黃河源區(qū)積雪時(shí)空變化特征

摘 要：黃河源區(qū)積雪量豐富，積雪變化對(duì)黃河水文及生態(tài)影響深遠(yuǎn)。利用國(guó)家青藏高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心逐日中國(guó)雪深長(zhǎng)時(shí)間序列數(shù)據(jù)集，對(duì)１９８８—２０１７ 年黃河源區(qū)平均積雪深度、積雪天數(shù)、積雪初日、積雪終日進(jìn)行了時(shí)空變化分析。結(jié)果表明：黃河源區(qū)積雪變化與海拔相關(guān)，海拔越高積雪深度、積雪天數(shù)越大，積雪初日越早、積雪終日越晚；平均積雪深度以－０．１８７ ｃｍ／ （１０ ａ） 的速率在０．０１水平呈顯著減小趨勢(shì)，１９９７ 年最大（２．７ ｃｍ）、２００３ 年最小（０．３ ｃｍ）；積雪天數(shù)以－９．７６３ ｄ／ （１０ ａ）的速率在０．０１ 水平呈顯著減小趨勢(shì)，１９９２ 年達(dá)到最大值１５８．８ ｄ、２００３ 年達(dá)到最小值６２．９ ｄ；積雪初日以１．７４５ ｄ／ （１０ ａ）的速率在０．１ 水平呈延后趨勢(shì)，最早出現(xiàn)日期為１９９２ 年８ 月１２ 日，最晚出現(xiàn)日期為２００３ 年１１ 月１６ 日；積雪終日以５．００６ ｄ／ （１０ ａ）的速率在０．０５ 水平呈明顯提前趨勢(shì)，最早出現(xiàn)日期為２００９ 年３ 月１８ 日，最晚出現(xiàn)日期為１９９２ 年５ 月２ 日。

關(guān)鍵詞：積雪深度；積雪天數(shù)；積雪初日；積雪終日；黃河源區(qū)

中圖分類號(hào)：Ｐ４２６．６３＋ ５；ＴＶ８８２．１ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２３．０４．０１５

引用格式：范霄寒，韋玲利，朱莎莎，等．黃河源區(qū)積雪時(shí)空變化特征［Ｊ］．人民黃河，２０２３，４５（４）：８７－９１．

積雪對(duì)氣候、河川徑流量、海平面等具有較大影響，在氣候變化和調(diào)節(jié)中起著重要作用［１－２］ 。耦合融雪分布式水文模型能夠較為精確地推求融雪徑流量［３］ ，融雪徑流量受積雪變化影響，而積雪變化對(duì)氣候變化極具敏感性，氣溫和降水量的變化均會(huì)導(dǎo)致融雪徑流量的變化［４］ 。積雪融水是河流重要的補(bǔ)給水源，對(duì)河流水文及生態(tài)具有重要影響。全球變暖，積雪特征發(fā)生很大變化［３］ ，中國(guó)三大積雪地區(qū)積雪天數(shù)、積雪深度等均呈下降趨勢(shì)，東北—內(nèi)蒙古積雪區(qū)積雪特征變化尤為明顯，從東向西積雪天數(shù)逐漸減少，積雪深度減?。郏担?。青藏高原是中國(guó)重要的積雪區(qū)，也是北半球積雪量較大的區(qū)域，青藏高原積雪變化特征備受國(guó)內(nèi)外關(guān)注［６］ ，青藏高原被稱作全球氣候變化的指示器，是積雪時(shí)空變化研究的重點(diǎn)區(qū)域［７］ 。黃河發(fā)源于青藏高原，黃河源區(qū)積雪變化受氣候影響顯著［８］ ，積雪融水對(duì)青藏高原地區(qū)河流補(bǔ)給及水生態(tài)保護(hù)具有重要作用［９］ ，研究黃河源區(qū)積雪變化對(duì)黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義。

１ 黃河源區(qū)概況

黃河發(fā)源于青藏高原巴顏喀拉山北麓約古宗列盆地。位于青藏高原東北的黃河源區(qū)面積為１２．２ 萬(wàn)ｋｍ２，約占黃河流域總面積的１５％，海拔為２ ６６７ ～６ ２４７ ｍ（見(jiàn)圖１），屬內(nèi)陸高原氣候區(qū)，冷熱兩季交替，凍土、積雪、冰川分布廣泛。

２ 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理

２．１ 積雪參數(shù)

對(duì)１９８８—２０１７ 年黃河源區(qū)積雪深度ＳＤ、積雪天數(shù)ＳＣＤ、積雪初日ＳＣＳ、積雪終日ＳＣＭ 共４ 個(gè)積雪參數(shù)進(jìn)行變化特征分析，為有效解決黃河流域水資源及水生態(tài)環(huán)境問(wèn)題提供依據(jù)。將９ 月１ 日至次年８ 月３１ 日作為一個(gè)積雪年［１０］ ，將積雪深度ＳＤ ≥ ０．５ ｃｍ 的自然日作為一個(gè)積雪日，將一個(gè)積雪年內(nèi)首次出現(xiàn)積雪深度ＳＤ ≥０．５ ｃｍ的日期作為積雪初日，將一個(gè)積雪年內(nèi)最后一次出現(xiàn)積雪深度ＳＤ ≥ ０．５ ｃｍ 的日期作為積雪終日。積雪天數(shù)是在一個(gè)積雪年內(nèi)積雪初日到積雪終日所有積雪深度ＳＤ ≥０．５ ｃｍ的累計(jì)積雪日，平均積雪深度為一個(gè)積雪年的日均積雪深度。

（１） 積雪天數(shù)ＳＣＤ。根據(jù)中國(guó)雪深長(zhǎng)時(shí)間序列數(shù)據(jù)集目前可用的被動(dòng)微波遙感分辨率，將一個(gè)積雪年中在３０ ｋｍ × ３０ ｋｍ 像元上觀測(cè)到積雪深度ＳＤ ≥ ０．５ｃｍ 的積雪天數(shù)作為積雪天數(shù)ＳＣＤ，即某個(gè)像元在一個(gè)完整積雪年中觀測(cè)到存在積雪的天數(shù)，計(jì)算公式為

式中：Ｓｉ 為某積雪年第ｉ 天積雪情況，取值為０ 和１，其中０、１ 分別代表不存在、存在積雪深度≥ ０．５ ｃｍ 的積雪。

（２） 積雪初日（ＳＣＳ） 和積雪終日（ＳＣＭ）。對(duì)黃河源區(qū)１９８８—２０１７ 年每一個(gè)積雪年的積雪初日、積雪終日進(jìn)行計(jì)算。

式中：Ｆｄ 為一個(gè)固定天數(shù)，即１９８８—２０１７ 年最大積雪覆蓋面積對(duì)應(yīng)的天數(shù)，根據(jù)已有數(shù)據(jù)確定其值為１６７ ｄ；ＳＣＤｂＦｄ、ＳＣＤａＦｄ 分別為Ｆｄ 之前積雪天數(shù)、Ｆｄ 之后積雪天數(shù)。

（３）線性傾向率。線性傾向率可以反映黃河源區(qū)平均積雪深度、平均積雪天數(shù)、積雪初日、積雪終日在１９８８—２０１７ 年的變化趨勢(shì)。采用最小二乘法計(jì)算［９］ ，根據(jù)黃河源區(qū)積雪參數(shù)年際變化得出平均積雪深度、平均積雪天數(shù)、積雪初日、積雪終日與積雪年份的線性關(guān)系，其斜率即線性傾向率大于０ 說(shuō)明在１９８８—２０１７年積雪呈增加趨勢(shì)，小于０ 說(shuō)明積雪呈減少趨勢(shì)。為分析積雪參數(shù)變化的顯著性，利用Ｆ 檢驗(yàn)對(duì)線性傾向率進(jìn)行０．０１、０．０５、０．１ 水平的顯著性檢驗(yàn)。

２．２ 數(shù)據(jù)來(lái)源

積雪數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家青藏高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心逐日中國(guó)雪深長(zhǎng)時(shí)間序列數(shù)據(jù)集，其原始數(shù)據(jù)來(lái)自于美國(guó)國(guó)家雪冰數(shù)據(jù)中心，投影有ＲＡＳＥ－ＧＲＩＤ 和經(jīng)緯度兩種方式。逐日積雪數(shù)據(jù)空間分辨率為２５ ｋｍ，是通過(guò)處理美國(guó)國(guó)家雪冰數(shù)據(jù)中心ＳＭＭＲ（１９７９—１９８７ 年）、ＳＳＭ／ Ｉ（１９８７—２００７ 年）和ＳＳＭＩ／ Ｓ（２００８—２０１８）逐日被動(dòng)微波亮溫?cái)?shù)據(jù)（ＥＡＳＥ－Ｇｒｉｄ）后的數(shù)據(jù)。

２．３ 數(shù)據(jù)處理

對(duì)中國(guó)雪深長(zhǎng)時(shí)間序列數(shù)據(jù)集進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，利用Ｐｙｔｈｏｎ 將原數(shù)據(jù)的ＡＳＣⅡ格式批量轉(zhuǎn)為ｔｉｆ 格式，再將此數(shù)據(jù)集進(jìn)行裁剪，輸出范圍選定為黃河源區(qū)，得到黃河源區(qū)逐日雪深數(shù)據(jù)集。利用Ｍａｔｌａｂ 對(duì)黃河源區(qū)１９８８—２０１７ 年逐日雪深數(shù)據(jù)集進(jìn)行處理，獲得逐年積雪深度、積雪天數(shù)、積雪初日和積雪終日等參數(shù)。

３ 研究結(jié)果

３．１ 積雪深度空間變化

（１）積雪深度空間分布。１９８８—２０１７ 年黃河源區(qū)各像元多年平均積雪深度空間分布見(jiàn)圖２，可以看出黃河源區(qū)存在大量積雪，但多年平均積雪深度在不同區(qū)域存在差異。高海拔地區(qū)多年平均積雪深度較大；源區(qū)上游到黃河源頭的西南部、東部多年平均積雪深度在２．９ ｃｍ 以上；黃河源區(qū)東部、東北部等區(qū)域多年平均積雪深度較小，約為０．５ ｃｍ；其他大部分區(qū)域多年平均積雪深度為１～３ ｃｍ。

（２） 積雪深度空間變化。對(duì)黃河源區(qū)各像元１９８８—２０１７ 年平均積雪深度與積雪年的線性傾向率進(jìn)行計(jì)算，得到平均積雪深度變化趨勢(shì)，見(jiàn)圖３。平均積雪深度呈減小趨勢(shì)，平均積雪深度逐年下降。其中黃河源區(qū)中部區(qū)域平均積雪深度下降約２．７ ｃｍ；中部和西部區(qū)域平均積雪深度下降明顯，原因是該地區(qū)氣溫較低，而氣溫變化對(duì)平均積雪深度變化影響較大；黃河源區(qū)東部、北部、東南局部區(qū)域平均積雪深度緩慢增大。黃河源區(qū)積雪深度整體呈下降趨勢(shì)，研究時(shí)段內(nèi)下降０．５～１．５ ｃｍ。

３．２ 積雪天數(shù)空間變化

（１）積雪天數(shù)空間分布。１９８８—２０１７ 年黃河源區(qū)各像元平均積雪天數(shù)空間分布見(jiàn)圖４，可以看出黃河源區(qū)中部、南部、西部區(qū)域平均積雪天數(shù)在１６０ ｄ 以上，局部區(qū)域在２１０ ｄ 以上；中南部、北部區(qū)域積雪儲(chǔ)存條件良好，平均積雪天數(shù)為１１０～１６０ ｄ；東南部、東部區(qū)域平均積雪天數(shù)較少，一般在６０ ｄ 以內(nèi)，尤其是東部區(qū)域平均積雪天數(shù)大多為２０ ｄ 左右，原因是海拔較低、溫度較高，不利于積雪存儲(chǔ)。

（２）積雪天數(shù)變化趨勢(shì)。１９８８—２０１７ 年黃河源區(qū)積雪天數(shù)線性傾向率即積雪天數(shù)變化趨勢(shì)見(jiàn)圖５。黃河源區(qū)積雪天數(shù)整體呈減少趨勢(shì)，其中西部、中部區(qū)域３０ 個(gè)積雪年積雪天數(shù)減少６０～９０ ｄ；黃河源區(qū)北部、南部部分區(qū)域積雪天數(shù)呈增加趨勢(shì)，但僅增加１０～２０ ｄ。

３．３ 積雪初日、積雪終日空間變化

（１）積雪初日、積雪終日空間分布。積雪初日、積雪終日是一對(duì)非常重要的積雪參數(shù)，提前或推遲是影響積雪天數(shù)變化的重要因素，黃河源區(qū)各像元年平均積雪初日、積雪終日空間分布見(jiàn)圖６?？梢钥闯?，黃河源區(qū)最早出現(xiàn)積雪的時(shí)間集中在９ 月底至１０ 月中旬（２５～４０ ｄ），主要分布在黃河源區(qū)中部、南部、西南部，海拔較高；隨著海拔降低，積雪初日出現(xiàn)時(shí)間逐漸推遲；年平均積雪初日較晚地區(qū)主要分布在西北部、東北部、東部區(qū)域，一般１１ 月中旬至１２ 月中旬（８５ ～ １１４ｄ）出現(xiàn)積雪。積雪終日在黃河源區(qū)中部、南部、西南部海拔高的地區(qū)出現(xiàn)較晚，最晚在次年６ 月（２９０ ｄ）積雪融化，次年７ 月、８ 月整個(gè)黃河源區(qū)處于無(wú)雪狀態(tài)；積雪終日較早出現(xiàn)區(qū)域集中在東北部、東部、西北部區(qū)域，在２ 月、３ 月（１５０～２００ ｄ）積雪融化。

（２）積雪初日、積雪終日空間變化趨勢(shì)。１９８８—２０１７ 年黃河源區(qū)各像元積雪初日、積雪終日線性傾向率見(jiàn)圖７?？梢钥闯觯S河源區(qū)積雪初日整體呈延后趨勢(shì)，延后區(qū)域主要分布在黃河源區(qū)中部、西部、東南部，平均延后２０～４０ ｄ；積雪初日在北部、西北部、東部局部區(qū)域出現(xiàn)提前，提前幅度較小，平均提前３～１０ ｄ，個(gè)別區(qū)域提前２０ ｄ 左右。積雪終日整體處于提前狀態(tài)，提前區(qū)域分布在黃河源區(qū)中部、西部區(qū)域，平均提前２０～４０ ｄ，部分區(qū)域提前６０ ｄ 左右；局部區(qū)域積雪終日存在延后，主要分布在黃河源區(qū)西部，延后幅度不大，平均延后３～１０ ｄ，個(gè)別區(qū)域延后２０～３０ ｄ。

３．４ 黃河源區(qū)積雪參數(shù)變化特征

黃河源區(qū)１９８８—２０１７ 年平均積雪深度、積雪天數(shù)、積雪初日、積雪終日４ 個(gè)積雪參數(shù)年際變化情況見(jiàn)圖８。平均積雪深度在１９８８—２０１７ 年以－０．１８７ ｃｍ／ （１０ａ）的速率在０．０１ 水平呈顯著減小趨勢(shì)，黃河源區(qū)平均積雪深度１９９７ 年最大（２．７ ｃｍ），２００３ 年最?。ǎ埃?ｃｍ）。積雪天數(shù)在１９８８—２０１７ 年以－９．７６３ ｄ／ （１０ ａ）的速率在０．０１ 水平呈顯著減少趨勢(shì)，黃河源區(qū)積雪天數(shù)１９９２ 年最大（１５８．８ ｄ），２００３ 年最?。ǎ叮玻?ｄ）。積雪初日在１９８８—２０１７ 年呈延后趨勢(shì)，以１．７４５ ｄ／ （１０ ａ）的速率在０．１ 水平顯著延后，黃河源區(qū)積雪初日最早出現(xiàn)日期為１９９２ 年８ 月１２ 日，最晚出現(xiàn)日期為２００３ 年１１ 月１６ 日。積雪終日在１９８８—２０１７ 年呈顯著提前趨勢(shì)，以５．００６ ｄ／（１０ ａ）的速率在０．０５ 水平提前，黃河源區(qū)積雪終日最早出現(xiàn)日期為２００９ 年３ 月１８ 日，最晚出現(xiàn)日期為１９９２ 年５ 月２ 日。

綜上，１９８８—２０１７ 年黃河源區(qū)平均積雪深度、積雪天數(shù)不斷減少，積雪初日不斷延后，積雪終日不斷提前，積雪終日提前比積雪初日延后造成的積雪天數(shù)減少更明顯。積雪變化原因主要是全球變暖環(huán)境下溫度上升；除溫度因素對(duì)積雪變化有影響外，降水對(duì)積雪變化影響也較大［５］ ；太陽(yáng)輻射、氣溶膠等氣象因子，積雪顆粒大小、結(jié)構(gòu)密度等，以及下墊面條件（植被、凍土）等都是影響積雪變化的重要因素。不同區(qū)域積雪變化的主要原因是未來(lái)一段時(shí)間的研究重點(diǎn)，此外，研究積雪變化對(duì)黃河水文效應(yīng)和災(zāi)害效應(yīng)的影響，對(duì)黃河生態(tài)保護(hù)具有重要意義。

４ 結(jié) 語(yǔ)

多年平均積雪深度、平均積雪天數(shù)、平均積雪初日、平均積雪終日空間分布具有一定規(guī)律性，在黃河源區(qū)中部、南部、西部多年平均積雪深度、平均積雪天數(shù)較大，平均積雪初日比其他區(qū)域早，平均積雪終日比其他區(qū)域晚。平均積雪深度、積雪天數(shù)在中部、南部、西部區(qū)域減小速度最快，與其空間分布規(guī)律基本一致。積雪終日在黃河源區(qū)中部、南部、西部區(qū)域提前較多，積雪初日整體呈延后趨勢(shì)。積雪終日提前比積雪初日延后對(duì)積雪天數(shù)減少的影響更明顯。

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【責(zé)任編輯 呂艷梅】