基于MODIS的積雪時(shí)空變化與CMADS氣象因子相關(guān)性研究
——以塔什庫爾干河流域?yàn)槔?/h1>
2019-09-23 00:30:58鄭淑文穆振俠李曉慶
水資源與水工程學(xué)報(bào) 2019年4期
彭 亮， 鄭淑文， 何 英， 穆振俠， 李曉慶，2
(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院， 新疆 烏魯木齊 830052； 2.新疆干旱區(qū)湖泊環(huán)境與資源實(shí)驗(yàn)室， 新疆 烏魯木齊 830054)
1 研究背景
積雪是一種自然循環(huán)的資源[1-2]，氣象因子是影響積雪水資源最直接的因素。Sharma等[3]預(yù)測和量化了巴基斯坦杰赫勒姆河流域?qū)夂蜃兓臐撛诹髁宽憫?yīng)，報(bào)告了整個(gè)西北喜馬拉雅地區(qū)過去一個(gè)世紀(jì)的氣溫趨勢(+0.11℃/10a),分析了過去20年3個(gè)觀測站的區(qū)域變暖(+0.7℃/10a)趨勢對未來雪蓋(積雪覆蓋)枯竭和溪流的投射；Chen[4]發(fā)現(xiàn)歐亞雪況對中國動(dòng)態(tài)季節(jié)預(yù)測有顯著影響。當(dāng)全球氣候模型中的歐亞雪況更真實(shí)地表現(xiàn)時(shí)，夏季氣候?qū)χ袊目深A(yù)測性增加；Ageta等[5]和Arora等[6]針對喜馬拉雅山區(qū)的夏季積聚型冰川迅速萎縮和氣候變率對其水文響應(yīng)的影響，發(fā)現(xiàn)熔體對溫度升高的相關(guān)性要大于降雨量。Butt等[7]在阿斯托雷河流域，發(fā)現(xiàn)相結(jié)合的融雪徑流模型(SRM)與中分辨率成像光譜儀(MODIS)積雪產(chǎn)品對水資源管理非常有用，可用于巴基斯坦北部印度河流域的徑流預(yù)報(bào)。Zhang等[8]利用中國氣象同化驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)集(CMADS)作為分布式流域水文模型(SWAT)的氣象數(shù)據(jù)，評(píng)估了CMADS+SWAT模型在高寒地區(qū)的適應(yīng)性；Meng等[9-10]發(fā)現(xiàn)CMADS數(shù)據(jù)集可以驅(qū)動(dòng)和校準(zhǔn)金河流域的SWAT模式土地定位工作并且CMADS數(shù)據(jù)模擬徑流總量效果較好。
積雪累積消融與氣象變化密切相關(guān)。很多學(xué)者分析內(nèi)蒙古[11-12]、青藏高原[13-15]、新疆[16-18]等地的積雪與氣象的相關(guān)關(guān)系。李斐等[19]結(jié)合氣象因子，分析了高程帶積雪面積對氣象因素變化的相關(guān)性；胡淑娟等[20]基于西天山氣象因子變化對積雪深度的直接影響程度，研究出氣象對積雪深度變化貢獻(xiàn)力的不同；劉艷等[21]發(fā)現(xiàn)積雪面積和氣溫、徑流呈線性相關(guān)；董安青[22]基于DEM數(shù)字高程模型、積雪和氣象數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)氣溫、氣壓、相對濕度均與積雪覆蓋有良好相關(guān)關(guān)系。塔什庫爾干河流域常年干旱少雨，故積雪水資源是塔什庫爾干河流域經(jīng)濟(jì)與農(nóng)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵因素。本文基于塔什庫爾干河流域MODIS積雪數(shù)據(jù)和CMADS氣象數(shù)據(jù)，分析積雪時(shí)空變化與氣象因子的相關(guān)性，對研究變化環(huán)境下塔什庫爾干河流域冰雪水資源開發(fā)利用具有參考意義。
2 研究區(qū)概況
塔什庫爾干河流域位于北緯36°43′～38°17′，東經(jīng)74°28′～75°42′。塔什庫爾干河發(fā)源于我國新疆維吾爾自治區(qū)與阿富汗交界處的克克吐魯克，流經(jīng)新疆塔什庫爾干縣、阿克陶縣境內(nèi)，于阿克陶縣 塔爾鄉(xiāng)東部的兩河口匯入葉爾羌河，多年平均徑流量為11.9×108m3，河道全長298 km，其中下坂地水利樞紐以下河段長81 km，天然落差約1 030 m，河道平均比降11.3%，海拔范圍為2 974～7 000 m。塔什庫爾干河流域受西風(fēng)環(huán)流作用，屬暖溫帶大陸性氣候，干燥少雨，氣候呈極端大陸性。流域劃分為3個(gè)自然帶：羌塘高山草原地帶、阿里山地半荒漠與荒漠地帶及昆侖高山荒漠與半荒漠地帶，土壤屬于南疆極干旱荒漠土，植被極其稀疏，屬荒漠帶；土壤與植被具有明顯垂向分帶性[23]。塔什庫爾干河流域呈“靴子狀”，具有典型的高寒山區(qū)河谷特征，見圖1。
圖1 塔什庫爾干河流域高程、坡度和坡向分布圖
3 數(shù)據(jù)和方法
3.1 數(shù)據(jù)來源
3.1.1 數(shù)字高程模型和MODIS積雪產(chǎn)品數(shù)據(jù) 在積雪資料來源方面MODIS數(shù)據(jù)[24-31]有廣泛的應(yīng)用，本文基于研究區(qū)2006-2015年的MODIS積雪影像數(shù)據(jù)及DEM數(shù)字高程模型，借助ArcGIS軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行解譯，得到流域積雪覆蓋情況。
3.1.2 中國氣象同化驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)集 CMADS(The China meteorological assimilation driving datasets for the SWAT model)系列數(shù)據(jù)集引入中國氣象局大氣同化系統(tǒng)，利用數(shù)據(jù)模式要素重算、質(zhì)量控制、循環(huán)嵌套、重采樣及雙線性插值等多種技術(shù)手段建立。該數(shù)據(jù)集引入了中國陸面同化系統(tǒng)，保證了氣象輸入數(shù)據(jù)的可靠性。
CMADS系列的數(shù)據(jù)來源包括中國2 421個(gè)國家自動(dòng)和商業(yè)評(píng)估中心的近40 000個(gè)區(qū)域加密站,確保了CMADS數(shù)據(jù)集在國內(nèi)具有廣泛的適用性，并且數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性得到了極大的提高。CMADS系列數(shù)據(jù)集經(jīng)過了完成和校正。數(shù)據(jù)使用了中尺度分析系統(tǒng)(LAPS)/ 時(shí)空多尺度分析系統(tǒng)(STMAS)同化方法，進(jìn)行嚴(yán)格的數(shù)據(jù)同化并收集了所有相關(guān)的氣象數(shù)據(jù)(例如自動(dòng)觀測站、歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(ECMWF)、無線電監(jiān)測與定位(RADAR)等)
本文使用2008-2015年CMADS逐日氣象源數(shù)據(jù)(平均氣溫、降水、風(fēng)速、相對濕度和太陽輻射)，塔什庫爾干河流域CMADS站點(diǎn)分布見表1，數(shù)據(jù)參數(shù)見表2。
表1 塔什庫爾干河流域CMADS站點(diǎn)分布
表2 塔什庫爾河流域數(shù)據(jù)參數(shù)
3.2 數(shù)據(jù)處理及方法
(1)基于MRT批量處理、ArcGIS軟件對MODIS積雪數(shù)據(jù)批處理及對其結(jié)果的空間分析，得到積雪覆蓋面積數(shù)據(jù)。
(2)反距離加權(quán)法。由于沒有南坡坡向的站點(diǎn)，故使用反距離加權(quán)法計(jì)算插值的權(quán)重，得到南坡坡向的數(shù)據(jù)，計(jì)算方法如公式(1)、(2)。
(1)
式中： (x,y)為插值點(diǎn)的坐標(biāo)； (xi,yi)為離散點(diǎn)的坐標(biāo)。
(2)
式中：p為一個(gè)任意正實(shí)數(shù)，通常p=2；hi離散點(diǎn)到插值點(diǎn)的距離；計(jì)算得出南坡的權(quán)重值為0.24。
(3)SPSS軟件Pearson相關(guān)性分析。兩個(gè)變量之間的皮爾遜相關(guān)系數(shù)定義為兩個(gè)變量之間的協(xié)方差和標(biāo)準(zhǔn)差的商：
(3)
公式(3)定義了總體相關(guān)系數(shù)，常用希臘小寫字母ρ作為代表符號(hào)。估算樣本的協(xié)方差和標(biāo)準(zhǔn)差，可得到皮爾遜相關(guān)系數(shù)，常用英文小寫字母r表示：
(4)
亦可由(xi,yi)樣本點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)分?jǐn)?shù)均值估計(jì)，得到與公式(4)等價(jià)的表達(dá)式：
(5)
4 不同高程帶、坡度、坡向的積雪覆蓋率與各氣象因子的相關(guān)分析
塔什庫爾干河流域積雪覆蓋主要受氣象和地形因子影響，積雪與氣溫、太陽輻射等氣象因素直接相關(guān)。基于不同高程帶、坡度和坡向的氣象因素對研究區(qū)積雪覆蓋率(snow cover fraction，SCF)的影響，對塔什庫爾干河流域2006-2015年各期MOD10A2的積雪數(shù)據(jù)和2008-2015年的CMADS數(shù)據(jù)進(jìn)行逐月統(tǒng)計(jì)。
4.1 不同高程帶的積雪與氣象因子相關(guān)分析
塔什庫爾干河伊爾列黑水文站高程為2 974 m，研究區(qū)高程范圍為2 974～7 000 m。本文根據(jù)積雪覆蓋調(diào)查將流域分成4個(gè)高程帶(A區(qū)、B區(qū)、C區(qū)、D區(qū))，即：2 974～3 600 m，3 600～4 200 m，4 200～4 800 m和4 800～7 000 m，對各高程帶SCF對氣象的響應(yīng)性進(jìn)行相關(guān)分析，見圖2。
流域的積雪變化：4個(gè)高程帶SCF變化趨勢存在差異性，各高程帶SCF下降時(shí)段發(fā)生在2-6月，全流域積雪覆蓋比率上升時(shí)期基本在10—次年1月，積雪開始進(jìn)入積累期；A區(qū)和B區(qū)的SCF均在夏季(7-9月)降低至最低值；高海拔、氣溫低的D區(qū)，滿足常年冰川和積雪的持續(xù)發(fā)育條件，積雪和冰川持續(xù)時(shí)間變長，故SCF的變化呈平穩(wěn)狀態(tài)。A區(qū)海拔最低，高氣溫、多降水等氣象特征對積雪的消融累積影響較大，故其3-12月SCF均低于3%，1-2月SCF略有增大，值分別為5.52%和7.95%。
平均氣溫：結(jié)合各高程帶的積雪率，分析其與平均氣溫的相關(guān)程度，可以看出SCF對平均氣溫具有很好的響應(yīng)，除了高海拔的D區(qū)，其他高程帶的SCF隨氣溫的升高與降低表現(xiàn)出減小和增大趨勢。各高程帶的平均氣溫變化趨勢大致相同，其平均氣溫均在8月達(dá)到最高，SCF呈相反規(guī)律，在氣溫最高的8月由于積雪消融量變大，故其值呈現(xiàn)出最小狀態(tài)；最高氣溫出現(xiàn)在低海拔A區(qū)，且SCF與平均氣溫呈現(xiàn)出極好的負(fù)相關(guān)關(guān)系。
最低平均氣溫變化趨勢線位于D區(qū)，最低氣溫在1月(-19.80℃)。高海拔D區(qū)的平均氣溫均在5℃以下，除了夏季氣溫超過0℃，其他季節(jié)均在0℃以下，不滿足積雪的融化條件，雖然積雪面積分布少，但消融變化幅度較小。
降水量：降水量對塔什庫爾干河流域不同高程帶積雪年內(nèi)變化影響較復(fù)雜。A區(qū)SCF和降水量在1-2月呈相反變化趨勢，降水的年內(nèi)變化起伏較大，SCF在3-12月呈平穩(wěn)狀態(tài)；B區(qū)降水量變化有兩個(gè)時(shí)段呈增加趨勢，分別是2-6月和7-8月，其他月份均是減少趨勢；C區(qū)的SCF呈“N”型趨勢，降水量表現(xiàn)為“M”型，兩者存在同步性和差異性；D區(qū)為高海拔區(qū)域，存在一定量的固態(tài)降水，因氣溫低、區(qū)域面積小，其SCF小且變化微弱，而降水量在1-8月呈明顯增長趨勢，直到12月呈下降規(guī)律，總體為“∩”型。塔什庫爾干河發(fā)源于高山冰川及多年積雪區(qū)，降水量多時(shí)則氣溫低、融冰雪較少；反之降水量少時(shí)則氣溫高、融冰雪較多，降水與氣溫對冰雪消融起到互補(bǔ)作用。
風(fēng)速：風(fēng)速在不同高程帶的變化規(guī)律相似，總體趨勢表現(xiàn)為“增-減-增”，且起伏區(qū)間小，在1.8～2.5 m/s范圍上下浮動(dòng)，但各高程帶的SCF的趨勢明顯不同，初步認(rèn)為風(fēng)速對不同高程帶SCF影響不大。但是C區(qū)SCF的浮動(dòng)較明顯，與風(fēng)速的規(guī)律同步性強(qiáng)，表現(xiàn)了極好的正相關(guān)性。
相對濕度：塔什庫爾干河流域不同高程帶的年均相對濕度起伏變化相似，“W”型曲線波動(dòng)顯著，4-10月的A、B和C區(qū)SCF與相對濕度同步，呈現(xiàn)出弱正相關(guān)關(guān)系。初步認(rèn)為相對濕度達(dá)到某一定值時(shí)，對積雪覆蓋面積有正相關(guān)影響；當(dāng)海拔過高時(shí)，由于溫度低，即使相對濕度滿足降水條件，對積雪覆蓋面積的改變也不大，而降水對積雪厚度的影響更劇烈。
太陽輻射：太陽輻射在塔什庫爾干河流域的變化呈“∩”型。其變化趨勢類似于平均氣溫，故其與SCF的相關(guān)性也與平均氣溫相似。太陽輻射作為地表溫度的主要影響因素之一，隨著近地層空氣對太陽長短波輻射的吸收增加，氣溫呈增加趨勢，7月溫度最高，1月溫度最低。初步認(rèn)為，SCF和太陽輻射有一定的相關(guān)性。高程不變的情況下，太陽輻射量越大，溫度隨之增高，加快積雪與冰川的融化速度，故積雪消融量逐漸增漲。
4.2 不同坡度上的積雪與氣象因子相關(guān)分析
由于塔什庫爾干河流域坡度均小于75°，且45°～60°和60°～75°兩個(gè)坡度帶所占區(qū)域比例及其積雪覆蓋面積較小，將這兩個(gè)坡度帶合并為一個(gè)坡度帶(45°～75°)，故本文將研究區(qū)分成4個(gè)坡度帶S1(0°～15°)，S2(15°～30°)，S3(30°～45°)，S4(45°～75°)?；诹饔駽MADS月氣象因子與積雪覆蓋面積數(shù)據(jù)，繪制SCF和氣象因子變化圖，見圖3。
圖2 全年不同高程帶SCF和各氣象因子的變化圖
圖3 全年不同坡度帶SCF和各氣象因子的變化圖
各坡度帶的積雪覆蓋：小于45°的3個(gè)坡度帶SCF變化規(guī)律一致，即：存在兩個(gè)上升期和一個(gè)下降期，1-2月為第一個(gè)上升期，8-12月為第二個(gè)上升期，3-7月為下降期；在S2、S3和S4區(qū)域SCF隨著坡度增加而不斷降低，由于坡度變大，海拔升高，坡度帶所占研究區(qū)比例逐步減小，積雪覆蓋面積呈不斷縮減趨勢，促使此坡度帶的SCF下降。在S1區(qū)域，由于海拔低，太陽直射面積大，故積雪消融量增加，其SCF降低。S1、S2和S3坡度帶SCF在3-7月不斷下降，8-次年2月持續(xù)增加。
平均氣溫：整體而言，SCF與平均氣溫呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。坡度小于45°時(shí)，SCF對平均氣溫呈現(xiàn)出很好的響應(yīng)，隨著平均氣溫升高，SCF表現(xiàn)出減小趨勢；S3、S4區(qū)域氣溫低于S1卻高于S2，說明當(dāng)塔什庫爾干河流域坡度大于30°時(shí)，大部分區(qū)域位于高海拔地區(qū)，故可能存在逆溫層，由于氣候和地形條件影響，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)氣溫隨高度增加而升高的現(xiàn)象，隨著坡度的增加，海拔高度可能越高。
降水量：降水量的趨勢曲線起伏變化復(fù)雜，與SCF無明顯相關(guān)關(guān)系。說明降水對積雪的影響微弱，王明祖[32]研究得出降水對積雪深度、積雪日數(shù)有明顯相關(guān)關(guān)系，與積雪覆蓋面積的關(guān)系相對較小，與本文分析結(jié)果相一致。
風(fēng)速：S1和S3全年風(fēng)速變化曲線呈“∧”型，總體為先增后減的規(guī)律，同坡度帶的SCF變化規(guī)律雖然呈現(xiàn)出“N”，但兩者的增幅區(qū)間差異性太大，相似性很?。籗2、S4坡度帶為“N”型，表現(xiàn)為“增減增”的趨勢，可以看出各坡度帶之間存在相似性與差異性，相似性發(fā)生在1-8月。S2坡度帶SCF與風(fēng)速除了在2-4月存在差異性外，其他時(shí)段均表現(xiàn)出很好的同步性，說明此坡度帶的SCF對風(fēng)速有響應(yīng)性。總體而言，塔什庫爾干河流域風(fēng)速與SCF呈現(xiàn)出微弱相關(guān)關(guān)系。
相對濕度：小于45°坡度的塔什庫爾干河流域與相對濕度在短時(shí)段具有很好的相關(guān)性。在4-10月，相對濕度呈現(xiàn)“增加-減少”的趨勢，同期SCF表現(xiàn)為“減少-增加”狀態(tài)，初步說明在坡度小于45°及4-10月時(shí)段，SCF隨著相對濕度增加而減少，兩者呈現(xiàn)良好的負(fù)相關(guān)。其他時(shí)段相對濕度與SCF為正相關(guān)關(guān)系，即SCF隨相對濕度的增加表現(xiàn)為增加趨勢，反之減少；
太陽輻射：坡度小于45°時(shí)，太陽輻射與SCF呈負(fù)相關(guān)，即SCF隨太陽輻射的增加而降低，積雪加速消融。太陽輻射呈“單峰”型，峰值出現(xiàn)在7月；坡度最低的S1坡度帶太陽輻射最大，S4坡度帶次之，由于低坡度研究區(qū)范圍海拔較低，占地面積大，氣溫高，而高坡度區(qū)域極大可能位于高海拔地區(qū)，無山體遮蔽，太陽直射此區(qū)域，且日照時(shí)數(shù)長，故這兩個(gè)坡度帶的太陽輻射相對較大。
4.3 不同坡向上的積雪與氣象因子相關(guān)分析
利用ArcGIS將塔什庫爾干河流域重分類為4個(gè)坡向，即：東坡、南坡、西坡和北坡。對解譯的積雪覆蓋面積進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)整理，與CMADS氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)結(jié)果分析?；谒矌鞝柛珊恿饔駻rcGIS解譯的不同坡向上的SCF數(shù)據(jù)和CMADS氣象數(shù)據(jù)，繪制不同坡向的SCF、各氣象因子的相關(guān)變化圖，見圖4。
坡向SCF：可以看出各坡向的SCF增長幅度及變化規(guī)律較為一致，2-7月為SCF下降期，7月達(dá)到最低值，在這一時(shí)段積雪開始進(jìn)行消融；8-次年1月SCF不斷增長，此時(shí)積雪進(jìn)入累積期與維持期；陰坡北坡SCF最大，太陽輻射小、日照時(shí)數(shù)短，造成氣溫的差異而影響到積雪的變化。其他三個(gè)坡向的SCF值比較相近，但南坡的SCF高于東坡和西坡；陽面南坡雖然太陽照射時(shí)間長，但是由于西風(fēng)環(huán)流，帶來大量水汽易形成降雪，從而間接增加了積雪覆蓋面積，故南坡的SCF不是最低。西坡的SCF在全流域是最低狀態(tài)。
平均氣溫：坡向平均氣溫表現(xiàn)出與SCF截然相反的趨勢，2-7月為增長期，8-12月為下降期，表達(dá)出顯著負(fù)相關(guān)性。各坡向SCF隨平均氣溫的升高而減小。北坡平均氣溫在全流域?qū)儆诘椭祬^(qū)，1月氣溫最低(-19.79℃)，故其SCF最高；南坡平均氣溫為高值區(qū)，氣溫最高7月(20.15℃)，但其SCF不是最小；平均氣溫從高到低依次為：南坡、西坡、東坡和北坡，SCF從小到大依次為：西坡、東坡、南坡和北坡，說明氣溫只是影響積雪消融累積的重要?dú)庀笠蛩刂?，還有其他因素與積雪覆蓋面積的變化有直接聯(lián)系。
降水量：在11-次年2月的降水量最少，SCF最大，原因是：氣溫低，水汽難以上升冷凝并降落至地面，造成積雪的累積，積雪面積不斷增加。北坡的SCF變化趨勢表現(xiàn)出與降水量相反，說明北坡的SCF對降水量有弱敏感性。各坡向的降水量變化差異性大，但SCF趨勢相似性強(qiáng)，反映出降水量與SCF相關(guān)性微弱，坡向不變時(shí)，SCF隨降水量的變化無明顯變化趨勢。
風(fēng)速：最小的風(fēng)速在北坡，研究區(qū)SCF最大趨勢線也是在北坡，在4-12月期間兩者變化規(guī)律一致，呈現(xiàn)出先增大后減小的同步性。南坡的風(fēng)速相對最大，最小值出現(xiàn)在1月(1.47 m/s)和12月(1.71 m/s)；1-5月為上升期，5月達(dá)到最大風(fēng)速(3.15 m/s)，到6月份時(shí)風(fēng)速微弱下降，7-12月是下降期；西坡、東坡和北坡風(fēng)速波動(dòng)周期相同，1-4月風(fēng)速不斷增大，直到12月風(fēng)速持續(xù)減小，但西坡和東坡的同時(shí)段SCF對風(fēng)速的響應(yīng)性很微弱，認(rèn)為西坡和東坡的SCF與其風(fēng)速無明顯相關(guān)關(guān)系。
相對濕度：4個(gè)坡向的相對濕度變化規(guī)律相近，波動(dòng)周期一致，存在兩個(gè)下降期(1-4月和8-11月)和兩個(gè)上升期(4-8月和11-12月)。相對濕度從大到小依次是：南坡、北坡、西坡和東坡。東坡的相對濕度最小(0.40)；北坡SCF最大，而其相對濕度值在整個(gè)塔什庫爾干河流域?yàn)榈诙?；南坡SCF僅次于北坡，但其相對濕度值卻最大(0.72)，說明相對濕度對積雪的消融有微弱的抑制作用。無降雪期(4-11月)，降雪對相對濕度的響應(yīng)性較好，呈明顯負(fù)相關(guān)性。
太陽輻射：輻射量的大小隨太陽高度變化而變化，加之山區(qū)地形起伏大，不同坡向接受的太陽輻射量存在差異性，造成積雪消融規(guī)律的差異性和復(fù)雜性。整個(gè)流域的太陽輻射起伏具有相同特性特征，均為單峰型，北坡1月達(dá)到最小值(12.00 MJ/m2)；南北坡的7月均達(dá)到最大值(分別為41.86 MJ/m2和30.08 MJ/m2)?？傮w而言，SCF和太陽輻射呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即SCF隨太陽輻射的增大而減小。陽面與陰面的SCF存在差異是由于陽面地表反照率小，會(huì)吸收很多太陽輻射，氣溫也會(huì)升高，引起冰雪的消融變化；與此同時(shí)由于陰面積雪覆蓋，使地表反照率增加，地表等下墊面減小了對太陽輻射的吸收，氣溫會(huì)降低，而引起積雪融化速度降低。
圖4 全年不同月份各坡向SCF與各氣象因子的相關(guān)變化圖
5 Pearson相關(guān)性分析
基于不同高程帶、坡度和坡向的氣象因子數(shù)據(jù)與SCF，利用SPSS軟件做Pearson相關(guān)性分析，見表3、4、5。Pearson相關(guān)參數(shù)指標(biāo)：當(dāng)0.8<|r|≤1.0時(shí)，兩因素高度相關(guān)； 0.5<|r|≤0.8時(shí)，中度相關(guān)； 0.3<|r|≤0.5時(shí)，低度相關(guān)；當(dāng)0≤|r|≤0.3，表示因素之間相關(guān)程度很弱，基本上不相關(guān)。
由表3可知，平均氣溫與B區(qū)SCF的Pearson相關(guān)性r值為-0.926，說明這兩個(gè)因素的負(fù)相關(guān)性高；與A、C和D區(qū)3個(gè)高程帶的積雪覆蓋率的Pearson相關(guān)性r值分別為-0.790、-0.818和-0.551，呈中度相關(guān)；但D區(qū)的Sig值沒有通過相關(guān)性檢驗(yàn)，說明其負(fù)相關(guān)性不顯著，其他為顯著負(fù)相關(guān)。降水、太陽輻射與各高程帶積雪的相關(guān)性研究結(jié)果與平均氣溫類似。說明平均氣溫、降水和太陽輻射這3個(gè)因素是影響積雪消融、維持和累積的主要?dú)庀笠蜃印?/p>
風(fēng)速與C區(qū)SCF呈中度顯著正相關(guān)，其Pearson相關(guān)r值和Sig值分別為0.654和0.021；與A區(qū)SCF相關(guān)性為中度，不顯著；其他高程帶的積雪與風(fēng)速相關(guān)性r值均小于0.38，分別為0.378和-0.241，相關(guān)性較弱且不顯著。
相對濕度與A區(qū)的SCF呈低度正相關(guān)，其Pearson相關(guān)r值和Sig值分別為0.321和0.309；與其他高程帶的積雪均呈負(fù)相關(guān)，r值分別為-0.083、-0.198和-0.065，說明塔什庫爾干河流域的SCF與相對濕度基本上不相關(guān)。
總體而言，與高程帶的SCF相關(guān)性程度從高到低依次排列為：平均氣溫>降水量>太陽輻射>風(fēng)速>相對濕度。
從表4可以發(fā)現(xiàn)，不同坡度積雪與氣象因子的相關(guān)性從高到低依次排列為：平均氣溫>太陽輻射>降水量>風(fēng)速>相對濕度。
平均氣溫、太陽輻射與每個(gè)坡度帶SCF的Pearson相關(guān)性均表現(xiàn)為高度顯著負(fù)相關(guān)，且通過了0.05級(jí)別雙尾檢驗(yàn)；降水量與S1坡度帶SCF呈中度相關(guān)，且相關(guān)性不顯著；S2、S3和S4坡度帶SCF與降水量的相關(guān)性分別為高度、中度顯著負(fù)相關(guān)，體現(xiàn)出相關(guān)性強(qiáng)的特性。
在全流域S2和S4坡度帶SCF與風(fēng)速的相關(guān)性最高，呈中度相關(guān)，r值分別為0.701和0.521，Sig值分別為0.011(顯著)和0.082(不顯著)；風(fēng)速與S1、S2區(qū)域相關(guān)性均很弱。相對濕度與每個(gè)坡度帶SCF的相關(guān)系數(shù)最小，但同時(shí)也對塔什庫爾干河流域的積雪水資源起到一定的貢獻(xiàn)價(jià)值。
從表5可以發(fā)現(xiàn)，平均氣溫與每個(gè)坡向的SCF的Pearson相關(guān)性均為高度顯著負(fù)相關(guān)， 太陽輻射與每個(gè)坡向SCF的Pearson相關(guān)性均為中度顯著負(fù)相關(guān)，均通過了顯著性檢驗(yàn)；降水量與南坡SCF的Pearson相關(guān)r值為-0.305(低度相關(guān))，未通過顯著性檢驗(yàn)，降水量與東坡、西坡、北坡積雪的相關(guān)系數(shù)為-0.773、-0.729、-0.844，可以看出降水量對積雪消融累積的貢獻(xiàn)較大。風(fēng)速、相對濕度與每個(gè)坡向SCF的相關(guān)性均很弱?？傮w而言，不同坡向SCF與氣象因子的相關(guān)性從高到低依次排列為：平均氣溫>太陽輻射>降水量>相對濕度>風(fēng)速。
表3 不同高程帶的積雪覆蓋率-氣象因子Pearson相關(guān)參數(shù)
注：**表示在 0.01 級(jí)別(雙尾)相關(guān)性顯著；*表示在 0.05 級(jí)別(雙尾)相關(guān)性顯著。
表4 不同坡度的積雪覆蓋率-氣象因子Pearson相關(guān)參數(shù)
注：**表示在 0.01 級(jí)別(雙尾)相關(guān)性顯著；*表示在 0.05 級(jí)別(雙尾)相關(guān)性顯著。
表5 不同坡向的積雪-氣象因子Pearson相關(guān)參數(shù)
注：**表示在 0.01 級(jí)別(雙尾)相關(guān)性顯著； *表示在 0.05 級(jí)別(雙尾)相關(guān)性顯著。
6 結(jié) 論
積雪是塔什庫爾干河流域?qū)氋F的資源，年內(nèi)積雪覆蓋率在不同高程帶、坡度和坡向上與氣象因子存在一定的相關(guān)關(guān)系，研究表明：
(1)影響塔什庫爾干河流域積雪的主導(dǎo)氣象因子有3個(gè)：平均氣溫、太陽輻射和降水量，同時(shí)受地形(高程、坡度、坡向)的限制。從積雪覆蓋率對氣象因子的響應(yīng)、Pearson相關(guān)系數(shù)及顯著性檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在不同地形上，平均氣溫、太陽輻射和降水量對積雪覆蓋率時(shí)空變化影響強(qiáng)度最大。
(2)季節(jié)差異性及月差異性明顯，全流域在地形及氣象因素的影響下，春冬季節(jié)(12-次年5月)SCF最大，其中包括：高程帶4 200～4 800 m、15°～30°和北坡；夏季和秋季(6-11月)最小，包含：高程帶2 974～3 600 m、45°～75°和西坡。
(3)在不同地形上的年內(nèi)積雪覆蓋率與氣象因子的相關(guān)程度存在復(fù)雜性和相似性，研究發(fā)現(xiàn)，各高程帶、坡度、坡向積雪覆蓋率與各氣象因子的相關(guān)程度相似性較高，依次排序總結(jié)為：平均氣溫>太陽輻射>降水量>風(fēng)速>相對濕度，積雪覆蓋率與前3個(gè)因素存在顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，風(fēng)速次之，與相對濕度的相關(guān)性最小。
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彭 亮， 鄭淑文， 何 英， 穆振俠， 李曉慶，2
(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院， 新疆 烏魯木齊 830052； 2.新疆干旱區(qū)湖泊環(huán)境與資源實(shí)驗(yàn)室， 新疆 烏魯木齊 830054)
1 研究背景
積雪是一種自然循環(huán)的資源[1-2]，氣象因子是影響積雪水資源最直接的因素。Sharma等[3]預(yù)測和量化了巴基斯坦杰赫勒姆河流域?qū)夂蜃兓臐撛诹髁宽憫?yīng)，報(bào)告了整個(gè)西北喜馬拉雅地區(qū)過去一個(gè)世紀(jì)的氣溫趨勢(+0.11℃/10a),分析了過去20年3個(gè)觀測站的區(qū)域變暖(+0.7℃/10a)趨勢對未來雪蓋(積雪覆蓋)枯竭和溪流的投射；Chen[4]發(fā)現(xiàn)歐亞雪況對中國動(dòng)態(tài)季節(jié)預(yù)測有顯著影響。當(dāng)全球氣候模型中的歐亞雪況更真實(shí)地表現(xiàn)時(shí)，夏季氣候?qū)χ袊目深A(yù)測性增加；Ageta等[5]和Arora等[6]針對喜馬拉雅山區(qū)的夏季積聚型冰川迅速萎縮和氣候變率對其水文響應(yīng)的影響，發(fā)現(xiàn)熔體對溫度升高的相關(guān)性要大于降雨量。Butt等[7]在阿斯托雷河流域，發(fā)現(xiàn)相結(jié)合的融雪徑流模型(SRM)與中分辨率成像光譜儀(MODIS)積雪產(chǎn)品對水資源管理非常有用，可用于巴基斯坦北部印度河流域的徑流預(yù)報(bào)。Zhang等[8]利用中國氣象同化驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)集(CMADS)作為分布式流域水文模型(SWAT)的氣象數(shù)據(jù)，評(píng)估了CMADS+SWAT模型在高寒地區(qū)的適應(yīng)性；Meng等[9-10]發(fā)現(xiàn)CMADS數(shù)據(jù)集可以驅(qū)動(dòng)和校準(zhǔn)金河流域的SWAT模式土地定位工作并且CMADS數(shù)據(jù)模擬徑流總量效果較好。
積雪累積消融與氣象變化密切相關(guān)。很多學(xué)者分析內(nèi)蒙古[11-12]、青藏高原[13-15]、新疆[16-18]等地的積雪與氣象的相關(guān)關(guān)系。李斐等[19]結(jié)合氣象因子，分析了高程帶積雪面積對氣象因素變化的相關(guān)性；胡淑娟等[20]基于西天山氣象因子變化對積雪深度的直接影響程度，研究出氣象對積雪深度變化貢獻(xiàn)力的不同；劉艷等[21]發(fā)現(xiàn)積雪面積和氣溫、徑流呈線性相關(guān)；董安青[22]基于DEM數(shù)字高程模型、積雪和氣象數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)氣溫、氣壓、相對濕度均與積雪覆蓋有良好相關(guān)關(guān)系。塔什庫爾干河流域常年干旱少雨，故積雪水資源是塔什庫爾干河流域經(jīng)濟(jì)與農(nóng)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵因素。本文基于塔什庫爾干河流域MODIS積雪數(shù)據(jù)和CMADS氣象數(shù)據(jù)，分析積雪時(shí)空變化與氣象因子的相關(guān)性，對研究變化環(huán)境下塔什庫爾干河流域冰雪水資源開發(fā)利用具有參考意義。
2 研究區(qū)概況
塔什庫爾干河流域位于北緯36°43′～38°17′，東經(jīng)74°28′～75°42′。塔什庫爾干河發(fā)源于我國新疆維吾爾自治區(qū)與阿富汗交界處的克克吐魯克，流經(jīng)新疆塔什庫爾干縣、阿克陶縣境內(nèi)，于阿克陶縣 塔爾鄉(xiāng)東部的兩河口匯入葉爾羌河，多年平均徑流量為11.9×108m3，河道全長298 km，其中下坂地水利樞紐以下河段長81 km，天然落差約1 030 m，河道平均比降11.3%，海拔范圍為2 974～7 000 m。塔什庫爾干河流域受西風(fēng)環(huán)流作用，屬暖溫帶大陸性氣候，干燥少雨，氣候呈極端大陸性。流域劃分為3個(gè)自然帶：羌塘高山草原地帶、阿里山地半荒漠與荒漠地帶及昆侖高山荒漠與半荒漠地帶，土壤屬于南疆極干旱荒漠土，植被極其稀疏，屬荒漠帶；土壤與植被具有明顯垂向分帶性[23]。塔什庫爾干河流域呈“靴子狀”，具有典型的高寒山區(qū)河谷特征，見圖1。
圖1 塔什庫爾干河流域高程、坡度和坡向分布圖
3 數(shù)據(jù)和方法
3.1 數(shù)據(jù)來源
3.1.1 數(shù)字高程模型和MODIS積雪產(chǎn)品數(shù)據(jù) 在積雪資料來源方面MODIS數(shù)據(jù)[24-31]有廣泛的應(yīng)用，本文基于研究區(qū)2006-2015年的MODIS積雪影像數(shù)據(jù)及DEM數(shù)字高程模型，借助ArcGIS軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行解譯，得到流域積雪覆蓋情況。
3.1.2 中國氣象同化驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)集 CMADS(The China meteorological assimilation driving datasets for the SWAT model)系列數(shù)據(jù)集引入中國氣象局大氣同化系統(tǒng)，利用數(shù)據(jù)模式要素重算、質(zhì)量控制、循環(huán)嵌套、重采樣及雙線性插值等多種技術(shù)手段建立。該數(shù)據(jù)集引入了中國陸面同化系統(tǒng)，保證了氣象輸入數(shù)據(jù)的可靠性。
CMADS系列的數(shù)據(jù)來源包括中國2 421個(gè)國家自動(dòng)和商業(yè)評(píng)估中心的近40 000個(gè)區(qū)域加密站,確保了CMADS數(shù)據(jù)集在國內(nèi)具有廣泛的適用性，并且數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性得到了極大的提高。CMADS系列數(shù)據(jù)集經(jīng)過了完成和校正。數(shù)據(jù)使用了中尺度分析系統(tǒng)(LAPS)/ 時(shí)空多尺度分析系統(tǒng)(STMAS)同化方法，進(jìn)行嚴(yán)格的數(shù)據(jù)同化并收集了所有相關(guān)的氣象數(shù)據(jù)(例如自動(dòng)觀測站、歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(ECMWF)、無線電監(jiān)測與定位(RADAR)等)
本文使用2008-2015年CMADS逐日氣象源數(shù)據(jù)(平均氣溫、降水、風(fēng)速、相對濕度和太陽輻射)，塔什庫爾干河流域CMADS站點(diǎn)分布見表1，數(shù)據(jù)參數(shù)見表2。
表1 塔什庫爾干河流域CMADS站點(diǎn)分布
表2 塔什庫爾河流域數(shù)據(jù)參數(shù)
3.2 數(shù)據(jù)處理及方法
(1)基于MRT批量處理、ArcGIS軟件對MODIS積雪數(shù)據(jù)批處理及對其結(jié)果的空間分析，得到積雪覆蓋面積數(shù)據(jù)。
(2)反距離加權(quán)法。由于沒有南坡坡向的站點(diǎn)，故使用反距離加權(quán)法計(jì)算插值的權(quán)重，得到南坡坡向的數(shù)據(jù)，計(jì)算方法如公式(1)、(2)。
(1)
式中： (x,y)為插值點(diǎn)的坐標(biāo)； (xi,yi)為離散點(diǎn)的坐標(biāo)。
(2)
式中：p為一個(gè)任意正實(shí)數(shù)，通常p=2；hi離散點(diǎn)到插值點(diǎn)的距離；計(jì)算得出南坡的權(quán)重值為0.24。
(3)SPSS軟件Pearson相關(guān)性分析。兩個(gè)變量之間的皮爾遜相關(guān)系數(shù)定義為兩個(gè)變量之間的協(xié)方差和標(biāo)準(zhǔn)差的商：
(3)
公式(3)定義了總體相關(guān)系數(shù)，常用希臘小寫字母ρ作為代表符號(hào)。估算樣本的協(xié)方差和標(biāo)準(zhǔn)差，可得到皮爾遜相關(guān)系數(shù)，常用英文小寫字母r表示：
(4)
亦可由(xi,yi)樣本點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)分?jǐn)?shù)均值估計(jì)，得到與公式(4)等價(jià)的表達(dá)式：
(5)
4 不同高程帶、坡度、坡向的積雪覆蓋率與各氣象因子的相關(guān)分析
塔什庫爾干河流域積雪覆蓋主要受氣象和地形因子影響，積雪與氣溫、太陽輻射等氣象因素直接相關(guān)。基于不同高程帶、坡度和坡向的氣象因素對研究區(qū)積雪覆蓋率(snow cover fraction，SCF)的影響，對塔什庫爾干河流域2006-2015年各期MOD10A2的積雪數(shù)據(jù)和2008-2015年的CMADS數(shù)據(jù)進(jìn)行逐月統(tǒng)計(jì)。
4.1 不同高程帶的積雪與氣象因子相關(guān)分析
塔什庫爾干河伊爾列黑水文站高程為2 974 m，研究區(qū)高程范圍為2 974～7 000 m。本文根據(jù)積雪覆蓋調(diào)查將流域分成4個(gè)高程帶(A區(qū)、B區(qū)、C區(qū)、D區(qū))，即：2 974～3 600 m，3 600～4 200 m，4 200～4 800 m和4 800～7 000 m，對各高程帶SCF對氣象的響應(yīng)性進(jìn)行相關(guān)分析，見圖2。
流域的積雪變化：4個(gè)高程帶SCF變化趨勢存在差異性，各高程帶SCF下降時(shí)段發(fā)生在2-6月，全流域積雪覆蓋比率上升時(shí)期基本在10—次年1月，積雪開始進(jìn)入積累期；A區(qū)和B區(qū)的SCF均在夏季(7-9月)降低至最低值；高海拔、氣溫低的D區(qū)，滿足常年冰川和積雪的持續(xù)發(fā)育條件，積雪和冰川持續(xù)時(shí)間變長，故SCF的變化呈平穩(wěn)狀態(tài)。A區(qū)海拔最低，高氣溫、多降水等氣象特征對積雪的消融累積影響較大，故其3-12月SCF均低于3%，1-2月SCF略有增大，值分別為5.52%和7.95%。
平均氣溫：結(jié)合各高程帶的積雪率，分析其與平均氣溫的相關(guān)程度，可以看出SCF對平均氣溫具有很好的響應(yīng)，除了高海拔的D區(qū)，其他高程帶的SCF隨氣溫的升高與降低表現(xiàn)出減小和增大趨勢。各高程帶的平均氣溫變化趨勢大致相同，其平均氣溫均在8月達(dá)到最高，SCF呈相反規(guī)律，在氣溫最高的8月由于積雪消融量變大，故其值呈現(xiàn)出最小狀態(tài)；最高氣溫出現(xiàn)在低海拔A區(qū)，且SCF與平均氣溫呈現(xiàn)出極好的負(fù)相關(guān)關(guān)系。
最低平均氣溫變化趨勢線位于D區(qū)，最低氣溫在1月(-19.80℃)。高海拔D區(qū)的平均氣溫均在5℃以下，除了夏季氣溫超過0℃，其他季節(jié)均在0℃以下，不滿足積雪的融化條件，雖然積雪面積分布少，但消融變化幅度較小。
降水量：降水量對塔什庫爾干河流域不同高程帶積雪年內(nèi)變化影響較復(fù)雜。A區(qū)SCF和降水量在1-2月呈相反變化趨勢，降水的年內(nèi)變化起伏較大，SCF在3-12月呈平穩(wěn)狀態(tài)；B區(qū)降水量變化有兩個(gè)時(shí)段呈增加趨勢，分別是2-6月和7-8月，其他月份均是減少趨勢；C區(qū)的SCF呈“N”型趨勢，降水量表現(xiàn)為“M”型，兩者存在同步性和差異性；D區(qū)為高海拔區(qū)域，存在一定量的固態(tài)降水，因氣溫低、區(qū)域面積小，其SCF小且變化微弱，而降水量在1-8月呈明顯增長趨勢，直到12月呈下降規(guī)律，總體為“∩”型。塔什庫爾干河發(fā)源于高山冰川及多年積雪區(qū)，降水量多時(shí)則氣溫低、融冰雪較少；反之降水量少時(shí)則氣溫高、融冰雪較多，降水與氣溫對冰雪消融起到互補(bǔ)作用。
風(fēng)速：風(fēng)速在不同高程帶的變化規(guī)律相似，總體趨勢表現(xiàn)為“增-減-增”，且起伏區(qū)間小，在1.8～2.5 m/s范圍上下浮動(dòng)，但各高程帶的SCF的趨勢明顯不同，初步認(rèn)為風(fēng)速對不同高程帶SCF影響不大。但是C區(qū)SCF的浮動(dòng)較明顯，與風(fēng)速的規(guī)律同步性強(qiáng)，表現(xiàn)了極好的正相關(guān)性。
相對濕度：塔什庫爾干河流域不同高程帶的年均相對濕度起伏變化相似，“W”型曲線波動(dòng)顯著，4-10月的A、B和C區(qū)SCF與相對濕度同步，呈現(xiàn)出弱正相關(guān)關(guān)系。初步認(rèn)為相對濕度達(dá)到某一定值時(shí)，對積雪覆蓋面積有正相關(guān)影響；當(dāng)海拔過高時(shí)，由于溫度低，即使相對濕度滿足降水條件，對積雪覆蓋面積的改變也不大，而降水對積雪厚度的影響更劇烈。
太陽輻射：太陽輻射在塔什庫爾干河流域的變化呈“∩”型。其變化趨勢類似于平均氣溫，故其與SCF的相關(guān)性也與平均氣溫相似。太陽輻射作為地表溫度的主要影響因素之一，隨著近地層空氣對太陽長短波輻射的吸收增加，氣溫呈增加趨勢，7月溫度最高，1月溫度最低。初步認(rèn)為，SCF和太陽輻射有一定的相關(guān)性。高程不變的情況下，太陽輻射量越大，溫度隨之增高，加快積雪與冰川的融化速度，故積雪消融量逐漸增漲。
4.2 不同坡度上的積雪與氣象因子相關(guān)分析
由于塔什庫爾干河流域坡度均小于75°，且45°～60°和60°～75°兩個(gè)坡度帶所占區(qū)域比例及其積雪覆蓋面積較小，將這兩個(gè)坡度帶合并為一個(gè)坡度帶(45°～75°)，故本文將研究區(qū)分成4個(gè)坡度帶S1(0°～15°)，S2(15°～30°)，S3(30°～45°)，S4(45°～75°)?；诹饔駽MADS月氣象因子與積雪覆蓋面積數(shù)據(jù)，繪制SCF和氣象因子變化圖，見圖3。
圖2 全年不同高程帶SCF和各氣象因子的變化圖
圖3 全年不同坡度帶SCF和各氣象因子的變化圖
各坡度帶的積雪覆蓋：小于45°的3個(gè)坡度帶SCF變化規(guī)律一致，即：存在兩個(gè)上升期和一個(gè)下降期，1-2月為第一個(gè)上升期，8-12月為第二個(gè)上升期，3-7月為下降期；在S2、S3和S4區(qū)域SCF隨著坡度增加而不斷降低，由于坡度變大，海拔升高，坡度帶所占研究區(qū)比例逐步減小，積雪覆蓋面積呈不斷縮減趨勢，促使此坡度帶的SCF下降。在S1區(qū)域，由于海拔低，太陽直射面積大，故積雪消融量增加，其SCF降低。S1、S2和S3坡度帶SCF在3-7月不斷下降，8-次年2月持續(xù)增加。
平均氣溫：整體而言，SCF與平均氣溫呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。坡度小于45°時(shí)，SCF對平均氣溫呈現(xiàn)出很好的響應(yīng)，隨著平均氣溫升高，SCF表現(xiàn)出減小趨勢；S3、S4區(qū)域氣溫低于S1卻高于S2，說明當(dāng)塔什庫爾干河流域坡度大于30°時(shí)，大部分區(qū)域位于高海拔地區(qū)，故可能存在逆溫層，由于氣候和地形條件影響，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)氣溫隨高度增加而升高的現(xiàn)象，隨著坡度的增加，海拔高度可能越高。
降水量：降水量的趨勢曲線起伏變化復(fù)雜，與SCF無明顯相關(guān)關(guān)系。說明降水對積雪的影響微弱，王明祖[32]研究得出降水對積雪深度、積雪日數(shù)有明顯相關(guān)關(guān)系，與積雪覆蓋面積的關(guān)系相對較小，與本文分析結(jié)果相一致。
風(fēng)速：S1和S3全年風(fēng)速變化曲線呈“∧”型，總體為先增后減的規(guī)律，同坡度帶的SCF變化規(guī)律雖然呈現(xiàn)出“N”，但兩者的增幅區(qū)間差異性太大，相似性很?。籗2、S4坡度帶為“N”型，表現(xiàn)為“增減增”的趨勢，可以看出各坡度帶之間存在相似性與差異性，相似性發(fā)生在1-8月。S2坡度帶SCF與風(fēng)速除了在2-4月存在差異性外，其他時(shí)段均表現(xiàn)出很好的同步性，說明此坡度帶的SCF對風(fēng)速有響應(yīng)性。總體而言，塔什庫爾干河流域風(fēng)速與SCF呈現(xiàn)出微弱相關(guān)關(guān)系。
相對濕度：小于45°坡度的塔什庫爾干河流域與相對濕度在短時(shí)段具有很好的相關(guān)性。在4-10月，相對濕度呈現(xiàn)“增加-減少”的趨勢，同期SCF表現(xiàn)為“減少-增加”狀態(tài)，初步說明在坡度小于45°及4-10月時(shí)段，SCF隨著相對濕度增加而減少，兩者呈現(xiàn)良好的負(fù)相關(guān)。其他時(shí)段相對濕度與SCF為正相關(guān)關(guān)系，即SCF隨相對濕度的增加表現(xiàn)為增加趨勢，反之減少；
太陽輻射：坡度小于45°時(shí)，太陽輻射與SCF呈負(fù)相關(guān)，即SCF隨太陽輻射的增加而降低，積雪加速消融。太陽輻射呈“單峰”型，峰值出現(xiàn)在7月；坡度最低的S1坡度帶太陽輻射最大，S4坡度帶次之，由于低坡度研究區(qū)范圍海拔較低，占地面積大，氣溫高，而高坡度區(qū)域極大可能位于高海拔地區(qū)，無山體遮蔽，太陽直射此區(qū)域，且日照時(shí)數(shù)長，故這兩個(gè)坡度帶的太陽輻射相對較大。
4.3 不同坡向上的積雪與氣象因子相關(guān)分析
利用ArcGIS將塔什庫爾干河流域重分類為4個(gè)坡向，即：東坡、南坡、西坡和北坡。對解譯的積雪覆蓋面積進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)整理，與CMADS氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)結(jié)果分析?；谒矌鞝柛珊恿饔駻rcGIS解譯的不同坡向上的SCF數(shù)據(jù)和CMADS氣象數(shù)據(jù)，繪制不同坡向的SCF、各氣象因子的相關(guān)變化圖，見圖4。
坡向SCF：可以看出各坡向的SCF增長幅度及變化規(guī)律較為一致，2-7月為SCF下降期，7月達(dá)到最低值，在這一時(shí)段積雪開始進(jìn)行消融；8-次年1月SCF不斷增長，此時(shí)積雪進(jìn)入累積期與維持期；陰坡北坡SCF最大，太陽輻射小、日照時(shí)數(shù)短，造成氣溫的差異而影響到積雪的變化。其他三個(gè)坡向的SCF值比較相近，但南坡的SCF高于東坡和西坡；陽面南坡雖然太陽照射時(shí)間長，但是由于西風(fēng)環(huán)流，帶來大量水汽易形成降雪，從而間接增加了積雪覆蓋面積，故南坡的SCF不是最低。西坡的SCF在全流域是最低狀態(tài)。
平均氣溫：坡向平均氣溫表現(xiàn)出與SCF截然相反的趨勢，2-7月為增長期，8-12月為下降期，表達(dá)出顯著負(fù)相關(guān)性。各坡向SCF隨平均氣溫的升高而減小。北坡平均氣溫在全流域?qū)儆诘椭祬^(qū)，1月氣溫最低(-19.79℃)，故其SCF最高；南坡平均氣溫為高值區(qū)，氣溫最高7月(20.15℃)，但其SCF不是最小；平均氣溫從高到低依次為：南坡、西坡、東坡和北坡，SCF從小到大依次為：西坡、東坡、南坡和北坡，說明氣溫只是影響積雪消融累積的重要?dú)庀笠蛩刂?，還有其他因素與積雪覆蓋面積的變化有直接聯(lián)系。
降水量：在11-次年2月的降水量最少，SCF最大，原因是：氣溫低，水汽難以上升冷凝并降落至地面，造成積雪的累積，積雪面積不斷增加。北坡的SCF變化趨勢表現(xiàn)出與降水量相反，說明北坡的SCF對降水量有弱敏感性。各坡向的降水量變化差異性大，但SCF趨勢相似性強(qiáng)，反映出降水量與SCF相關(guān)性微弱，坡向不變時(shí)，SCF隨降水量的變化無明顯變化趨勢。
風(fēng)速：最小的風(fēng)速在北坡，研究區(qū)SCF最大趨勢線也是在北坡，在4-12月期間兩者變化規(guī)律一致，呈現(xiàn)出先增大后減小的同步性。南坡的風(fēng)速相對最大，最小值出現(xiàn)在1月(1.47 m/s)和12月(1.71 m/s)；1-5月為上升期，5月達(dá)到最大風(fēng)速(3.15 m/s)，到6月份時(shí)風(fēng)速微弱下降，7-12月是下降期；西坡、東坡和北坡風(fēng)速波動(dòng)周期相同，1-4月風(fēng)速不斷增大，直到12月風(fēng)速持續(xù)減小，但西坡和東坡的同時(shí)段SCF對風(fēng)速的響應(yīng)性很微弱，認(rèn)為西坡和東坡的SCF與其風(fēng)速無明顯相關(guān)關(guān)系。
相對濕度：4個(gè)坡向的相對濕度變化規(guī)律相近，波動(dòng)周期一致，存在兩個(gè)下降期(1-4月和8-11月)和兩個(gè)上升期(4-8月和11-12月)。相對濕度從大到小依次是：南坡、北坡、西坡和東坡。東坡的相對濕度最小(0.40)；北坡SCF最大，而其相對濕度值在整個(gè)塔什庫爾干河流域?yàn)榈诙?；南坡SCF僅次于北坡，但其相對濕度值卻最大(0.72)，說明相對濕度對積雪的消融有微弱的抑制作用。無降雪期(4-11月)，降雪對相對濕度的響應(yīng)性較好，呈明顯負(fù)相關(guān)性。
太陽輻射：輻射量的大小隨太陽高度變化而變化，加之山區(qū)地形起伏大，不同坡向接受的太陽輻射量存在差異性，造成積雪消融規(guī)律的差異性和復(fù)雜性。整個(gè)流域的太陽輻射起伏具有相同特性特征，均為單峰型，北坡1月達(dá)到最小值(12.00 MJ/m2)；南北坡的7月均達(dá)到最大值(分別為41.86 MJ/m2和30.08 MJ/m2)?？傮w而言，SCF和太陽輻射呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即SCF隨太陽輻射的增大而減小。陽面與陰面的SCF存在差異是由于陽面地表反照率小，會(huì)吸收很多太陽輻射，氣溫也會(huì)升高，引起冰雪的消融變化；與此同時(shí)由于陰面積雪覆蓋，使地表反照率增加，地表等下墊面減小了對太陽輻射的吸收，氣溫會(huì)降低，而引起積雪融化速度降低。
圖4 全年不同月份各坡向SCF與各氣象因子的相關(guān)變化圖
5 Pearson相關(guān)性分析
基于不同高程帶、坡度和坡向的氣象因子數(shù)據(jù)與SCF，利用SPSS軟件做Pearson相關(guān)性分析，見表3、4、5。Pearson相關(guān)參數(shù)指標(biāo)：當(dāng)0.8<|r|≤1.0時(shí)，兩因素高度相關(guān)； 0.5<|r|≤0.8時(shí)，中度相關(guān)； 0.3<|r|≤0.5時(shí)，低度相關(guān)；當(dāng)0≤|r|≤0.3，表示因素之間相關(guān)程度很弱，基本上不相關(guān)。
由表3可知，平均氣溫與B區(qū)SCF的Pearson相關(guān)性r值為-0.926，說明這兩個(gè)因素的負(fù)相關(guān)性高；與A、C和D區(qū)3個(gè)高程帶的積雪覆蓋率的Pearson相關(guān)性r值分別為-0.790、-0.818和-0.551，呈中度相關(guān)；但D區(qū)的Sig值沒有通過相關(guān)性檢驗(yàn)，說明其負(fù)相關(guān)性不顯著，其他為顯著負(fù)相關(guān)。降水、太陽輻射與各高程帶積雪的相關(guān)性研究結(jié)果與平均氣溫類似。說明平均氣溫、降水和太陽輻射這3個(gè)因素是影響積雪消融、維持和累積的主要?dú)庀笠蜃印?/p>
風(fēng)速與C區(qū)SCF呈中度顯著正相關(guān)，其Pearson相關(guān)r值和Sig值分別為0.654和0.021；與A區(qū)SCF相關(guān)性為中度，不顯著；其他高程帶的積雪與風(fēng)速相關(guān)性r值均小于0.38，分別為0.378和-0.241，相關(guān)性較弱且不顯著。
相對濕度與A區(qū)的SCF呈低度正相關(guān)，其Pearson相關(guān)r值和Sig值分別為0.321和0.309；與其他高程帶的積雪均呈負(fù)相關(guān)，r值分別為-0.083、-0.198和-0.065，說明塔什庫爾干河流域的SCF與相對濕度基本上不相關(guān)。
總體而言，與高程帶的SCF相關(guān)性程度從高到低依次排列為：平均氣溫>降水量>太陽輻射>風(fēng)速>相對濕度。
從表4可以發(fā)現(xiàn)，不同坡度積雪與氣象因子的相關(guān)性從高到低依次排列為：平均氣溫>太陽輻射>降水量>風(fēng)速>相對濕度。
平均氣溫、太陽輻射與每個(gè)坡度帶SCF的Pearson相關(guān)性均表現(xiàn)為高度顯著負(fù)相關(guān)，且通過了0.05級(jí)別雙尾檢驗(yàn)；降水量與S1坡度帶SCF呈中度相關(guān)，且相關(guān)性不顯著；S2、S3和S4坡度帶SCF與降水量的相關(guān)性分別為高度、中度顯著負(fù)相關(guān)，體現(xiàn)出相關(guān)性強(qiáng)的特性。
在全流域S2和S4坡度帶SCF與風(fēng)速的相關(guān)性最高，呈中度相關(guān)，r值分別為0.701和0.521，Sig值分別為0.011(顯著)和0.082(不顯著)；風(fēng)速與S1、S2區(qū)域相關(guān)性均很弱。相對濕度與每個(gè)坡度帶SCF的相關(guān)系數(shù)最小，但同時(shí)也對塔什庫爾干河流域的積雪水資源起到一定的貢獻(xiàn)價(jià)值。
從表5可以發(fā)現(xiàn)，平均氣溫與每個(gè)坡向的SCF的Pearson相關(guān)性均為高度顯著負(fù)相關(guān)， 太陽輻射與每個(gè)坡向SCF的Pearson相關(guān)性均為中度顯著負(fù)相關(guān)，均通過了顯著性檢驗(yàn)；降水量與南坡SCF的Pearson相關(guān)r值為-0.305(低度相關(guān))，未通過顯著性檢驗(yàn)，降水量與東坡、西坡、北坡積雪的相關(guān)系數(shù)為-0.773、-0.729、-0.844，可以看出降水量對積雪消融累積的貢獻(xiàn)較大。風(fēng)速、相對濕度與每個(gè)坡向SCF的相關(guān)性均很弱?？傮w而言，不同坡向SCF與氣象因子的相關(guān)性從高到低依次排列為：平均氣溫>太陽輻射>降水量>相對濕度>風(fēng)速。
表3 不同高程帶的積雪覆蓋率-氣象因子Pearson相關(guān)參數(shù)
注：**表示在 0.01 級(jí)別(雙尾)相關(guān)性顯著；*表示在 0.05 級(jí)別(雙尾)相關(guān)性顯著。
表4 不同坡度的積雪覆蓋率-氣象因子Pearson相關(guān)參數(shù)
注：**表示在 0.01 級(jí)別(雙尾)相關(guān)性顯著；*表示在 0.05 級(jí)別(雙尾)相關(guān)性顯著。
表5 不同坡向的積雪-氣象因子Pearson相關(guān)參數(shù)
注：**表示在 0.01 級(jí)別(雙尾)相關(guān)性顯著； *表示在 0.05 級(jí)別(雙尾)相關(guān)性顯著。
6 結(jié) 論
積雪是塔什庫爾干河流域?qū)氋F的資源，年內(nèi)積雪覆蓋率在不同高程帶、坡度和坡向上與氣象因子存在一定的相關(guān)關(guān)系，研究表明：
(1)影響塔什庫爾干河流域積雪的主導(dǎo)氣象因子有3個(gè)：平均氣溫、太陽輻射和降水量，同時(shí)受地形(高程、坡度、坡向)的限制。從積雪覆蓋率對氣象因子的響應(yīng)、Pearson相關(guān)系數(shù)及顯著性檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在不同地形上，平均氣溫、太陽輻射和降水量對積雪覆蓋率時(shí)空變化影響強(qiáng)度最大。
(2)季節(jié)差異性及月差異性明顯，全流域在地形及氣象因素的影響下，春冬季節(jié)(12-次年5月)SCF最大，其中包括：高程帶4 200～4 800 m、15°～30°和北坡；夏季和秋季(6-11月)最小，包含：高程帶2 974～3 600 m、45°～75°和西坡。
(3)在不同地形上的年內(nèi)積雪覆蓋率與氣象因子的相關(guān)程度存在復(fù)雜性和相似性，研究發(fā)現(xiàn)，各高程帶、坡度、坡向積雪覆蓋率與各氣象因子的相關(guān)程度相似性較高，依次排序總結(jié)為：平均氣溫>太陽輻射>降水量>風(fēng)速>相對濕度，積雪覆蓋率與前3個(gè)因素存在顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，風(fēng)速次之，與相對濕度的相關(guān)性最小。
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