張 博, 李雪梅, 秦啟勇, 李 超, 孫天瑤
(1.蘭州交通大學(xué)測繪與地理信息學(xué)院,甘肅 蘭州 730070;2.甘肅省地理國情監(jiān)測工程實(shí)驗(yàn)室,甘肅 蘭州 730070;3.地理國情監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用國家地方聯(lián)合工程研究中心,甘肅 蘭州 730070)
積雪是冰凍圈中較為活躍的因子[1],不僅影響地球表面輻射能量和水分平衡,而且是大氣環(huán)流、徑流模型、天氣預(yù)報(bào)以及氣候變化研究的關(guān)鍵要素之一[2]。研究積雪變化對于氣候變化、天氣預(yù)報(bào)及水資源的管理和再分配至關(guān)重要。中國天山是我國三大穩(wěn)定積雪區(qū)之一[3],作為中亞地區(qū)的水塔和重要的生態(tài)屏障[4],其山區(qū)融雪徑流產(chǎn)生的春汛對下游的農(nóng)業(yè)灌溉極其重要[5]。因此,準(zhǔn)確地監(jiān)測中國天山積雪變化對當(dāng)?shù)厝嗣竦纳a(chǎn)生活、區(qū)域氣候環(huán)境變化及水文循環(huán)意義重大。
在全球氣候變暖的形勢下,高寒地區(qū)積雪垂直分布引起了諸多學(xué)者的關(guān)注。Tang等[6]發(fā)現(xiàn)青藏高原海拔5500 m以上區(qū)域全年積雪覆蓋率(Snow cover percentage,SCP)均高于30%,且高海拔地區(qū)全年天山SCP的相對最小值出現(xiàn)在冬季。除多等[7]對西藏高原積雪時(shí)空分布進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)海拔4000 m以下年內(nèi)SCP 隨時(shí)間變化呈單峰型分布,海拔越高單峰型越明顯,而海拔4000 m 以上則為雙峰型,且年內(nèi)SCP最低值在海拔6000 m以下出現(xiàn)在夏季,在6000 m以上則出現(xiàn)在冬季。陳文倩等[8]采用MODIS積雪數(shù)據(jù)與氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)對亞洲中部干旱區(qū)不同高程帶上積雪面積變化規(guī)律進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)SCP隨季節(jié)變化在海拔1000 m 以下呈U 型曲線,在1000~4000 m 區(qū)域呈V 型曲線。衛(wèi)仁娟等[9]基于2001—2016年MOD10A2數(shù)據(jù)分析了新疆葉爾羌河流域不同高程帶上積雪面積年內(nèi)及年際變化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)海拔6000 m 以下SCP 年際變化曲線呈下降趨勢;海拔6000 m 以上SCP 年際變化不大,呈微弱增加趨勢。何海迪等[10]利用2001—2015年MOD10A2積雪產(chǎn)品和氣象數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)中國天山海拔1500 m以下區(qū)域SCP 低于10%,海拔4500 m 以上區(qū)域平均SCP 可達(dá)70%。秦艷等[11]采用2001—2015 年MODIS 積雪數(shù)據(jù)、陸表溫度數(shù)據(jù)和中國高時(shí)空分辨率降水?dāng)?shù)據(jù)對中國天山積雪時(shí)空變化進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)中國天山全區(qū)積雪面積呈略微減少趨勢,其中秋季略微增加,春季變化不大,冬季和夏季明顯減少。綜上所述,不同海拔尺度上,SCP的垂直變化異質(zhì)性大,同時(shí)不難發(fā)現(xiàn)前人多采用MODIS積雪產(chǎn)品與氣象站點(diǎn)資料相結(jié)合在較大的海拔范圍(1000~4000 m 的海拔間隔)上研究積雪垂直變化,較少考慮將海拔高度進(jìn)行精細(xì)劃分,從更小的尺度(1000 m 及以下海拔間隔)上研究積雪垂直分布的空間異質(zhì)性及其對氣候因子的響應(yīng)。由于中國天山氣象站點(diǎn)稀缺且大多分布于低海拔區(qū)域,實(shí)測站點(diǎn)資料的局限性給積雪變化的研究帶來了很大的不確定性。而MOD11A2可以提供長時(shí)間序列溫度分布[12],其精度已經(jīng)得到廣泛驗(yàn)證,大量學(xué)者已應(yīng)用于溫度時(shí)空變化研究[13-14],為缺資料的山區(qū)積雪分布格局及氣候響應(yīng)研究提供數(shù)據(jù)支撐。
在融雪徑流模擬和氣候變化對積雪影響更精準(zhǔn)的評估中,積雪更小尺度上的垂直性變化是一個(gè)必不可少的考慮因素,因此從更精細(xì)的海拔尺度上開展中國天山積雪垂直變化與溫度變化的時(shí)空相關(guān)性研究十分必要。中國天山山區(qū)存在著顯著的變暖趨勢,且增暖幅度明顯高于全國平均水平[15]。故本文以氣候快速增暖的中國天山為研究區(qū),采用MODIS 積雪產(chǎn)品(MOD10A2)和地表溫度產(chǎn)品(MOD11A2),結(jié)合部分站點(diǎn)實(shí)測資料,通過將中國天山海拔范圍精細(xì)劃分為一系列海拔帶的方法,對整個(gè)中國天山進(jìn)行精細(xì)分區(qū)統(tǒng)計(jì)分析,從較小的尺度上研究積雪的垂直分布異質(zhì)性及其與地表溫度(Land surface temperature,LST)的協(xié)同關(guān)系,以期為中國天山積雪資源的精細(xì)化利用及精準(zhǔn)化災(zāi)害防治等提供理論依據(jù)。
我國境內(nèi)的天山(中國天山)位于整個(gè)山系的東部,全長1700 km,山脊線平均高度為4000 m(圖1)。山間盆地和縱向谷地相間,西段構(gòu)造強(qiáng)烈上升,地勢高峻,由此向東,地勢有所降低,最東段山勢迅速降低,逐漸淹沒在戈壁之中[16]。中國天山以典型的溫帶大陸性干旱和半干旱氣候?yàn)橹鳎?7],且是南北疆的氣候過渡帶[18],由于受西風(fēng)環(huán)流和獨(dú)特地形的影響[19],中國天山東部和南部降水稀少,年均降水量約為200 mm,伊犁河谷上游是中國天山的最大降水中心,年降水量高達(dá)500~800 mm[20]。中國天山海拔4000 m以上冰川與凍土分布廣泛,豐富的雪冰資源成為新疆河川徑流的重要供給來源[11]。
使用美國國家冰雪數(shù)據(jù)中心(NSIDC,http://nsidc.org/nasa/MODIS)的MOD10A2,時(shí)間分辨率為8 d,空間分辨率為500 m。相關(guān)研究表明MOD10A2在新疆區(qū)域的積雪識別精度為87.5%~94.0%[21-22],能較好地反映中國天山積雪時(shí)空分布特征[11,23]。研究區(qū)的范圍由4 幅圖像拼接而成,分別是h23v04、h23v05、h24v04和h24v05。
數(shù)字高程模型(DEM)來自地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn)提供的90 m 分辨率的SRTM數(shù)據(jù)集。
采用中國氣象數(shù)據(jù)官網(wǎng)(http://cdc.cma.gov.cn)3個(gè)氣象站2001—2018 年的日平均氣溫資料驗(yàn)證MOD11A2在研究區(qū)的適用性,信息詳見表1。
表1 氣象站點(diǎn)信息Tab.1 Information of meteorological stations
地表溫度資料選用美國NASA 數(shù)據(jù)在線網(wǎng)站(https://earthdata.nasa.gov/)的地表溫度產(chǎn)品MOD-11A2,空間分辨率為1 km。為與積雪數(shù)據(jù)相匹配,對白天和夜間2個(gè)數(shù)據(jù)集求平均值得到18 a來中國天山8 d 平均LST,并重采樣至500 m 分辨率。為驗(yàn)證MOD11A2對研究區(qū)的適用性,對巴音布魯克、巴里坤和伊吾3 個(gè)氣象站LST 與站點(diǎn)實(shí)測氣溫(共2484 對數(shù)據(jù))進(jìn)行回歸分析,結(jié)果顯示相關(guān)系數(shù)均大于0.95(表2),這表明MOD11A2完全可以滿足本研究的需要。
表2 2001—2018年氣象站實(shí)測氣溫和地表溫度(LST)精度驗(yàn)證結(jié)果Tab.2 Accuracy verification results of measured air temperature and LST data from 2001 to 2018
(1)積雪指數(shù)
積雪覆蓋率(SCP,%)表示積雪覆蓋面積占研究區(qū)總面積比百分率[11]。計(jì)算公式如下:
式中:Ss為統(tǒng)計(jì)區(qū)域內(nèi)的積雪覆蓋面積(m2);S為研究區(qū)總面積(m2)。
(2)分區(qū)統(tǒng)計(jì)方法
為研究積雪覆蓋的海拔差異性,根據(jù)中國天山山區(qū)的地形特點(diǎn)將海拔按照200 m間隔進(jìn)行分帶處理。為比較不同海拔帶上的變化特征,將中國天山劃分為6 個(gè)不同海拔分區(qū):A 區(qū)(海拔≤1000 m)、B區(qū)(海拔1000~2000 m)、C區(qū)(海拔2000~3200 m)、D區(qū)(海拔3200~4200 m)、E 區(qū)(海拔4200~5000 m)和F區(qū)(海拔≥5000 m)。
2.1.1 不同月份SCP的垂直分布格局圖2顯示不同海拔帶上各月SCP 的變化情況,SCP 來自于2001—2018 年各月每8 d 合成的SCP 加權(quán)平均值,其權(quán)重由積雪數(shù)據(jù)在該月的跨度天數(shù)決定。SCP隨海拔的變化分別記為模式I、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ。
圖2 中國天山月平均積雪覆蓋率(SCP)垂直分布Fig.2 Vertical distribution of monthly mean snow cover percentage(SCP)in Chinese Tianshan Mountains
模式Ⅰ代表12月—次年2月(冬季)SCP隨海拔的變化。A 區(qū)的SCP 由低海拔的6%左右上升至60%左右,在海拔600 m 以上開始下降,迅速降到30%左右。B區(qū)的SCP 處于較快上升狀態(tài),由30%~40%上升至60%~70%。C 區(qū)的SCP 基本無變化,積雪覆蓋了該海拔帶60%~70%的面積。D 區(qū)的SCP平緩上升至80%~90%,達(dá)到冬季最高峰,而E 區(qū)的SCP開始逐漸下降,降至60%左右。
模式Ⅱ代表3—5 月(春季)SCP 隨海拔的變化。在A區(qū),3月的SCP急劇上升至30%隨后下降至10%左右,4 月和5 月的SCP 維持在1%左右。在B區(qū),3月和4月的SCP保持相同的速率持續(xù)上升,3月上升至30%左右,4月上升至10%左右。在C區(qū),3—5 月的SCP 均保持相同的走勢,3 月從30%上升至60%,4 月從10%上升至55%左右,5 月從2%上升至35%左右。在D區(qū),3月和4月的SCP上升趨勢隨海拔升高逐漸降低,5月的SCP急劇上升,自35%上升至85%左右。在E 區(qū),3—5 月均表現(xiàn)出平緩上升的共同特征,在4800~5000 m 達(dá)到最高值。越過5000 m(F區(qū)),3—5月的SCP均開始下降。
模式Ⅲ代表9—11 月(秋季)SCP 隨海拔的變化。在A 區(qū),11 月的SCP 出現(xiàn)明顯上升趨勢,在600~800 m 處上升至18%左右,隨后下降到10%左右,9 月和10 月的SCP 一直保持最低狀態(tài)不變。在B區(qū),11月的SCP上升速率逐漸加快,跨越C、D和E區(qū)保持較高上升速率,在4800~5000 m 達(dá)到最高(99%左右),隨后在F區(qū)逐漸下降至93%左右。9月和10月SCP的上升趨勢保持相同的規(guī)律,即在A區(qū)沒有上升趨勢,在B~D 區(qū)共同保持快速上升模式,在E區(qū)上升速率逐漸降低,隨后平緩上升至最高值,在4800~5000 m間開始下降。
模式Ⅳ代表6—8 月(夏季)SCP 隨海拔的變化。6—8月的SCP在A區(qū)和B區(qū)沒有出現(xiàn)明顯上升態(tài)勢,在C區(qū)開始上升,并保持相同的上升速率持續(xù)上升,在E區(qū)達(dá)到峰值,隨后開始下降。
2.1.2 不同海拔分區(qū)SCP 年內(nèi)變化態(tài)勢圖3 為2001—2018 年不同海拔分區(qū)SCP 的年內(nèi)變化情況。A區(qū)和B區(qū)的SCP變化態(tài)勢相同,從9月下旬開始上升,到12月底達(dá)到峰值(A區(qū)峰值為43%左右,B 區(qū)峰值為63%左右),12 月底后積雪開始急劇消融,至4 月中旬SCP 降至最低值,隨后保持不變,穩(wěn)定在1%左右。C區(qū)的SCP明顯大于A區(qū)和B區(qū)2個(gè)低海拔區(qū)域,自8 月的5%左右逐步上升至11 月中旬的60%左右,隨后在11月—次年2月期間平緩上升達(dá)到最高值70%,在2 月中旬開始急劇下降,至6月初開始逐漸趨于最低值2%。D 區(qū)全年SCP 均在30%以上,該區(qū)SCP 從8—10月一直處于上升態(tài)勢,10 月—次年4 月一直處于平穩(wěn)狀態(tài),保持在80%左右;該分區(qū)SCP 低值時(shí)段位于7 月末—8 月初,原因是該地區(qū)8月溫度較高,位于0 ℃以上,在此期間發(fā)生了積雪消融。E 區(qū)和F 區(qū)的共同特征是在8—10月SCP 穩(wěn)定在90%以上,最大值均出現(xiàn)在7—8 月,10 月—次年1 月開始急劇下降,1 月中旬降至最低點(diǎn),隨后在2—4 月開始回升至95%左右,之后基本穩(wěn)定不變。
圖3 2001—2018年中國天山不同海拔分區(qū)SCP年內(nèi)變化Fig.3 Intra-annual changes of SCP in different altitude zones in Chinese Tianshan Mountains from 2001 to 2018
2.2.1 不同月份LST 垂直分布格局通過計(jì)算2001—2018 年不同月份MODIS 8 d 平均LST(白天和夜間LST的平均值)的垂直分布,得到研究區(qū)LST的垂直分布格局(圖4)。在各海拔帶上,春季LST均高于秋季LST。3月與11月LST曲線相近,4月與10 月LST 曲線相近,5 月與9 月LST 曲線相近,春季和秋季的LST 均表現(xiàn)為自高海拔向低海拔逐漸降低。5000 m 以下地區(qū)的夏季LST 均高于0 ℃,不利于積雪積累,故夏季SCP 較低。在12 月—次年2 月(冬季),A 區(qū)海拔400 m 之后有一段逆溫現(xiàn)象,LST由0 ℃開始下降,在海拔200~400 m開始上升,在此期間SCP 的變化表現(xiàn)為先升高后降低,由此表明月均LST的垂直分布模式與SCP變化模式具有很強(qiáng)的對應(yīng)關(guān)系。
圖4 2001—2018年中國天山月均地表溫度(LST)垂直分布Fig.4 Vertical distribution of monthly mean land surface temperature(LST)in Chinese Tianshan Mountains from 2001 to 2018
2.2.2 不同海拔分區(qū)LST 年內(nèi)變化態(tài)勢圖5 為2001—2018 年不同海拔分區(qū)LST 的年內(nèi)變化情況。6個(gè)海拔分區(qū)的共同特征是最低LST均出現(xiàn)在1月中下旬左右,全年平均LST由夏季末開始下降,冬季過后(1 月25 日)開始逐步上升,夏季最高LST高達(dá)36 ℃左右,冬季最低LST 低至-29 ℃左右。在同一時(shí)間內(nèi),隨著海拔的逐漸升高,平均LST也隨之降低。中國天山LST的垂直變化模式與SCP的垂直變化模式具有很強(qiáng)的對應(yīng)關(guān)系,隨著海拔逐漸升高,各月的LST 呈下降趨勢,SCP 呈上升趨勢,說明LST與SCP存在負(fù)相關(guān)關(guān)系。從時(shí)間序列上看,2個(gè)海拔分區(qū)(E 區(qū)和F 區(qū))的SCP 曲線變化規(guī)律與LST曲線變化規(guī)律相似,而4個(gè)海拔分區(qū)(A、B、C區(qū)和D區(qū))的SCP 曲線變化規(guī)律與其對應(yīng)的LST 曲線變化規(guī)律呈相反態(tài)勢,表明中國天山積雪垂直分布存在著海拔異質(zhì)性。
圖5 中國天山不同海拔分區(qū)LST的年內(nèi)變化Fig.5 Intra-annual changes of LST in different altitude zones in Chinese Tianshan Mountains
對照各月SCP 與LST 垂直分布的相關(guān)分析結(jié)果(表3)可得,SCP 與LST 之間存在顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。在3—5 月和9—11 月,SCP 與LST 的負(fù)相關(guān)關(guān)系較強(qiáng)(r<-0.9),12 月—次年2 月負(fù)相關(guān)關(guān)系較弱(r>-0.8)。在4—7 月消融期內(nèi),4 月負(fù)相關(guān)性較強(qiáng)(-0.96),7 月負(fù)相關(guān)性較弱(-0.84),4—7 月內(nèi)負(fù)相關(guān)性呈逐月遞減趨勢。在8—10月積累期內(nèi),8月負(fù)相關(guān)性較弱(-0.87),10 月負(fù)相關(guān)性較強(qiáng)(-0.98),負(fù)相關(guān)性呈逐月增強(qiáng)趨勢。
表3 中國天山各月SCP與月LST的相關(guān)系數(shù)Tab.3 Correlation coefficients between monthly SCP and monthly LST in Chinese Tianshan Mountains
為進(jìn)一步探討SCP 變化與LST 之間的關(guān)系,對2001—2018年5個(gè)海拔分區(qū)(因海拔高于5000 m以上區(qū)域數(shù)據(jù)稀少,故5000 m以上地區(qū)不做考慮)8 dSCP 與LST 進(jìn)行相關(guān)分析。由表4 可見,B~D 區(qū)的SCP與LST均具有顯著的強(qiáng)負(fù)相關(guān)性(r<-0.9),在D區(qū)達(dá)到最高,在A區(qū)最低;SCP與LST的顯著相關(guān)性隨海拔高度的增加先增加后減小。
表4 2001—2018年中國天山不同海拔分區(qū)SCP與LST的相關(guān)系數(shù)Tab.4 Correlation coefficients between SCP and LST in different altitude zones in Chinese Tianshan Mountains from 2001 to 2018
中國天山各季節(jié)的SCP 隨海拔增加而增加,均在4800~5000 m 海拔帶上達(dá)到峰值(70%~99%),這與中國天山SCP 隨著海拔的增加而增加,尤其是在高海拔的永久性積雪區(qū)域,SCP 均保持在70%以上結(jié)論一致[10,24],但本文還發(fā)現(xiàn)在不同的較小海拔范圍內(nèi),就中國天山SCP峰值而言,夏季大于冬季。唐志光等[23]發(fā)現(xiàn)中國天山積雪面積在1月底達(dá)到最大值,在7—8 月達(dá)到最低值,秦艷等[11]和侯小剛等[25]發(fā)現(xiàn)整體上中國天山SCP 在冬季達(dá)到最大、夏季最小,但均未從精細(xì)海拔帶上探討SCP 的季節(jié)變化。本文在更精細(xì)的海拔尺度上開展研究,發(fā)現(xiàn)積雪與LST 垂直變化密切相關(guān)。E 區(qū)和F 區(qū)2 個(gè)海拔分區(qū)(4200 m以上)的SCP曲線變化規(guī)律與LST的曲線變化規(guī)律相似,而A、B、C 區(qū)和D 區(qū)4 個(gè)海拔分區(qū)(4200 m以下)的SCP曲線變化規(guī)律與其對應(yīng)的LST曲線變化規(guī)律呈相反態(tài)勢,這充分表明中國天山積雪垂直分布存在著海拔異質(zhì)性。積雪升華和風(fēng)吹雪的影響是高海拔山區(qū)積雪減少的重要因素[26],盡管該區(qū)域全年氣溫較低,滿足積雪的負(fù)溫條件,但高海拔地區(qū)控制積雪面積的決定性條件為降水[27-28],而冬季高山區(qū)降水相比夏季較少,加上中國天山盛行西風(fēng)環(huán)流的風(fēng)吹雪作用使積雪遷移至河谷或海拔較低的區(qū)域,冬季大風(fēng)和相對干燥的氣候進(jìn)一步加速積雪升華[29],從而導(dǎo)致4200 m以上區(qū)域冬季SCP減少,故該區(qū)域的SCP變化規(guī)律與4200 m以下區(qū)域SCP變化規(guī)律呈相反特征。
除冬季外,春、夏、秋3 個(gè)季節(jié)的SCP 與LST 均有顯著強(qiáng)負(fù)相關(guān)性,冬季相關(guān)性較差可能與低海拔地區(qū)降雪較多、高海拔地區(qū)風(fēng)吹雪效應(yīng)和溫度反轉(zhuǎn)現(xiàn)象有關(guān)[30]。不同海拔帶上LST對積雪的影響作用也不同,在海拔3200~4200 m 上LST 對SCP 影響最大,超過4200 m 海拔后LST 對SCP 的影響逐漸減弱,這是因?yàn)樵诤0伍撝祪?nèi)溫度(LST 或氣溫)是影響SCP的主要控制因素[31],超過海拔閾值,影響SCP空間分布的因素則更為復(fù)雜。由于山區(qū)觀測數(shù)據(jù)的缺乏,高海拔地區(qū)積雪變化的驅(qū)動因素辨析仍然具有挑戰(zhàn)性,值得進(jìn)一步研究。此外,18 a的時(shí)間序列尚短,研究積雪年際變化可信度尚較低,在統(tǒng)計(jì)學(xué)上難以通過顯著性檢驗(yàn),隨著遙感數(shù)據(jù)不斷的積累未來將會針對更長時(shí)間序列的積雪產(chǎn)品資料展開更為深入的研究工作。
本文基于2001—2018年MOD10A2積雪產(chǎn)品和MOD11A2 地表溫度產(chǎn)品,通過對海拔進(jìn)行精細(xì)分帶,采用了分區(qū)統(tǒng)計(jì)和相關(guān)性檢驗(yàn)方法對中國天山積雪垂直分布異質(zhì)性進(jìn)行了詳細(xì)解析,并對積雪垂直分布與LST 的響應(yīng)關(guān)系進(jìn)行了探討,得到如下結(jié)論:
(1)中國天山SCP 隨海拔的變化呈春、夏、秋、冬4種季節(jié)變化模式。冬季SCP隨海拔變化幅度較大,在海拔800 m 以下及1200 m 以上均呈明顯上升趨勢,800~1200 m之間呈明顯下降趨勢。春季與秋季SCP隨海拔變化呈相似的變化趨勢。夏季SCP在海拔2800 m 以上呈明顯上升趨勢,在4800~5000 m海拔帶上達(dá)到峰值后迅速下降。每種模式在不同海拔帶上呈現(xiàn)不同的特征,4 種變化模式中SCP 均在海拔帶4800~5000 m 上達(dá)到峰值,且積雪與LST的垂直變化具有顯著強(qiáng)負(fù)相關(guān)關(guān)系。
(2)中國天山高海拔地區(qū)(E 區(qū)和F 區(qū))的SCP垂直分布與中低海拔地區(qū)(A、B、C區(qū)和D區(qū))的SCP垂直分布規(guī)律呈相反特征,但均表現(xiàn)較為敏感的海拔依賴性。在5—9 月,SCP 對C 區(qū)和D 區(qū)海拔最為敏感,其他4個(gè)分區(qū)表現(xiàn)不敏感。A、B、E區(qū)和F區(qū)4個(gè)分區(qū)的SCP 在4—10 月基本上無變化,相比較C區(qū)和D區(qū)而言,變化并不敏感。
(3)從季節(jié)尺度上看除冬季外,春、夏、秋3 個(gè)季節(jié)的SCP 與LST 均有顯著強(qiáng)負(fù)相關(guān)性,從空間尺度上看,在海拔3200~4200 m 間LST 對SCP 影響最大,超過4200 m 海拔后LST 對SCP 的影響逐漸減弱。