天山典型区卫星雪盖时空特征研究_林金堂

第33卷第5期2011年10月

冰川冻土

JOURNALOFGLACIOLOGYANDGEOCRYOLOGY

Vol．33No．5Oct．2011

0240（2011）05-0971-08文章编号：1000-

天山典型区卫星雪盖时空特征研究

林金堂

1，2

，冯学智1*，肖鹏峰1，李晖1

（1．南京大学地理信息科学系，江苏南京210093；2．闽江学院地理科学系，福建福州350108）

摘要：基于2000—2010年的MODIS/Terra积雪8d合成数据（MOD10A2），研究了我国天山典型区积

雪覆盖的空间分布特征和年际变化趋势．结果表明：年平均积雪概率和1月积雪概率均呈西高东低、4月、7月、10月的积雪概率与高程呈显著的正相关；冬季积雪分布主要受大气北高南低的分布格局，

环流控制，使得西坡和北坡的积雪明显较为丰富，而春、夏、秋季的积雪分布受高程的影响最为显著．近10a来冬季积雪覆盖率总体呈下降趋势，线性倾向率为－0．087·（10a）性倾向率为0.034·（10a）

+

中图分类号：P426．635

－1

－1

，而春季则略有上升，线

；随着高程上升，积雪覆盖度的年际波动幅度呈减小趋势．文献标识码：A

关键词：天山；卫星雪盖；时空特征；积雪概率

0引言

积雪是地表最活跃的自然因素．大范围积雪能

展，具有重要的意义．

关于天山积雪时空分布已有不少研究．魏文寿等

［4］

对天山积雪的研究表明，天山积雪的分布与降

影响地表辐射平衡与能量交换，进而影响气候变化和水资源利用等．积雪识别与制图是寒区资源环境研究的重要基础性工作，传统的积雪识别方法已不能满足需要，卫星雪盖制图是当前冰雪遥感的主要技术手段，近年来已得到快速发展和广泛应用

［1］

水分布状态相近，呈现出坡向与东西方向上的差异性，而且积雪随着海拔增加而增厚，同时积雪深度具有自西向东减小的规律．杨青等

［3］

通过分析气象

观测资料，认为近50a来天山山区冬季气温存在明显的上升趋势，同时最大积雪深度增加趋势明显．仇家琪等

［5］

．

卫星遥感在雪盖快速制图、积雪动态监测、融雪径流模拟、雪灾监测与评估等研究中得到广泛应用，取得了显著的社会、经济和生态效益．

天山山区是我国3大积雪覆盖区之一，丰富的雪冰水资源使得天山山体成为新疆境内众多河流、湖泊的发源地，发源于新疆境内天山山区的河流有373条，总径流量达474×104m3，占新疆河流总径

［2］

流量的53.6%．天山山区的河流补给中约有

分析了天山山区气象站数据和野外调

查资料，认为天山积雪存在明显地域差异，中天山和南天山南坡部分山区最大雪深超过100cm，而东

［6］

天山南坡盆地雪深仅15cm．高卫东等分析了天

山积雪与雪崩站1967—2000年共34a的观测记录，认为天山西部中山带季节性积雪长期呈增加趋势，年平均增加1.43%．张丽旭等

［7］

认为这种增加

趋势主要是因为气候变暖引起的冷季降水的增加对积雪增加的贡献大于由于冷季气温升高而造成积雪减少的贡献的结果．仇家琪等

［8］

30%是来自于雪冰融水着十分重要的影响

［3］

［2］

，因此天山冰雪被称为新

疆的固体水库，它的变化对新疆社会经济的发展有

．研究天山山区积雪覆盖的时

空分布特征，对于探索西北干旱地区水资源的合理利用、生态环境的保护以及社会经济的可持续发

对NOAA/AVHRR

影像资料的分析表明，天山西部积雪面积波动幅度

大于中部．西部和中部积雪时间变化特征相似，但是中部积雪面积和雪量小于西部．张佳华等

［9］

利用

02-26；修订日期：2011-08-30收稿日期：2011-2009-04）资助基金项目：新疆干旱区水循环与水利用重点实验室开放课题（XJYS0907-2002年在福建师范大学获硕士学位，现为南京大学博士研究生，主要研究方向为作者简介：林金堂（1977—），男，福建莆田人，讲师，

．E-mail：jt-lin@163．com资源环境遥感

*通讯作者：冯学智，E-mail：xzf@nju．edu．cn

972

冰川冻土33卷

SSM/I雪深资料、NOAA/AVHRR旬雪盖资料和积雪地面观测资料研究了新疆积雪时空分布特征，认为新疆积雪主要集中在天山山脉以北地区，且山区高于盆地，天山山脉地区积雪年际变化显著，超过6旬．

已有的研究多采用气象台站观测数据和NO-AA/AVHRR卫星遥感资料．由于天山山区气象台站均分布在海拔2500m以下，无法对高山带的积雪进行常规观测，同时由于气象台站数量有限以及空间上的不连续性，仅靠气象记录分析来研究积雪的时空分布特征有很大的局限性．随着遥感技术的发展，卫星遥感数据已逐步成为我国许多地区积雪监测不可缺少的有效工具，在我国冬季积雪监测和雪灾分析中发挥了重要的作用．NOAA/AVHRR卫星遥感资料能够在一定程度上弥补常规气象台站观测数据的不足，但NOAA/AVHRR卫星的星下点分辨率为1.1km，对于小范围的积雪监测还存在不足之处，适于大尺度的宏观监测．EOS/MODIS在光谱分辨力、空间分辨力、逐日积雪变化监测评价能力

［10］

上具有较NOAA/AVHRR更为明显的优势．本研究利用2000—2010年的MODIS积雪产品数据（MOD10A2），对天山典型区积雪覆盖的时空特征进行探讨，旨在研究天山不同季节积雪覆盖随高程、坡向的变化规律．

－0．52℃·cm－1）、深霜发育层厚等特点［12］．

本文所指天山典型区介于42°～45°N之间，

52

东至88°E，西至国界线，总面积2.06×10km，海拔介于171～7298m之间，平均海拔约2000m，区内分布有博罗科努山、依连哈比尔尕山、阿吾拉勒山、乌孙山、那拉提山、哈尔克他乌山、额尔宾山、科克铁克山、霍罗山等山脉，以及伊犁谷地、特克斯谷地、大小尤尔都斯盆地等．利用研究区范围内的11个气象站1980—1996年的气温及降水观测数据，计算出研究区各月平均气温与降水量（图1）

．

图1Fig．1

研究区1980—1996年各月平均气温与降水量Themonthlymeanairtemperatureandprecipitation

inthestudyareafrom1980to1996

1

1．1

研究数据与方法

研究区概况

1．2

数据处理

搭载在Terra卫星上的中分辨率成像光谱仪（MODIS）在0.412～14.24μm的电磁波谱范围内

天山山系是亚洲中部最大的山系，呈东西走向，全长2500km左右．中国境内的天山位于整个天山山系的东部，东西长约1700km，南北宽100～400km．天山山体由山地、山间盆地和谷地及山前平原组成，

52

面积约5.7×10km，占新疆面积的34.5%以上．天山山脊平均海拔为4000m，高大的山体使天山成为

有36个离散波段，分布在可见光和红外区，每1～2d对地球表面观测1次，其数据空间分辨率分别为250m、500m和1000m，优于NOAA/AVHRR，大大增强了对地球大范围区域细致观测的能力．本文采用的积雪资料来源于美国国家雪冰数据中心（http：//nsidc．org/NASA/MODIS）提供的MO-DIS/Terra积雪8d合成数据（MOD10A2），空间分辨率为500m，hdf文件格式，投影为IntegerizedSi-nusoidalGRID，按照1200km×1200km的范围将全球分为18行和36列共648个Tile文件，Tile文件坐标是以h00v00开始．本文选用了覆盖西天山的h23v04和h24v04两轨从2000年4月30日至2010年4月23日的共910景影像数据．已有相关研究对所用遥感数据的精度进行验证，平均积雪识别率

［13］

．达87.3%

本文采用的DEM数据是ASTERGDEM数据，

空间分辨率30m，数据来源于中国科学院计算机网

南北疆气候的分水岭，形成了天山南北的气候及自然环境特征截然不同．天山山体地处西风气候带，由于巨大的高度和有利的地理位置以及独特的山地走势，山区降水量丰富，山顶多被积雪覆盖，冰川发育，是新疆境内众多河流、湖泊的发源地．作为气候过渡带的天山山区，是世界干旱区少有的湿润山地，

［11］

“湿岛”．被称为干旱区的

天山积雪是大陆性气候条件下形成的“干寒“湿暖型”，“干寒型”型”积雪，与积雪相比积雪具

－3

有密度小（新雪的最小密度为0.04g·cm）、含水率少（隆冬期＜1%）、温度梯度大（最大可达

5期林金堂等：天山典型区卫星雪盖时空特征研究

973

络信息中心国际科学数据镜像网站（http：//datamir-ror．csdb．cn）．为了与积雪产品数据匹配，将其重采样为500m分辨率．在ERDASIMAGINE系统上进行数据预处理：1）将MOD10A2数据转为IMG格式；2）将两景数据拼接；3）将投影转换为双标准纬线等面积圆锥投影，中央经线为84°E，两标准纬线分别为42°40'N和44°20'N，空间分辨率为500m；4）截取研究区数据，重编码使得积雪像元为1，非积雪像元为0，得到研究区8d积雪最大范围图．为了反映某地被积雪覆盖的频率高低，定义了积雪概率和月平均积雪概率指标，积雪概率的计算公式如下：

1珋fn=∑fmn10m=11珋fm=∑fmn46n=1

4610

2积雪分布时空差异

为了分析研究区年平均和不同季节积雪空间分布的特征，利用公式2计算研究区的年平均积雪概4、7、10月共4个典型月率图，利用公式3计算1、

份的月平均积雪概率图，用于代表4个季节的积雪空间分布．为了分析研究区积雪概率的年内变化的幅度，利用以上4个典型月份的积雪概率图，求算每个像元积雪概率的标准差与平均值之比，可得到研究区年内4个月份的积雪概率的变异系数图，图上每个像元表示该区域积雪概率的变异系数，其值越大表示积雪年内波动幅度越大．为了便于分析研究区积雪概率及其变异系数的主要分布规律，我们将上述地图进行平滑处理，并做出相应的等值线图（图2），因篇幅所限，本文略去部分图．

研究区年平均积雪概率总体呈西高东低，北高南低的分布格局（图略）．年均积雪概率超过70%的高值区有：研究区西南部的托木尔峰附近、哈尔克他乌山、那拉提山西段；博罗科努山（44°00'N，83°30'E）；阿吾拉勒山东段与玛纳斯河上游以西的区域（43°30'N，85°00'E）．伊犁谷地和天山北麓的大部分地区的年均积雪概率低于30%．哈尔克他乌山、科克铁克山和霍拉山的南坡中低海拔地区、焉耆盆地、觉罗塔格山和天格尔山东坡的中低海拔地区的年均积雪概率多低于10%．

（1）（2）

fn为年内第n个8d的平均积雪概率图，图式中：珋

上每个像元值表示该位置在对应时间内被积雪覆盖fm为第m年的平均积雪概率图，图上每个的概率；珋

像元值表示对应位置在第m年内被积雪覆盖的概

率；fmn为第m年第n个8d的积雪最大范围图；m

2，3，…，10）；n为年内按8d为年份次序（m=1，

2，3，…，46）．划分的次序（n=1，

月平均积雪概率的计算公式如下：

珔Fm=

珋fmi·dmi∑i=1

kk

（3）

dmi∑i=1

珔珋式中：Fm为第m月的平均积雪概率图；fmi为第m

月第i个8d的平均积雪概率图；dmi为在第m月内

fmi为跨月份的数据，则按其在m月的实的天数，若珋际天数计．

为反映区域被积雪覆盖的程度，定义了积雪覆

盖度指标，计算公式如下：

p=Ps/Pt

（4）

式中：p为积雪覆盖度；Ps为统计区域积雪像元数；Pt为统计区域像元总数．根据不同统计方式可计算出不同含义的积雪覆盖率，如分高程带的积雪覆盖度、分坡向的积雪覆盖度等．

天山地区气候条件的季节变化非常显著，为了研究不同季节西天山积雪分布的特征，将一年划分7月、10月为春、夏、秋、冬四个季节，并以4月、

及1月份平均积雪概率分别作为4个季节的代表进行典型分析．

研究区1月份积雪覆盖非常丰富，空间分布的最主要特征是由北至南逐渐减少，由西向东减少（图2a）．高值区包括伊犁谷地、天山北麓、小尤尔都斯盆地、阿拉山谷地，积雪概率在90%以上．而南部的哈尔克他乌山、科克铁克山和霍拉山的南坡中低海拔地区，积雪概率多在50%以下；东南部的焉耆盆地、觉罗塔格山和天格尔山东坡的中低海拔地区积雪概率更低，多在30%以下．造成这种空间分布格局的主要影响因素是暖湿性的西风环流．来自西向的水汽从伊犁谷地和特克斯谷地进入天山，随着地形的抬升，产生大量的降雪，使得该地区冬季积雪丰富，是天山积雪最多的地区之一．部分西向水汽通过巩乃斯河谷进入小尤尔都斯盆地，并在盆地东部遇山体抬升产生降雪，使得该区域的积雪概率超过90%．此外，部分水汽从阿拉山口进入新疆，向东南方向移动，在天山北麓遇地形抬升产生降雪，成为冬季积雪高值区之一．

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974冰川冻土33卷

图21月积雪概率（a）、4月积雪概率（b）和年内4个典型月份积雪概率的变异系数（c）

SnowcoverprobabilityofJanuary（a）andApril（b）andtheCVofsnowcover

probabilityofthefourtypicalmonths（c

）Fig．2

图3

Fig．343°45'N（b）、84°E（c）和43°N（d）的积雪概率剖面沿81°E（a）、Theprofilesofsnowcoverprobabilityalong81°E（a），43°45'N（b），84°E（c）and43°N（d），respectively4月和10月的积雪情况有一定的相似性（图

2b）．积雪主要分布在托木尔峰附近、哈尔克他乌

山、那拉提山、博罗科努山东部至玛纳斯河上游与

阿吾拉勒山东部区域，积雪概率在70%以上．而中低海拔地区的积雪概率普遍较低．7月份（图略）虽然是天山地区降水最丰富的月份，但由于气温较高，大部分地区没有积雪覆盖，只有少数高海拔地区才有积雪覆盖．积雪主要分布在托木尔峰附近、

5期林金堂等：天山典型区卫星雪盖时空特征研究

975

哈尔克他乌山西南部和玛纳斯河上游（43°30'N，85°E附近）的高海拔地区，积雪概率在50%以上；大部分地区没有积雪覆盖．

图2（c）显示了研究区各像元年内4个月份的积雪概率的变异系数，其值越大表示积雪年内波动幅度越大．从图中容易看出，变异系数较小的区域主要集中在托木尔-汗腾格里区域、哈尔克他乌山西南部高山带、阿吾拉勒山东部至玛纳斯河上游的高山带等地，均为高海拔地区，变异系数低于0.3；而伊犁谷地和天山北麓的海拔1000m以下地区以及天山南麓的海拔1500m以下地区，其变异系数几乎都超过1.8．因此，可以认为，变异系数的高低与高程关系密切，随着高程的上升，积雪覆盖的年内波动幅度减小，积雪越稳定．

时，积雪概率达到最高值接近1，而后积雪概率随着海拔上升迅速下降，并在博罗科努山高山带形成局部低值区．结合图2，我们认为这种现象可能是由于水汽运行方向与北天山山脉的夹角较小，水汽难以到达天山北坡的中高海拔地区，而是沿着天山北麓向东南方向移动，因此在天山北麓形成大范围的积雪概率高值区，一直延伸至乌鲁木齐．科克铁克山以南属于南天山南坡，随着海拔从山顶下降，1月份积雪概率迅速从0.9降至0.2左右．

从两幅东西方向的剖面图看（图3b和图3d），冬季积雪总体呈西高东低走势．84°E以西为西风环流的迎风坡，水汽充足，积雪丰富．由于水汽难以越过3500m以上的山体，使得84°30'～85°30'E间的高山带成为局部积雪低值区，积雪概率为0.4左右．86°E以东地区属于北天山北坡，其积雪分布主要受西北气流控制，积雪概率上升至0.7左右，但总体上低于伊犁谷地．阿拉沟山（约86°E）以西地区，积雪概率均高于0.7，向东积雪概率急剧下降至平均0.3左右（图3d）．

此外，将各剖面的采样点的高程与各月积雪概率进行相关分析（表1），结果表明，1月份各剖面的高程与积雪概率均呈负相关，而4月、7月及10月份则呈显著的正相关．存在这种相关关系主要是由于研究区1月份气温持续低于零度，影响积雪分布的主要因素是水汽来源，水汽遇地形抬升产生降雪，同时空气中水汽含量逐渐减少，使得积雪概率与高程呈微弱的负相关．而在4月、7月和10月份，气温是影响积雪分布的主要因素，当海拔上升时，气温逐渐降低，积雪概率逐渐增加．

综上所述，研究区冬季积雪分布受大气环流和坡向的影响最为显著．天山北麓受西北环流控制，在迎风坡（北坡）中低海拔地区产生丰富积雪．伊犁谷地和特克斯谷地主要受西向环流控制，在迎风坡（西坡、西南坡和西北坡）产生大范围丰富积雪，在水汽向东运行过程中，由于地势抬升和山体阻隔产

3积雪分布地形差异

水汽来源是大范围积雪覆盖的前提，而局部地形则是积雪产生和累积的重要条件．地势的不断抬升引起气温下降，当气温降至零度以下时，积雪的产生才成为可能．坡向也是影响积雪分布的重要因素，通常情况下，迎风坡比背风坡更易于产生积雪．

为了进一步分析研究区积雪分布受高程、坡度等局部地形条件影响的情况，在图2的基础上，分43°N两条纬线和81°E、84°E两别沿43°45'N、

条经线制作了剖面图，见图3．通过沿81°E的剖1月大部分地区积雪概率高面图容易看出（图3a），

于0．7，只有在塞里木湖降至0.5以下；4月和10月的积雪概率与高程具有较强的相关性，积雪概率随高程的上升而上升；7月大部分地区积雪概率均低于0.1，只有当海拔超过3000m后，积雪概率才逐渐升高．在图3（c）中，44°N以北为博罗科努山北麓，冬季积雪分布主要受西北气流控制，该地区积雪丰富，基本上高于0.7，自45°N向南，积雪概率随海拔上升而上升，当海拔上升至1500m左右

表1

Table1

剖面A（81°E）B（43．75°N）C（84°E）D（43°N）

高程与积雪概率相关系数

Thecorrelationcoefficientsbetweensnowcoverprobabilityandelevation

高程与积雪概率的相关系数

样本

10月0．960．830．780．53

点数66115416611541

1月－0．35－0．53－0．06－0．04

4月0．930．870．710．53

7月0．820．710．600．67