新疆天山山區(qū)積雪時空變化分析

郝靖宇 高敏華

摘要?利用天山山區(qū)MOD10A2 的積雪產(chǎn)品與6個氣象觀測站平均氣溫和日照時間資料，分析該區(qū)積雪的時空變化特征及其影響因素，得出以下結(jié)論：①2000—2018年積雪覆蓋率年內(nèi)分布呈“U”形變化，1—8月份積雪覆蓋率呈現(xiàn)直線下降趨勢，從9 月初開始呈上升趨勢，積雪覆蓋率最高值51.88%，最小值4.41%。②2000—2018年積雪覆蓋頻率>700次的積雪區(qū)約占山區(qū)總面積的3.53%，介于500～700次，即年平均為25～35次的占天山山區(qū)總面積的29.43%，介于200～400次的占天山山區(qū)總面積的 64.34% 。③不同年份的積雪覆蓋比最小值出現(xiàn)的日期不盡一致，積雪極值出現(xiàn)時間有后移的現(xiàn)象。2000—2018年積雪覆蓋比呈現(xiàn)上升趨勢，說明天山山區(qū)的整體積雪總量在增加。（4）溫泉和達坂城站點日照時間與積雪覆蓋率呈現(xiàn)此消彼長的變化趨勢。哈密和烏恰2個站點日照時間呈現(xiàn)上升趨勢，而積雪覆蓋率呈現(xiàn)先增再減再增的趨勢，說明日照時間對積雪覆蓋率的影響較小。天山山區(qū)氣溫在2010年以后出現(xiàn)一次急速下降的趨勢，而積雪覆蓋率呈現(xiàn)較為緩和的上升趨勢。積雪覆蓋率與氣溫呈現(xiàn)反向變化趨勢，每年的平均氣溫最低在-12 ℃，最高在8 ℃左右。

關(guān)鍵詞?新疆天山;積雪;MODIS;溫度

中圖分類號?P426.63+?文獻標(biāo)識碼?A

文章編號?0517-6611（2020）14-0203-06

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.14.057

Abstract?The temporal and spatial variation characteristics of snow cover and the influencing factors in Tianshan Mountain area were analyzed by using the snow products of MOD10A2 and the mean temperature and sunshine time data of six meteorological observations.The main conclusions were as follows： ①The distribution of snow shows a U-shaped change in the year 2000-2018，with a straight downward trend in snow cover from January to August and an upward trend beginning at the beginning of September，with a maximum snow cover of 51.88% minimum of 4.41%.②The snow cover frequency more than 700 times accounts for about 3.53% of the total mountain area，between 500 times and 700 times，that is，between 25 times and 35 times per year，accounts for 29.43% of the total area of Tianshan Mountain area，between 200 times and 400 times，accounts for 64.34% of the total area of Tianshan Mountain area in the year 2000-2018.③The dates of the minimum value of snow cover ratio in different years are not the same，and the extreme value of snow appears the phenomenon of time backward.The snow cover ratio shows an upward trend，which indicates that the total amount of snow cover in Tianshan Mountain area is increasing in the year 2000-2018.④Hot springs and Dabancheng site sunshine time and snow coverage shows a change trend of one growth or another.Hami and Ucha stations，sunshine time shows an upward trend，however，snow cover tends to increase and decrease first and then increase.From this point of view，sunshine time has little effect on snow cover.The temperature in the mountainous area of Tianshan appeared a rapid downward trend after 2010，while the snow cover showed a more moderate upward trend.Snow cover and temperature shows a reverse change trend.And the lowest of annual average temperature is -12?℃，the highest is about 8?℃.

Key words?Xinjiang Tianshan;Snow cover;MODIS;Temperature

水作為萬物之源尤為重要，然而在西北干旱區(qū)水資源分布極其不均，且主要以冰雪及冰川狀態(tài)存儲。新疆天山山區(qū)作為西北干旱區(qū)中最大的積雪覆蓋地區(qū)，也是中國主要的積雪穩(wěn)定區(qū)[1]，對新疆生態(tài)系統(tǒng)的維護有著重要意義。積雪融水作為新疆各種河流和生態(tài)農(nóng)業(yè)的主要水源補給，直接決定了新疆的經(jīng)濟穩(wěn)定與生態(tài)安全[2]。特別是山區(qū)融雪徑流形成的春汛，對地區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉具有重要意義[3-4]，而夏季冰川積雪融水疊加，極易引起洪水災(zāi)害[5]，嚴重影響下游社會經(jīng)濟發(fā)展。因此，對天山山區(qū)積雪變化進行監(jiān)測有著至關(guān)重要的意義。

針對新疆天山山區(qū)積雪監(jiān)測與變化規(guī)律已有大量的研究。如李培基[1]根據(jù)氣象臺站資料和時間相同的SMMR微波積雪數(shù)據(jù)（時序長達50年），探討積雪的變化趨勢，分析對氣候變暖的響應(yīng)。高衛(wèi)東等[6]基于1967—2000 年氣象站點的實測數(shù)據(jù)，對天山山區(qū)西部的積雪變化進行分析，認為積雪與冬季降水呈正相關(guān)，與溫度呈負相關(guān)。楊建平等[7]基于長江黃河發(fā)源區(qū)的16個氣象站逐日積雪資料分析了該地區(qū)積雪的空間分布和年際變化。黃慰軍等[8]利用29個有雪密度觀測的氣象站時間時序長達 40 年的氣象資料對新疆雪密度時空分布及其影響進行了分析，得出海拔3 800 m以上高山，雪密度隨高度的升高呈現(xiàn)升高趨勢，積雪密度最大平均值約0.191 g/cm3。李雪梅等[9]對1961—2013 年的氣象站點觀測雪深和氣象數(shù)據(jù)進行分析，結(jié)果表明：天山山區(qū)氣溫的變化是影響積雪變化的主要氣象因素。

從前人研究可以得出，眾多學(xué)者采用站點積雪數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)或MODIS遙感積雪信息與站點氣象數(shù)據(jù)的方法分析新疆及其他地區(qū)的積雪變化及其影響因素，并取得了一定的成果。鑒于此，筆者基于前人對中國天山山區(qū)積雪分布特征研究的方法和結(jié)論，運用 MOD10A2 積雪數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)，對中國天山山區(qū)的積雪面積時空變化特征以及其影響因素進行了分析。

1?材料與方法

1.1?研究區(qū)概況?天山山區(qū)位于中國新疆維吾爾自治區(qū)中部（ 73°～ 95°E，38°～45°N） ，西至新疆喀什，東至哈密以東的星星峽戈壁，東西長達1 700?km[10]，南北最長約300 km，呈不規(guī)則“X”形[11]（圖1）。天山地形復(fù)雜，山勢西高東低，屬于溫帶大陸性氣候，氣溫溫差較大，日照時間充足，蒸降比大，氣候干燥，且地域差異明顯。由于天山山區(qū)地勢海拔原因，使得天山西部和北部山區(qū)降水充足，天山東部和南部缺乏降水[12]。天山山區(qū)是新疆三大山系中積雪最為發(fā)育的地區(qū)，積雪深度在 30 ～ 50 cm 以上[13]，也是我國三大穩(wěn)定積雪中心之一[14]。天山是影響新疆乃至中國西部地區(qū)氣候和生態(tài)環(huán)境的重要天然屏障，也是新疆最重要的河流發(fā)源地之一。

1.2?數(shù)據(jù)源

1.2.1?積雪數(shù)據(jù)。選取來源于美國國家冰雪產(chǎn)品數(shù)據(jù)中心（NSIDC） 提供的MOD10A2 的積雪產(chǎn)品，該產(chǎn)品可獲取最大積雪像元數(shù)，同時云量影響較小，且能夠很好的去云處理，效果顯著、數(shù)據(jù)獲取方便[15]。500 m 高分辨率的 MODIS 數(shù)據(jù)8 d 合成積雪覆蓋。此前已有學(xué)者將MOD10A2 應(yīng)用于新疆區(qū)域積雪研究，識別精度為87.4%～94.2%[16-18]，能較好地反映山地積雪的真實狀況。筆者基于2001—2018 年的MOD10A2積雪產(chǎn)品，對于整體研究區(qū)需要4 幅影像才能全面覆蓋天山山區(qū)，軌道號分別為 h23v04、h23v05、h24v04 和 h24v05（每年有 46 期，其中缺失4 期，不納入統(tǒng)計分析） 。

1.2.2?氣象數(shù)據(jù)。氣象資料來自于國家氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（http：∥data.cma.cn） ，共選取了6個國家基本氣象站 2000—2012年的年氣溫、年降水資料，包括天山山區(qū)2000—2012年6個氣象站點的月觀測數(shù)據(jù)，并對缺失的數(shù)據(jù)進行線性插值補充。

1.3?數(shù)據(jù)處理

1.3.1?數(shù)據(jù)預(yù)處理。 借助 EOS/MODIS 數(shù)據(jù)中心提供軟件 MRT（ MODIS Rprojection Tool） 對 MOD10A2 數(shù)據(jù)進行投影轉(zhuǎn)換與拼接，將坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為地理坐標(biāo)WG84，投影轉(zhuǎn)換為 Albers 投影，同時為便于進一步分析，采用最鄰近法（Nearest neighbor） 對數(shù)據(jù)進行重采樣，分辨率與 SRTM 數(shù)據(jù)一致。將 DEM 數(shù)據(jù)重采樣為 500 m，重投影為和 MOD10A2 參數(shù)一致的Albers 投影。

1.3.2?積雪數(shù)據(jù)提取。將處理后的數(shù)據(jù)導(dǎo)入ArcGIS 軟件中，利用天山山區(qū)的矢量邊界進行裁剪，然后根據(jù) MOD10A2 產(chǎn)品編碼及其意義，把編碼為 1（snow） 歸為積雪，0為無雪。最后提取并統(tǒng)計研究區(qū)年際、年內(nèi)的積雪像元數(shù)，用加權(quán)平均計算獲取相應(yīng)的積雪面積和頻率。

2?結(jié)果與分析

2.1?天山山區(qū)積雪覆蓋率變化?2000—2018年的整體多年溫度月均值與2000—2018年的整體多年積雪覆蓋率月均值變化如圖2所示。由圖2可見，溫度的月變化與積雪覆蓋率的月變化呈相反趨勢。其中，積雪覆蓋率年內(nèi)分布呈“U”形變化，1—7月份積雪覆蓋率呈現(xiàn)直線下降趨勢，到7 月末至 8 月初達到最小（ 4.41% ） ，面積約為12 679.09?km2;溫度呈現(xiàn)單峰型的變化趨勢，從1月份（-13.4 ℃）到7月份（28.7 ℃）呈現(xiàn)上升趨勢，6個月的溫度變化幅度為42.1 ℃。7—12月份溫度變化幅度約40.1 ℃。年平均溫度變化幅度約40 ℃。積雪從9 月初開始積累，積雪覆蓋率不斷增大，至 1 月達到最大值（ 51.88% ） ，面積達到約164 505.05 km2;隨后氣溫升高積雪逐漸融化，積雪覆蓋面積迅速減少。

為定量研究天山山區(qū)積雪面積的年際變化情況，對 2000—2018年 MOD10A2 積雪數(shù)據(jù)進行空間統(tǒng)計，得到19年來逐 8 d積雪覆蓋比時間序列（圖3） 。結(jié)果表明，積雪面積周期性變化顯著，每年均有1次積累和消融過程;最大積雪覆蓋比年際變化除 2001 年（ 55.3% ） 和 2008 年（ 54.1% ） 明顯偏低外，其他年份變化不大;從積雪覆蓋比的趨勢線來看，整體比較平穩(wěn)，略有上升趨勢。

2.2?天山山區(qū)積雪頻率空間分布特征?為了更加形象地展示積雪覆蓋的空間變化，對2000—2018年19年的積雪進行空間疊加分析，結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出，積雪覆蓋率分為9個等級，所以年平均積雪覆蓋次數(shù)最小約為5次，最高約為45次。從圖4可以看出，積雪覆蓋頻率空間分布差異性較大。其中，全年積雪覆蓋頻率>700次數(shù)的地區(qū)主要位于高海拔地區(qū)天山山脈的山脊，此處主要為常年積雪區(qū)和冰川覆蓋區(qū)，約占天山山區(qū)總面積的3.53%，積雪覆蓋次數(shù)最高值主要位于伊利地區(qū)的天山山脈和烏魯木齊市北部的天山山脈;全年積雪覆蓋次數(shù)介于500 ～700次，即年平均為25～35次的地區(qū)主要分布在永久積雪區(qū)周邊、伊犁河谷及天山北麓大部分區(qū)域，天山中部和博爾塔拉境內(nèi)的天山山段，占天山山區(qū)總面積的 29.43% ，這一區(qū)域冬季積雪較豐富，也是河流和冰川形成的主要產(chǎn)流區(qū);全年積雪覆蓋次數(shù)介于200～400次，即年平均為10～21次的地區(qū)主要分布在天山山區(qū)的河谷、東天山以東及博斯騰湖區(qū)域及天山南麓大部分中低山區(qū)域，面積分布最廣，占總面積的 64.34%，該區(qū)域積雪次數(shù)較少，積雪覆蓋持續(xù)時間相對較短，是春季河流融雪補給的主要來源。

2.3?天山山區(qū)積雪覆蓋率極值

從圖5可以看出，天山山區(qū)不同年份的積雪覆蓋比最小值出現(xiàn)的日期不盡一致，2000年積雪最小值出現(xiàn)在7月22日，2001年出現(xiàn)在7月23日，2002年出現(xiàn)在8月24日，2003年出現(xiàn)在9月9日?？梢姡?000—2003年積雪最小值呈推遲的狀態(tài)，前后變化幅度為49 d，說明新疆天山山脈的融雪日期在推遲，可能是由于全球氣候變暖，新疆入冬時期延遲，延長了夏季和秋季日期所致。2004—2010年積雪覆蓋比最小值出現(xiàn)日期前后波動變化，變化幅度為9 d。2011—2013年，有出現(xiàn)積雪最小值延遲的現(xiàn)象發(fā)生，最大為8月8日，前后變化幅度為48 d。2014—2017年也呈現(xiàn)積雪最大值推遲的現(xiàn)象，前后變化幅度為16 d。以上可以看出，新疆天山山區(qū)積雪覆蓋比最小值出現(xiàn)反復(fù)循環(huán)性的推遲現(xiàn)象，這是由于新疆地區(qū)下墊面主要為沙漠，戈壁灘，多石少土的性質(zhì)導(dǎo)致。夏季地表吸收較高的能量，致使秋季溫度整體上升，進而導(dǎo)致入冬時期推遲。由于西風(fēng)環(huán)流的影響使得新疆出現(xiàn)降水及降雪導(dǎo)致這種推遲現(xiàn)象循環(huán)式的出現(xiàn)。從圖5還可以看出，2000—2018年積雪覆蓋比呈現(xiàn)上升趨勢，說明天山山脈的整體積雪總量在增加。

從圖6可以看出，2000—2018年積雪覆蓋比最大值出現(xiàn)的日期呈顯著性的波動，2000年積雪最大值出現(xiàn)在12月13日，2001年出現(xiàn)在12月30日，2002年出現(xiàn)在12月22日，2003年出現(xiàn)在1月4日，2004年出現(xiàn)在1月20日?？梢?，2000—2004年積雪最大值呈推遲的狀態(tài)，前后變化幅度為38 d，說明新疆天山山脈的降雪日期在推遲，可能是由于全球氣候變暖，新疆入冬時期延遲所致。2005—2008年積雪覆蓋比最大值呈前后波動變化，變化幅度為42 d。2013—2016年，有出現(xiàn)積雪最大值延遲的現(xiàn)象發(fā)生，最大為2月5日，前后變化幅度為77 d。變化幅度為19年最大，變幅超過2個月的時間，說明積雪覆蓋比的變化較大。以上可以看出，新疆天山山區(qū)積雪覆蓋比最大值出現(xiàn)反復(fù)循環(huán)性的推遲現(xiàn)象，這是由于冬季天山山區(qū)處于蒙古高壓后部，主要受到西風(fēng)環(huán)流的控制，強烈的西風(fēng)將水汽從海洋吹向內(nèi)陸，由于在西歐至中亞廣大地區(qū)沒有遇到高大山脈阻擋，水汽被西風(fēng)攜帶從北到南一直影響到天山地區(qū)，天山以北的準噶爾盆地西側(cè)地勢較低，水汽在被天山地形抬升之后，在天山以北形成降雪。即天山山區(qū)受到同一天氣系統(tǒng)的影響形成降雪。所以，天山山區(qū)積雪最大值出現(xiàn)日期的推遲與西北環(huán)流和蒙古高壓影響有關(guān)。

2.4?積雪影響因素

氣溫與日照時間是描述氣候變化的2個主要因素，常用來分析研究區(qū)積雪與氣候的關(guān)系。馬麗娟等[19]研究表明，氣溫是影響積雪的最大因素之一，其中日照時間又是影響溫度的主要因素之一，日照時間的長短直接影響到溫度的高低。而氣溫的高低直接影響到積雪和融雪2個物理過程。由于搜集到的氣象數(shù)據(jù)有限，故筆者選取天山山區(qū)的6個氣象站點（溫泉、達坂城、哈密、巴音布魯克、拜城和烏?。?000—2012年的平均氣溫和日照時間進行分析，結(jié)果見圖7、8。

由圖7可知，溫泉和達坂城站點日照時間與積雪覆蓋率呈現(xiàn)此消彼長的變化趨勢，溫泉與達坂城海拔較低且自然環(huán)境并不惡劣，主要是由于日照時間的長短影響氣溫進而導(dǎo)致積雪覆蓋率降低。哈密和烏恰2個站點，日照時間的長短影響積雪覆蓋率較小，并未出現(xiàn)此消彼長的現(xiàn)象。從哈密站點整體來看，日照時間呈現(xiàn)上升趨勢，而積雪覆蓋率呈現(xiàn)先增再減再增的趨勢，說明日照時間對積雪覆蓋率的影響較小。烏恰站點日照時間整體呈現(xiàn)下降趨勢，而積雪覆蓋率呈現(xiàn)微上升趨勢，說明該站點的日照時間對積雪覆蓋率影響較大。拜城和巴音布魯克2個氣象站點，日照時間與積雪覆蓋率變化無明顯的關(guān)系。其中日照時間出現(xiàn)較大的波動，而積雪覆蓋率波動較小，說明日照時間不是影響積雪覆蓋率的主要因素。從不同地方的氣象站點可以看出，不同地區(qū)氣象因素對積雪覆蓋率影響不同，不同地方積雪對氣象因素的響應(yīng)也不同。

由圖8可知，6個氣象站點的平均氣溫在2010年以后出現(xiàn)一次急速下降的趨勢，而積雪覆蓋率呈現(xiàn)較為緩和的上升趨勢，說明平均氣溫對積雪影響較小。東天山的達坂城和哈密平均氣溫變化趨勢基本一致，平均氣溫先增加，至2004年氣溫下降，2006年氣溫呈現(xiàn)上升趨勢，2009年氣溫呈急速下降趨勢，積雪覆蓋率與氣溫呈現(xiàn)反向變化趨勢。且每年的平均氣溫最低在-12 ℃，最高在8 ℃左右。巴音布魯克的平均氣溫最低，最低氣溫達-20 ℃，最高-15 ℃左右。巴音布魯克站點的平均氣溫變化趨勢與另外的5個站點不同，這是由于巴音布魯克位于海拔2 000 m左右（高海拔），風(fēng)力及氣壓較大，可能是影響積雪覆蓋的主要氣候因素。由此可知，不同海拔的地區(qū)，影響積雪的主導(dǎo)因素不同，對于后期研究不同海拔地區(qū)積雪的影響因素，有著很好的先驗知識。

3?結(jié)論

基于MOD10A2 的積雪產(chǎn)品及氣象數(shù)據(jù)對天山山區(qū)的積雪覆蓋率與空間分布進行分析，進而研究不同站點的氣象因素對積雪覆蓋率的影響，得出以下結(jié)論：

（1）2000—2018年積雪覆蓋率年內(nèi)分布呈“U”形變化，1—7月份積雪覆蓋率呈現(xiàn)直線下降趨勢，到7 月末至 8 月初達到最?。?4.41%） ，面積約為12 679.09 km2。積雪從9 月初開始積累，積雪覆蓋率不斷增大，至翌年 1 月達到最大值（51.88%），面積約為164 505.05 km2;隨后氣溫升高，積雪逐漸融化，積雪覆蓋面積迅速減少。積雪面積周期性變化顯著，每年均有1次積累和消融過程。最大積雪覆蓋比年際變化除 2001 年（55.3%） 和 2008 年（54.1%） 明顯偏低外，其他年份變化不大。

（2）2000—2018年，積雪覆蓋頻率>700次數(shù)的積雪區(qū)面積約占天山山區(qū)總面積的3.53%;介于500～700次，即年平均為25～35次的積雪區(qū)面積占天山山區(qū)總面積的29.43%;介于200～400次的積雪區(qū)面積占天山山區(qū)總面積的 64.34%。

（3）不同年份的積雪覆蓋比最小值出現(xiàn)的日期不盡一致，積雪極值出現(xiàn)時間后移的情況，說明新疆天山山脈的融雪日期在推遲。2000—2018年積雪覆蓋比呈現(xiàn)上升趨勢，說明天山山脈的整體積雪總量在增加。

（4）溫泉和達坂城站點日照時間與積雪覆蓋率呈現(xiàn)此消彼長的變化趨勢。哈密和烏恰2個站點，日照時間呈現(xiàn)上升趨勢，而積雪覆蓋率呈先增再減再增的趨勢。由此看來，日照時間對積雪覆蓋率的影響較小。天山山區(qū)氣溫在2010年以后出現(xiàn)一次急速下降的趨勢，而積雪覆蓋率呈現(xiàn)較為緩和的上升趨勢，積雪覆蓋率與氣溫呈現(xiàn)反向變化趨勢，且每年的平均氣溫最低在-12 ℃，最高在8 ℃左右。巴音布魯克的平均氣溫最低，最低氣溫達-20 ℃，最高-15 ℃左右。主要因為巴音布魯克位于海拔2 000 m左右（高海拔），風(fēng)力及氣壓影響較大，所以該地區(qū)的積雪覆蓋率主要受風(fēng)力及氣壓影響。

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