1979-2018年瀾滄江烏弄龍流域積雪時(shí)空變化及其影響因素

張春堂，李炳鋒，羅煜寧，王宇昊，申笑萱，吳南，張珂

（1.河海大學(xué)水災(zāi)害防御全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210024；2.河海大學(xué)長江保護(hù)與綠色發(fā)展研究院，江蘇 南京 210024；3.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210024；4.中國氣象局水文氣象重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210024；5.水利部水利大數(shù)據(jù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210024；6.水利部水循環(huán)與水動(dòng)力系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210024）

0 前言

積雪是氣候系統(tǒng)五大圈層之一的冰凍圈中的重要組成部分。作為地球表面最活躍的生態(tài)要素之一[1-2]，積雪改變地表能量收支，影響陸氣相互作用，具有高反射率的特性。同時(shí)，通過改變相態(tài)，積雪還參與熱量傳輸和水文循環(huán)[3-5]。積雪的深度、雪蓋面積、空間分布及其開始和結(jié)束時(shí)間等特征對氣候變化、水文響應(yīng)以及生態(tài)影響等都極為敏感。尤其對氣候變化影響最為顯著[6-8]。站點(diǎn)和衛(wèi)星遙感資料均表明，中國的積雪主要分布在青藏高原、新疆北部、內(nèi)蒙古和東北地區(qū)[9]。在全球氣候普遍變暖的背景下，青藏高原的積雪分布特征以高海拔為主[10]。這種變化對積雪面積和深度產(chǎn)生了明顯影響，易受到溫度和降水的疊加影響[11]。積雪的深度變化還會(huì)影響高原下墊面的屬性特征，從而影響高原與大氣之間的熱力相互作用[12-13]。最終，這些變化對流域下游的氣候變化具有重要的影響[14]。因此，對積雪時(shí)空變化的研究具有重要意義。

對于積雪的研究表明，早在20 世紀(jì)90 年代初之前，青藏高原的積雪普遍呈現(xiàn)增長的趨勢[15]，尤其在80 年代左右這種趨勢最為明顯[11]。但到了90 年代末，積雪開始顯著減少[16-17]，其中東部地區(qū)的積雪變化趨勢最為顯著[18]。在多項(xiàng)研究中發(fā)現(xiàn)，1981-2010 年間青藏高原的年平均積雪天數(shù)顯著減少，降幅達(dá)到了4.81d/10a[19]。白淑英[20]在分析了1979-2010 年高原積雪深度的年際變化后發(fā)現(xiàn)，雪深的增長率為0.26cm/10a。此外，相關(guān)研究還發(fā)現(xiàn)高原積雪天數(shù)和積雪深度的變化趨勢并不同步[21]?？偟膩碚f，青藏高原的年內(nèi)積雪變化主要表現(xiàn)為積雪期長，積雪時(shí)間主要集中在10 月份至次年5 月份[15]。青藏高原上的積雪出現(xiàn)較快，但消退較慢[22]。多項(xiàng)研究表明，青藏高原積雪及其變化的空間分布不均勻，四周與腹地的積雪有明顯差異[22]，且敏感區(qū)在不同季節(jié)也存在空間差異[23]。雖然很多研究已經(jīng)探討了高原積雪的分布情況和年際變化特征，但不同的研究方法、資料來源以及季節(jié)劃分等會(huì)導(dǎo)致結(jié)論有所差異[24-28]。多項(xiàng)研究也表明，積雪時(shí)空變化由氣候因素和地形因素共同作用造成[29-30]。例如，姜琪等人利用青藏高原1961-2014 年的110 個(gè)氣象站點(diǎn)資料分析積雪特征及其影響因素，發(fā)現(xiàn)積雪深度隨海拔增加而增加，且在不同季度降水、氣溫與積雪深度表現(xiàn)出不同的相關(guān)性[31]。沈鎏澄[32]等人的研究發(fā)現(xiàn)，在青藏高原中東部地區(qū)，不同季節(jié)的雪深受到不同因素的影響：冬季主要受降水影響，其他季節(jié)主要受氣溫影響。此外，還有研究表明，積雪變化還受不同土地類型的影響[33]。盡管過去的研究已經(jīng)對積雪變化和分布規(guī)律進(jìn)行了大量探索，并得出了諸多結(jié)論，但是仍然存在很多不確定性，特別是對于高原積雪深度長時(shí)間序列的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化，還有積雪與主要?dú)夂蛞蜃樱ń邓?、氣溫）之間的相互關(guān)系，需要進(jìn)一步展開研究。

瀾滄江上游研究區(qū)位于青藏高原東南邊緣，流域地勢從北向南呈階梯狀下降趨勢，水能資源豐富，水電容量十分可觀。積雪的空間分布和變化趨勢對流域內(nèi)的徑流量變化產(chǎn)生直接影響，進(jìn)而影響水力發(fā)電效率。由于瀾滄江上游氣候條件差、地形復(fù)雜，針對該流域積雪分布和變化趨勢的分析研究較少，本文選取其中的烏弄龍流域作為研究區(qū)，依據(jù)1979-2018 年間遙感反演的長系列逐日雪深數(shù)據(jù)及同期降水、氣溫柵格數(shù)據(jù)，分析積雪深度及其氣候影響因子的時(shí)空分布和年際變化。采用回歸分析法分析積雪深度及氣候因子隨時(shí)間的變化趨勢和幅度。利用相關(guān)分析法研究降水、氣溫對積雪深度的影響及其空間規(guī)律。研究旨在為深入理解瀾滄江上游區(qū)域的氣候變化及高原積雪演變過程提供重要依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

瀾滄江是東南亞最大的跨國河流之一，發(fā)源于青海省的唐古拉山脈，全長約2161 km，經(jīng)過青、藏、滇等地。經(jīng)過云南省勐臘縣出境后，會(huì)通過老撾、緬甸、泰國和柬埔寨，最終注入南海的西貢口岸。瀾滄江的上游除了雪峰以外，山勢相對平緩。上游氣候?qū)儆诟吆畾夂?，降水量很少，氣溫低。中游則是山高谷深，流域狹長，區(qū)內(nèi)氣候?yàn)楹畮е羴啛釒н^渡性氣候，垂直方向的氣候變化非常顯著。下游地勢平緩，屬于亞熱帶氣候區(qū)，常年高溫潮濕，自然景觀非常豐富。目前瀾滄江上游已規(guī)劃了15 個(gè)電站，總裝機(jī)容量為1541.3 萬千瓦，其中已有6 個(gè)水電站建成并投入使用，裝機(jī)容量為703 萬千瓦。計(jì)劃興建兩個(gè)水電站——如美（裝機(jī)容量為210萬千瓦）和古水（裝機(jī)容量為190 萬千瓦），另外還有7 個(gè)水電站處于前期工作狀態(tài)。這些水電站的總裝機(jī)容量達(dá)到了438.3 萬千瓦。研究區(qū)烏弄龍流域（圖1）位于瀾滄江水系上游，控制面積約為7.6 萬平方千米。作為云南典型流域，該流域從北向南的分布呈條帶狀，海拔高度在1889～6372 m 之間，地形呈現(xiàn)出西北高、東南低的特點(diǎn)。流域整體受到高原山地氣候的影響，雨季一般為5 月至10 月，旱季則為11 月至次年4 月。該流域擁有豐富的水能資源，對于我國以及下游國家的水資源調(diào)配和利用都有著積極的促進(jìn)作用。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

研究采用的高程數(shù)據(jù)來自地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/) 提供的DEM 數(shù)字高程數(shù)據(jù)，空間分辨率為1km。降水、氣溫以及積雪數(shù)據(jù)資料來源于國家青藏高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://data.tpdc.ac.cn/zh-hans/)，其中降水、氣溫?cái)?shù)據(jù)來自中國區(qū)域地面氣象要素驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)集(1979-2018)[34]，時(shí)間分辨率為1h，空間分辨率為0.1°。該數(shù)據(jù)集原始資料包括氣象局的觀測數(shù)據(jù)、再分析資料以及衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，剔除非物理意義值后再利用ANU-Spline 插值得到。本研究所使用的積雪數(shù)據(jù)來源于中國雪深長時(shí)間序列數(shù)據(jù)集(1979-2018)[35]，時(shí)間分辨率為1d，空間分辨率為25 km。該數(shù)據(jù)集是通過原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和反演所得，原始數(shù)據(jù)包括美國國家雪冰數(shù)據(jù)中心處理的SMMR(1979-1987 年)、SSM/I(1987-2007 年)和SSMI/S(2008-2018 年)逐日被動(dòng)微波亮溫?cái)?shù)據(jù)(EASE-Grid)。為了與降水和氣溫?cái)?shù)據(jù)的空間分辨率保持一致，我們使用雙線性內(nèi)插法將積雪數(shù)據(jù)處理成空間分辨率為0.1°的數(shù)據(jù)集，并用于后續(xù)計(jì)算。

2 研究方法

2.1 回歸分析法

一元線性回歸分析法是一種基于構(gòu)建線性模型來描述兩個(gè)變量之間關(guān)系的統(tǒng)計(jì)方法。該方法可以通過求解線性方程的位置和傾斜程度的參數(shù)a和b來預(yù)測因變量y的值。通常我們使用最小二乘法來計(jì)算a和b的值，這種方法可以通過最小化殘差平方和(SSE) 來擬合數(shù)據(jù)并選擇最適合的a和b，使得觀測值和模型預(yù)測值的誤差盡可能小。

研究中采用回歸分析的方法分別建立了年降水量、年均氣溫及年均雪深與時(shí)間的線性回歸方程?；貧w方程的斜率即氣候傾向率S，表征各要素隨時(shí)間的變化過程。其中S值的正負(fù)可體現(xiàn)出各要素的上升和下降趨勢，S值的大小可用來判斷各要素變化幅度的大小。通過對研究區(qū)域各要素逐像元計(jì)算氣候傾向率，從而在流域空間尺度上體現(xiàn)出各要素變化的差異性。一元線性回歸法的具體公式如下：

式中：x、y為不同的變量值；分別為線性回歸方程的斜率和截距；n為變量個(gè)數(shù)；、分別為x、y的平均值。

2.2 相關(guān)分析法

Person 相關(guān)分析法是一種用于衡量兩個(gè)變量之間線性關(guān)系的方法。它可以評估兩個(gè)變量之間的相關(guān)程度以及相關(guān)性質(zhì)的正負(fù)。在進(jìn)行Person 相關(guān)分析時(shí)，需先收集兩個(gè)變量的數(shù)據(jù)，然后通過計(jì)算它們之間的協(xié)方差，再歸一化（除以它們各自的標(biāo)準(zhǔn)差）得到相關(guān)系數(shù)。相關(guān)系數(shù)的取值范圍在-1～1 之間，當(dāng)相關(guān)系數(shù)大于0 時(shí)表示兩個(gè)變量呈正相關(guān)關(guān)系，小于0 時(shí)，則呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，等于0 時(shí)，表示兩個(gè)變量沒有線性相關(guān)性，等于1 或-1 時(shí)則表明兩個(gè)變量完全線性相關(guān)。

本研究采用Person 相關(guān)分析法分析年降水量、年均氣溫與積雪深度之間的相關(guān)性，探究降水量和氣溫對積雪深度的影響，并用Person相關(guān)系數(shù)表征。通過逐像元計(jì)算得到整個(gè)研究區(qū)空間尺度上的相關(guān)系數(shù)變化情況，從而可以更加具體地分析流域不同區(qū)域氣象因子對積雪深度影響程度的大小和方向。r的計(jì)算公式如下：

式中：x、y為不同的變量值；Cov(x,y)為x、y的協(xié)方差；Var[x]、Var[y]分別為x、y的方差；n為變量個(gè)數(shù)；、分別為x、y的平均值。

3 結(jié)果與分析

3.1 積雪深度及其影響因子的空間分布

如圖2 所示，展示了研究區(qū)內(nèi)1979-2018年多年平均降水量、氣溫和積雪深度的空間分布情況。從圖中可以看出，降水主要集中在流域下游小部分地區(qū)，最大降水量達(dá)到了1456.14 mm，而其他大部分地區(qū)的降水相對較少，整體上呈現(xiàn)出從東南向西北逐漸遞減的趨勢。這主要是因?yàn)闉跖埩饔蛭挥跒憸娼嫌?，屬于青藏高原高寒氣候，造成了區(qū)內(nèi)低溫少雨的狀況，但由于下游地區(qū)降水相對較多，為云南地區(qū)提供了豐富的水資源。受地勢和海拔的影響，氣溫總體上呈現(xiàn)出西北低東南高的特征，流域內(nèi)部分地區(qū)氣溫分布不均，整體氣溫較低。與氣溫的分布規(guī)律相反，積雪深度的分布則表現(xiàn)為西北大、東南小以及兩邊大、中間小的特征，因?yàn)槭艿礁吆畾夂虻挠绊?，流域基本被積雪覆蓋，積雪深度最小也達(dá)1.95 cm。整體而言，盡管流域東南地區(qū)降水量相對較多，但由于海拔低，溫度高，積雪融化快，導(dǎo)致積雪深度小，而西北地區(qū)則相反，其積雪深度大于東南地區(qū)。

圖2 多年平均雪深及其氣候因子空間分布

3.2 積雪深度與氣候因子的時(shí)間變化

圖3 顯示了從1979-2018 年40 年間流域平均降水量、氣溫和積雪深度的變化情況，并采用了線性回歸方程擬合了三個(gè)變量的時(shí)間序列。從圖中可以看出，年降水量隨時(shí)間變化的波動(dòng)幅度較大，但整體上表現(xiàn)為上升趨勢，從1979年的497.29 mm/a 增加到2018 年的603.43 mm/a，年降水量平均每10a 增加16.53 mm。與降水變化趨勢相近，1979-2018 年流域內(nèi)氣溫整體上升高，年均氣溫在40 年間增長了1.51 ℃，平均每10a 升高0.55 ℃。受氣候變暖的影響，積雪深度則呈現(xiàn)為整體下降趨勢，積雪深度平均每10a減小0.96 cm，多年平均雪深為7.63 cm。整體上，氣溫與降水量的變化趨勢相同，氣溫與積雪深度的變化趨勢相反，進(jìn)一步說明氣溫對積雪深度的影響整體上大于降水量的影響，且為明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系。降水量僅在某些年份對積雪深度的影響大于氣溫，如2015-2016 年，年均氣溫升高0.61 ℃，年降水量增加81.20 mm，年均雪深增加0.44 cm。

圖3 年均雪深及其氣候因子年際變化

3.3 積雪深度和氣候因子的回歸分析

如圖4 所示，展示了流域內(nèi)年降水量、年均氣溫和年均雪深傾向率的空間變化。其中年降水量空間分布不均，傾向率從-5.19 到7.00不等，流域內(nèi)大部分格點(diǎn)降水量逐年增加，而另一些格點(diǎn)的降水量則逐年減少，整個(gè)流域年降水量增加的幅度大于減小的幅度，這也進(jìn)一步映證了圖3 中降水量隨時(shí)間的變化規(guī)律。流域內(nèi)各格點(diǎn)的年均氣溫傾向率均為正值，表明整個(gè)流域的氣溫呈逐年上升趨勢。同時(shí)，流域西北地區(qū)和東南部分地區(qū)的傾向率較大，表明這些區(qū)域的年均氣溫增長較快，而其他區(qū)域的年均氣溫增長較為緩慢，這可能是受地勢和其他氣象因素的影響所致。

圖4 年降水量、年均氣溫與年均雪深傾向率

對于年均雪深，傾向率的變化范圍是-0.2～0.13。傾向率為負(fù)的區(qū)域主要集中在流域的西北部和中部區(qū)域，證明這些區(qū)域的雪深是逐年減小的，這主要是受到溫度升高的影響，加速了積雪的融化。還有小部分區(qū)域的傾向率為正，表明流域的部分地區(qū)存在雪深增加的現(xiàn)象。從圖中也可以看出這些區(qū)域氣溫增加不明顯，對雪深的影響較小，而同時(shí)降水量增加，成為影響積雪深度的主要因素，為積雪的形成、維持和增加提高了良好條件，從而出現(xiàn)年均雪深增加現(xiàn)象。

3.4 積雪深度與氣候因子的相關(guān)分析

在柵格尺度上計(jì)算1979-2018 年期間年均雪深與年降水量、年均氣溫的相關(guān)系數(shù)，分析比較年均雪深與2 個(gè)氣候因子的相關(guān)性以及空間分布規(guī)律，結(jié)果如圖5 所示。從圖中可以看到，積雪深度與年降水量的相關(guān)性在流域西北大部分地區(qū)和東南部分地區(qū)較強(qiáng)，最高可達(dá)0.50，并且多為正相關(guān)，表明在這些區(qū)域積雪深度隨年降水量的增加而增加，在流域其他部分的相關(guān)性較弱，且多為負(fù)相關(guān)，即雪深隨降水量的增加而減小。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因主要是流域西北區(qū)域海拔較高，溫度較低，積雪融化速率慢，隨著降水增加，積雪深度逐漸增大。而在流域中部，由于地勢逐漸下降，溫度升高，就會(huì)存在即使降水增加，但積雪深度仍然減小的情況。

圖5 年均雪深與年降水量、年均氣溫的相關(guān)系數(shù)

積雪與氣溫的負(fù)相關(guān)性較強(qiáng)，即在流域的大部分地區(qū)，相關(guān)系數(shù)r值為負(fù)，表明隨著氣溫升高雪深減小，符合上文結(jié)論。而同時(shí)也存在少部分區(qū)域相關(guān)系數(shù)為正，但相關(guān)性較弱，最大僅為0.06。由于這些區(qū)域的溫度隨時(shí)間升高不明顯，對積雪的影響較小，且降水量相對較大，再加上其他地形因素的影響，就會(huì)導(dǎo)致積雪深度增加。由此可以看出，降水增加，氣溫降低，有利于積雪形成和增長。整體上，研究區(qū)上游和下游區(qū)域積雪深度與降水量和氣溫的相關(guān)系數(shù)絕對值較高，說明這些區(qū)域積雪深度與2 個(gè)氣候因子的相關(guān)性較強(qiáng)。

4 結(jié)束語

本文利用1979-2018 年積雪深度衛(wèi)星數(shù)據(jù)及同期的格點(diǎn)型降水和氣溫觀測資料，通過回歸分析法和相關(guān)分析法系統(tǒng)分析了瀾滄江上游烏弄龍流域積雪的時(shí)空變化特征及其與氣溫和降水的關(guān)系，得到如下結(jié)論：

1）流域內(nèi)降水量、氣溫和雪深空間分布不均。降水主要集中在流域下游部分地區(qū)，總體表現(xiàn)出西北低東南高的特征。氣溫整體上呈現(xiàn)出從東南向西北逐漸遞減的趨勢，流域內(nèi)部分地區(qū)氣溫分布不均，整體氣溫較低。受氣溫、降水及海拔等因素的影響，積雪深度的分布表現(xiàn)為西北大、東南小以及兩邊大、中間小的特征。

2）年降水量呈逐年上升趨勢，平均每10a增加16.53 mm，傾向率從-5.19 到7.00 不等，流域各部分降水量增大速度存在明顯差異。年均氣溫與年降水量的變化趨勢相近，平均每10a升高0.55 ℃，流域內(nèi)各格點(diǎn)的年均氣溫傾向率均為正值，其中西北地區(qū)和東南部分地區(qū)氣溫增長較快。年均雪深表現(xiàn)為整體下降趨勢，且主要集中在流域西北部和中部區(qū)域，平均每10a減小0.96 cm，多年平均雪深為7.63 cm。部分區(qū)域的雪深傾向率為正，即存在雪深增加的現(xiàn)象。通過分析，該區(qū)域氣溫增加較小，對雪深的影響小，降水量增加，成為影響雪深的主要因素，從而促進(jìn)積雪的形成和增長。

3）積雪深度與降水量的相關(guān)系數(shù)多為正值，表明積雪深度隨年降水量的增加而增加。積雪深度與氣溫的負(fù)相關(guān)性較強(qiáng)，在流域的大部分地區(qū)，相關(guān)系數(shù)值為負(fù)值，最高為-0.50，表明隨氣溫升高雪深減小。整體上，研究區(qū)上游和下游區(qū)域積雪深度與降水量和氣溫的相關(guān)系數(shù)絕對值較高，說明該區(qū)域積雪深度與2 個(gè)氣候因子的相關(guān)性較強(qiáng)。

隨著全球氣候變化的加劇，研究積雪時(shí)空變化對預(yù)測和預(yù)警氣候變化具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。未來應(yīng)繼續(xù)加強(qiáng)相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集和研究，完善對該地區(qū)氣候變化和水文過程的理解；進(jìn)一步擴(kuò)大研究區(qū)域，增加更多的氣候和地理環(huán)境因素的考慮，更全面地探討積雪變化的時(shí)空特征及其影響機(jī)理；將氣候變化的研究與生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展有機(jī)結(jié)合起來，深入分析氣候變化對于區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)、生態(tài)系統(tǒng)等方面的影響，并提出應(yīng)對氣候變化的可持續(xù)發(fā)展策略。