雪線時(shí)空分布及與地形因子相關(guān)性分析

陳曉寧，蔣好忱，田懷啟

（1.國(guó)家測(cè)繪地理信息局第一地形測(cè)量隊(duì)，陜西 西安 710054）

全國(guó)地理國(guó)情監(jiān)測(cè)是綜合利用3S技術(shù)及現(xiàn)代測(cè)繪方法對(duì)地表覆蓋、國(guó)情要素等進(jìn)行動(dòng)態(tài)定量化監(jiān)測(cè)，從而為建設(shè)“數(shù)字中國(guó)”服務(wù)于社會(huì)各界奠定基礎(chǔ)［1］。對(duì)我國(guó)冰雪范圍變化的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)是其中一項(xiàng)重要內(nèi)容。雪線是現(xiàn)代冰川的一個(gè)重要指標(biāo)，同時(shí)也是全球氣候系統(tǒng)現(xiàn)狀的客觀表征。從概念上來(lái)講即常年積雪的下線（積雪季節(jié)性變化的上線），也可以說(shuō)是全年降雪量與消融量相等的平衡線，雪線以上為冰川累積區(qū)，以下為消融區(qū)［2］。對(duì)影響雪線的因素進(jìn)行分析,可為監(jiān)測(cè)冰雪的空間分布、范圍的動(dòng)態(tài)變化提供理論支持，同時(shí)也為人地關(guān)系、資源利用及社會(huì)生態(tài)可持續(xù)發(fā)展提供依據(jù)。目前的研究大多注重雪線位置與氣溫、降水之間的關(guān)系，而對(duì)地形因子的考慮很少涉及［3-8］。本文以青海玉珠峰排除氣溫、降水條件的影響，對(duì)各地形因子與雪線的關(guān)系進(jìn)行探索。

1 數(shù)據(jù)及資料

玉珠峰位于青海省中西部，是昆侖山東段的最高 峰， 94°04'～94°56'E、35°34'～35°44'N， 最 高 海 拔 約6 170 m。山峰頂部常年被冰雪覆蓋，無(wú)巖石表露。冰雪坡較平緩，是我國(guó)典型的冰川與常年積雪地區(qū)。

研究所采用的數(shù)據(jù)包括：1998年航攝影像，2010、2013、2015年 7月 玉 珠 峰 地 區(qū) SPOT5（R/G/NIR）、QuickBird（R/G/B/NIR）及全色波段遙感影像，經(jīng)融合后重采樣，空間分辨率分別為2.5 m、0.6 m（圖1）；青海地區(qū)2013年地面氣象資料月值數(shù)據(jù)，來(lái)源于中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)（http://cdc.nmic.cn/home.do），分別對(duì)氣溫、降水空間插值形成氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)層；玉珠峰地區(qū)空間分辨率30 m的 SRTM-DEM數(shù)據(jù)，采用CGCS2000大地坐標(biāo)系，高斯克呂格投影3°分帶第31帶，中央經(jīng)線為93°E。

圖1 青海玉珠峰Quick Bird影像（3/2/1真彩色合成、局部）

2 研究方法

2.1 冰雪范圍的獲取

對(duì)玉珠峰高分辨率影像通過(guò)真彩色合成后進(jìn)行目視解譯，構(gòu)建雪線場(chǎng)。冰雪覆蓋區(qū)域在真彩色影像中為白色，解譯結(jié)果如圖2a所示，圖中紅色為冰雪范圍線。將冰雪范圍線疊加DEM，以30 m×30 m范圍作為最小分析單元提取雪線高程，獲取的雪線高程?hào)鸥駭?shù)據(jù)如圖2b所示。由圖中可知，該時(shí)期雪線高度大約位于海拔4 558.31 ～5 845.82 m之間。

2.2 氣溫、降水空間分布

玉珠峰地處昆侖山脈東部，屬于山區(qū)，氣溫具有明顯的垂直地帶性。對(duì)青海地區(qū)氣象站7月平均氣溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，除去站點(diǎn)本身高程的影響之后進(jìn)行Spline插值，將結(jié)果重采樣為30 m?？紤]到地形對(duì)氣溫的影響，結(jié)合DEM按照海拔每上升100 m氣溫下降0.61℃對(duì)山地氣溫分布進(jìn)行模擬。利用雪線對(duì)氣溫進(jìn)行提取，得到雪線氣溫分布數(shù)據(jù)。

圖2 玉珠峰雪線高程空間分布

根據(jù)魯振宇等人的研究［9］，本文采用Kriging法對(duì)降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行空間插值，并提取雪線降水?dāng)?shù)據(jù)。

2.3 地形因子的提取

地形因子包括坡度、地形起伏度、剖面曲率、平面曲率。坡度是坡面單元的垂直距離和水平距離的比值，是地表單元陡緩程度的表達(dá)。本文基于30 m分辨率的SRTM采用3×3格網(wǎng)提取地表坡度（圖3a）；地形起伏度是描述宏觀地形變化狀況的地形因子［10］，是指地表一定范圍內(nèi)的高差。根據(jù)朗玲玲等［11］的研究及地貌特征，本文采用7×7的分析窗口在ArcInfo中的GRID模塊下利用Focalstd函數(shù)來(lái)計(jì)算起伏度［12］，能夠達(dá)到較好的效果，如圖3b所示；剖面曲率是地表垂直方向角度的變化率，可以理解為坡度的變化率；平面曲率是地表水平方向的變化率，可以認(rèn)為是坡向的變化率。采用Curvature函數(shù)分別計(jì)算剖面和平面曲率，結(jié)果如圖3c、d所示。按照雪線范圍分別提取4個(gè)地形因子的數(shù)據(jù)值。

圖3 玉珠峰地形因子提取

3 結(jié)果分析

3.1 冰雪時(shí)空動(dòng)態(tài)變化

對(duì)四期解譯出的冰雪范圍進(jìn)行面積統(tǒng)計(jì)（表1），得出1998～2015年冰雪總體呈現(xiàn)消減趨勢(shì)。1998～2010年消減量為12.52 km2；2010～2013年消減量為17.31 km2，2013～2015年由于影像時(shí)相原因消減量接近零。

表1 冰雪面積年際統(tǒng)計(jì)

將冰雪覆蓋數(shù)據(jù)疊加DEM，按海拔高度分為5個(gè)統(tǒng)計(jì)區(qū)域，統(tǒng)計(jì)在不同時(shí)期、不同海拔高度上的冰川覆蓋比例（表2），發(fā)現(xiàn)小于4 500 m海拔高度區(qū)域無(wú)冰雪覆蓋，大于6 000 m海拔高度的冰雪面積與山體面積比例一直為100%，說(shuō)明該區(qū)域雪線高度均在海拔4 500 m以上，海拔6 000 m以上冰川與常年積雪覆蓋面積無(wú)變化。同時(shí)，消融比例隨著海拔的升高而減小。

表2 不同海拔高度上的冰川覆蓋比例/%

將坡向分為8個(gè)方向，分別統(tǒng)計(jì)不同方向上的冰雪變化情況。由表3可見，在西北、北、東北、東4個(gè)方向上冰川的消融量最大，分別達(dá)到了6.04 km2、5.10 km2、6.92 km2、4.43 km2，而東南、南、西南、西方向上的消融量明顯較小，只有1.65 km2、1.28 km2、1.64 km2、2.81 km2。

表3 不同方向冰雪變化情況

3.2 相關(guān)性分析

以30 m×30 m的雪線格網(wǎng)為分析單元，假設(shè)每一個(gè)格網(wǎng)內(nèi)的屬性是均一的。每一個(gè)格網(wǎng)點(diǎn)中的屬性都包含了高程、氣溫、降水、坡度、地形起伏度、剖面曲率、平面曲率。本文主要針對(duì)雪線高度與地形因子的相關(guān)性進(jìn)行研究，在選擇采樣點(diǎn)時(shí)盡量選擇氣溫、降水條件相同的區(qū)域，以避免氣溫降水對(duì)雪線分布的影響。

按照氣溫值將數(shù)據(jù)劃分為4個(gè)研究區(qū)域，選取月均溫分別為-1.1℃、-2.7℃、-4.1℃、-4.8℃的4個(gè)采樣數(shù)據(jù)集，每一個(gè)數(shù)據(jù)集的月降水量浮動(dòng)范圍均不超過(guò)1.5 mm。在各區(qū)域中隨機(jī)選取采樣格網(wǎng)點(diǎn)，4個(gè)區(qū)域采樣點(diǎn)屬性范圍見表4～ 7。分別將高程與各個(gè)地形因子繪制散點(diǎn)圖，依次進(jìn)行回歸分析，結(jié)果如圖4～7所示。可以看出，當(dāng)采樣點(diǎn)海拔較低時(shí)，雪線高度與地形因子的相關(guān)性很低，隨著海拔的升高，相關(guān)性逐漸增強(qiáng)，坡度、地形起伏度與雪線高程的正相關(guān)關(guān)系逐漸顯著。當(dāng)海拔位于5 300 m左右時(shí)，坡度、地形起伏度與雪線高程的相關(guān)系數(shù)分別為0.428、0.488；海拔達(dá)到5 500 m時(shí)，相關(guān)系數(shù)分別為0.509、0.517，屬中度相關(guān)；剖面曲率和平面曲率與雪線高程的相關(guān)系數(shù)接近于0，不具有相關(guān)性。

由以上數(shù)據(jù)可以看出，除氣象條件外，地形條件也是影響雪線分布的因素之一。尤其是在小尺度范圍內(nèi)，地形因子的作用更為顯著，其主要表現(xiàn)在坡度及地形起伏度兩個(gè)方面。坡度、地形起伏度越大，雪線高度越高。

表4 區(qū)域一采樣點(diǎn)屬性信息

圖4 區(qū)域一雪線高程與地形因子的相關(guān)性

表5 區(qū)域二采樣點(diǎn)屬性信息

圖5 區(qū)域二雪線高程與地形因子的相關(guān)性

表6 區(qū)域三采樣點(diǎn)屬性信息

圖6 區(qū)域三雪線高程與地形因子的相關(guān)性

表7 區(qū)域四采樣點(diǎn)屬性信息

圖7 區(qū)域四雪線高程與地形因子的相關(guān)性

4 結(jié) 語(yǔ)

以青海玉珠峰為研究樣區(qū)，采用4期影像獲取冰雪范圍，對(duì)動(dòng)態(tài)變化情況進(jìn)行分析。利用30 m分辨率的SRTM數(shù)據(jù)獲取雪線高程、坡度、地形起伏度、剖面曲率、平面曲率，結(jié)合氣象資料對(duì)雪線高程與各地形因子的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行研究，得到以下結(jié)論：①區(qū)域內(nèi)冰雪面積正在逐漸減少，且不同海拔高度、不同方向上的衰減比例不盡相同；②坡度、地形起伏度是影響雪線高程較為明顯的地形因子，二者都與之有一定程度的正相關(guān)關(guān)系；③在一定范圍內(nèi)，隨著海拔的升高，地形因子與雪線高程的相關(guān)性有逐漸增加的趨勢(shì)。

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