青藏高原地區(qū)積雪與雪線高度時空變化研究

劉小妮, 莫李娟, 辛昱昊, 陳松峰, 趙雯頡, 吳金雨, 鞠琴

(1.河海大學(xué) 中國氣象局水文氣象重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京210098; 2.河海大學(xué) 水災(zāi)害防御全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210098; 3.太湖流域水文水資源監(jiān)測中心,江蘇 無錫 214024; 4.浙江省水利水電勘測設(shè)計院,浙江 杭州 310002; 5.江蘇省水資源服務(wù)中心,江蘇 南京,210029)

積雪是冰凍圈中對環(huán)境變化較為敏感的因子,對氣候變化、能量平衡、水循環(huán)有著巨大影響[1]。雪線是陸地表面有無積雪覆蓋地區(qū)的分界線[2-3],其高度變化信息能夠直觀反映冰雪的變化趨勢[4]。準(zhǔn)確分析并動態(tài)監(jiān)測積雪與雪線高度信息有利于及時應(yīng)對氣候變化對冰雪水資源變化的影響。

青藏高原是典型的高海拔積雪分布區(qū)[5],積雪與雪線高度變化具有復(fù)雜性,空間分布上存在明顯的差異性[6]。由于青藏高原積雪監(jiān)測站點(diǎn)相對較少且分布不均,利用遙感數(shù)據(jù)分析積雪變化特征是監(jiān)測積雪與防控雪災(zāi)最有效的手段[7]。黃曉東等[8]基于1980—2020年積雪覆蓋遙感數(shù)據(jù),探討了青藏高原積雪面積與積雪覆蓋日數(shù)的變化特征,發(fā)現(xiàn)青藏高原積雪分布具有空間分異特征。青藏高原地形復(fù)雜多變,存在明顯的區(qū)域性特征,一些學(xué)者開展了青藏高原地區(qū)的分區(qū)研究。例如:王芝蘭等[9]將青藏高原劃分為東、南、西和中部4個區(qū)域,分析了不同區(qū)域積雪深度的時空差異性;葉紅等[10]基于青藏高原主要山脈的地貌將其劃分為8個區(qū)域,探究了積雪的年內(nèi)、年際和季節(jié)性時空分布特征及變化趨勢。因此,對青藏高原地區(qū)開展積雪和雪線的分區(qū)研究有利于準(zhǔn)確解析不同區(qū)域的水平地帶和垂直地帶在空間分布特征上的差異性。

為深入認(rèn)識并準(zhǔn)確理解青藏高原地區(qū)積雪與雪線高度的分布特征和變化趨勢,本文基于河流水系方法將青藏高原劃分為12個子流域,采用MODIS逐日積雪覆蓋遙感數(shù)據(jù),利用雪線高度提取算法獲取雪線高度信息,進(jìn)一步分析青藏高原不同子流域積雪與雪線高度的時空變化特征,以期為寒區(qū)水資源管理和生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

青藏高原地處中國西部地區(qū),地理位置為25°～40°N、70°～105°E,平均海拔為4 367 m,被稱為世界第三極。本文選擇的研究區(qū)為海拔大于2 500 m的青藏高原大部分地區(qū)(不包括阿姆河和印度河的部分流域)[11]。研究區(qū)下墊面情況復(fù)雜,中部夾高原、盆地和深谷,四周多高山,總體特征表現(xiàn)為高海拔、低氣溫、積雪冰川分布廣泛,是典型的積雪分布區(qū)[5-6]。

考慮到青藏高原的冰雪融水是中國主要河流的重要補(bǔ)給源[12],本文基于河流水系分布情況,將青藏高原劃分為12個子流域,分別為阿姆河流域、雅魯藏布江流域、內(nèi)河流域、長江流域、黃河流域、塔里木河流域、怒江流域、柴達(dá)木河流域、印度河流域、瀾滄江流域、河西流域、恒河流域[13]。流域界限來源于國家青藏高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心(https://cstr.cn/18406.11.BaseGeography.tpe.249465.file)。研究區(qū)各子流域的分界如圖1所示。

1.2 數(shù)據(jù)資料

本文采用的1979—2020年逐日積雪深度數(shù)據(jù)集來源于美國冰雪數(shù)據(jù)中心[14]。該數(shù)據(jù)集經(jīng)過交叉定標(biāo)和Chang算法修正對中國地區(qū)的積雪變化進(jìn)行反演[15],已被廣泛應(yīng)用。青藏高原逐日MODIS積雪覆蓋率數(shù)據(jù)集來源于國家青藏高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心[16],時間序列為2000—2015年。該數(shù)據(jù)集是基于三次樣條函數(shù)插值的去云算法進(jìn)行去云處理后得到的,采用UTM投影方式,空間分辨率為500 m。采用的DEM數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/),空間分辨率為90 m。

2 研究方法

2.1 趨勢分析

采用平均值與一元線性回歸方法分析青藏高原地區(qū)積雪深度、積雪覆蓋率、雪線高度的年內(nèi)、年際、季節(jié)分布特征與變化情況。劃定3—5月為春季,6—8月為夏季,9—11月為秋季,12月至次年2月為冬季。一元線性回歸方程為:

y=ax+b。

(1)

式中:y可分別表示積雪深度、積雪覆蓋率、雪線高度;x為時間;a為斜率,a>0時表示y隨時間呈升高趨勢;b為常數(shù)。

2.2 雪線高度提取方法

根據(jù)唐志光等[17]提出的雪線高度提取方法,在遙感提取中將雪線定義為一個積雪面積為50%的狹窄帶狀區(qū),雪線提取過程包括3個步驟:①計算MODIS FSC數(shù)據(jù)(圖2(a))的平均積雪覆蓋率,對積雪覆蓋率進(jìn)行重采樣(圖2(b)),將積雪覆蓋(FSC≥50%)和無雪覆蓋(FSC<50%)進(jìn)行重分類,并對像元進(jìn)行鄰域分析,得到雪線像元(圖2(c));②對非雪線像元進(jìn)行剔除(圖2(d)),對保留的積雪像元進(jìn)行矢量化處理(圖2(e)),將雪線像元數(shù)據(jù)與DEM數(shù)據(jù)疊加在同一坐標(biāo)系中(圖2(f));③將青藏高原DEM數(shù)據(jù)按照雪線像元矢量邊界進(jìn)行掩膜提取(圖2(g)),將掩膜提取所得的柵格格點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)矢量化處理(圖2(h)),采用克里金插值法對離散的雪線高度數(shù)據(jù)進(jìn)行插值,得到雪線高度數(shù)據(jù)(圖2(i))。

圖2 基于積雪覆蓋率數(shù)據(jù)的雪線高度提取過程

3 結(jié)果與分析

3.1 積雪深度時空變化特征分析

3.1.1 積雪深度時間變化

1979—2020年青藏高原年及月尺度下積雪深度的變化情況如圖3所示。由青藏高原積雪深度年際變化情況(圖3(a))可知:1979—2020年青藏高原多年平均積雪深度為1.99 cm,積雪深度變化整體呈下降趨勢,且通過了0.05的顯著性檢驗(yàn),且變化率為-0.18 cm/(10年);1986年積雪深度達(dá)到最大值,為3.14 cm,1998年與1983年的次之,2017年的最小,為1.41 cm;1979—1987年和1996—1999年間積雪深度的累積距平線均呈上升趨勢,此時段內(nèi)年均積雪深度均大于多年平均積雪深度,且分別在1987年和1998年達(dá)到峰值;1999—2018年積雪深度的累積距平線呈下降趨勢,此時段內(nèi)年均積雪深度小于多年平均積雪深度。由青藏高原多年月平均積雪深度變化情況(圖3(b))可知:積雪深度的年內(nèi)分布呈先減小后增加的趨勢,且變化幅度較大;積雪深度的最大值出現(xiàn)在1月,為4.08 cm,最小值出現(xiàn)在9月,為0.29 cm。

圖3 1979—2020年青藏高原積雪深度變化情況

1979—2020年青藏高原12個子流域積雪深度的年際變化與累積距平圖如圖4所示,圖中柱狀代表積雪深度,曲線為累積距平線,下文類似圖同此。由圖4可知:①青藏高原12個子流域的積雪深度變化存在明顯差異。其中,阿姆河流域多年平均積雪深度最大,為5.24 cm;印度河流域的次之,為3.81 cm。②阿姆河流域積雪深度的變化幅度最大,其標(biāo)準(zhǔn)差為0.96 cm;怒江流域的次之,其標(biāo)準(zhǔn)差為0.83 cm。③雅魯藏布江流域、恒河流域、瀾滄江流域、怒江流域、印度河流域、內(nèi)河流域的年均積雪深度均在1998年達(dá)到最大值,分別為3.40、3.35、4.25、5.00、5.21、3.15 cm。④1979—1989年,青藏高原西部的塔里木河流域與印度河流域的積雪深度逐漸增大,1989年后積雪深度持續(xù)減小,阿姆河流域積雪深度的變化趨勢在1995年發(fā)生轉(zhuǎn)變;青藏高原中部的雅魯藏布江流域、恒河流域、內(nèi)河流域積雪深度的累積距平線的波動趨勢呈雙峰狀態(tài),而瀾滄江流域、怒江流域、長江流域呈明顯的單峰狀態(tài)(出現(xiàn)時間為2000年)。整體上看,2000—2018年間大部分子流域的積雪深度均以不同的遞減速率呈下降趨勢。

圖4 1979—2020年青藏高原各子流域積雪深度年際變化及累積距平圖

3.1.2 積雪深度空間變化

1979—2020年青藏高原多年平均積雪深度的空間分布如圖5所示,圖中白色區(qū)域?yàn)閿?shù)據(jù)缺失區(qū)域,下文其他空間分布圖中的含義相同。由圖5可知:受地形與氣象條件的影響,青藏高原地區(qū)積雪深度的空間分布差異性明顯;其空間分布特征總體表現(xiàn)為由中心區(qū)域向四周遞增的趨勢,且西部與南部地區(qū)的積雪深度較大。

圖5 1979—2020年研究區(qū)多年平均積雪深度空間分布圖

青藏高原各子流域的多年平均積雪深度見表1。由表1可知:各子流域多年平均積雪深度由大到小的順序?yàn)橛《群恿饔?、恒河流域、怒江流域、瀾滄江流域、阿姆河流域、雅魯藏布江流域、塔里木河流域、長江流域、河西流域、內(nèi)河流域、黃河流域、柴達(dá)木河流域。其中,內(nèi)河流域的面積占比最大(24.75%),雅魯藏布江流域與長江流域的面積占比次之。分析其原因?yàn)?青藏高原西部地區(qū)和南部地區(qū)分別處于西風(fēng)帶上風(fēng)區(qū)和印度洋暖濕氣流影響區(qū)域,受到高山地形對水汽的阻隔作用,降水量較高,導(dǎo)致積雪深度較高。

表1 1979—2020年青藏高原子流域多年平均積雪深度

3.1.3 積雪深度變化率

青藏高原各子流域不同季節(jié)的積雪深度變化情況如圖6所示。由圖6可知:①不同流域各個季節(jié)的積雪深度變化幅度不同,夏季與秋季的變化幅度較小,相對比較穩(wěn)定;冬季的變化幅度最大。②大部分流域的積雪深度在冬季呈下降趨勢,怒江流域的下降趨勢較顯著;只有河西流域與柴達(dá)木河流域冬季的積雪深度呈增加趨勢,其積雪深度變化率分別為0.34 cm/(10年)、0.15 cm/(10年)。③除恒河流域與印度河流域的積雪深度在春季呈微弱增長趨勢外,其余子流域春季的積雪深度均呈降低趨勢且怒江流域的變化較顯著。內(nèi)河流域、塔里木河流域積雪深度在4個季節(jié)中均呈明顯減少趨勢。

圖6 青藏高原各子流域不同季節(jié)的積雪深度變化情況

3.2 積雪覆蓋率時空分析

3.2.1 積雪覆蓋率的年際變化

2000—2015年青藏高原年及月尺度下積雪覆蓋率的變化情況如圖7所示。結(jié)合圖7(a)分析可知:青藏高原多年平均積雪覆蓋率為29.66%;積雪覆蓋率的年際變化幅度較小,整體上呈平緩的下降趨勢(未通過0.05的顯著性檢驗(yàn)),變化率為-1.05%/(10年);2002年的積雪覆蓋率最大,為33.77%,2012年的積雪覆蓋率最小。結(jié)合圖7(b)分析可知:青藏高原地區(qū)積雪覆蓋率的年內(nèi)變化幅度較大,且呈現(xiàn)明顯的雙峰值狀態(tài);積雪覆蓋率峰值的出現(xiàn)時間分別是1月(42.43%)和11月(39.93%),最低值出現(xiàn)在7月(17.13%);1—7月、11—12月為積雪覆蓋率衰減期,7—11月、12月到次年1月為積雪覆蓋率積累期。

圖7 2000—2015年青藏高原積雪覆蓋率的變化情況

2000—2015年青藏高原各子流域積雪覆蓋率的變化情況如圖8所示。

由圖8可知,青藏高原各子流域積雪覆蓋率的變化較為明顯。其中,塔里木河流域、恒河流域、內(nèi)河流域、印度河流域的積雪覆蓋率均在2008年達(dá)到最大值,均超過39%;瀾滄江流域、塔里木河流域、怒江流域、黃河流域的積雪覆蓋率均在2014年達(dá)到最大值,變化范圍為[29.46%,37.62%]。

青藏高原積雪覆蓋率變化率的空間分布如圖9所示。由圖9可以看出,2000—2015年青藏高原積雪覆蓋率變化率的變化范圍為[-9.01%,6.05%],整體呈現(xiàn)明顯的降低趨勢,同時存在明顯的空間差異性。為對比分析各子流域積雪覆蓋率的變化幅度,將多年平均積雪覆蓋率變化率劃分為4個區(qū)間:小于-2.0%為明顯減少、[-2.0%,-1.0%)為中度減少、[-1.0%,-0.5%)為輕度減少、[-0.5%,0%]為基本不變。

圖9 青藏高原積雪覆蓋率變化率的空間分布

2000—2015年青藏高原各子流域積雪覆蓋率的變化情況見表2。由表2可知:青藏高原各子流域積雪覆蓋率均呈減少趨勢,其中阿姆河流域、恒河流域、印度河流域的積雪覆蓋率呈明顯減少趨勢,雅魯藏布江流域的積雪覆蓋率呈中度減少趨勢,其他流域的積雪覆蓋率呈輕度減少或基本不變趨勢。

表2 青藏高原各子流域積雪覆蓋率的變化情況

3.2.2 不同時期積雪覆蓋率的分布情況

為更好地對比分析青藏高原各子流域積雪覆蓋率的階段性變化情況,將研究期(2000—2015年)劃分為3個時期:2000—2005年、2006—2010年和2011—2015年,不同時期青藏高原積雪覆蓋率的空間分布如圖10所示。由圖10可以看出:2000—2015年,印度河流域與塔里木河流域的積雪覆蓋率較高,為34%左右,瀾滄江流域與長江流域的積雪覆蓋率較低,為19%左右;2000—2005年,阿姆河流域的積雪覆蓋率最高,為40.12%,塔里木河流域和河西流域的次之;2006—2010年,印度河流域的積雪覆蓋率最高,為39.05%,塔里木河流域的次之;2011—2015年,塔里木河流域的積雪覆蓋率最高,為33.43%,印度河流域的次之?？傮w而言,各時期積雪覆蓋率的空間分布情況基本一致。

圖10 不同時期青藏高原積雪覆蓋率空間分布圖

青藏高原各子流域3個時期的積雪覆蓋率與2000—2015年積雪覆蓋率均值的差異情況如圖11所示。

圖11 青藏高原各子流域3個時期積雪覆蓋率與2000—2015年積雪覆蓋率均值的差異情況

由圖11可知:①2000—2005年阿姆河流域的積雪覆蓋率較2000—2015年的均值大6%;2006—2010年印度河流域積雪覆蓋率的增加幅度最大,其次是恒河流域的;2011—2015年恒河流域、河西流域與阿姆河流域的積雪覆蓋率減少趨勢較為明顯。②3個時期中阿姆河流域、恒河流域、河西流域、印度河流域的積雪覆蓋率變化幅度較大,而雅魯藏布江流域、柴達(dá)木河流域與怒江流域的積雪覆蓋率變化幅度較小。

3.2.3 積雪覆蓋率的季節(jié)變化

受地形、氣候的影響,青藏高原積雪覆蓋情況存在顯著的季節(jié)差異性。青藏高原2000—2015年積雪覆蓋率的時空分布情況分別見圖12、圖13。

圖12 青藏高原不同季節(jié)積雪覆蓋率的空間分布

圖13 青藏高原各子流域積雪覆蓋率的季節(jié)變化情況

由圖12與圖13可知:①總體來看,2000—2015年青藏高原4個季節(jié)的積雪覆蓋率由大到小的次序?yàn)槎?、春季、秋季、夏季。②冬季的積雪覆蓋率達(dá)到全年最高值,不同子流域春季與秋季的積雪覆蓋率較為接近。③青藏高原積雪覆蓋率的空間分布特征主要表現(xiàn)為:阿姆河流域與印度河流域春季的積雪呈聚集性分布,積雪覆蓋率較大,均超過60%;雅魯藏布江流域、怒江流域、塔里木河流域的次之,積雪覆蓋率均超過40%;其他流域的積雪呈散點(diǎn)式分布。分析其原因?yàn)?溫度升高、太陽輻射加強(qiáng)等造成夏季積雪覆蓋面積大幅度縮減,夏季的積雪覆蓋率的變化范圍為[11%,26%],且僅有阿姆河流域、恒河流域、印度河流域、塔里木河流域的積雪覆蓋率超過20%。隨著秋季氣溫的降低積雪面積較夏季的明顯增加,西部聚集性積雪面積逐漸增加,東南部與南部逐漸出現(xiàn)環(huán)狀積雪分布,其他區(qū)域的積雪面積逐漸呈現(xiàn)散點(diǎn)式分布。

3.3 雪線高度時空分析

3.3.1 雪線高度年際變化

青藏高原雪線高度的變化過程如圖14所示。由圖14(a)可知:2000—2015年青藏高原年均雪線高度的變化范圍為[4 700,5 000] m,變化幅度較小,整體呈緩慢升高趨勢,且沒有通過0.05的顯著性檢驗(yàn);2004年的雪線高度最小,且累積距平線在該年發(fā)生了轉(zhuǎn)折,之后雪線高度持續(xù)上升。由圖14(b)可知:雪線高度的年內(nèi)變化過程呈明顯的“單峰”型,雪線高度的最大值出現(xiàn)在8月,為4 948 m,最小值出現(xiàn)在1月;1—6月雪線高度的上升速度較快,8—12月雪線高度的下降速度較快,這主要與氣溫的變化有關(guān);6—8月雪線高度的上升速度較慢,這是由于6—8月為夏季,氣溫較高,且伴有較為豐沛的降水凝雪過程,使得雪線高度上升速度降低。

圖14 青藏高原雪線高度變化情況

對青藏高原各子流域的雪線高度年際變化進(jìn)行分析,結(jié)果如圖15所示。由圖15可知:①12個子流域雪線高度的分布范圍為[3 800,5 300] m。②各子流域雪線高度的變化幅度較小,且具有高度分層變化的特點(diǎn),大致可分為3層:雅魯藏布江流域、印度河流域、河西流域、恒河流域、長江流域、怒江流域的雪線高度分布在最上層,在5 000 m高度處上下波動變化,其中雅魯藏布江流域的平均雪線高度最高(5 139 m);其次是印度河流域的。阿姆河流域、塔里木河流域、柴達(dá)木河流域、內(nèi)河流域的雪線高度分布在中層,在4 500 m高度處上下波動變化;最底層的是黃河流域與瀾滄江流域,其雪線高度在4 200 m高度處上下波動。

圖15 青藏高原子流域雪線高度年際變化

3.3.2 雪線高度空間分布特征

根據(jù)2000—2015年青藏高原多年平均雪線高度空間分布圖(圖16)可看出,青藏高原雪線高度的空間分布存在顯著差異。整體上看,青藏高原中西部地區(qū)的雪線高度普遍較高,如內(nèi)河流域、雅魯藏布江流域西部、印度河流域東部地區(qū)的雪線高度均在4 900 m以上;位于東部地區(qū)的長江流域、黃河、河西流域、柴達(dá)木河流域各地區(qū)的雪線高度變化范圍集中在[3 000,4 300] m;雪線高度的最低值主要分布在青藏高原的東南部地區(qū)。

圖16 青藏高原多年平均雪線高度空間分布

青藏高原四季雪線高度的空間分布情況如圖17所示。由圖17可知:各季節(jié)多年平均雪線高度由大到小的排序結(jié)果為夏季、秋季、春季、冬季;春季的雪線高度從內(nèi)河流域南部向四周地區(qū)呈先升高后降低的特點(diǎn),空間上呈環(huán)狀分布;夏季的雪線高度低值區(qū)(<3 100 m)集中在東部地區(qū),雪線高度高值區(qū)(>5 500 m)集中在中東部地區(qū),較其他季節(jié)的明顯偏大;秋季與冬季的雪線高度空間分布情況整體較為相似,雪線高度最小值集中在柴達(dá)木河流域中部與黃河流域西北部區(qū)域,雪線高度最大值集中在塔里木河流域、印度河流域以及內(nèi)河流域的小部分區(qū)域。

圖17 青藏高原不同季節(jié)雪線高度空間分布圖

為進(jìn)一步探究青藏高原4個季節(jié)的雪線高度梯度變化情況,將高程以<3 100、[3 100,4 000)、[4 000,4 900)、[4 900,5 500]和>5 500 m分為5個高度帶,如圖18所示。由圖18可知:4個季節(jié)的雪線高度在3 100 m以上的占比均超過92%;夏季的雪線高度整體偏高,大于4 000 m的占比高達(dá)87.94%;春、冬季的雪線高度集中分布在[4 000,4 900) m,且春季天氣回暖,雪線高度的高值區(qū)(>5 500 m)較冬季的增加了4.25%,雪線高度的低值區(qū)(<3 100 m)較冬季的略有降低;秋季的雪線高度集中在[4 900,5 500] m,占比為41.78%。

圖18 青藏高原各季節(jié)雪線高度變化

4 結(jié)論

本文基于被動微波遙感數(shù)據(jù)與雪線高度提取方法,將青藏高原劃分為12個子流域,分析了青藏高原各子流域的積雪深度、積雪覆蓋率、雪線高度的時空變化特征及其變化趨勢。主要研究結(jié)論如下:

1)1979—2020年青藏高原積雪深度年際變化整體呈下降趨勢,阿姆河流域多年平均積雪深度最大,印度河流域的次之;4個季節(jié)的積雪深度變化幅度不同,冬季的變化幅度最大,夏季與秋季的變化幅度較小;青藏高原積雪深度空間上的變化表現(xiàn)為中部地區(qū)較低,四周地區(qū)較高的分布特征。

2)2000—2015年青藏高原積雪覆蓋率年際變化總體呈平緩的下降趨勢,年內(nèi)變化幅度較大,多年平均積雪覆蓋率為29.66%;印度河流域的積雪覆蓋率最大,高達(dá)39.83%,塔里木河流域的次之;春季與冬季的積雪覆蓋率空間分布情況較相似。

3)青藏高原雪線高度整體呈緩慢升高趨勢;夏季的雪線高度整體偏高,春季與冬季的雪線高度的變化范圍集中分布在[4 000,4 900] m,秋季的在[4 900,5 500] m的占比最大;各子流域雪線高度的變化幅度較小,且具有高度分層變化的特點(diǎn)。