和田河流域山区积雪覆盖时空变化规律研究

薛 强，吕继强，罗平平，刘 俊，聂启阳，沈 冰，韩 波

(1.长安大学环境科学与工程学院，西安 710054；2.长安大学旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室，陕西 西安710054；3. 陕西省河流工程技术研究中心，西安 710016；4.西安理工大学西北旱区生态水利工程国家重点实验室，陕西 西安 710048； 5. 西安浐灞生态区管理委员会，西安 710024)

0 引 言

积雪作为冰冻圈的一个重要组成部分，同时也是大自然界的一个极其活跃的气候要素。积雪对高寒山区的流域内的能量平衡和水平衡扮演着极其重要的作用[1,2]。北半球的积雪在逐渐减少，引起了学者的关注[3-5]。IPCC第五次评估报告指出，全球地表平均温度上升近0.85 ℃，我国的大部分冰川也在面临着缩减和消失的风险。未来海平面和冰雪将会继续消融[6]。气候系统是一个整体，气候的长期累积变化势必将导致积雪的深度、面积等特征的变化。由于气候、地形、海拔等因素，我国的冰川资源规模、分布均有差异[7]。

目前，许多学者对积雪的时空分布特征以及积雪特性与气候等因素进行研究。主要依据气象站点积雪监测数据和卫星积雪制图数据开展研究。在缺资料的山区，地面气象站点与遥感积雪制图等数据结合是现在学者研究积雪冻融关系的热点。近年，MODIS、TM、ASTER等遥感数据应用最为广泛[8-12]，为科学研究高寒山区提供了数据来源。国内学者研究高程、气候等因素对积雪的影响，已有较多成果[13-16]。贾翔等[17]利用从2000-2012年的MOD10A2数据结合DEM数据新疆叶尔羌河流域山区的动态变化。陈晓娜等[18]利用MOD10A2遥感数据和气象站点数据，研究了天山北坡的玛纳斯河流域积雪的年内和年际变化。发现流域的积雪面积在年际直接变化较大，年内积雪覆盖有明显差异，呈现“M”型。林金堂等[19]利用MODIS/Terra积雪数据分析了不同高程带、坡向、坡度的积雪覆盖率下的玛纳斯河山区的年内积雪变化。然而，针对内陆河流域山区地形、气候等因素综合作用下的积雪时空变化研究较少。

1 研究数据及方法

1.1 研究区概况

新疆地处西北干旱区，作为三大积雪区域，融雪水资源极其丰富[20,21]。新疆和田河流域地处塔里木盆地西部，地理位置位于77.3°～82.0°E，34.5°～38.5°N，流域总面积为42 527.7 km2。和田河上游由玉龙喀什河和喀拉喀什河两大支流组成[22](图1)。东支玉龙喀什河，长约504 km，西支喀拉喀什河，长约808 km，两支流于阔什拉汇合成和田河。和田河主要径流来源于高山融雪径流，东西两支径流量分别为22.3和21.5 亿m3，和田河出山口出多年径流量可达43.8 亿m3[23]。和田河地区为典型的温带内陆性气候，降水稀少、蒸发强烈是该区域的典型特征，多年平均气温为12.2 ℃，年降水量为5.4～90 mm,蒸发量为2 159～3 137 mm[22]。

图1 和田河流域位置示意图

本文依据2007-2017共11年的积雪覆盖产品数据(MOD10A2)和DEM，以新疆和田河流域为研究区域，对山区积雪的时空变化规律及其与气候要素的关系进行初步研究，旨在较为全面探讨和田河山区积雪覆盖的年内、年际变化变化规律、年间的变化趋势及变化原因。研究成果可增强人们对气候变化情况下的高寒山区的积雪消融规律及过程的了解，为融雪径流模拟的输入参数的精确度、绿洲区域水资源管理者提供一定的参考依据。

1.2 数据来源

积雪遥感产品(MOD10A2)获取于“美国国家雪冰数据中心”(National Snow and Ice Data Center Distributed Active Archive Center，USA)：http:∥nsidc.org/NASA/MODIS，空间分辨率为500 m×500 m。

本研究选用2007-2017年共11年的MOD10A2 积雪产品，选取了覆盖研究区的h24v05轨影像数据，为了更好地获取该区域的积雪信息，本文将云量大于10%的遥感产品去除，其余数据云覆盖率大都在5%以下，为了降低数据的误差，本文将对MOD10A2数据采用临近八像元法进行去云处理，该方法是以像元为基础，对云像元进行处理，根据周围相邻的八个像元的属性进行判断，若周围八个像元中，积雪像元的比例大于云像元的比例，将该像元定义为积雪像元，否则为陆地像元。再加之高程的，进行去云。将去云后的积雪覆盖产品进行积雪覆盖率统计，缺失数据日的积雪覆盖率采用线性插值处理。而且，根据黄晓东等[24]在北疆的积雪产品(MOD10A2)的精度评价表明，该产品的平均积雪识别率可达87.5%，可以较好的消除云的影响，可较好的反应积雪的覆盖状况。所以，MOD10A2可以很好的适合该流域的积雪研究。

地形数据(SRTM DEM)来源于美国宇航局：http:∥srtm.csi.cgiar.org，空间分辨率为90 m。为匹配MODIS积雪数据，将重采样为500 m；“中国地面气候资料日值数据集(V3.0)”由中国气象数据网http:∥data.cma.cn/提供。

1.3 研究方法

本文用MODIS批量处理软件MODIS Reprojection Tool(MRT)，ENVI以及ArcGIS将下载得到的MOD10A2数据进行地理、几何校正、重投影。MRT可以批量的将MODIS数据进行重投影、采样以及格式转化，可以用于本文数据预处理。具体处理方法和步骤：

(1)格式转化：将MODIS数据原有的格式为.HDF用MRT批量处理成为ArcGIS可以进一步处理的格式.TIF，并且将原有的SIN投影系统转化为WGS84-UTM-Zone44N，重采样方法采用最临近法，像元大小为500 m；完成地理、几何校正、重投影。

(2)采用ArcGIS中，用空间分析中的Georeference工具进行地理校正。

(3)研究区影像提取：利用和田河流域的掩模文件对投影后的遥感影像进行裁剪，得到研究区的MOD10A2数据。

(4)积雪像元的重分类及编码: MOD10A2数据主要由25(陆地)、37(水体)、50(云)、100(湖冰)，200(积雪)，255(填充数据)，首先使用ArcGIS将37、100、200重分类为积雪像元(1)，而25和255归为陆地像元(0)，云像元依据去云规则进行处理，并将其输出为ASCII文件格式。

(5)积雪覆盖率的统计：用Python语言编程处理形成的ASCII文件，进一步得到各高程带、坡度带、坡向带的积雪覆盖率。采取皮尔逊(Pearson)相关关系来分别分析与温度、风速、日照三个气象因子的关系。

2 结果与分析

2.1 积雪垂直差异变化及与气象因子的关系

2.1.1 不同高程积雪覆盖率在年内的变化

为研究在气候变化情景下的和田河流域的积雪覆盖率在年内的变化特征，本研究对将研究区域划分为9个高程带(表1)，将高程低于3 000 m划分为低区域A，3 000～4 500 m划分为中区域B，大于4 500 m记为高区域C(见表1)其中，A区域(1 204～3 500 m)高程带主要分布为山地草甸草原带、云杉林带，年降水量为100 mm以下，根据气温直减率γ=0.65 ℃/100 m计算，多年平均气温为12.2～0.13 ℃左右，径流补给类型主要为降水补给和地下水补给；B区域(3 000～4 500 m)高程带主要分布为高山垫状植被带以及冰雪带，年降水量为200 mm左右，该区域温度为-3.32～ -10.03 ℃，径流补给主要靠高山融雪径流和高山降水；C区域(5 000～6 797 m)，由于该高程带积雪覆盖率接近100%，故为永久冰川带，高山降水接近360 mm，该区域温度为-13.04～ -20.02 ℃，径流主要靠冰面径流[7,25]。

表1 和田河流域高程带划分

(1)A区域(3 500 m以下)：曲线呈现单峰形式，每年3-8月为积雪衰减期，此时，气温处于上升时期，积雪逐渐消融。每年6-9月该区域积雪覆盖率位于10%以下，每年9月底至翌年3月，主要为积雪的累积区。A区高程带都在翌年3月初达到最大值，最大值分别为18.36%、32.59%、45.14%。主要在冬季和春季进行积雪积累。3 000 m以下高程带，总体变化趋势大致呈现“U”型，总体先下降，再上升。3 000～3 500 m呈现“V”型，在4月份由最高积雪覆盖率45%降低至8月中旬5%。在9月份至翌年2月上升至35%。

(2)B区域(3 500～4 000、4 000～4 500、4 500～5 000 m)：但由于该区域的整体高程大于A区域，所以积雪覆盖率普遍较A区域大。在该区域，积雪覆盖率存在2个过程，为下降-上升-下降-上升，为斜“W”型曲线。积雪变化特征可以分为4个阶段。其中，第一和第三阶段分别为3月底到至7月下旬，积雪覆盖率年内呈现出大幅度下降的趋势，10月初至11月中旬出现第二次较小程度的下降；第二阶段为7月底至9月，第四阶段为12月至翌年4月，积雪覆盖率为上升趋势。年内积雪覆盖率分别为在4月15日的积雪覆盖率最大，最大积雪覆盖率分别为57.36%、67.54、80.67%。7月覆盖率最低，积雪覆盖率最低分别为9.49%、21.86%、38.46%。3个高程带在夏季7月底的都在4月积雪开始消融，7月20日积雪消融期结束。年内的变化规律为“消融-积雪-消融-积雪”的重复过程，春季、冬季主要进行积雪的累积，夏季、秋季进行积雪的融化。

(3)C区域仅有5 000～5 500 m高程带的积雪覆盖率与B区域变化趋势相似，但趋于平缓。且整体大于B区域的积雪覆盖率。在4月初达到最大值，高程>5 500 m的高程带积雪覆盖率极其稳定，属于积雪稳定区，不随时间变化，年内积雪覆盖率接近100%。

2.1.2 积雪覆盖率与气象因子关系

气温总体呈现出先升后降的趋势(图2)。3至8月，气温从11.2°增加到27.5°，积雪覆盖率下降，8月处于积雪覆盖率在全年最低，该时间属于积雪消融期。8月至翌年1月，气温急剧下降。到12月底，迅速进入积雪累积期，积雪覆盖变大。气温的变化为斜“正弦”型(图2)，与积雪覆盖率的变化“W”正好相反。如6月到9月，此时，积雪覆盖率处于峰谷，而温度却处于峰顶，可见，积雪变化率与温度的变化密切相关。在图2(c)中，高程带位于5 500 m以上，积雪覆盖率常年不变，接近100%。由图2(b)和2(c)所知，各个高程带的积雪变化有一个共同特点，都是在春季4月至6月，积雪覆盖率有短暂的上升，而风速却达到最大，由于高山风吹雪的原因导致积雪的短时间增加。风速在春夏季与积雪覆盖的变化相似。日照的变化与温度类似，呈现出与积雪覆盖率相反的“M”型。有两个峰值，日照时间越长，积雪覆盖越小，分别在6月和10月，由图2可知，最大积雪覆盖率对应的时间比日照的最大值滞后了约2个月，说明积雪覆盖的响应对日照有延迟效应，日照的长时间累积才可以引起积雪的消融，导致积雪覆盖率的降低。

图2 不同高程带积雪覆盖率变化及其与气象因子的关系:

将各高程带的积雪覆盖率与同期的温度、风速、日照用Pearson作相关性分析。如表2所示。可以发现，在和田河流域山区，年内积雪覆盖率与气温、风速、日照呈负相关。①在A区域：气温均通过了p=0.01水平的显著性检验，在1 204～3 000 m高程范围内，风速和日照均通过了p=0.01的检验。②在B区域，日照和风速分别通过了p=0.01和p=0.05的检验。③在C区域：仅有风速和日照通过了p=0.05的显著性水平检验，而气温却没有与积雪覆盖率表现出任何相关性，相关系数极低。气温和积雪覆盖率的相关系数绝对值明显大于风速、日照和积雪覆盖率的相关系数绝对值。说明积雪覆盖率对气温的变化更为敏感。而且，在低高程带内，三种气候因素共同影响积雪覆盖；位于4 000 m以上区域，主要由风速和日照影响。

表2 不同高程带积雪覆盖率与气象因子的相关分析

注：**表示通过0.01水平检验，*表示通过0.05水平检验，-表示没有相关关系。

2.2 积雪与坡度和气象因子的关系

2.2.1 不同坡度积雪覆盖率在年内的变化

本文将研究区域采用自然断点法将坡度划分为5个坡度带，分别为1(<5.3°)、2(5.3°～12.4°)、3(12.4°～19.5°)、4(19.5°～30°)、5(30°～56.7°)。

由图3可以看出，积雪覆盖率在各个坡度带的变化趋势几乎一致。都是在秋季和冬季进入积雪累积期，春季末和夏季(5-8月初)进行积雪的消融。坡度带积雪覆盖率变化除0～5.3°在年内趋于直线，其他带几乎都是呈现“W”型。在春季4月份达到最大值。其中，5.3～30°积雪变化趋势几乎同步，12.4～19.5°常年最高，积雪最低覆盖率在7月20日达到最低，为40%左右，3月达到最大值，为68.68%左右；5.3～30°的积雪覆盖了明显高于0～5.3°的，0～5.3°全年最高峰值为28.01%，而5.3～30°的最低积雪覆盖率约有40%。30°～56.7°的年内积雪覆盖率均高于0～5.3°，而且面积却是0～5.3°的20%左右，说明在低坡度区域的积雪覆盖率并不是最大。在3月下旬-9月上旬，不同坡度带积雪覆盖率与温度呈现负相关，而与风速和日照数呈现正比关系。说明积雪覆盖率与温度有着密切的关系，在该时期内，温度开始回升，融雪加快，此时处于积雪的消融期，7-9月温度回升较快，融雪进一步加快，导致积雪覆盖率迅速降低，但是温度在7月20日左右达到最大，而各坡度带的积雪覆盖率在8月5日达到最低，可以看出，温度对积雪覆盖率的影响有一定的滞后性。而3月到6月，风速和日照数均在逐渐变大，而积雪覆盖率却只有微弱的减少；6- 9月，积雪覆盖率迅速降低，此时，风速和日照数也在下降，与积雪覆盖率成正比，日照时数少，通常表明是云量较大或者大气透明度较低，地面的积雪会收到太阳的直接辐射减少，而且积雪的反射辐射减弱，从而使积雪整个系统的能量增多，积雪表层升温，促进积雪的消融。而且，风吹雪也会在一定程度上影响积雪覆盖率的再分布。虽然，日照数在减少，但是累积日照数在增加，积雪依旧在下降，所以变现出正比的关系。

由图3知，坡度在12.4～19.5°的积雪覆盖是最大，30～56.7°积雪覆盖率最低。从整体看，5.3°以上地区的积雪覆盖显著高于5.3°以下区域。

图3 不同坡度带积雪覆盖率及其与气象因子的关系

2.2.2 积雪覆盖率与气象因子关系

和田河山区年内积雪覆盖率与气温、风速、日照呈负相关(表3)。在所由坡度带中，气温表现出较强的相关性，在0～5.3°和30～56.7°均通过了p=0.01的检验，在5.3～12.4°中也通过了p=0.05的检验，日照仅在0～5.3°范围内通过了p=0.05的检验，而风速却没展现出任何相关性。在坡度分带的相关性检验中气温和积雪覆盖率的相关系数绝对值明显大于风速、日照和积雪覆盖率的相关系数绝对值。说明坡度分带的积雪覆盖率对气温的变化最为敏感。其他气象因子与积雪覆盖率的相关性大小为：日照>风速。由此可见，从坡度带的角度分析积雪变化，气温是依旧是影响年内积雪覆盖率的主要因素，积雪变化率的变化与气温的波动振幅紧密相关。

表3 不同坡度带积雪覆盖率与气象因子的相关分析

注：**表示通过0.01水平检验，*表示通过0.05水平检验。

2.3 积雪与坡向和气象因子的关系

2.3.1 不同坡向积雪覆盖率在年内的变化

考虑到积雪覆盖的变化会收到地形、风速、日照的影响，而且风吹雪会在一定程度上会影响积雪的迁移。为了有更好地对积雪分布与消融规律的相互作用关系，将研究区分为北坡A(0～22.5°)、东北坡(22.5～67.5°)、东坡(67.5～112.5°)、东南坡(112.5～157.5°)、南坡(157.5～202.5°)、西南坡(202.5～247.5°)、西坡(247.5～292.5°)、西北坡(292.5～337.5°)、北坡B(337.5～360°)9个坡向。

由图4可得，积雪覆盖率在各个坡向带的变化趋势几乎一致。在所有的坡向带在年内积雪变化都呈现出微斜“W”型。均在夏季7月底达到最低，2月积雪覆盖率达到最大。在3月初-6月2日，虽然温度、风速、日照数均在变大，而积雪覆盖率变化不显著，因为在此时，累积温度、累积日照数都没有达到积雪消融的临界条件，而且存在着融雪对气候因子的响应的滞后性。在6月3日-9月1日，温度呈现先上升后下降的趋势，此时，达到各个坡向带积雪覆盖的消融条件，积雪覆盖率呈现出相反的变化趋势；而此时风速和日照数却开始处于下降过程，由于“风吹雪”和太阳辐射的共同作用，影响积雪系统的辐射量的平衡，进一步影响积雪覆盖率的再分布，所以在该时间段，积雪覆盖于风速和日照呈现出正相关关系。

具体到每个坡向带，其间的积雪覆盖率有一定的区别。由图4对比可以得知，年内最大积雪覆盖率最大为东坡，最小为北坡A。东坡的积雪覆盖率明显高于东北坡和东南坡，年内最低覆盖率在7月底为36.1%，最高在4月份为60%。北坡A最大积雪覆盖率在7月22.39%，在3月下旬达到峰值为46.15%。南坡、西坡、西南坡、西北坡、北坡变化趋势相近。南坡积雪覆盖率在年内最为明显，从4-6月，积雪覆盖率与东坡一致，最大积雪覆盖率可达58.28%，从4月开始快速下降，在8月初，降低至年最低覆盖率为29%左右。由图5可以看出，在秋冬季，北坡B、西北坡、西南坡积雪覆盖变化率幅度极小，在春夏季，积雪覆盖率的年内大小依次为：西南坡>西北坡>北坡B，从全年看，积雪覆盖率在各个坡向带都经过了“消融-积雪-消融-积雪”的二次消融过程，与中高程带积雪覆盖率年内变化类似。

2.3.2 积雪覆盖率与气象因子关系

流域山区年内积雪覆盖率与气温、风速、日照呈负相关(表4)。在北坡A，温度通过了p=0.01水平的显著性检验，风速和日照也都通过了p=0.05水平的显著性检验，而在东坡，仅有气温和日照通过了p=0.05的显著性检验。而积雪覆盖率与风速却表现出没有任何相关性。在坡向分带的相关性检验中气温和积雪覆盖率的相关系数绝对值明显大于风速、日照和积雪覆盖率的相关系数绝对值。说明气温依旧是影响坡向带积雪覆盖的主导因素，积雪变化率的变化与气温的波动振幅紧密相关。北坡A接受的太阳日照时间长，积雪覆盖较小，夏季平均气温较高，大部分坡向带的积雪都可以消融，冬季在西坡存在积雪永久赋存区。

表4 不同坡向带积雪覆盖率与气候因子的相关分析

注：**表示通过0.01水平检验，*表示通过0.05水平检验。

2.4 积雪盖覆盖时空分析

2.4.1 积雪的时间变化

为研究雪盖在年际的变化，制作了和田河流域年最大积雪覆盖率图，最大积雪覆盖率代表了年内积雪面积的峰值，该值对平均积雪面积有重要的影响，导致产生的融雪径流量也不同，会影响融雪洪水的峰值。所以本文对新疆和田河流域11年间每8 d积雪覆盖产品的最大积雪覆盖率进行统计(图5)，和田河流域山区最大积雪覆盖率为57.%～76.9%，出现时间在冬、春、秋季，最多时间出现在2月、3月和5月。平均最大积雪覆盖率为66.9%，春季由于最大积雪面积的变化可能会导致春季洪水的发生。

2.4.2 积雪的频率空间变化

积雪的覆盖时间频率指一个积雪像元的覆盖次数。通过ArcGIS处理得到和田河流域的积雪累计分布图(图6)。和田河流域整体呈现微弱增加趋势。整体流域内积雪分布范围没有大幅度改变，主要形成了东北、中部山脊线区域和西南部三块积雪空间。但是和田河流域积雪分布在2013年前后有一些小差异。2013年之前，东北积雪区域(山脊线以东)积雪覆盖时间呈现出减少的趋势，而在2013年之后，该区域却有较为明显的增趋势。和田流域山脊线区域积雪时长较稳定，常年积雪覆盖时间频率大于0.8，西南部积雪区域变化较为平缓，与流域高程对比，山脊线区域高程为4 500 m以上，可以分析该区域为常年积雪区，即雪线的高度所在，雪频率高值区呈现出典型的条带状分布，呈现东南-西北分布，且东部大于西部。

图6 2007至2017年和田河流域积雪覆盖时间频率图

3 结 语

为进一步探讨地形及气候变化对新疆和田河流域积雪覆盖的影响，本文重点分析高程、坡度、坡向、气象因子与积雪覆盖的时空变化关系。本研究主要获得如下结论。

(1)高程对积雪覆盖影响，将2007-2017年积雪覆盖数据(MOD10A2)划分为3个高程带，海拔3 500 m以下、海拔3 500～5 000 m、海拔5 000 m以上。海拔低于3 500 m区域：随着海拔的升高，积雪覆盖率在年内整体波动大致呈现“U”型到“V”型变化。秋冬季有明显的波动，冬季波动最大，年内积雪覆盖率从8月底开始上升，由5%上升至40%左右。海拔5 500 m以上区域的积雪覆盖率接近100%，其余高程带积雪覆盖年内变化呈现 “W”型，峰值出现在4月中旬和翌年2月，整体呈现出“消融-积雪-消融-积雪”的重复过程。

(2)坡度和坡向对积雪覆盖影响，坡度小于5.3°的积雪覆盖率在25%左右上下波动，最大积雪覆盖率仅接近于28.01%。而坡度位于5.3°～30°的积雪覆盖率随时间波动相似，最小覆盖率为30%左右，最大覆盖率在翌年二月可达68.68%。积雪覆盖率最大坡向为东坡，在4月可达最大值60%，在7月底积雪覆盖率最低为36.1%。北坡A全年积雪覆盖率低于46.15%。不同坡向带积雪变化呈现较为一致的积雪-消融-积雪-消融的过程规律，可见坡度、坡向是影响影响积雪分布重要因素。

(3)气象因素对积雪覆盖的关系，积雪覆盖年内变化规律， 2007-2017年间，最大积雪覆盖率主要出现在2、3、5月，主要集合在冬、春季。积雪覆盖率的变化与温度、风速、日照温度呈现负相关关系，温度是三个气象因子中对积雪覆盖率影响最大的因素。在低、中山区，积雪覆盖率的变化对气温、风速、日照变化较为敏感，但是在高山区海拔5 500 m以上区域，气温、风速和日照对积雪覆盖率影响很有限。但在不同坡度带和坡向带中，只有气温与积雪覆盖表现出较好的相关性。

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