天山中段玛纳斯河上游山区雪盖衰退过程遥感研究

李海星

南京工业大学测绘科学与技术学院，南京 江苏 211816

季节性积雪的积累与消融，伴随着能量与水分的存储与再释放，在气候系统中扮演着极其重要的角色，是干旱半干旱地区宝贵的淡水资源。定量识别积雪信息并研究消融期雪盖的时空衰退特征，对流域水资源管理与气候变化具有重要的实际应用与科学研究价值。论文基于国产环境一号(HJ-1A/B)卫星数据，以天山中段玛纳斯河上游山区为研究区，结合实地考察实测数据，研究和掌握雪盖衰退过程的时空变化差异和特点。主要研究内容和结论如下：

(1) 雪盖信息的遥感识别。通过野外考察及实地测量，获取不同状态积雪、典型地物的光谱反射率数据，分析不同状态积雪以及典型地物的反射光谱特征，获得积雪信息的卫星图像响应特征。利用J-M(Jeffries-Matusita)分离数筛选出表征积雪新老状态的最敏感指标为积雪粒径指数和绿光波段反射率，采用层次分析法构建积雪老化指数，有效识别了山区复杂地形条件下雪盖范围与状态信息。

(2) 雪盖衰退的时段变化特点。构建了基于多时相雪盖消融信息变化时序。通过雪盖面积和老化指数双重变量时序变化的极大/小值，划分雪盖衰退时段。再通过时段变化速率、雪盖状态转移速率归纳雪盖衰退的时段与高度带变化特点。结果表明，在每个衰退时段内雪盖面积减少速率和老化指数增加速率具有“缓慢-加速-趋缓”的特点。在整个积雪消融期，各衰退时段的雪盖面积减少速率则逐时段降低，积雪老化指数的增加速率逐时段先降后升。积雪老化增长速率随海拔升高而降低。

(3) 雪盖衰退的空间分布特征。探讨了不同地形和下垫面条件下雪盖消融信息的空间分布特征。结果表明：①在各衰退时段，雪盖面积和积雪老化指数的海拔分布差异显著，新增降雪随海拔升高而增加(除冰雪带)，衰退末期积雪覆盖则随时序向高海拔攀升。积雪老化指数随新增降雪有所下降，但在衰退末期显示出高程差异性。②坡向对新增降雪面积/积雪老化指数影响较小，而在衰退末期二者都显示了明显的坡向差异。③平坡和险坡的积雪分布低于其他坡，其他坡度则呈均匀分布。④草地带在不同时期均具有最大的积雪空间分布，积雪老化指数在不同时段均显示了林地>草地>裸地>冰川的特性。

(4) 雪盖衰退过程解释。通过时空数据结构和Mann-Kendall趋势分析方法构建了逐消融时段雪盖时空衰退趋势，针对主要影响因子及实测温度资料分析了“雪盖衰退-影响因子”局部空间关联性。利用全局Moran’s I系数度量影响雪盖衰退空间分布差异的不同因子大小顺序为：海拔>>坡向>坡度>下垫面。针对最主要影响因子(海拔)对雪盖衰退趋势的关联类型制得的局部时空LISA聚集图，结合不同关联类型在不同地形因子的分布统计数据，发现在有效积温条件下，雪盖衰退趋势与海拔显著相关；坡向不同造成的太阳辐射差异会引起高海拔区域南坡衰退趋势总是大于北坡；地理位置带来的热量分布不均导致天山北麓部分区域雪盖衰退趋势偏低。

本文针对天山中段玛纳斯河上游山区复杂的雪盖衰退过程进行了详细研究。以野外实测数据结合国产环境卫星遥感数据，获取了山区消融期积雪新老状态信息。基于多时相雪盖范围与新老状态信息时空序列信息，通过综合特定空间位置雪盖信息的时序变化特点，以及在特定衰退时段内雪盖信息的空间分布特征，准确把握消融期内雪盖信息的时空变化过程与特点。结合空间关联性方法度量了主要影响因子，并构建了其与雪盖衰退趋势的局部空间关联性。不仅为流域水资源管理、径流模拟与预报、气候变化研究等提供科学依据，也为雪盖变化研究提供了新的思路。