阿勒泰地區(qū)冬季積雪變化及其與氣溫及降水的關(guān)系

陳愛京　肖繼東　楊志華

摘要 ? ?本文對(duì)阿勒泰地區(qū)2004—2018年冬季積雪變化及其與氣溫、降水之間的關(guān)系進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，阿勒泰地區(qū)11月開始形成積雪穩(wěn)定期，12月積雪覆蓋率迅速發(fā)展，主要表現(xiàn)為積雪面積的擴(kuò)張，12月到翌年2月發(fā)展到鼎盛階段，1月達(dá)到最高峰;隨著暖季的到來，氣溫逐漸回升，積雪也逐漸消融。14年來，>20 cm的積雪面積年際變化趨勢(shì)較大，總體呈明顯下降趨勢(shì)。積雪變化與降水幾乎沒有相關(guān)關(guān)系，但積雪面積與氣溫有很高的負(fù)相關(guān)性，受氣溫的影響較大，說明氣溫是影響積雪變化的主導(dǎo)因素。

關(guān)鍵詞 ? ?積雪;氣溫;降水;新疆阿勒泰

中圖分類號(hào) ? ?P468.02 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 ? ?A

文章編號(hào) ? 1007-5739（2019）19-0187-04 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）

Variation ?of ?Winter ?Snow ?Cover ?and ?Its ?Relationship ?with ?Temperature ?and ?Precipitation ?in ?Altay ?Region

CHEN Ai-jing ? ?XIAO Ji-dong ? ?YANG Zhi-hua

（Urumqi Meteorological Satellite Ground Station，Urumqi Xinjiang 830001）

Abstract ? ?This paper analyzed the winter snow cover in the Altay region from 2004 to 2018 and its relationship with temperature and precipitation. The results showed that the Altay region began to form a stable snow period in November，and the snow cover rate developed rapidly in December. It is characterized by the expansion of the snow area. It reached the peak stage from December to February of the next year.In January，it reached the peak. With the arrival of the warm season，the temperature gradually rose and the snow gradually disappeared. In the past 14 years，the annual variation trend of the snow cover area of >20 cm was relatively large，and showed a significant overall downward trend. There was almost no correlation between snow cover and precipitation，but the snow area had a high negative correlation with temperature，which was affected by temperature，indicating that temperature was the dominant factor affecting snow changes.

Key words ? ?snow cover;temperature;precipitation;Altay Xinjiang

積雪作為最活躍且具有多重屬性的地表覆蓋類型，是冰凍圈內(nèi)最敏感的環(huán)境變化響應(yīng)因子，積雪時(shí)空變化被認(rèn)為是氣候變化的指示器[1]。大范圍積雪影響氣候變化、地表輻射平衡與能量交換、水資源利用、工農(nóng)業(yè)和生活用水資源、環(huán)境、寒區(qū)工程等一系列與人類活動(dòng)相關(guān)的要素[2]。積雪對(duì)氣候環(huán)境變化十分敏感，特別是季節(jié)性積雪，在干旱區(qū)和寒冷區(qū)既是最活躍的環(huán)境影響因素，也是最敏感的環(huán)境變化響應(yīng)因子[3]。

人們對(duì)于積雪的研究越來越多，例如李培基[4]使用1978—1987年SMMR微波候積雪深度資料，1973—1989年NOAA周積雪面積圖以及青藏高原60個(gè)基本氣象臺(tái)站1957—1992年逐日積雪深度、密度和月積雪日數(shù)記錄，揭示出亞洲高原積雪時(shí)空分布特征。郭艷君等[5]利用3年來NOAA衛(wèi)星遙感和常規(guī)觀測(cè)的中國積雪資料，對(duì)比研究了二者在不同季節(jié)和不同年代的逐月積雪日數(shù)。楊建平等[6]應(yīng)用長江黃河源區(qū)及其周邊地區(qū)16個(gè)氣象站逐日積雪資料，分析了長江黃河源區(qū)積雪的空間分布和年代變化特征。黃慰軍等[7]利用29個(gè)有雪密度觀測(cè)的氣象站40年氣象資料對(duì)新疆雪密度時(shí)空分布及其影響特征進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，新疆雪密度的分布呈現(xiàn)從盆地（及其周邊）到山地（及其周邊）最后到海拔3 800～4 000 m以上高山帶，雪密度隨高度的升高依次升高。依據(jù)雪密度分布圖和時(shí)間函數(shù)計(jì)算得出，穩(wěn)定期新疆雪密度最大平均值為0.191 g/cm3。胡列群等[8]利用新疆91個(gè)氣象臺(tái)站1960—2011年的觀測(cè)資料，對(duì)南北疆及天山山區(qū)冬春年（10月至翌年5月）的積雪日數(shù)最大積雪深度、積雪初始、終止日期等因子進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，對(duì)新疆區(qū)域近50年積雪變化特征進(jìn)行了分析。唐志光等[9]采用基于三次樣條函數(shù)的去云算法對(duì)2001—2015年天山地區(qū)的逐日MODIS積雪面積比例產(chǎn)品進(jìn)行了去云處理，在此基礎(chǔ)上分析了近15年天山地區(qū)積雪的時(shí)空分布及其變化特征。何海迪等[10]利用2011—2015年MOD10A2積雪產(chǎn)品和氣象數(shù)據(jù)，通過幾何校正、去云預(yù)處理，應(yīng)用歸一化差分積雪指數(shù)算法等獲取中國境內(nèi)天山山區(qū)積雪覆蓋面積數(shù)據(jù)，分析了中國天山積雪面積的時(shí)空變化特征及與氣溫、降水的關(guān)系。結(jié)果表明：①年內(nèi)積雪面積呈單峰變化。②2001—2015年積雪覆蓋面積整體上呈減少趨勢(shì)，積雪覆蓋率最大值的波動(dòng)比最小值的波動(dòng)更加劇烈。③積雪覆蓋率隨著海拔升高而增大，海拔<1 500 m區(qū)域積雪覆蓋率低于10%，海拔>4 500 m以上區(qū)域積雪覆蓋率平均可達(dá)70%，為常年穩(wěn)定積雪區(qū)。積雪覆蓋率在西北坡最高，南坡最低。④年均氣溫升高是積雪覆蓋面積減小的主因，年積雪覆蓋面積變化與年降水量變化保持一致的下降趨勢(shì)。梁鵬斌等[11]利用2001—2017年MOD10A2積雪產(chǎn)品和氣象數(shù)據(jù)，分析祁連山積雪面積動(dòng)態(tài)變化特征及與氣溫、降水的關(guān)系。結(jié)果表明，2001—2017年祁連山積雪面積年際波動(dòng)趨勢(shì)較大，呈減小趨勢(shì)，夏冬季積雪面積減小趨勢(shì)大于春季，秋季呈現(xiàn)略微增加趨勢(shì);祁連山區(qū)積雪面積主要分布在3 000～4 000 m及4 000～5 000 m，積雪覆蓋率隨著海拔上升呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì);初步分析認(rèn)為，祁連山積雪面積變化對(duì)氣溫要素更敏感。

新疆占中國國土面積的1/6，屬干旱半干旱區(qū)，地表水資源匱乏，但季節(jié)性積雪水資源豐富，占全國積雪水資源總量的1/3[12]，對(duì)于冬季嚴(yán)寒而漫長和以干旱著稱的新疆，雪是重要的水分氣候資源。新疆冬季積雪時(shí)間長、雪量較為豐富，農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)與積雪這一重要水資源關(guān)系密切[13]。因此，對(duì)新疆積雪變化特征進(jìn)行分析，是了解新疆水資源的重要依據(jù)，也為今后生態(tài)環(huán)境的建設(shè)奠定基礎(chǔ)。

1 ? ?數(shù)據(jù)與方法

1.1 ? ?研究區(qū)概況

阿勒泰地區(qū)位于新疆北部，與蒙古和俄羅斯接壤，地理坐標(biāo)為北緯44°59′35″～49°10′45″、東經(jīng)85°31′37″～91°1′15″，總體地勢(shì)趨勢(shì)是北高南低、東南高西北低。該區(qū)屬大陸性寒溫帶氣候，但面積廣袤，地貌類型復(fù)雜多樣，高差懸殊，氣候差異非常明顯。山區(qū)年降水量300～500 mm，年均溫度-4℃～ -2 ℃;山前平原區(qū)受荒漠氣候影響，年降水量130～150 mm，年均溫3.4～4.2 ℃;荒漠區(qū)年降水量80～90 mm，年均溫6 ℃。海拔500～4 374 m，3 200 m以上為冰雪作用帶，氣候是夏季干熱少雨，冬季嚴(yán)寒多雪，受西伯利亞氣流影響，常在10月至次年4月發(fā)生雪災(zāi)天氣，1月極端最低氣溫達(dá) -40 ℃，冬季積雪深厚，積雪期長達(dá)120 d左右，積雪最高厚度達(dá)60 cm，山區(qū)達(dá)1.2 m，冬季積雪深厚，雪災(zāi)頻繁，暴雪給牧業(yè)、交通和人民生活帶來極大的危害。

1.2 ? ?數(shù)據(jù)及處理

1.2.1 ? ?MODIS數(shù)據(jù)與處理方法。MODIS具有36個(gè)光譜通道，分布在0.4～14.0 μm的電磁波譜范圍內(nèi)[14]。包含用于積雪監(jiān)測(cè)的可見光波譜范圍內(nèi)的通道4（0.545～0.565 μm）與近紅外波譜范圍內(nèi)的通道6（1.628～1.652 μm），這2個(gè)波段主要反映地物對(duì)太陽輻射的反射特性。MODIS儀器的空間分辨率分別為250 m（通道1～2）、500 m（通道3～7）、1 000 m（通道8～36），視幅寬度為2 330 km，每日或每2 d可獲取1次來自大氣、海洋和陸地表面信息的全球觀測(cè)數(shù)據(jù)。MODIS對(duì)積雪的監(jiān)測(cè)主要是利用積雪在1.6 μm的強(qiáng)吸收特性，利用MODIS數(shù)據(jù)制作的積雪監(jiān)測(cè)影像具有分辨率高、監(jiān)測(cè)范圍廣的特點(diǎn)，可以清楚地反映出積雪覆蓋的范圍。

本文使用的積雪覆蓋數(shù)據(jù)（時(shí)間序列為2004年11月至2018年3月）是由新疆遙感中心開發(fā)的積雪遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)生成的，首先對(duì)MODIS 1B數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何糾正，通過EOS/MODIS用戶端軟件EOSSHOP，對(duì)MODIS數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何糾正，生成等經(jīng)緯度投影、中心經(jīng)度為88.5°、中心緯度為47°、中心分辨率為0.002 5（即空間分辨率為250 m）、影像大小為2 800×2 000的局地文件LD2（Local Data Version2），然后將局地文件通過積雪遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)計(jì)算出旬的積雪覆蓋率，再將三旬的積雪覆蓋率做平均得到2004年11月至2018年3月冬半年的月積雪覆蓋率數(shù)據(jù)。北疆北部屬北溫帶寒涼區(qū)大陸性氣候，冬季嚴(yán)寒而漫長，長達(dá)5個(gè)月（當(dāng)年11月至次年3月）。11—12月為前冬，1月為隆冬，2—3月為后冬[15]。

1.2.2 ? ?氣象數(shù)據(jù)與處理方法。對(duì)2004年11月至2018年3月阿勒泰地區(qū)7個(gè)氣象站點(diǎn)冬半年的月氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，首先對(duì)氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行了質(zhì)量控制，根據(jù)相似臺(tái)站相似和氣候平均值方法修正或填補(bǔ)明顯有誤或空缺的資料[16]。對(duì)所得的月積雪覆蓋率、月積雪面積、月平均氣溫、月平均降水?dāng)?shù)據(jù)加以分析，并通過統(tǒng)計(jì)軟件作進(jìn)一步的相關(guān)分析。

2 ? ?結(jié)果與分析

2.1 ? ?積雪的年內(nèi)變化

將2004年11月至2018年3月冬半年內(nèi)的月積雪覆蓋率的平均值作為當(dāng)年的積雪覆蓋率，統(tǒng)計(jì)出阿勒泰地區(qū)冬半年的月積雪覆蓋率數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，阿勒泰地區(qū)的積雪屬于季節(jié)性積雪，阿勒泰地區(qū)一般積雪期為5～6個(gè)月，冬季積雪隨著氣溫的降低，穩(wěn)定積雪開始形成，積雪覆蓋率逐漸增加。阿勒泰地區(qū)11月開始形成積雪穩(wěn)定期;12月積雪覆蓋率迅速發(fā)展，主要表現(xiàn)為積雪面積的擴(kuò)張;12月到2月發(fā)展到鼎盛階段，1月達(dá)到最高峰，積雪覆蓋率從47.9%增加到90.8%左右，在鼎盛時(shí)期積雪面積相對(duì)穩(wěn)定，積雪深度不斷增加。3月開始，氣溫逐漸回升，積雪也開始慢慢消融，積雪覆蓋率開始下降，積雪面積減小（圖1、2）。

2.2 ? ?積雪的年際變化

對(duì)阿勒泰地區(qū)2004—2018年冬季的積雪覆蓋率、積雪總面積以及>20 cm的積雪面積進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，得到阿勒泰地區(qū)積雪的年際變化特征，結(jié)果如圖3、4、5所示?？梢钥闯?，2007—2008年和2017—2018年的積雪覆蓋率和積雪總面積較小，分別為63.75%、67 767.46 km2和64.70%、69 519.2 km2，明顯小于多年平均值;2009—2010年冬季的積雪覆蓋率和積雪總面積最大，分別為95.12%和101 421.01 km2，其余年份在平均值上下波動(dòng);2004—2018年積雪覆蓋率和積雪總面積年際整體變化趨勢(shì)不是很大，略微有下降的趨勢(shì)。對(duì) >20 cm的積雪面積繪制年際變化曲線，其中2017—2018年>20 cm的積雪面積最小，為15 163.53 km2，比多年均值少16 937 km2;2009—2010年>20 cm的積雪面積最大，為55 997.6 km2，比多年平均值多23 897.1 km2。>20 cm的積雪面積線性變化趨勢(shì)較大，總體呈明顯的下降趨勢(shì)。這可能是由于全球氣候變暖加劇了山區(qū)積雪的消融。

2.3 ? ?積雪面積與氣溫及降水的關(guān)系

為了更深入地分析積雪變化與氣溫及降水的相關(guān)性，本文分別對(duì)阿勒泰地區(qū)積雪總面積、<20 cm的積雪面積、 >20 cm的積雪面積與氣溫、降水的關(guān)系進(jìn)行了分析。積雪面積采用每月的上、中、下三旬的平均值合成的月數(shù)據(jù)，為使氣溫和降水資料與積雪面積數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)，氣象資料是相對(duì)應(yīng)積雪數(shù)據(jù)的月平均氣溫和降水的數(shù)據(jù)。

2.3.1 ? ?積雪面積與氣溫的關(guān)系。一般情況下，氣溫越低，越有利于積雪的累積和穩(wěn)定，從積雪總面積、<20 cm的積雪面積、>20 cm的積雪面積與氣溫的相關(guān)性分析（圖6、7、8，表1）可以看出，積雪總面積、<20 cm的積雪面積、>20 cm的積雪面積都與氣溫成較高的負(fù)相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)分別為-0.851、 -0.637、-0.379，均通過了0.01的顯著性檢驗(yàn)，說明積雪面積受氣溫的影響很大。由于<20 cm的積雪面積大多數(shù)都集中在平原區(qū)或者淺山帶，受氣溫的影響較大，氣溫的下降有利于<20 cm的積雪面積的累積;著氣溫的升高，平原區(qū)和淺山帶的積雪也會(huì)迅速融化，積雪面積也隨之減少;>20 cm的積雪面積大多數(shù)集中在高山區(qū)，其海拔較高，積雪相對(duì)穩(wěn)定，受氣溫的影響相對(duì)小一些。

2.3.2 ? ?積雪面積與降水的關(guān)系。從積雪總面積、<20 cm的積雪面積、>20 cm的積雪面積與平均降水的相關(guān)性分析（圖9、10、11，表1）可以看出，積雪總面積、<20 cm的積雪面積、 >20 cm的積雪面積都與平均降水的相關(guān)性很小，相關(guān)系數(shù)分別為-0.059、-0.130、0.079，均未通過顯著性檢驗(yàn)，說明積雪面積幾乎不受降水的影響。

綜上所述，積雪面積與降水幾乎沒有相關(guān)關(guān)系，但積雪面積與氣溫的負(fù)相關(guān)性卻很高，說明溫度對(duì)積雪面積變化影響很大，隨著氣溫的下降，穩(wěn)定積雪開始形成，積雪面積開始擴(kuò)張，隨著氣溫的升高，積雪開始融化，積雪面積逐漸減小，氣溫是影響積雪變化的主導(dǎo)因素。

3 ? ?結(jié)論

（1）由近14年阿勒泰地區(qū)年內(nèi)積雪變化可知，隨著氣溫下降，穩(wěn)定積雪開始形成;1—2月積雪發(fā)展到鼎盛階段，積雪覆蓋率達(dá)到峰值，積雪面積相對(duì)穩(wěn)定;3月隨著氣溫升高，積雪開始消融，積雪覆蓋率開始衰減，積雪面積開始減少。

（2）近14年，阿勒泰地區(qū)除2009—2010年冬季的積雪總面積最大外，其余年份都在平均值上下波動(dòng)，積雪總面積年際變化不大;但>20 cm的積雪面積年際變化趨勢(shì)較大，總體呈明顯的下降趨勢(shì)。

（3）積雪變化與氣溫、降水的相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，積雪變化與降水幾乎沒有相關(guān)關(guān)系，但積雪面積與氣溫有很高的負(fù)相關(guān)性，受氣溫的影響較大，說明氣溫是影響積雪變化的主導(dǎo)因素[17-18]。

4 ? ?參考文獻(xiàn)

[1] 秦艷，丁建麗，趙求東，等.2001—2015年天山山區(qū)積雪時(shí)空變化及其與溫度和降水的關(guān)系[J].冰川凍土，2018，40（2）：249-260.

[2] 藍(lán)永超.河西內(nèi)陸干旱區(qū)主要河流出山徑流特征及變化趨勢(shì)分析[J].冰川凍土，2000，22（6）：78-82.

[3] 高衛(wèi)東，魏文壽，張麗旭.近30年來天山西部積雪與氣候變化：以天山積雪雪崩研究站為例[J].冰川凍土，2005，27（1）：68-73.

[4] 李培基.高亞洲積雪分布[J].冰川凍土，1995，17（4）：291-298.

[5] 郭艷君，翟盤茂，李威.NOAA衛(wèi)星遙感與常規(guī)觀測(cè)中國積雪的對(duì)比研究[J].冰川凍土，2004，26（6）：755-760.

[6] 楊建平，丁永建，劉俊峰.長江黃河源區(qū)積雪空間分布于年代及變化[J].冰川凍土，2006，28（6）：648-655.

[7] 黃慰軍，黃鎮(zhèn)，崔彩霞，等.新疆雪密度時(shí)空分布及其影響特征研究[J].冰川凍土，2007，29（1）：66-72.

[8] 胡列群，李帥，梁鳳超.新疆區(qū)域近50a積雪變化特征分析[J].冰川凍土，2013（35）：793-800.

[9] 唐志光，王建，王欣，等.近15年天山地區(qū)積雪時(shí)空變化遙感研究[J].遙感技術(shù)與應(yīng)用，2017，32（3）：556-563.

[10] 何海迪，李忠勤，張明軍.基于MODIS數(shù)據(jù)中國天山積雪面積時(shí)空變化特征分析[J].干旱區(qū)地理，2018，41（2）：367-374.

[11] 梁鵬斌，李忠勤，張慧.2001—2017年祁連山積雪面積時(shí)空變化特征[J].干旱區(qū)地理，2019，42（1）：56-66.

[12] 李培基.中國季節(jié)積雪資源初步評(píng)價(jià)[J].地理學(xué)報(bào)，1988，43（2）：108-119.

[13] 李良序，黃鎮(zhèn)，傅華.新疆雪蓋特征分析[J].新疆氣象，2001，24（5）：21-23.

[14] 劉玉潔，楊忠東.MODIS遙感信息處理原理與算法[M].北京：科學(xué)出版社，2000.

[15] 莊曉翠，唐秀，阿志肯.氣候變化與北疆北部2000年特大雪災(zāi)的必然性及預(yù)測(cè)[J].新疆氣象，2006，29（4）：9-12.

[16] 崔彩霞，楊青，王勝利.1960—2003年新疆山區(qū)與平原積雪長期變化的對(duì)比分析[J].冰川凍土，2005，27（4）：486-490.

[17] 馬麗娟，秦大河，卞林根，等.青藏高原積雪日數(shù)的氣溫敏感度分析[J].氣候變化研究進(jìn)展，2010，6（1）：1-7.

[18] 劉俊峰，楊建平，陳仁升.長江源區(qū)典型流域積雪年變化及其與氣溫、降水的關(guān)系[J].冰川凍土，2007（6）：862-868.