2002-2012年西藏积雪面积时空变化研究

2017-09-20谢忠俍肖声华

中国锰业 2017年6期

谢忠俍,肖声华

(1. 陕西铁路工程职业技术学院，陕西渭南 714099; 2. 广东省大宝山矿业有限公司，广东韶关 512128)

0 前言

雪是地表最活跃的自然要素之一，雪的特征(如积雪面积、积雪分布、雪深等)是全球气候、能量平衡、生态模型和水文的重要输入参数。中国是一个积雪多并且雪灾频繁的国家，稳定的季节性积雪大概是420 km×104 km左右[1]，其主要分布在内蒙古和青藏高原以及新疆北部和东北等地。复杂的气候背景和地理环境及多样的降雪天气导致我国的积雪分布很不均匀，雪盖特征多样。积雪特征研究以往大多是基于气象站和水文站直接观测数据进行统计分析，但是这种人工作业方式，容易受到历史气象资料缺失及站点数量稀少的影响，尤其是在西藏自然地理、气象条件恶劣的情况下更使得地面观测数据受到限制。近年来，随着遥感技术的不断发展，应用遥感数据进行积雪方面的研究取得了很大的进步。美国国家海洋和大气局(NOAA)早在1966年第一颗极轨卫星发射以后就开始制作北半球雪盖产品，通过卫星遥感监测分析得到了全球积雪年际变化资料[2]。Frei等[3]通过遥感手段分析表明北美洲的积雪从20世纪30年代到80年代初在冬季一直呈现增加趋势，随后积雪呈减少趋势。杨修群等[4]对北半球的雪盖变化进行了时空特征分析，数据采用NOAA提供的1988-1998年北半球逐周的雪盖数据，研究发现1988-1998年这十年来，北半球的积雪变化最强烈的异常区域在我国的青藏高原。杨存建等[5]通过实验构建新的积雪提取模型能有效提取积雪，并通过目视判读检验,积雪提取效果理想。巴桑[6]等利用多源遥感数据分析西藏积雪变化趋势，结果表明近年来西藏地区的积雪面积总体呈下降趋势，同时存在明显的季节性变化。杨倩[7]等利用MOD10A1通过积雪覆盖指数研究了2000-2010年吉林省积雪时空变化特征及其与气候的关系。杨志刚[8]等利用MODIS数据研究了近15年青藏高原积雪覆盖时空变化。

西藏地区地处青藏高原的核心区域，是南亚和我国的许多大江大河的发源地。研究已表明该区域是我国积雪面积最大、时间最长的地区之一，其对长江流域夏季降水及东亚季风及旱涝等灾害性天气等会产生直接的影响[6,9]。文中利用MODIS积雪产品，采用月最大值合成的方式，获取了西藏2002-2012年的积雪面积时空变化特征，并分析其积雪时空分布和变化特征，为西藏经济建设、环境保护及防灾减灾提提供科学依据。

2 研究区概况

西藏自治区土地面积120多万km2，平均海拔高于4 000 m，大小湖泊共计1 500多个。由于夏季西南季风和冬季西风的交替控制，西藏的气候类型复杂，干季和雨季的分别也非常明显，干季一般在每年10月至第二年4月，雨季在每年的5月至9月。西藏的南部边缘地区和藏北一线牧业生产受影响最严重的自然灾害就是雪灾。从20世纪80年代到现在，西藏曾发生多次重大雪灾，严重损害了牧民的生命财产安全。西藏的降雪南北多而中部少，南部边缘降水量特点为双峰型、那曲东北部和中西部则为单峰型[10]。同时由于高原地形复杂，基础资料缺失及气候独特等原因，也给积雪研究带来了许多困难。

3 研究数据与方法

3.1 研究数据

目前，NASA面向全球用户共提供了陆地、大气以及海洋三类共计44种的MODIS标准数据产品。在MODIS的各种标准数据产品里，MOD10(Terra提供)和MYD10(Aqua提供)代表的是陆地2级或者3级的标准雪盖产品，它们是由美国国家雪冰数据中心(NSIDC)的分布式主动存档中心(DAAC)面向全球用户进行免费发布。本文收集的覆盖西藏自治区，时间段为2002-2012年的空间分辨率为500 m的雪盖产品MOD10A2影像数据，其影像生成频率为每8天一次，它是利用每8景 MOD10A1 影像合成1期得到的产品，这样合成能较大程度的降低云覆盖对积雪识别的影响。

3.2 研究方法

1)数据预处理

利用 Arcgis10.1、Envi5.4等专业数据处理软件对 MOD10A2积雪产品进行镶嵌和坐标变换、投影转换，选用最邻近方法进行重采样,再利用西藏矢量边界对其进行裁剪，最后的数据结果以GEOTIFF格式输出。

2)影像合成、积雪数据提取

选择将研究区进行每月4景的MOD10A2图像融合，为了去除云污染对 MOD10A2雪盖产品分类所造成的影响,根据MOD10A2产品编码及意义，通过设定地表类型的优先级(积雪>湖冰>水体>陆地云层无意义)的方法来对积雪面积进行合成处理，其合成规则[11-12]见表1。对像元数据重分类并赋值(积雪为1，其他为0)，统计不同时期积雪像元数，按月积雪面积最大合成规则获得研究区积雪面积[13]。

表1 MOD10A2产品合成规则

注：*0、1、4、11、254和255分别代表传感器数据丢失、不确定、数据错误、夜晚或传感器停止工作或在极地区域、传感器数据饱和及填充数据。

3)积雪覆盖时间指数计算

根据积雪覆盖信息提取的结果统计得到西藏地区10年内每年的月最大积雪面积、月最小积雪面积，据此得到西藏积雪的时间变化特征，同时对时间变化特征进行年内变化和年际变化分析，为分析西藏积雪覆盖的空间分布特征。根据文献[14-15]提出的积雪覆盖时间指数对西藏近10年的各像元平均积雪指数进行提取、计算，具体见公式1。

(1)

4 结果分析

4.1 积雪的年内变化时间变化特征

在积雪覆盖的年内变化上，西藏积雪面积随着季节的更替有明显的变化，存在有积雪和融雪两个时期，年内积雪变化有明显的两个波峰和一个波谷(见图1)。第1个波峰出现于2月，其平均积雪面积达到58.6万km2，最大积雪面积也达到81.1万km2。2月以后，随着春季的来临，积雪开始慢慢消融，虽然4月最大积雪面积有所上升，但平均积雪面积及最小积雪面积都在2月后逐渐减少。至5月份，随着夏季的来临，积雪面积在快速的减少，直到7月达到最少，月平均积雪面积仅27.1万km2。8月份后，随着气温的下降，积雪面积又开始快速上升，到10月份达到第2个波峰，其平均面积达到47.3万km2，最大积雪面积达到65.8万km2。10月份以后，积雪面积开始小幅下滑。这是由于10月以后西藏进入冬季，气温极低，降水不充分，在一定程度上限制了积雪的堆积。

图1 西藏积雪面积特征值年内变化

4.2 积雪的年际变化时间变化特征

在积雪覆盖的年际变化上，西藏积雪面积在总体上呈现双峰波动的特征，但是波动幅度不大(见图2)，10年内西藏的平均积雪面积在39.9万km2左右，约占研究区总面积的32.2%。年平均积雪面积的两个峰值分别出现在2005年和2008年。在2008年，年平均积雪面积达到42.1万km2，这与2008年冬天我国出现大范围冰雪灾害天气这个事实相符。年平均积雪面积的两个波谷出现在2007年和2010年，这两年的积雪面积仅为38.2万km2和35.5万km2。近10年来，积雪面积的年最大值出现的月份大多在1月或者2月，而积雪面积年最小值只出现在7月和8月，其中有8年都出现在7月(见表2)。

图2 西藏积雪面积特征值年际变化表2 西藏积雪面积特征值的年际变化

从研究区10年的积雪覆盖率的时间序列的变化来看(见图3)，西藏的积雪覆盖率周期性变化显著，每一年的积雪覆盖率都呈现出年初和年末高，中间时段低。在10年里，西藏地区每月的平均积雪覆盖率基本上都在10%～60%之间，每年的月平均最小覆盖率基本上都在7月份，约10%左右。积雪覆盖率的年内变化波动范围较大，而年际变化波动范围较小。

图3 西藏积雪覆盖率的时间序列变化

4.3 积雪的空间分布特征

西藏地区积雪在空间上的分布受地域的影响差异明显(图4)。高积雪区(积雪时间指数大于0.6)主要分布在西藏的林芝的大部分地区、那曲县东部、昌都西部以及噶尔县北部、日喀则南部边缘等地。这样的分布很大程度上是因为西藏北部处于西风带的上升区、南部处于孟加拉湾与印度的洋暖湿气流的作用区，而这些地区的降水很丰富，这就为积雪的发展提供了有利的条件。而西藏的中部由于受到高山地形阻隔等的影响，水汽输送较少，且该地区的海拔较低，温度较高，不利于积雪的发展与堆积，所以中部的积雪覆盖时间指数低。