jù)重分類并賦值(積雪為1，其他為0)，統(tǒng)計不同時期積雪像元數(shù)，按月積雪面積最大合成規(guī)則獲得研究區(qū)積雪面積[13]。

表1 MOD10A2產(chǎn)品合成規(guī)則

注：*0、1、4、11、254和255分別代表傳感器數(shù)據(jù)丟失、不確定、數(shù)據(jù)錯誤、夜晚或傳感器停止工作或在極地區(qū)域、傳感器數(shù)據(jù)飽和及填充數(shù)據(jù)。

3)積雪覆蓋時間指數(shù)計算

根據(jù)積雪覆蓋信息提取的結(jié)果統(tǒng)計得到西藏地區(qū)10年內(nèi)每年的月最大積雪面積、月最小積雪面積，據(jù)此得到西藏積雪的時間變化特征，同時對時間變化特征進行年內(nèi)變化和年際變化分析，為分析西藏積雪覆蓋的空間分布特征。根據(jù)文獻[14-15]提出的積雪覆蓋時間指數(shù) 對西藏近10年的各像元平均積雪指數(shù)進行提取、計算，具體見公式1。

(1)

4 結(jié)果分析

4.1 積雪的年內(nèi)變化時間變化特征

在積雪覆蓋的年內(nèi)變化上，西藏積雪面積隨著季節(jié)的更替有明顯的變化，存在有積雪和融雪兩個時期，年內(nèi)積雪變化有明顯的兩個波峰和一個波谷(見圖1)。第1個波峰出現(xiàn)于2月，其平均積雪面積達到58.6萬km2，最大積雪面積也達到81.1萬km2。2月以后，隨著春季的來臨，積雪開始慢慢消融，雖然4月最大積雪面積有所上升，但平均積雪面積及最小積雪面積都在2月后逐漸減少。至5月份，隨著夏季的來臨，積雪面積在快速的減少，直到7月達到最少，月平均積雪面積僅27.1萬km2。8月份后，隨著氣溫的下降，積雪面積又開始快速上升，到10月份達到第2個波峰，其平均面積達到47.3萬km2，最大積雪面積達到65.8萬km2。10月份以后，積雪面積開始小幅下滑。這是由于10月以后西藏進入冬季，氣溫極低，降水不充分，在一定程度上限制了積雪的堆積。

圖1 西藏積雪面積特征值年內(nèi)變化

4.2 積雪的年際變化時間變化特征

在積雪覆蓋的年際變化上，西藏積雪面積在總體上呈現(xiàn)雙峰波動的特征，但是波動幅度不大(見圖2)，10年內(nèi)西藏的平均積雪面積在39.9萬km2左右，約占研究區(qū)總面積的32.2%。年平均積雪面積的兩個峰值分別出現(xiàn)在2005年和2008年。在2008年，年平均積雪面積達到42.1萬km2，這與2008年冬天我國出現(xiàn)大范圍冰雪災(zāi)害天氣這個事實相符。年平均積雪面積的兩個波谷出現(xiàn)在2007年和2010年，這兩年的積雪面積僅為38.2萬km2和35.5萬km2。近10年來，積雪面積的年最大值出現(xiàn)的月份大多在1月或者2月，而積雪面積年最小值只出現(xiàn)在7月和8月，其中有8年都出現(xiàn)在7月(見表2)。

圖2 西藏積雪面積特征值年際變化表2 西藏積雪面積特征值的年際變化

從研究區(qū)10年的積雪覆蓋率的時間序列的變化來看(見圖3)，西藏的積雪覆蓋率周期性變化顯著，每一年的積雪覆蓋率都呈現(xiàn)出年初和年末高，中間時段低。在10年里，西藏地區(qū)每月的平均積雪覆蓋率基本上都在10%～60%之間，每年的月平均最小覆蓋率基本上都在7月份，約10%左右。積雪覆蓋率的年內(nèi)變化波動范圍較大，而年際變化波動范圍較小。

圖3 西藏積雪覆蓋率的時間序列變化

4.3 積雪的空間分布特征

西藏地區(qū)積雪在空間上的分布受地域的影響差異明顯(圖4)。高積雪區(qū)(積雪時間指數(shù)大于0.6)主要分布在西藏的林芝的大部分地區(qū)、那曲縣東部、昌都西部以及噶爾縣北部、日喀則南部邊緣等地。這樣的分布很大程度上是因為西藏北部處于西風(fēng)帶的上升區(qū)、南部處于孟加拉灣與印度的洋暖濕氣流的作用區(qū)，而這些地區(qū)的降水很豐富，這就為積雪的發(fā)展提供了有利的條件。而西藏的中部由于受到高山地形阻隔等的影響，水汽輸送較少，且該地區(qū)的海拔較低，溫度較高，不利于積雪的發(fā)展與堆積，所以中部的積雪覆蓋時間指數(shù)低。

圖4 西藏積雪10年平均積雪時間指數(shù)圖

5 結(jié) 論

本文主要通過收集2002-2012年共10年的西藏MOD10A2雪蓋產(chǎn)品，將數(shù)據(jù)進行4期合成一景，得到每個月的積雪覆蓋影像。分析出西藏10年來積雪面積的年內(nèi)、年際及空間分布特征。其結(jié)論如下：

1)在積雪覆蓋的年內(nèi)變化上，西藏積雪面積隨著季節(jié)的更替有明顯的變化，存在有積雪和融雪兩個時期，年內(nèi)積雪變化有明顯的兩個波峰和一個波谷，波峰出現(xiàn)于2月和7月，波谷出現(xiàn)于7月。

2)在積雪覆蓋的年際變化上，西藏積雪面積在總體上呈現(xiàn)雙峰波動的特征，但是波動幅度不大。10年來，積雪面積的年最大值出現(xiàn)的月份大多在1月或者2月，而積雪面積的年最小值只出現(xiàn)在7月和8月。

3)空間上，西藏地區(qū)積雪受地域影響差異明顯。高積雪區(qū)主要分布在西藏的林芝的大部分地區(qū)、那曲縣東部、昌都西部以及噶爾縣北部、日喀則南部邊緣等地。