1982-2015年內(nèi)蒙古雪深時(shí)空變化遙感分析

畢哲睿，薩楚拉，劉桂香

(1.內(nèi)蒙古師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010022；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)遙感與地理信息系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，內(nèi)蒙古呼和浩特 010022；3.內(nèi)蒙古自治區(qū)蒙古高原災(zāi)害與生態(tài)安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，內(nèi)蒙古呼和浩特 010022；4.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院草原研究所，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010)

引言

積雪是由降雪及風(fēng)吹雪搬運(yùn)與堆積形成的覆蓋在地球表面的雪層〔1〕，在冰凍圈中的分布最為廣泛〔2〕，對(duì)氣候變化格外敏感，是全球變化研究的核心內(nèi)容和熱點(diǎn)之一〔3〕。在2013年，IPCC第五次評(píng)估報(bào)告宣布：1980-2012年間全球地表溫度平均上升了0.85℃〔4〕,而且據(jù)研究發(fā)現(xiàn)未來50年全球氣溫仍保持上升趨勢(shì)〔5〕。內(nèi)蒙古位于IGBP全球變化研究典型陸地樣帶中國東北陸地樣帶之內(nèi)，是我國北方重要的陸地生態(tài)屏障，同時(shí)也是草地畜牧業(yè)生產(chǎn)的基地〔6〕。所以，研究內(nèi)蒙古的積雪深度時(shí)空分布和對(duì)氣候變化的響應(yīng)具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，北半球積雪變化的關(guān)鍵區(qū)域是在青藏高原、蒙古高原、歐洲阿爾卑斯山脈以及北美洲中西部〔7〕。Frei等〔8〕研究發(fā)現(xiàn)，1930年至1980年期間，北美洲的冬季積雪一直是呈增加趨勢(shì)，但是在80年代以后卻出現(xiàn)了減少的趨勢(shì)；Laternser等〔9〕在對(duì)瑞士阿爾卑斯山積雪研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域從1987年開始，積雪減少的變化非常顯著。我國學(xué)者在積雪方面也進(jìn)行了很多研究，對(duì)青藏高原的研究發(fā)現(xiàn)，青藏高原的雪深具有長期穩(wěn)定的增加趨勢(shì),冬春季積雪日數(shù)在20世紀(jì)80年代增加，在90年代減少〔10-12〕。魯博權(quán)等〔13〕研究發(fā)現(xiàn)，1979-2014年期間，黑龍江凍土區(qū)積雪深度呈輕微下降趨勢(shì)。王春學(xué)等〔14〕研究發(fā)現(xiàn)，近50年來春、秋季中國積雪日數(shù)和最大積雪深度在整體上呈現(xiàn)緩慢減少的趨勢(shì)，冬季積雪日數(shù)和最大積雪深度呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。胡列群等〔15〕研究發(fā)現(xiàn)，新疆冬、春積雪主要分布在天山以北，天山以南積雪比較淺薄，南北疆及天山以南的積雪深度呈緩慢增長趨勢(shì)。王秋香等〔16〕研究發(fā)現(xiàn)，1961-2006年間，新疆北疆最大積雪深度呈顯著增加趨勢(shì)，積雪日數(shù)和穩(wěn)定積雪日數(shù)也呈增加趨勢(shì)。

從災(zāi)害系統(tǒng)理論出發(fā)，對(duì)牧區(qū)雪災(zāi)進(jìn)行大量的研究中發(fā)現(xiàn)，雪災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)是由致災(zāi)因子的危險(xiǎn)性、承載體的脆弱性和暴露性的綜合作用下形成，其中積雪情況被選為評(píng)價(jià)的指標(biāo)之一〔17〕。內(nèi)蒙古草原是全球典型的中緯度半干旱溫帶草原生態(tài)類型，草地和牲畜是牧區(qū)人們最基本的生產(chǎn)、生活資料，一旦發(fā)生雪災(zāi)，牧民將遭受嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失〔17-20〕。因此，掌握內(nèi)蒙古的積雪深度時(shí)空分布特征和對(duì)氣候變化的響應(yīng)，不僅可以進(jìn)一步完善該地區(qū)的積雪監(jiān)測(cè)研究，同時(shí)還可以為政府部門防災(zāi)減災(zāi)建設(shè)提供依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 研究區(qū)概況

內(nèi)蒙古位于我國北部地區(qū)(37°24′～53°2′N，97°12′～126°04′E)，東、西、南依次與黑龍江、吉林、遼寧、河北、山西、陜西、寧夏和甘肅毗鄰，全區(qū)總面積118.3萬平方千米，北部與蒙古國和俄羅斯接壤，國境線長4200千米。內(nèi)蒙古自治區(qū)地勢(shì)較高，坐落于亞洲中部著名的蒙古高原地區(qū)，由呼倫貝爾高平原、錫林郭勒高平原、巴彥淖爾—阿拉善及鄂爾多斯等高平原組成，平均海拔1000米左右。春季和秋季多風(fēng)，夏季炎熱短暫，冬季嚴(yán)寒漫長。

圖1 內(nèi)蒙古地理位置圖

1.2 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

文章采用的1982-2015年長時(shí)間序列雪深數(shù)據(jù)集產(chǎn)品，下載于美國冰雪數(shù)據(jù)中心網(wǎng)站(https://nsidc.org)，該產(chǎn)品數(shù)據(jù)的原始資料是NSIDC處理的SMMR、SSM/I和SSMIS被動(dòng)微波亮溫?cái)?shù)據(jù)，時(shí)間分辨率為1天，空間分辨率為25km。本研究采用月時(shí)間尺度進(jìn)行分析,首先利用ArcGIS10.4將NetCDF4格網(wǎng)數(shù)據(jù)讀取，然后用柵格計(jì)算器對(duì)日雪深數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均，獲取月尺度平均雪深數(shù)據(jù)，并以內(nèi)蒙古區(qū)劃邊界對(duì)月尺度雪深數(shù)據(jù)進(jìn)行裁切，提取研究區(qū)內(nèi)的雪深數(shù)據(jù)。文章中使用的溫度和降水?dāng)?shù)據(jù)為世界氣象組織(http://www.wmo.int/pages/index_zh.html)提供的研究區(qū)范圍的氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)，通過對(duì)逐日數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均而獲取年平均氣溫、降水。根據(jù)蒙古高原氣象特征定義：每一年的10月到下一年的3月是一個(gè)積雪季節(jié)(例如2010年10月到2011年3月是2011年的積雪季節(jié))。

1.3 研究方法

1.3.1 趨勢(shì)分析法

為研究近些年來內(nèi)蒙古雪深、溫度、降水的時(shí)間和空間變化趨勢(shì)，文章采用一元線性回歸趨勢(shì)分析法，來計(jì)算其變化特征。線性趨勢(shì)斜率(slope)用最小二乘法來表示，如式(1)所示：

(1)

式中：n為研究時(shí)段的年份，xi為待分析變量的年均雪深、溫度、降水?dāng)?shù)據(jù)。如果slope是正值，說明研究區(qū)內(nèi)雪深、溫度、降水的變化趨勢(shì)是增加的，如果slope是負(fù)值，則說明其變化趨勢(shì)是減少的。

1.3.2 均方根檢驗(yàn)法

為研究內(nèi)蒙古積雪深度年際變化的幅度，通過計(jì)算年均積雪深度距平的均方根，來表示積雪深度的異常變化程度，均方根σ計(jì)算方法如式(2)所示：

(2)

式中：n為研究時(shí)段的年份，di為年均積雪深度與其平均值的偏差。如果σ值較小，說明該區(qū)域長期以來降雪程度變化不大，如果σ值較大，說明該區(qū)域降雪程度變化較大，降雪不穩(wěn)定。

2 內(nèi)蒙古雪深變化特征

2.1 雪深時(shí)間變化特征

2.1.1 雪深年際變化特征

內(nèi)蒙古近年來降雪表現(xiàn)出明顯的不穩(wěn)定性和緩慢下降趨勢(shì)的特點(diǎn)。積雪深度最小值出現(xiàn)在2008年，僅有5.9mm；積雪深度最大值出現(xiàn)在2013年，達(dá)到了34.08mm，最小值與最大值之間差距較大。多年雪深中10個(gè)最大降雪年份分別是1990、1991、1993、1997、2000、2001、2004、2011、2013、2015，這些年份的平均積雪深度都達(dá)到了16mm以上，容易產(chǎn)生強(qiáng)降雪災(zāi)害。雪深高于平均值的年份和低于平均值的年份數(shù)量比是1∶1.3，說明內(nèi)蒙古近年來并沒有出現(xiàn)積雪深度偏高的年份較多或者積雪深度偏低的年份較少。在1982-2015年期間，內(nèi)蒙古多年平均積雪深度為14.42mm，同時(shí)積雪深度還出現(xiàn)減少的趨勢(shì)，減少的速率是1.064mm/10a(p<0.01)。

圖2 內(nèi)蒙古雪深年際變化趨勢(shì)圖

2.1.2 雪深年內(nèi)變化特征

內(nèi)蒙古積雪深度年內(nèi)變化表現(xiàn)出先增加后減少的變化特征。積雪在10月份之前較少，雪深平均值僅為0.12mm，此后雪深開始增加，直到翌年2月雪深達(dá)到最大，為24.64mm。不同的時(shí)間段雪深增加的速率也不同，11-12月雪深增加的最快，達(dá)到10.95mm/月，1-2月雪深增加的最慢，僅為0.57mm/月，3月份隨著溫度升高，積雪出現(xiàn)融化，雪深開始出現(xiàn)減少趨勢(shì)。

圖3 內(nèi)蒙古雪深年內(nèi)變化圖

2.2 雪深空間變化特征

2.2.1 多年年均雪深空間分布特征

文章通過對(duì)內(nèi)蒙古多年雪深進(jìn)行算數(shù)平均計(jì)算，得到多年年均雪深空間分布圖。從中可以看出，內(nèi)蒙古雪深空間分布廣泛，但又存在明顯的空間差異性。多年年均雪深空間分布表現(xiàn)出明顯的北深南淺的特征，最大雪深出現(xiàn)在呼倫貝爾市的北部，達(dá)到62mm，最小雪深出現(xiàn)在阿拉善盟的西部，基本上處于無雪狀態(tài)。內(nèi)蒙古雪深的分布特征與它的水分來源有很大關(guān)系，水汽主要來自于北冰洋，其次來自于太平洋，所以降雪量在北部地區(qū)明顯偏高，隨著離海洋距離的增加，降雪量由北向南和由東向西逐漸減少，在到達(dá)阿拉善時(shí)降雪較少。

圖4 1982-2015年內(nèi)蒙古年均雪深空間分布圖

2.2.2 雪深變化趨勢(shì)空間分布特征

根據(jù)1982-2015年年均像元雪深，計(jì)算每個(gè)像元的變化傾向率，正負(fù)分別表示雪深增加和減少。從中可以看出，研究區(qū)內(nèi)雪深變化趨勢(shì)斜率為-0.8mm/a～1.2mm/a之間，大部分區(qū)域呈現(xiàn)減少狀態(tài)，特別是在呼倫貝爾市，雪深減少的最快，僅約占35%的地區(qū)雪深呈現(xiàn)出增加趨勢(shì)，且主要集中在阿拉善盟的西北部，這一變化特征可能與這一地區(qū)近年來溫度和降水變化有關(guān)。

圖5 1982-2015年內(nèi)蒙古雪深變化趨勢(shì)空間分布圖

2.2.3 雪深異常變化空間分布特征

根據(jù)1982-2015年年均像元雪深，計(jì)算每個(gè)像元的異常變化，數(shù)值大小代表雪深穩(wěn)定程度。從中可以看出，研究區(qū)內(nèi)雪深異常變化范圍為0-24之間，大部分區(qū)域雪深異常變化不明顯，其中雪深最穩(wěn)定的區(qū)域?yàn)閮?nèi)蒙古的阿拉善盟，這可能與這一區(qū)域常年降雪量小有關(guān)，但在雪深高值區(qū)呼倫貝爾市的西北部，雪深表現(xiàn)出明顯不穩(wěn)定變化，這可能與北半球近年來溫度逐漸升高有關(guān)。

圖6 1982-2015年內(nèi)蒙古雪深異常變化空間分布圖

3 雪深對(duì)氣候變化的響應(yīng)

文章通過計(jì)算研究區(qū)內(nèi)1982-2013年年均溫度和降水的變化趨勢(shì)，從中可以看出在過去32年中氣候變化趨勢(shì)特征。從年均溫度變化趨勢(shì)圖中可以看出，32年間年均溫度變化幅度較大，多年年均溫度約為4.53℃；其中1990、1994、1998、2007年這4年的溫度處于極大值，2007年溫度達(dá)到近32年最大值，為5.85℃，1984、1996、2000、2012年這4年溫度處于極小值，1984年溫度達(dá)到近32年最小值，為3.06℃?？傮w上，研究區(qū)內(nèi)年均溫度呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，以0.318℃/10a(p<0.01)的速度升高。從年均降水變化趨勢(shì)圖中可以看出，32年年均降水變化幅度較大，多年年均降水約為294.49mm；其中1984、1990、1998、2003、2012年這5年的降水處于極大值，1998年降水達(dá)到近32年最大值，為437.15mm，1989、1997、2001、2007年這4年的降水處于極小值，2001年降水達(dá)到近32年最小值，為216.03mm。總體上，研究區(qū)內(nèi)年均降水呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，以8.566mm/10a(p<0.01)的速度減少。上述特征表明，溫度的升高和降水的減少造成了內(nèi)蒙古地區(qū)積雪深度的減少。這一結(jié)果與薩楚拉〔6〕得出的受氣溫升高影響，內(nèi)蒙古積雪面積將減少的結(jié)論相一致。說明內(nèi)蒙古積雪深度的變化受溫度和降水的影響很大。

圖7 1982-2013年內(nèi)蒙古年均溫度、降水變化趨勢(shì)圖

4 結(jié)論

內(nèi)蒙古作為中國北方重要的綠色生態(tài)屏障，研究其雪深對(duì)該區(qū)域的水位、氣候和人民生產(chǎn)生活等都具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。文章利用長時(shí)間的SMMR、SSM/I和SSMIS數(shù)據(jù)并結(jié)合地理信息系統(tǒng)處理技術(shù)，分析了內(nèi)蒙古近34年間雪深的時(shí)空變化特征及演變規(guī)律，并對(duì)雪深與氣候變化的關(guān)系進(jìn)行了探討，主要結(jié)論如下：

(1)1982-2015年期間，內(nèi)蒙古多年年均雪深變化范圍為0-62mm，與緯度有較高的相關(guān)性，隨著緯度的升高逐漸增大；一個(gè)積雪季內(nèi)，除了3月份之外雪深都呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，其中11-12月雪深增加的最快，達(dá)到10.95mm/月。在研究區(qū)的東北部雪深高值區(qū)，近年來隨著溫度升高，雪深出現(xiàn)明顯不穩(wěn)定變化?？傮w上，內(nèi)蒙古雪深呈現(xiàn)出逐漸減少的趨勢(shì)，減少速率為1.064mm/10a(p<0.01)，其中呼倫貝爾市西北部雪深減少的趨勢(shì)明顯快于其它地區(qū)。

(2)1982-2013年期間，內(nèi)蒙古溫度總體上呈增加趨勢(shì)，增加的速率為0.318℃/10a(p<0.01)，降水總體上呈減少趨勢(shì)，減少的速率為8.566mm/10a(p<0.01)。溫度的升高和降水的減少造成了內(nèi)蒙古雪深呈現(xiàn)減少趨勢(shì)。