阿勒泰地区冬季积雪变化及其与气温及降水的关系

陈爱京　肖继东　杨志华

摘要    本文对阿勒泰地区2004—2018年冬季积雪变化及其与气温、降水之间的关系进行了分析。结果表明，阿勒泰地区11月开始形成积雪稳定期，12月积雪覆盖率迅速发展，主要表现为积雪面积的扩张，12月到翌年2月发展到鼎盛阶段，1月达到最高峰;随着暖季的到来，气温逐渐回升，积雪也逐渐消融。14年来，>20 cm的积雪面积年际变化趋势较大，总体呈明显下降趋势。积雪变化与降水几乎没有相关关系，但积雪面积与气温有很高的负相关性，受气温的影响较大，说明气温是影响积雪变化的主导因素。

关键词    积雪;气温;降水;新疆阿勒泰

中图分类号    P468.02        文献标识码    A

文章编号   1007-5739（2019）19-0187-04                                                                                     开放科学（资源服务）标识码（OSID）

Variation  of  Winter  Snow  Cover  and  Its  Relationship  with  Temperature  and  Precipitation  in  Altay  Region

CHEN Ai-jing    XIAO Ji-dong    YANG Zhi-hua

（Urumqi Meteorological Satellite Ground Station，Urumqi Xinjiang 830001）

Abstract    This paper analyzed the winter snow cover in the Altay region from 2004 to 2018 and its relationship with temperature and precipitation. The results showed that the Altay region began to form a stable snow period in November，and the snow cover rate developed rapidly in December. It is characterized by the expansion of the snow area. It reached the peak stage from December to February of the next year.In January，it reached the peak. With the arrival of the warm season，the temperature gradually rose and the snow gradually disappeared. In the past 14 years，the annual variation trend of the snow cover area of >20 cm was relatively large，and showed a significant overall downward trend. There was almost no correlation between snow cover and precipitation，but the snow area had a high negative correlation with temperature，which was affected by temperature，indicating that temperature was the dominant factor affecting snow changes.

Key words    snow cover;temperature;precipitation;Altay Xinjiang

積雪作为最活跃且具有多重属性的地表覆盖类型，是冰冻圈内最敏感的环境变化响应因子，积雪时空变化被认为是气候变化的指示器[1]。大范围积雪影响气候变化、地表辐射平衡与能量交换、水资源利用、工农业和生活用水资源、环境、寒区工程等一系列与人类活动相关的要素[2]。积雪对气候环境变化十分敏感，特别是季节性积雪，在干旱区和寒冷区既是最活跃的环境影响因素，也是最敏感的环境变化响应因子[3]。

人们对于积雪的研究越来越多，例如李培基[4]使用1978—1987年SMMR微波候积雪深度资料，1973—1989年NOAA周积雪面积图以及青藏高原60个基本气象台站1957—1992年逐日积雪深度、密度和月积雪日数记录，揭示出亚洲高原积雪时空分布特征。郭艳君等[5]利用3年来NOAA卫星遥感和常规观测的中国积雪资料，对比研究了二者在不同季节和不同年代的逐月积雪日数。杨建平等[6]应用长江黄河源区及其周边地区16个气象站逐日积雪资料，分析了长江黄河源区积雪的空间分布和年代变化特征。黄慰军等[7]利用29个有雪密度观测的气象站40年气象资料对新疆雪密度时空分布及其影响特征进行了研究，结果表明，新疆雪密度的分布呈现从盆地（及其周边）到山地（及其周边）最后到海拔3 800～4 000 m以上高山带，雪密度随高度的升高依次升高。依据雪密度分布图和时间函数计算得出，稳定期新疆雪密度最大平均值为0.191 g/cm3。胡列群等[8]利用新疆91个气象台站1960—2011年的观测资料，对南北疆及天山山区冬春年（10月至翌年5月）的积雪日数最大积雪深度、积雪初始、终止日期等因子进行了统计，对新疆区域近50年积雪变化特征进行了分析。唐志光等[9]采用基于三次样条函数的去云算法对2001—2015年天山地区的逐日MODIS积雪面积比例产品进行了去云处理，在此基础上分析了近15年天山地区积雪的时空分布及其变化特征。何海迪等[10]利用2011—2015年MOD10A2积雪产品和气象数据，通过几何校正、去云预处理，应用归一化差分积雪指数算法等获取中国境内天山山区积雪覆盖面积数据，分析了中国天山积雪面积的时空变化特征及与气温、降水的关系。结果表明：①年内积雪面积呈单峰变化。②2001—2015年积雪覆盖面积整体上呈减少趋势，积雪覆盖率最大值的波动比最小值的波动更加剧烈。③积雪覆盖率随着海拔升高而增大，海拔<1 500 m区域积雪覆盖率低于10%，海拔>4 500 m以上区域积雪覆盖率平均可达70%，为常年稳定积雪区。积雪覆盖率在西北坡最高，南坡最低。④年均气温升高是积雪覆盖面积减小的主因，年积雪覆盖面积变化与年降水量变化保持一致的下降趋势。梁鹏斌等[11]利用2001—2017年MOD10A2积雪产品和气象数据，分析祁连山积雪面积动态变化特征及与气温、降水的关系。结果表明，2001—2017年祁连山积雪面积年际波动趋势较大，呈减小趋势，夏冬季积雪面积减小趋势大于春季，秋季呈现略微增加趋势;祁连山区积雪面积主要分布在3 000～4 000 m及4 000～5 000 m，积雪覆盖率随着海拔上升呈现逐渐增大的趋势;初步分析认为，祁连山积雪面积变化对气温要素更敏感。

新疆占中国国土面积的1/6，属干旱半干旱区，地表水资源匮乏，但季节性积雪水资源丰富，占全国积雪水资源总量的1/3[12]，对于冬季严寒而漫长和以干旱著称的新疆，雪是重要的水分气候资源。新疆冬季积雪时间长、雪量较为丰富，农牧业生产与积雪这一重要水资源关系密切[13]。因此，对新疆积雪变化特征进行分析，是了解新疆水资源的重要依据，也为今后生态环境的建设奠定基础。

1    数据与方法

1.1    研究区概况

阿勒泰地区位于新疆北部，与蒙古和俄罗斯接壤，地理坐标为北纬44°59′35″～49°10′45″、东经85°31′37″～91°1′15″，总体地势趋势是北高南低、东南高西北低。该区属大陆性寒温带气候，但面积广袤，地貌类型复杂多样，高差悬殊，气候差异非常明显。山区年降水量300～500 mm，年均温度-4℃～ -2 ℃;山前平原区受荒漠气候影响，年降水量130～150 mm，年均温3.4～4.2 ℃;荒漠区年降水量80～90 mm，年均温6 ℃。海拔500～4 374 m，3 200 m以上为冰雪作用带，气候是夏季干热少雨，冬季严寒多雪，受西伯利亚气流影响，常在10月至次年4月发生雪灾天气，1月极端最低气温达 -40 ℃，冬季积雪深厚，积雪期长达120 d左右，积雪最高厚度达60 cm，山区达1.2 m，冬季积雪深厚，雪灾频繁，暴雪给牧业、交通和人民生活带来极大的危害。

1.2    数据及处理

1.2.1    MODIS数据与处理方法。MODIS具有36个光谱通道，分布在0.4～14.0 μm的电磁波谱范围内[14]。包含用于积雪监测的可见光波谱范围内的通道4（0.545～0.565 μm）与近红外波谱范围内的通道6（1.628～1.652 μm），这2个波段主要反映地物对太阳辐射的反射特性。MODIS仪器的空间分辨率分别为250 m（通道1～2）、500 m（通道3～7）、1 000 m（通道8～36），视幅宽度为2 330 km，每日或每2 d可获取1次来自大气、海洋和陆地表面信息的全球觀测数据。MODIS对积雪的监测主要是利用积雪在1.6 μm的强吸收特性，利用MODIS数据制作的积雪监测影像具有分辨率高、监测范围广的特点，可以清楚地反映出积雪覆盖的范围。

本文使用的积雪覆盖数据（时间序列为2004年11月至2018年3月）是由新疆遥感中心开发的积雪遥感监测系统生成的，首先对MODIS 1B数据进行几何纠正，通过EOS/MODIS用户端软件EOSSHOP，对MODIS数据进行几何纠正，生成等经纬度投影、中心经度为88.5°、中心纬度为47°、中心分辨率为0.002 5（即空间分辨率为250 m）、影像大小为2 800×2 000的局地文件LD2（Local Data Version2），然后将局地文件通过积雪遥感监测系统计算出旬的积雪覆盖率，再将三旬的积雪覆盖率做平均得到2004年11月至2018年3月冬半年的月积雪覆盖率数据。北疆北部属北温带寒凉区大陆性气候，冬季严寒而漫长，长达5个月（当年11月至次年3月）。11—12月为前冬，1月为隆冬，2—3月为后冬[15]。

1.2.2    气象数据与处理方法。对2004年11月至2018年3月阿勒泰地区7个气象站点冬半年的月气象观测数据进行了分析，首先对气象数据进行了质量控制，根据相似台站相似和气候平均值方法修正或填补明显有误或空缺的资料[16]。对所得的月积雪覆盖率、月积雪面积、月平均气温、月平均降水数据加以分析，并通过统计软件作进一步的相关分析。

2    结果与分析

2.1    积雪的年内变化

将2004年11月至2018年3月冬半年内的月积雪覆盖率的平均值作为当年的积雪覆盖率，统计出阿勒泰地区冬半年的月积雪覆盖率数据。结果表明，阿勒泰地区的积雪属于季节性积雪，阿勒泰地区一般积雪期为5～6个月，冬季积雪随着气温的降低，稳定积雪开始形成，积雪覆盖率逐渐增加。阿勒泰地区11月开始形成积雪稳定期;12月积雪覆盖率迅速发展，主要表现为积雪面积的扩张;12月到2月发展到鼎盛阶段，1月达到最高峰，积雪覆盖率从47.9%增加到90.8%左右，在鼎盛时期积雪面积相对稳定，积雪深度不断增加。3月开始，气温逐渐回升，积雪也开始慢慢消融，积雪覆盖率开始下降，积雪面积减小（图1、2）。

2.2    积雪的年际变化

对阿勒泰地区2004—2018年冬季的积雪覆盖率、积雪总面积以及>20 cm的积雪面积进行了统计，得到阿勒泰地区积雪的年际变化特征，结果如图3、4、5所示。可以看出，2007—2008年和2017—2018年的积雪覆盖率和积雪总面积较小，分别为63.75%、67 767.46 km2和64.70%、69 519.2 km2，明显小于多年平均值;2009—2010年冬季的积雪覆盖率和积雪总面积最大，分别为95.12%和101 421.01 km2，其余年份在平均值上下波动;2004—2018年积雪覆盖率和积雪总面积年际整体变化趋势不是很大，略微有下降的趋势。对 >20 cm的积雪面积绘制年际变化曲线，其中2017—2018年>20 cm的积雪面积最小，为15 163.53 km2，比多年均值少16 937 km2;2009—2010年>20 cm的积雪面积最大，为55 997.6 km2，比多年平均值多23 897.1 km2。>20 cm的积雪面积线性变化趋势较大，总体呈明显的下降趋势。这可能是由于全球气候变暖加剧了山区积雪的消融。

2.3    积雪面积与气温及降水的关系

为了更深入地分析积雪变化与气温及降水的相关性，本文分别对阿勒泰地區积雪总面积、<20 cm的积雪面积、 >20 cm的积雪面积与气温、降水的关系进行了分析。积雪面积采用每月的上、中、下三旬的平均值合成的月数据，为使气温和降水资料与积雪面积数据相对应，气象资料是相对应积雪数据的月平均气温和降水的数据。

2.3.1    积雪面积与气温的关系。一般情况下，气温越低，越有利于积雪的累积和稳定，从积雪总面积、<20 cm的积雪面积、>20 cm的积雪面积与气温的相关性分析（图6、7、8，表1）可以看出，积雪总面积、<20 cm的积雪面积、>20 cm的积雪面积都与气温成较高的负相关性，相关系数分别为-0.851、 -0.637、-0.379，均通过了0.01的显著性检验，说明积雪面积受气温的影响很大。由于<20 cm的积雪面积大多数都集中在平原区或者浅山带，受气温的影响较大，气温的下降有利于<20 cm的积雪面积的累积;着气温的升高，平原区和浅山带的积雪也会迅速融化，积雪面积也随之减少;>20 cm的积雪面积大多数集中在高山区，其海拔较高，积雪相对稳定，受气温的影响相对小一些。

2.3.2    积雪面积与降水的关系。从积雪总面积、<20 cm的积雪面积、>20 cm的积雪面积与平均降水的相关性分析（图9、10、11，表1）可以看出，积雪总面积、<20 cm的积雪面积、 >20 cm的积雪面积都与平均降水的相关性很小，相关系数分别为-0.059、-0.130、0.079，均未通过显著性检验，说明积雪面积几乎不受降水的影响。

综上所述，积雪面积与降水几乎没有相关关系，但积雪面积与气温的负相关性却很高，说明温度对积雪面积变化影响很大，随着气温的下降，稳定积雪开始形成，积雪面积开始扩张，随着气温的升高，积雪开始融化，积雪面积逐渐减小，气温是影响积雪变化的主导因素。

3    结论

（1）由近14年阿勒泰地区年内积雪变化可知，随着气温下降，稳定积雪开始形成;1—2月积雪发展到鼎盛阶段，积雪覆盖率达到峰值，积雪面积相对稳定;3月随着气温升高，积雪开始消融，积雪覆盖率开始衰减，积雪面积开始减少。

（2）近14年，阿勒泰地区除2009—2010年冬季的积雪总面积最大外，其余年份都在平均值上下波动，积雪总面积年际变化不大;但>20 cm的积雪面积年际变化趋势较大，总体呈明显的下降趋势。

（3）积雪变化与气温、降水的相关性分析发现，积雪变化与降水几乎没有相关关系，但积雪面积与气温有很高的负相关性，受气温的影响较大，说明气温是影响积雪变化的主导因素[17-18]。

4    参考文献

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