玛纳斯河流域融雪径流与积雪-气象因子分析*

刘 艳,李 杨 ,张 璞

(中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所,乌鲁木齐830002)

高山区冰雪融水和玛纳斯河(以下简称“玛河”)上游降水是玛纳斯河流域主要的径流水源[1]。该流域径流与气候的响应性研究局限于应用平原区(高程低于800 m)石河子气象站气温、降水数据[2-6],缺乏流域积雪覆盖和融雪径流的关系分析。气象要素影响下玛河流域高山区冰雪如何变化?如何影响径流变化?这将依赖于更全面地收集资料和进一步提高监测手段。近年出现的 Terra-MODIS数据为大尺度资源调查提供了更好的数据源[7-8]。与传统卫星影像相比,MODIS具有高效的数据存储格式(HDF)、信息丰富、数据获取快和覆盖范围广等特点,每日两次获取全球36个光谱波段的地球综合信息观测数据[9-11],有利于捕捉地面动态变化信息。

通过GIS和遥感技术对天山雪盖卫星监测数据、径流、气象因子数据进行分析以掌握玛河流域融雪径流特征及其与积雪-气温-降雨的关系。首先,根据地形、植被和积雪分布特征建立了流域分带体系。然后,以 2000-2008年3-6月 8日合成MODIS积雪产品(MOD10A 2)为基础,插值获取流域分带日均积雪面积数据。根据天山山区气温-降雨的垂直地带性特征,以肯斯瓦特水文站 1995-2008年逐日气温、降水数据为数据源,应用DEM递推获取流域分带日均气温、降水数据。最后,定性分析流域各带气温-降雨-积雪分布特征和相关关系;流域积雪面积-径流的定量关系,为流域水资源合理利用和开发提供数据支撑。

1 研究 区概况

玛河流域位于准噶尔盆地南缘,南起依连哈比尔尕山,北接古尔班通古特沙漠,东起塔西河,西至巴音沟河,汇集十多条支流,河流贯穿山地-绿洲-荒漠系统,地表过程复杂,是北疆地区的一个典型流域。该流域地形呈南高北低走势,源头海拔5 000～5 500m,有现代冰川分布,面积达608.25 km2。在天山山地中山区和前山区汇合了众多支流,至前山的肯斯瓦特水文站流出山区进入山前平原,海拔高度也随之降到500 m左右,山地垂直地带性特征十分明显。流域内冰川面积占天山北坡冰川面积的32%,除冰川覆盖外,流域内另有少量森林和高山草甸。按积雪分布、植被覆盖特征,流域可分为4个垂直分布带(表1)。玛河流域冬季寒冷漫长,冬季降水(11至翌年3月)以积雪形式储蓄在天山北坡的中低山一带,到了夏季(6-8月)主要融水进入河槽,该流域的河流具有明显的夏汛特点。

表1 玛河流域垂直分布带及积雪-植被分布特征

2 研究方法

2.1 数据来源

肯斯瓦特水文站1954-2008年逐日平均径流量;1995-2008年逐日平均气温、降雨数据。2000-2008年1-12月MODIS 8日合成积雪覆盖产品(MOD10A2),共300多景。8日合成 MOD10A2最大程度地降低了云层的影响。天山山区DEM数据,空间分辨率83m×83m。乌鲁木齐、石河子等10个气象台站2000-2008逐日平均气温和降雨数据。

2.2 数据处理

2.2.1 分带矢量数据的生成 (1)利用A rcMap Hydrology M odeling模块对天山山区DEM进行流向分析、流水累积量计算、提取河流网络及其矢量数据、根据指定的流域面积大小进行流域分析、提取玛河流域,生成流域边界矢量数据。(2)根据表1数据,利用ERDASM odeler模块对流域DEM 数据进行分类运算,经栅格-矢量转换后获取流域各分带矢量边界数据并进行投影转换,采用WGS84坐标系双标准纬线阿尔勃斯等面积圆锥投影(A lbers conical equal area projection)。

2.2.2 分带气温、降雨数据的生成 流域内气象、水文资料很少,只在流域出山口肯斯瓦特设有水文站,提供水文和气象要素数据,流域上游地区没有实测资料。因此,只能采取递推方法获取高山区气温和降雨数据。一般来说山区降水和气温的垂直地带性明显,通常降水量总体上随着高程的上升而增加,气温的分布与降水相反,高度增加气温降低。降水递推法为利用带1肯斯瓦特水文站实测数据加上降水递增率和高程差的乘积。其中,降水递增率采用胡汝骥根据玛河临近的乌鲁木齐河流域的实测数据推算得出。

式中:Pre——降水量;Tem——温度;Hlow、Hhigh分别为各分带的最低、最高海拔高度。

2.2.3 分带平均气温、降雨计算 利用各分带边界数据对插值气温、降水栅格数据进行MASK掩模处理,获取各带气温和降水栅格数据后计算影像平均值即得各带平均气温、降雨数据。

2.2.4 分带平均积雪面积计算 (1)利用MRT(MODIS Reprojection Tool)对 MOD10A 2数据进行地理几何校正与重采样批处理,提取积雪覆盖数据,进行双标准纬线阿尔勃斯等面积圆锥投影。(2)利用各分带边界数据进行M ASK掩模处理,获取各带8日合成积雪分布影像数据并计算获取各带平均积雪面积。最后,利用Origin插值模块对8日序列积雪面积数据进行插值运算,最终获取流域各分带逐日积雪面积。利用计算机技术,采用统计分析方法,建立相关模型。

3 结果分析

3.1 径流年内变化及融雪期的确定

由于受气温和降水影响,径流年内分配极不均匀(图1),流量逐月变化呈单峰近似对称分布:1-3月流量占年径流总量的4.48%,这一时期为枯季径流。4-5月流量占6.78%,6-9月流量占80.09%,10-12月为河流的退水期流量仅占8.64%。枯水期在1-5月,月平均最小径流量出现在2月,仅为1.41%;丰期在6-9月,月平均最大径流量在7月。12月至翌水年2月,逐日流量十分稳定,并达到最小值,这一最小值可视为基流。在无降水时径流增加超过基流部分,是融雪补给造成的。雨季到来后,情况十分复杂,而且,现在无法区分降雨径流和融雪径流。本文以6月30日为界划分融雪径流的界限,重点分析这期间的径流量和积雪、气温及降雨的关系。

3.2 融雪期流域积雪变化特征

一年四季更替,积雪也会随之发生变化,表现在积雪覆盖面积和积雪深度的改变。积雪覆盖率变化曲线是描述雪盖面积在积累和消融期间逐渐变化的过程线。根据雪盖曲线,3-6月是积雪覆盖衰减期,积雪覆盖率逐渐减少,积雪逐渐消融。雪盖消融期为122 d(图2)。

图1 肯斯瓦特水文站1954-2008年逐月径流变化

图2 融雪期流域各带积雪消融曲线

3.3 气象因子特征分析

3.3.1 气温垂直地带性特征检验 玛河流域周边乌鲁木齐、石河子等10个气象站同期逐日平均气温多年平均值与流域各带多年平均气温及平均海拔高度比较分析结果显示,流域分带插值气温符合天山山区气温的垂直分布性特征(图3)。

图3 玛河流域周边气象站及各带年均气温与高程变化响应关系

3.3.2 分带气温特征分析 从年际尺度看,2001-2008年3-6月各带温度变化不大,历年数据间具有很好的周期性。月尺度上,低山荒漠草原在3月22号前后,云杉林带4月11号前后,高山高寒草甸5月14号前后,冰雪带6月12号前后气温持续在零度以上。

图4 玛河流域各带气温逐月变化

3.3.3 流域降雨特征分析 1995-2008年肯斯瓦特水文站降雨数据统计分析显示,降水量的年内分配极不均匀,降水主要集中在夏季(6-8月),占年降水量的 43.39%,春季(4-5月)为 28.14%,秋冬季降雨偏少,分别为13.04%和15.24%。径流年内分配集中于4-8月,降水年内分配集中于6-8月,径流过程滞后于降水过程(图5)。冬季枯水期,径流量稳定。3-5月几乎没有降水,但过程线上流量稳定地增加;6月,流域出现大量降水(降雨),每日流量显著增大(图6)。

3.4 气温-积雪-径流关系分析

对2000-2008年3-6月流域平均气温、降雨、径流和积雪面积进行分析,结果如图7所示,该时间段内径流增长趋势与气温上升趋势及积雪面积消退趋势一致,与降雨间则不具有这种一致性。这表明流域水资源在春季主要以融雪径流方式为主,春季气温逐日升高,积雪面积逐渐变小,流量逐渐增加(图8)。

图5 肯斯瓦特水文站1954-2008年降水与径流年内分配对比

图6 肯斯瓦特水文站2001-2008年3-6月逐日径流和降雨变化的关系

图7 2001-2008年平均数据对比

图8 肯斯瓦特水文站2001-2008年3-6月逐日径流和气温变化的关系

了解积雪与气候的关系,阐明积雪对气温和降雪量变化的敏感性,是探讨积雪对气候变化响应的核心内容之一,也是预测未来积雪变化的基础。年际尺度看,2001-2008年3-6月流域积雪面积和径流间存在周期性(图9),流域不同水文年的积雪面积与径流关系有规律的发生变化。历年3-6月,流域积雪逐渐消融,面积逐日下降,高山区积雪融水成为径流的主要补给来源,径流量随之也逐渐增大。

图9 肯斯瓦特水文站2001-2008年3-6月逐日径流和积雪变化的关系

2001-2008年3-6月玛河流域分带积雪面积和气温相关分析结果表明(图10),各带积雪面积和气温间相关性很高,3-6月各带气温逐渐升高,积雪逐渐融化,带1-3积雪在此期间消融完结,带1表现更为明显,带4不完全消融;带3、带4积雪面积和气温之间呈线性相关。积雪面积和流量散点图显示出很好的幂指数相关(图11)。

图10 玛河流域各带积雪面积和气温的相关关系

图11 玛河流域 2001-2008年3—6月逐日积雪面积和径流量相关分析

4 讨 论

玛河流域因地处内陆干旱少雨区域,河流补给主要靠高山区积雪冰川融水。整个冬春季节,流城内大片地区常为积雪所覆盖,3月下旬以后,气温回升,积雪从低处向高处逐渐消融,从4月起,气温持续在℃以上,受大量融雪补给,河流水量显著增加,至5月形成河流春汛。与降雨相比,融雪期流量与同期气温、流域积雪面积间具有更密切的相关性;径流年内分配集中于6-8月,降水的年内分配集中于4-8月,径流过程滞后于降水过程;春季径流量的大小主要取决于春季山区气温的回升率,因此防洪部门要特别警惕春季气温的急剧上升。

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