2001—2017年天山中段积雪时空变异研究

肉克亚木·艾克木，玉素甫江·如素力,，海日古丽·纳麦提

（1.新疆师范大学 地理科学与旅游学院，乌鲁木齐 830054；2.新疆干旱区湖泊环境与资源重点实验室，乌鲁木齐 830054）

0 引 言

积雪作为气候系统的重要组成部分，对气候变化非常敏感。在可变表面环境中，积雪是一个关键的可变因素，是全球变暖引起的区域变暖的指标[1-2]。在我国西部地区积雪作为变化较快的下垫面因素之一，因具有反射能力，且导热性差，在融化过程中会吸收大量的热量，产生水文效应，而导致土壤的增湿降温，改变积雪面的辐射平衡和大气热条件，引起大气环流的变化，因此区域气候变化一直对我国西部积雪时空变化产生重大影响[3]。积雪的时空分布以及变化规律已越来越受到国内外学者的研究和重视[4]。如马丽娟等[5]利用 1957—2009年中国地面气象台站观测积雪资料对积雪的时空变化特征进行分析，发现新疆西北部雪深有显著增加趋势。韩兰英等[6]利用EOS/MODIS、NOAA资料以及气象资料，分析祁连山积雪面积时空分布及其对气候的影像，发现祁连山东段积雪面积有减少趋势。李斐等[7]利用来自中国气象站的气温与降水资料、结合 DEM数据，分析了开都河流域不同海拔区域的积雪时空分布变异以及与气候因素的响应研究。前人多采用站点积雪数据与站点气象数据（点-点）或空间遥感积雪信息与站点气象数据（空间-点）的方法开展有关积雪时空分布变异规律以及对气候因素的响应研究，较少考虑气象因素的空间变异性、连续性和存在研究尺度不匹配等问题[8]。尤其是气象站点比较稀缺的我国西部山区，气象站点多分布在海拔为2 500 m以下区域，积雪与气象因素空间差异比较大，处于低海拔的有限气象站点资料无法满足积雪时空分布变异规律以及对气象因子的响应分析需求，已有我国西部地区积雪时空变异研究，但只针对天山中段进行的有关积雪时空变异规律与地表温度（LST）相关性研究比较少。

MODIS 8d合成积雪产品（MODIS10A2）和地表温度产品（MODIS11A2）能够较好地去除“云污染”影响，提供长时间序列、高精度的空间积雪分布信息，已广泛应用于积雪时空变化研究[9]。以上数据为缺资料的山区积雪分布格局及气候响应研究提供了新的途径。因此，本文尝试使用天山中段2001—2017年MODIS积雪数据、地表温度（LST）数据，采用趋势分析、相关分析法，探索变化环境下积雪时空变化特征及其与LST相关关系，揭示天山中段近年来积雪时空变化规律及可能的变化原因，为天山中段应对气候变化以及积雪水资源的优化利用提供一定理论依据。

1 研究区概况

天山山脉是亚洲中部最大的一条山脉，横亘中国新疆的中部，东西绵延1 700 km，山地的平均海拔高度为4 000 m，天山是南疆和北疆的分界线，将新疆分为气候差异比较大的2个气候区域。以季节性冰雪资源而著称，在新疆干旱地区被称为“湿岛”，其春，夏季积雪融水是天山北部和南部许多河流的供水来源。目前，天山中段尚未明确界定。本文将天山山区中段区分为伊犁河谷、艾比湖流域、吐鲁番盆地、博斯腾湖流域和渭库河流域，经纬度范围介于41.02°N—45.18°N、80.23°E—89.20°E 之间。天山山脉属于山地地形，当地属于温带大陆性气候，南坡地区属于高原，降水很少，北坡有湿润的西北气流吹过，降水多，南坡日光充足，北坡日照少，导致南坡温度高，北坡温度低。11月到翌年 4月时在天山山区常有大量的冰川与永久性积雪，成为天山水资源的主要来源[10-14]。

图1 研究区域Fig.1 Research area

2 研究方法

2.1 数据

1）MODIS积雪产品数据：用于研究的积雪数据资料来自于美国国家冰雪数据中心（NSIDC，http：//nsidc.org/NASA/MODIS）网站下载的MOD10IS/Terra合成的8日积雪产品MODIS10A2，空间分辨率为500 m，时间范围为2001—2017年。MODIS10A2对积雪识别率较高[4]。MODIS10A2具体处理方法：首先利用MODIS数据投影及格式转换工具（MODIS Reprojection Tool，MRT）对 MODIS10A2影像进行拼接和重投影，投影转换为 ALBERS，椭球体选为WGS84，图像文件转换为 GeoTIFF格式；其次利用接口描述语言（Interface description language，IDL）软件进行裁剪，最后统计积雪日数（SCD）、积雪覆盖率（SCP）。

2）DEM 数据：此数据从地理空间数据云（www.gscloud.cn）平台下载获取的SRTM DEM数据，其空间分辨率为90 m。

3）MODIS11A2地表温度（LST）数据：本研究所使用的地表温度数据有由 NASA 网站（http://reverb.echo.nass.gov/）下载的MODIS11A2地表温度（LST）8 d合成产品，空间分辨率为1 km。

2.2 研究方法

1）积雪覆盖的计算方法是将特定范围内的雪像素数除以研究区域内总像素数。某个像素的积雪日数是总数1 a内像素被雪覆盖的日子。积雪日数反映了积雪的持续时间，通过计算每个像素在特定时间间隔内的积雪日数以下等式：

式中：is-snow(i)=1表示像素被雪覆盖，is-snow(i)=0表示像素没有被雪覆盖；46是MODIS 8d图像在1 a内总覆盖像素数。

2）趋势分析：采用一元线性回归分析方法对2001—2017年艾比湖流域积雪的动态进行变化趋势分析，单个像元多年回归方程中趋势线斜率即为年际变化率。计算式为：

3）相关性分析：能够真实的反映积雪和LST之间的相关性，本文利用了线性相关系数来计算2个变量之间的相关性，计算式为：

式中：n为年份数17（2001—2017）年。当Rxy>0时，意味着正相关，即两要素同向相关；Rxy＜0时，意味着负相关，即两要素异向相关。Rxy的绝对值越接近于1，表示两要素的相关性高；越接近于0，表示两要素的相关性不密切。此外，对相关性进行检验时，当r<0.05时，2个变量之间的要素不相关，不能反映两要素之间的相关关系。

3 结果与分析

3.1 年内积雪覆盖率（SCP）变化

图2（a）为天山中段SCP年际变化。由图2（a）可知，天山中段积雪覆盖率年际变化呈“单峰”型曲线，6月最小值为50.2%，12月与1月达到最大值为100%，从2月开始逐渐下降，从7月初开始积雪覆盖率开始逐渐增加，其中3初—4月初的SCP变化率最为明显。

图2（b）为 5个子区域月平均积雪覆盖率。由图2（b）可知，5个子区域月平均积雪覆盖率呈3种变化趋势。第 1种为伊犁河谷流域及博斯腾湖流域SCP变化，2个子区域相之处为年内SCP值均＞50%；不同之处为伊犁河谷流域年内最小值出现在6月，最大值出现在11月到次年3月、博斯腾湖流域最小值出现在7月，最大值出现在12月到次年1月。第2种为吐鲁番盆地、艾比湖流域SCP变化，2个子区域相之处为年内SCP最小值均出现在7月；不同之处为艾比湖流域最大值出现在11月—次年3月、吐鲁番盆地SCP最大值出现在12月—次年1月。第3种为渭库河流域SCP变化，跟其他子区域不同的是年内SCP最小值出现在4月，这与不同区域的气候河下垫面类型有关，渭库河流域属于平原地区，因此受人来活动的影响比其他子区域明显，因此导致SCP最小值出现在4月的原因。

图2 2001—2017年天山中段与各子区域积雪覆盖变化Fig.2 Snow cover change in the middle part of Tianshan Mountains and various subregions from 2001 to 2017

3.2 年际SCP差异分析

图3为2001—2017年天山中段与5个子区域年际SCP变化对比。从图3可以看出，对天山中段来说年际SCP变化幅度波动不明显。博斯腾湖流域和渭库河流域SCP变化曲线显示，SCP最高值分别为24.1%、23.6%，相比天山中段和其他区域，年际变化非常大，天山中段、吐鲁番盆地、艾比湖流域和伊犁河谷流域SCP最高值分别为95.7%、24%、27.8%、25.7%。

图3 2001—2017天山中段与各子区域积雪覆盖时间变化序列Fig.3 2001—2017 Middle Tianshanand sub-region snow cover time series

图4为2001—2017年天山中段不同季节和年际SCP变化。从图4可以看出，天山中段年际SCP呈减少趋势，且四季的SCP值波动比较大，春季的SCP值变化幅度差值最高为30.3%，呈略微减少趋势，最大值为86%，最小值为55.6%；夏季与秋季积雪覆盖率变化均呈增加趋势，变化幅度差值分别为8.18%、22.88%，最大值分别为40.1%、82.8%；冬季SCP变化趋势跟全年年际SCP变化趋势基本相似，均呈出减少趋势，最高值为98.6%，最小值出现在2009年为83.2%。

图4 不同季节和年际的天山中段积雪覆盖率变化Fig.4 Snow cover changes in the middle Tianshan Mountains in different seasons and years

3.3 积雪日数（SCD）变化分析

图5显示了2001—2017年平均SCD分布情况。根据积雪稳定程度，可以将研究区域分为稳定积雪区、年周期性不稳定积雪区与非年周期性不稳定积雪区[15-17]。其中，稳定积雪区的积雪年际变率低于0.4，年平均积雪日数超过60 d，主要分布伊犁河谷与艾比湖中部地区、天山山脉的南北坡、博格达尔的边缘地区、天山山脉、博格达尔山；年周期性不稳定积雪区的积雪年际变率为0.4~1.0，年平均积雪时间为10~60 d，非年周期性不稳定积雪区有的年份出现积雪，有的年份不出现，其积雪年际变化率在1.0~3.0，年平均积雪日数为0~10 d，主要分布在吐鲁番盆地博斯腾湖流域的边缘、库尔勒上南部和阿克苏的西部和南部地区。

综上可知，天山中段的积雪空间分布特征受地形地貌的影响，整体为高山区多雪，盆地少雪，南坡的积雪日数相对较低。

图5 天山中段平均积雪时间分布Fig.5 Distribution of average snow days in the middle section of the Tianshan Mountains

图6 天山中段与各子区域平均SCD变化Fig.6 Annual average SCD changes in the middle section of the Tianshan Mountains

从图6可以看出，天山中段SCD值年际变化趋势呈增加趋势，其中艾比湖流域SCD值的增加趋势最为明显，平均SCD值为139 d；伊犁河谷流域、渭库河流域SCD值年际变化呈减少趋势，且伊犁河谷流域SCD值是天山中段SCD值为最高区域，平均SCD值为179 d反而渭库河流域为SCD值最低区域，平均SCD值为97 d；博斯腾湖流域和吐鲁番盆地平均SCD值分别为110 d与125 d。

3.4 积雪日数（SCD）趋势变化与显著性分析

从2001—2017年天山中段与5个子区域积雪日数变化趋势及其显著性水平分布图7可以看出，天山中段54.08%区域的积雪日数呈减少趋势，其中4.36%区域呈显著减少趋势，主要分布在渭库河流域东南部区域；45.92%区域的积雪日数呈增加趋势，其中3.03%区域积雪日数呈显著增加趋势，主要分布在中部以从西向东延伸的天山山脉。

图7 天山中段与各子区域2001—2017年SCD变化趋势与显著性分布Fig.7 SCD change trend and significance distribution in the middle of Tianshan Mountains and various subregions from 2001 to 2017

从5个子区域年平均SCD变化趋势与显著性分布结果可以得出：①伊犁河谷流域51.51%区域SCD呈减少趋势，其中 2.67%区域呈显著减少趋势；48.49%区域SCD呈增加趋势，其中3.64%区域呈明显增加趋势。②艾比湖流域49.52%区域SCD呈减少趋势，其中2.67%区域呈显著下降趋势；50.48%区域SCD呈增加趋势，其中3.64%区域呈显著增加趋势。③博斯腾湖流域53.71%区域SCD呈减少趋势，其中4.28%区域呈显著下降趋势；46.29%区域SCD呈增加趋势，其中1.92%区域呈明显增加趋势。④渭库流域78.99%区域SCD呈减少趋势，其中17.54%区域呈明显增加趋势；21.01%区域SCD呈增加趋势，其中3.73%区域呈显著增加趋势。⑤吐鲁番盆地60.05%区域SCD呈减少趋势，其中 3.66%区域呈明显减少趋势；39.95%区域SCD呈减少趋势，其中1.43%区域呈明显减少趋势。

图8 2001—2017年天山中段年际与各季节积雪与LST相关分析Fig.8 Correlation Analysis of Interannual and Seasonal Snow Cover and LST in the Middle Part of Tianshan from 2001 to 2017

3.5 积雪与LST的相关性

从积雪和LST相关性水平分布来看（如图8），积雪与LST年际相关性呈负相关性比较明显，负相关占总面积的55.89%，其中34.98%区域呈极显著负相关，正相关占0.15%。从季节相关性来看：春季积雪与LST相关系数达到-0.98~0.82，负相关性占69.37%，其中 49.35%区域呈极显著负相关，正相关性占0.04%，主要分布在天山山脉与附近；夏季积雪与LST相关系数达到-0.95~0.89，负相关性占26.19%，其中12.36%区域呈极显著负相关，正相关性占0.91%，主要分布在LST相对比较低的高海拔地区；秋季积雪与LST相关性和空间分布跟春季相关性分布基本相似，负相关性占58.99%，其中36.48%区域呈极显著负相关，正相关性占0.15%；冬季积雪与LST相关系数达到-0.98~0.82，负相关性占41.03%，其中24.68%区域呈极显著负相关，正相关性占0.38%，分布面积比其他季节相关性分布面积广。总的来讲，LST与积雪呈负相关的关系，在四季节里春季的负相关性最强，反而在夏季积雪只分布在LST比较低的高海拔地区的永久性积雪，因此夏季积雪受LST影响比其他季节来看是比较慢且敏感性缓慢的。

4 讨 论

本研究中，天山中段年际积雪覆盖率呈增加趋势，其中春季的幅度变化最明显；54.08%区域的积雪日数呈减少趋势，其中艾比湖流域SCD值的增加趋势最为明显，平均SCD值为139 d；整个研究区积雪覆盖跟地表温度呈负相关性。积雪与LST年际相关性呈负相关性比较明显，负相关占总面积的55.89%，其中34.98%区域呈极显著负相关，正相关占0.15%，其中春季的负相关性最强。在过去半个多世纪，我国天山山区表现出明显的暖湿化过程[18]，诸多研究因数据来源或研究时段不同，得出气候变化背景下的天山积雪变化趋势说法不同。一些研究表明积雪呈增加趋势[19-21]，但也有研究表明积雪面积或积雪日数呈减少趋势[11,22-23]。本文对2001—2017年积雪数据分析与探索地表温度的相关性关系，发现近17年来积雪日数呈减少趋势。这与天山自1998年“突变型”增温以及目前全球增温滞缓现象[24]。目前涉及天山中段大尺度遥感积雪参数时空变化研究较少，不同季节与研究区内的不同子区域积雪时空变异对比分析有待探索。

5 结 论

1）天山中段SCP年际变化呈“单峰”型曲线，6月为最小值，12月到次年1月达到最大值，从2月开始逐渐下降到最小值；从7月初开始SCP开始逐渐上升到最大值。

2）天山中段年际SCP呈减少趋势，且四季的SCP值波动比较大，春季的SCP变化呈略微减少趋势，最大值为 86%，最小值为 55.6%；夏季与秋季SCP变化均呈增加趋势，变化幅度差值分别为 8.18%、22.88%，最大值分别为40.1%、82.8%；冬季SCP变化趋势跟全年年际SCP变化趋势基本相似，且均呈减少趋势，最高值为98.6%，最小值出现在2009年为83.2%。

3）天山中段54.08%区域的SCD呈减少趋势，其中4.36%区域呈显著减少趋势，主要分布在渭库河流域东南部区域；45.92%区域的SCD呈增加趋势，其中3.03%区域呈显著增加趋势，主要分布在中部以从西向东延伸的天山山脉。

4）积雪与LST年际相关性呈负相关性比较明显，负相关占总面积的 55.89%，主要分布在高海拔的天山山脉、博格达尔；34.98%区域呈极显著负相关，主要分布在伊犁河谷、天山南北坡地区与阿克苏、库尔勒、博斯腾湖流域周边。