基于MODIS的長(zhǎng)江源區(qū)雪冰遙感監(jiān)測(cè)及其變化規(guī)律分析

駱騰飛 ，譚德寶 ，文雄飛 ，趙登忠

(1.河海大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院， 南京 210098；2.長(zhǎng)江科學(xué)院 空間信息技術(shù)應(yīng)用研究所，武漢 430010)

基于MODIS的長(zhǎng)江源區(qū)雪冰遙感監(jiān)測(cè)及其變化規(guī)律分析

駱騰飛1，譚德寶2，文雄飛2，趙登忠2

(1.河海大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院， 南京 210098；2.長(zhǎng)江科學(xué)院 空間信息技術(shù)應(yīng)用研究所，武漢 430010)

利用2005—2014年的MODIS積雪產(chǎn)品，提取長(zhǎng)江源區(qū)積雪覆蓋率，結(jié)合同期相關(guān)氣象站點(diǎn)的逐月平均氣溫?cái)?shù)據(jù)和逐月月降水量以及直門達(dá)水文站的徑流數(shù)據(jù)，通過相關(guān)分析的方法，對(duì)長(zhǎng)江源區(qū)冰雪覆蓋變化規(guī)律及其變化原因進(jìn)行了探討。結(jié)果表明：2005—2014年間，長(zhǎng)江源區(qū)冰雪覆蓋率總體呈小幅度的減少趨勢(shì)；每年的10月份和11月份長(zhǎng)江源區(qū)冰雪覆蓋面積達(dá)到最大值，7月份和8月份達(dá)到最小值。另外，2005—2014年的4月份，曲麻萊月均氣溫和月均降水量對(duì)長(zhǎng)江源區(qū)月均冰雪覆蓋度的影響為：氣溫呈低度負(fù)相關(guān)，降水呈高度正相關(guān)；曲麻萊月均氣溫和月均降水量對(duì)直門達(dá)月均徑流的影響為：氣溫呈中度正相關(guān)，降水呈低度正相關(guān)。研究結(jié)果可為長(zhǎng)江源區(qū)水資源管理與生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供支撐。

長(zhǎng)江源區(qū)；MODIS積雪產(chǎn)品；雪冰覆蓋面積；氣溫；降水量；徑流

1 研究背景

近幾十年以來，全球氣候變化問題引起了國(guó)內(nèi)外眾多科學(xué)家的關(guān)注，而長(zhǎng)江源區(qū)作為全球氣候變化的一個(gè)指示器和晴雨表，其冰雪覆蓋面積對(duì)全球氣候變化有著很好的指示和參考作用。長(zhǎng)江源區(qū)是青藏高原上高原濕地主要分布地區(qū)之一，也是江河源區(qū)冰川分布最集中的地區(qū)，其冰川面積占整個(gè)三江源區(qū)的89%以上，冰川融水占長(zhǎng)江源區(qū)徑流的25%以上[1]。長(zhǎng)江源區(qū)是中國(guó)海拔最高的天然濕地和生物多樣性分布區(qū)以及生物物種形成、演化的區(qū)域之一，具有水源涵養(yǎng)與調(diào)節(jié)、生物多樣性保護(hù)、長(zhǎng)江流域生態(tài)安全保障等生態(tài)調(diào)節(jié)功能。然而，近幾十年來，在過度放牧等人為因素和全球氣候變化的共同影響下，長(zhǎng)江源區(qū)氣候暖干化趨勢(shì)明顯，造成了一系列生態(tài)環(huán)境問題，如冰川退縮、凍土退化、土地荒漠化、濕地與草場(chǎng)退化，以及水文系統(tǒng)發(fā)生了變化[2]。氣候變化與人類活動(dòng)對(duì)長(zhǎng)江源區(qū)水資源和生態(tài)環(huán)境的影響已成為社會(huì)日益關(guān)注的焦點(diǎn)和研究的熱點(diǎn)問題。

高寒地區(qū)的雪冰覆蓋變化與當(dāng)?shù)貧庀笠叵嚓P(guān)，也會(huì)對(duì)徑流的時(shí)空變化產(chǎn)生影響。國(guó)際上科學(xué)家[3-6]主要對(duì)里奧格蘭德河、Mokelumne River、恒河、庫(kù)班河的融雪徑流進(jìn)行了研究。 我國(guó)科學(xué)家[7-11]主要對(duì)黑河、長(zhǎng)江源區(qū)、天山的融雪徑流進(jìn)行了研究。近幾十年來，長(zhǎng)江特別是長(zhǎng)江源區(qū)徑流時(shí)空變化成為了研究熱點(diǎn)，而雪冰融化是長(zhǎng)江源區(qū)的徑流組成之一。因此對(duì)長(zhǎng)江源區(qū)的雪冰覆蓋進(jìn)行遙感監(jiān)測(cè)是很有必要的。

利用2005—2014年的MODIS積雪產(chǎn)品，提取長(zhǎng)江源區(qū)逐月月均雪冰覆蓋率，并結(jié)合長(zhǎng)江源區(qū)相關(guān)氣象站點(diǎn)(以曲麻萊站為例)的逐月平均氣溫?cái)?shù)據(jù)、月降水量序列以及長(zhǎng)江源區(qū)的出水口直門達(dá)水文站的逐月月均流量序列，分析曲麻萊站月均氣溫、月降水量與長(zhǎng)江源區(qū)月均雪冰覆蓋率的關(guān)系，挖掘長(zhǎng)江源區(qū)雪冰覆蓋率的變化規(guī)律與驅(qū)動(dòng)因素以及長(zhǎng)江源區(qū)雪冰覆蓋率與直門達(dá)水文站的月均流量的相關(guān)關(guān)系，為長(zhǎng)江源區(qū)水資源管理與生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供支撐。

2 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)

2.1 研究區(qū)域介紹

長(zhǎng)江源區(qū)范圍選擇以直門達(dá)水文站為界，大致范圍介于90°43′E—96°45′E，32°30′N—35°35′N之間，流域控制面積約13.78萬(wàn)km2(如圖1所示)[10]。(圖1中，站點(diǎn)1，2，3 分別是沱沱河、曲麻萊、玉樹氣象站；站點(diǎn)4 是直門達(dá)水文站。)地貌上以高原丘陵為主，河網(wǎng)水系發(fā)達(dá)，分布大小河流100余條，分屬沱沱河、當(dāng)曲和楚瑪爾河為主的3個(gè)源區(qū)水系。本文選取長(zhǎng)江源區(qū)2005—2014年的逐月雪冰覆蓋率數(shù)據(jù)和曲麻萊氣象站的逐月平均氣溫序列、月降水量序列進(jìn)行長(zhǎng)江源區(qū)雪冰覆蓋率變化規(guī)律及其與氣溫、月降水量的關(guān)系分析。

圖1 長(zhǎng)江源區(qū)邊界示意圖Fig.1 Sketch map of the boundary of the source region of Changjiang River

2.2 氣象和水文數(shù)據(jù)

從中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)上下載了曲麻萊站2005—2014年逐月月平均氣溫和逐月月降水量數(shù)據(jù)。從青海省水文局獲取直門達(dá)水文站2005—2014年逐月月均流量數(shù)據(jù)。

2.3 積雪遙感數(shù)據(jù)處理和積雪覆蓋率序列的求取

在美國(guó)國(guó)家冰雪數(shù)據(jù)中心(NSIDC)下載了2005—2014年長(zhǎng)江源區(qū)Modis積雪產(chǎn)品MOD10A2，行列號(hào)為h25v05和h26v05。積雪產(chǎn)品MOD10A2為8 d一個(gè)周期，處理后得到逐月雪冰覆蓋率。

Modis積雪產(chǎn)品MOD10A2是應(yīng)用積雪指數(shù)NDSI來對(duì)原始遙感影像進(jìn)行處理得到的分類產(chǎn)品MOD10A1，經(jīng)過8 d合成消除了云的影響，得到MOD10A2積雪產(chǎn)品，影像中數(shù)據(jù)為200的即為雪冰[12]。

實(shí)際使用過程中，需要對(duì)遙感積雪產(chǎn)品進(jìn)行一些處理。遙感數(shù)據(jù)處理主要包括遙感數(shù)據(jù)(2005—2014年長(zhǎng)江源區(qū)的Modis積雪產(chǎn)品MOD10A2)的拼接、等面積投影變換和裁剪等步驟。

利用ArcGIS的統(tǒng)計(jì)功能，得到雪冰的像元個(gè)數(shù)，乘以像元代表的實(shí)際面積，即為長(zhǎng)江源區(qū)雪冰覆蓋面積，除以長(zhǎng)江源區(qū)總面積即得到長(zhǎng)江源區(qū)雪冰覆蓋率。再將8 d一周期的冰雪覆蓋率數(shù)據(jù)進(jìn)行逐日插值(即這8 d的雪冰覆蓋率數(shù)據(jù)相同)和月平均運(yùn)算(即總和除以天數(shù))，即得到逐月的長(zhǎng)江源區(qū)冰雪覆蓋率序列。把一年12個(gè)月的月均雪冰覆蓋率做平均運(yùn)算，就得到了年均雪冰覆蓋率。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論分析

3.1 積雪覆蓋率變化趨勢(shì)分析

利用2005—2014年Modis積雪產(chǎn)品MOD10A2提取了長(zhǎng)江源區(qū)的逐月平均積雪覆蓋率。將2005—2014年的120個(gè)月的雪冰覆蓋率序列做一個(gè)折線圖，見圖2(a)，其變化趨勢(shì)是負(fù)的，說明2005—2014年期間，雪冰覆蓋率每月減少0.004 4%，120個(gè)月一共減小了0.528%?？傮w來說，雪冰覆蓋率減少比較微弱，不到1個(gè)百分點(diǎn)，說明近10 a長(zhǎng)江源區(qū)的雪冰覆蓋率是穩(wěn)定的，但呈微弱的減少趨勢(shì)。將2005—2014年的10 a的年均雪冰覆蓋率序列做一個(gè)折線圖，見圖2(b)，其變化趨勢(shì)是負(fù)的，說明2005—2014年期間，雪冰覆蓋率每年減少0.13%，10 a一共減小了1.3%。

圖2 2005—2014年長(zhǎng)江源區(qū)逐月和逐年的 平均雪冰覆蓋率變化趨勢(shì)Fig.2 Variation tendency of monthly and annual average ratios of snow-ice coverage in the source region of Changjiang River in 2005-2014

對(duì)比不同年份的長(zhǎng)江源區(qū)逐月月均雪冰覆蓋率，發(fā)現(xiàn)10月份、11月份的雪冰覆蓋率一般為一年中的較大值(2005—2014年間，10月份平均值為40.19%，11月份的平均值為34.06%)，而7月份和8月份的雪冰覆蓋率一般為一年中的較小值(7月份平均值為2.3%，8月份的平均值為2.93%)。

3.2 各個(gè)月份的雪冰覆蓋率與其他氣象水文要素的相關(guān)關(guān)系考察

3.2.1 氣溫與雪冰覆蓋率的關(guān)系

規(guī)定R的絕對(duì)值<0.05為不相關(guān)；0.05～0.4為低度相關(guān)；0.4～0.7為中度相關(guān)；>0.7為高度相關(guān)。

分析2005—2014年長(zhǎng)江源區(qū)的2月份冰雪覆蓋率與曲麻萊站的2月份月均氣溫(2005—2014年2月份曲麻萊站的月均氣溫在-8 ℃左右)的相關(guān)性，R值達(dá)到-0.731 3(見表1)，說明長(zhǎng)江源區(qū)的雪冰覆蓋率與曲麻萊站的月均氣溫在2月份呈高度負(fù)相關(guān)。分析其原因?yàn)?月份氣溫越低，越利于降雪，降雪量及降雪范圍越大，而且積雪在低溫天氣不容易融化。此時(shí)的主導(dǎo)因素是降雪事件。

表1 2005—2014年曲麻萊站月均氣溫與長(zhǎng)江源區(qū) 月均雪冰覆蓋率的相關(guān)系數(shù)Table 1 Coefficients of the correlation between monthly average temperature of Qumalai station and monthly average ratio of snow-ice coverage in the source region of Changjiang River in 2005-2014

圖3 2005—2014年8月份長(zhǎng)江源區(qū)雪冰覆蓋率 與曲麻萊月均氣溫散點(diǎn)圖Fig.3 Scatter plot of the relation between ratio of snow-ice coverage in the source region of Changjiang River and monthly average temperature of Qumalai station in August of 2005-2014

利用曲麻萊站2005—2014年的8月份平均氣溫和長(zhǎng)江源區(qū)逐月平均冰雪覆蓋率建立相關(guān)關(guān)系，R的值為-0.814 4(見表1)，呈高度負(fù)相關(guān)(見圖3)。原因分析：8月份氣溫越高，冰川覆蓋面積越小，此時(shí)主導(dǎo)因素是隨著氣溫的升高而導(dǎo)致的冰川的融化。

利用曲麻萊站2005—2014年的4月份平均氣溫和長(zhǎng)江源區(qū)逐月平均冰雪覆蓋率建立相關(guān)關(guān)系，R的值為-0.051 8，呈低度負(fù)相關(guān)。

3.2.2 降水量與冰雪覆蓋率的關(guān)系

選取了2005—2014年4月份的雪冰覆蓋率和月降水量建立相關(guān)關(guān)系，R值達(dá)到0.701 5(見表2)，高度正相關(guān)(見圖4)。選取了2005—2014年10月份的雪冰覆蓋率和月降水量建立相關(guān)關(guān)系，R值達(dá)到0.596 8(見表2)，中度正相關(guān)。

分析2005—2014年長(zhǎng)江源區(qū)的9月份雪冰覆蓋率與曲麻萊站的9月份月降水量的相關(guān)性，R值達(dá)到0.578 7(見表2)，說明長(zhǎng)江源區(qū)的雪冰覆蓋率與曲麻萊站的月降水量在9月份呈中度正相關(guān)。

表2 2005—2014年各月曲麻萊站月降水量與 長(zhǎng)江源區(qū)月均雪冰覆蓋率的相關(guān)系數(shù)Table 2 Coefficients of the correlation between monthly precipitation of Qumalai station and monthly average ratio of snow-ice coverage in the source region of Changjiang River in 2005-2014

圖4 2005—2014年4月份長(zhǎng)江源區(qū)月均雪冰 覆蓋率與曲麻萊月降水量散點(diǎn)圖Fig.4 Scatter plot of the relation between monthly average ratio of snow-ice coverage in the source region of Changjiang River and monthly precipitation of Qumalai station in April of 2005-2014

分析2005—2014年長(zhǎng)江源區(qū)的1月份雪冰覆蓋率與曲麻萊站的1月份月降水量的相關(guān)性，R值達(dá)到0.452 9(見表2)，說明長(zhǎng)江源區(qū)的雪冰覆蓋面積與曲麻萊站的月降水量在1月份呈中度正相關(guān)，這是由于1月份的氣溫在-10 ℃左右，降水基本為降雪形式。但為何不是高度相關(guān)了，這是由于1月份氣溫在-10 ℃左右，地上尚有相當(dāng)多的存雪，即時(shí)下的雪在總雪冰蓋率里所占比重顯得不突出。

3.2.3 雪冰覆蓋率與徑流的關(guān)系

分析2005—2014年長(zhǎng)江源區(qū)的5月份雪冰覆蓋率與直門達(dá)水文站的5月份月均徑流量的相關(guān)性，R值達(dá)到0.561 5(見表3)，說明長(zhǎng)江源區(qū)的雪冰覆蓋面積與直門達(dá)水文站的月均徑流量在5月份(注：5月份曲麻萊月均氣溫為3 ℃左右)呈中度正相關(guān)。

分析2005—2014年長(zhǎng)江源區(qū)的4月份雪冰覆蓋率與直門達(dá)水文站的4月份月均徑流量的相關(guān)性，R值達(dá)到0.224 9(見表3)，說明長(zhǎng)江源區(qū)的雪冰覆蓋面積與直門達(dá)水文站的月均徑流量在4月份(注：4月份曲麻萊月均氣溫為0 ℃左右)呈低度正相關(guān)。

表3 2005—2014年直門達(dá)月均流量與長(zhǎng)江源區(qū) 月均雪冰覆蓋率的相關(guān)系數(shù)Table 3 Coefficients of the correlation between monthly flow of Zhimenda Station and monthly average ratio of snow-ice coverage in the source region of Changjiang River in 2005-2014

分析2005—2014年長(zhǎng)江源區(qū)的2月份雪冰覆蓋面積與直門達(dá)水文站的2月份月均徑流量的相關(guān)性，R值達(dá)到-0.549 6(見表3)，說明長(zhǎng)江源區(qū)的雪冰覆蓋面積與直門達(dá)水文站的月均徑流量在2月份呈負(fù)相關(guān)。

3.3 單個(gè)月份的雪冰覆蓋率與其他氣象水文要素的相關(guān)關(guān)系考察

4月份的雪冰覆蓋率與其他氣象水文要素的相關(guān)關(guān)系比較顯著，所以單獨(dú)對(duì)其分析。

利用曲麻萊站2005—2014年的4月份平均氣溫和長(zhǎng)江源區(qū)2005—2014年逐月平均雪冰覆蓋率建立相關(guān)關(guān)系，R的值為-0.051 8，呈低度負(fù)相關(guān)。分析2005—2014年長(zhǎng)江源區(qū)的4月份雪冰覆蓋率與曲麻萊站的4月份月降水量的相關(guān)性，R值達(dá)到0.701 5，說明長(zhǎng)江源區(qū)的雪冰覆蓋面積與曲麻萊站的月降水量在4月份呈高度正相關(guān)，這是由于4月份的氣溫在零下，降水基本為降雪形式。而且由于4月份氣溫在0 ℃左右，地上存雪因?yàn)殡S時(shí)融化的緣故而比較少，所以即時(shí)下的雪在雪冰覆蓋率中所占的比重很突出。

由此分析可得：對(duì)比4月份曲麻萊月均氣溫和月均降水量對(duì)直門達(dá)月均雪冰覆蓋率的影響，氣溫呈低度負(fù)相關(guān)，降水呈高度正相關(guān)，可見4月份影響雪冰覆蓋率的主導(dǎo)因素是降水量，而不是氣溫。

分析2005—2014年長(zhǎng)江源區(qū)的4月份雪冰覆蓋率與直門達(dá)水文站的4月份月均徑流量的相關(guān)性，R值達(dá)到0.224 9，說明長(zhǎng)江源區(qū)的雪冰覆蓋面積與直門達(dá)水文站的月均流量在4月份呈低度正相關(guān)(注：4月份曲麻萊月均氣溫為0 ℃左右)。分析2005—2014年長(zhǎng)江源區(qū)的曲麻萊4月份月均氣溫與直門達(dá)水文站的4月份月均流量的相關(guān)性，R值達(dá)到0.40，說明曲麻萊4月份月均氣溫與直門達(dá)水文站的月均流量在4月份呈中度正相關(guān)。

由此分析可得：對(duì)比4月份曲麻萊月均氣溫和月均降水量對(duì)直門達(dá)月均徑流的影響，氣溫呈中度正相關(guān)，降水呈低度正相關(guān)，可見氣溫導(dǎo)致的融雪占徑流組成比降水占徑流組成大得多。

4 結(jié)論與展望

分析結(jié)果主要有2個(gè)結(jié)論：一是2005—2014年長(zhǎng)江源區(qū)的雪冰覆蓋率呈微弱的減少趨勢(shì)；二是2005—2014年的12個(gè)月份中，長(zhǎng)江源區(qū)的雪冰覆蓋率與其他氣象水文因子相關(guān)度最突出的是4月份，并且2005—2014年的4月份，曲麻萊月均氣溫和月均降水量對(duì)直門達(dá)月均雪冰覆蓋率的影響為：氣溫呈低度負(fù)相關(guān)，降水呈高度正相關(guān)，可見4月份影響雪冰覆蓋率的主導(dǎo)因素是降水量，而不是氣溫。曲麻萊月均氣溫和月均降水量對(duì)直門達(dá)月均徑流的影響為：氣溫呈中度正相關(guān)，降水呈低度正相關(guān)，可見氣溫導(dǎo)致的融雪占徑流組成比降水占徑流組成大得多。

本文的研究工作部分地揭示了長(zhǎng)江源區(qū)的雪冰覆蓋率在2005—2014年之間的變化規(guī)律及其與氣溫、降水、徑流的相關(guān)關(guān)系，可以為全球氣候變化問題提供參考，同時(shí)也為長(zhǎng)江源區(qū)的水資源管理和生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和決策支撐。長(zhǎng)江源區(qū)的冰雪覆蓋率與氣溫、降水、徑流的具體物理機(jī)理，還待深入的研究，這將會(huì)涉及到更多的數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法或者水文模型的使用。

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(編輯：姜小蘭)

Remotely-sensed Monitoring of Snow-ice in the Source Region ofChangjiang River Based on MODIS and Analysis of Its Change Rule

LUO Teng-fei1, TAN De-bao2,WEN Xiong-fei2, ZHAO Deng-zhong2

(1.College of Computer and Information, Hohai University, Nanjing 210098，China;2.Spatial Information Technology Application Department, Yangtze River Scientific Research Institute, Wuhan 430010, China)

The ratio of snow-ice coverage in the source region of Changjiang River was extracted by using MODIS snow product. On this basis,the change rule and causes of snow-ice coverage in the source region of Changjiang River were investigated by means of correlation analysis based on monthly average temperature and monthly precipitation series data of relevant meteorological stations in the same period as well as runoff flow data of Zhimenda hydrological station. Results showed that the coverage ratios of snow-ice in the source region of Changjiang River presented a trend of slight decrease overall. The area of snow-ice coverage in the source region of Changjiang River always reached its maximum value in every October and November, and always reached its minimum value in every July and August. In addition, in April of 2005-2014, the monthly average coverage ratio of snow-ice in the source region of Changjiang River was slightly negatively related to monthly temperature of Qumalai station and highly positively related to monthly precipitation of Qumalai station; monthly runoff flow of Zhimenda had moderately positive correlation with monthly temperature of Qumalai station and low positive correlation with monthly precipitation of Qumalai station. The results can provide support for water resources management and ecological environment protection in the source region of Changjiang River.

the source region of Changjiang River; MODIS snow product; area of snow-ice coverage; air temperature; precipitation; runoff

2016-05-20；

2016-06-30

科技部軟科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目(2012GXS2B008)；水利部中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目(CKSF2015018/KJ，CKSF2016263/KJ)；中國(guó)清潔發(fā)展機(jī)制基金贈(zèng)款項(xiàng)目(2013015)

駱騰飛(1987-)，男，湖北蘄春人，博士研究生，主要從事空間信息技術(shù)應(yīng)用、雪冰遙感研究工作，(電話)027-82926959(電子信箱)tfluo@foxmail.com。

10.11988/ckyyb.20160497

2017,34(3):143-147

TV211.13

A

1001-5485(2017)03-0143-05