川西高原积雪时空变化以及稳定性积雪分布特征分析

摘要：基于MODIS积雪数据，通过GIS分析以及Mann-Kendall趋势检验法对川西高原2002—2020年积雪的时空分布及其变化特征进行研究分析，并结合3个区域不同时期共39幅Landsat遥感影像，分别对川西高原全区和典型下垫面的稳定积雪区的空间分布格局进行探讨.结果表明：1） 川西高原季节性积雪主要分布在高海拔山区以及高原西北部，在高原内部和河谷地区分布较少;2） 川西高原季节性积雪年积雪面积分布呈下降趋势，其中冬季积雪的下降尤为明显;3） 川西高原稳定积雪区主要分布在高海拔地区，主要是区内极高山区.

关键词：积雪; 时空格局; Mann-Kendall趋势检验; 川西高原

文献标志码：K903

文献标志码：A

文章编号：1001-8395（2025）01-0072-10

doi：10.3969/j.issn.1001-8395.2025.01.007

积雪是气候系统中的重要组成部分，对区域、全球气候和人类生产生活产生重要影响.首先由于积雪具有高反射率和独特的隔热作用，能够影响大气和陆地表面之间的能量交换，新雪能够反射高达90%的太阳短波辐射，有效减少地面吸收太阳辐射的能力，对陆地表面与大气之间的能量交换具有影响[1]，而雪的高隔热性则能影响土壤温度以及相关的土壤冻融过程，进而影响生物化学循环[2-3].其次，融雪作为重要的水资源，为世界上许多国家和地区提供了生产和生活用水，尤其是在干旱半干旱区，积雪融水更是其主要的水源[4].在人类活动和气候变化日益明显的今天，积雪的自然效益和社会效益越发显著[5].近年来，受气候变暖等多因素的影响，北半球的积雪面积呈现下降的趋势[6-7].因此，研究气候变化背景下的积雪时空变化对于了解区域未来气候变化、区域水文过程变化及积雪灾害变化特征等尤为重要.

川西高原地处中国的三大稳定积雪区之一的青藏高原，积雪在川西高原分布广泛[8].青藏高原积雪以斑块状和瞬时积雪为主，空间异质性较强，积雪在短时间内存在较大变化[9]，在年内主要呈现双峰型的周期变化特征[10].川西高原也是典型的斑块状季节性积雪的分布地区，但由于其空间异质性强，稳定季节性积雪和不稳定季节性积雪同时存在，贫雪旱灾和雪灾并存，对区域生产生活有着重要影响.大多研究表明，在近几十年里，川西高原积雪总体呈现出先增后减的变化趋势，积雪在20世纪90年代发生突变[11].

当前对青藏高原的研究呈现出多尺度[12-13]、多数据[14-17]和多研究内容[18-19]的特征.尽管当前对青藏高原积雪的空间分布特征的研究较为丰富，但对高原稳定积雪的研究较为缺乏.研究川西高原积雪主要是通过研究青藏高原整体积雪为主，针对川西高原的研究较少，同时对川西高原稳定积雪的研究更为缺乏.因此，本文以川西高原为研究区，利用多源数据对川西高原2002—2020年的积雪变化情况进行分析，同时选取典型区域对川西高原的典型下垫面稳定积雪分布情况进行探讨，对区域生态环境和社会经济发展具有重要的科学价值和现实意义.

1 研究区概况

川西高原（97°21′～104°26′E，27°57′～34°11′N）位于青藏高原东南缘和横断山脉的部分地区，属于我国第一、二阶梯的过渡地带，行政区划上包括四川省西部的甘孜藏族自治州和阿坝藏族羌族自治州，面积约为23.6x104 km2.区域内平均海拔4 000 m以上，地形复杂，垂直地势落差大，形成独特的高山峡谷地貌[20];气候类型以亚热带高原季风气候为主，地域差异明显，降水量约为556～730 mm，年均温为9.0～10.5 ℃，年日照时数为2 000～2 600 h;区域内稳定季节性积雪、冻土和海洋型冰川广泛发育.区内水系众多，主要有金沙江、雅砻江、岷江和大渡河等，冰雪融水是其重要的补给来源（图1）.

2 数据和方法

2.1 数据来源及预处理 "本研究所用MODIS数据来源于Science Data Bank（https：//www.scidb.cn/en）提供的青藏高原MODIS逐日无云积雪面积数据集[21]，空间分辨率为500 m，时间为2002—2021年，按水文年排序最终得到的时间为2002—2020年;Landsat遥感数据来源于地理空间数据云（http：//www.gscloud.cn/），空间分辨率为30 m，获得所选取的3个典型地区影像共计39幅，其中，A区域遥感影像13幅，B区域12幅，C区域14幅（图1），选取的Landsat遥感影像数据时间如表1所示，并通过ENVI 5.3软件的辐射定标和大气校正工具对影像进行预处理;最后对MODIS积雪数据集以及处理好的Landsat数据进行二值化处理，分为积雪区和非积雪区，积雪像元为1，非积雪像元为0.DEM数据来源于地理空间数据云（http：//www.gscloud.cn/）提供的ASTER GDEM数据，空间分辨率为30 m.

2.2 研究方法

2.2.1 SNOWMAP算法 "SNOWMAP算法是基于NDSI归一化积雪指数（INDS）提出的一种积雪提取算法，云层和积雪在可见光波段具有高反射率，而在短波红外波段二者反射率不同，以0.4为阈值的NDSI算法能够很好地区分积雪和其他地物，但由于积雪和水体在可见光以及短波红外波段具有相似的反射特征，因此，SNOWMAP在NDSI算法的基础上增加了一个判别因子b4≥0.11，即近红外波段（0.76～0.9 μm）的反射率要大于等于0.11.因此，当INDS≥0.4且b4≥0.11时，该像元被识别为积雪像元.

2.2.2 积雪参数计算 "积雪覆盖面积比例（snow cover fraction）表示研究区内积雪像元占总像元的比例，计算公式为：

F=SsnowS×100%，

（1）

式中，F表示积雪覆盖率，Ssnow表示积雪覆盖面积，S表示研究区总面积.

积雪日数（snow cover days）表示一年内每个像元被积雪覆盖的天数.在本文中，利用ArcGIS 10.8软件像元统计数据工具，计算2002—2020年年均积雪日数[22]

D=∑[DD（]N[]i=0[DD）]Si，

（2）

式中，D表示积雪日数，Si表示逐日无云积雪面积数据集的像素值，取值0和1，N表示一年内的影像数量.

2.2.3 Sen+Mann-kendall[WT]方法 "积雪日数的变化趋势计算采用的Sen方法，在水文和林业等领域得到很好的应用[23].但Sen趋势法不能得到变化趋势的显著性，因此引入Mann-Kendall方法计算变化趋势的显著性.Mann-Kendall方法受异常值干扰小，能够很好地检验变化趋势的显著性特征[24]，因此，本文采用Sen+Mann-Kendall方法检验青藏高原积雪日数的时空变化特征，利用Rstdio软件计算相关公式，最后输出结果.Sen趋势法计算公式[25]为：

β=Median（xj-xij-i）， jgt;i，

（3）

式中，xj和xi表示时间序列数据，Median（）代表取中值;β为时间序列的趋势，βgt;0表示时间序列呈现上升趋势，β=0表示时间序列变化趋势不明显，βlt;0表示时间序列呈现下降趋势.

Mann-Kendall计算公式[26]为：

式中，K表示斜率，sign（）为符号函数，xi和xj表示时间序列数据，n为需要被分析的数据量，Z为标准化后的检验统计量，当|Z|≥1.28，1.64，2.32时，表示分别通过了置信度为90%（P≥0.05）、95%（Plt;0.05）、99%（Plt;0.01）的显著性检验.

2.2.4 稳定积雪格局 "根据张廷军等[27]的研究结果，稳定积雪是指年积雪日数大于等于60 d的地区，后续的学者也大多以此标准将积雪划分为稳定积雪和不稳定积雪区.由于本文研究的稳定积雪区为冬季、春季以及不连续的时间段，因此，本文在前人的基础上，将稳定积雪区定义为在某一时间段内都存在积雪的区域，即遥感影像中所有影像都存在积雪的区域，运用GIS相交法提取稳定积雪区.

3 结果与分析

3.1 川西高原积雪时空变化特征

3.1.1 川西高原积雪覆盖面积比例变化特征

1） 积雪覆盖面积比例的年内变化特征.川西高原积雪覆盖面积逐月分布特征呈现出“双峰型”（图2a），在一年中有2个“峰值”，即为雪盖比例最大值，积雪从9月份开始积累，在10月和11月积雪覆盖面积比例迅速上升，在11月达到第一个峰值（16.72%）.12月份由于降水较少，积雪覆盖面积有所下降，1月份又开始上升，在3月达到年内最大值（18.59%），3月下旬由于气温升高，积雪覆盖面积逐渐减少，6—7月达到年内最小值，分别为4.96%和4.73%.由此可见，川西高原积雪的年内覆盖面积并不稳定，且存在波动.

从季节变化来看（图2b），川西高原在冬季的积雪覆盖面积最大，占高原总面积的15.19%;春季次之，为14.24%;秋季达11.27%;夏季积雪覆盖面积仅为5.2%，远低于其他3个季节.冬季由于温度低，积雪消融速度慢，积雪容易保存，因此成为积雪覆盖面积最大的季节;春季虽然积雪开始消融，但由于春季降水充沛，积雪的增长与消融处于“博弈状态”，故积雪面积也较广;夏季由于气温高，无法为降雪或者积雪保存创造有利条件，夏季积雪仅存在于高海拔区域，故积雪覆盖面积最低.

2） 川西高原积雪覆盖面积比例的年际变化特征.[JP3]2002—2020年川西高原年平均积雪覆盖面积占比为8.53%～15.11%（图3），其中最低值在2016年，最高值在2018年，年均值为11.58%.2002—2012年年均积雪覆盖面积比例的总体变化趋势呈现为缓慢的波动性减少，变化速率为－0.14/10 a，总体变化不显著;2013年后年均积雪覆盖面积的变率增大.在不同时段内，积雪覆盖面积的年均值呈现出阶段性的上升和下降，在2003—2006年期间，积雪覆盖面积呈现持续上升，从2003年的9.98%上升到2006年的13.436%.而在2006—2010年期间总体又出现下降趋势，并在2016年积雪覆盖面积达到近19 a来最低值，仅为8.53%;而后两年积雪覆盖面积持续上升，在2018年达到最高值，达15.11%.

川西高原积雪覆盖面积比例在不同季节呈现不同的变化趋势（图4）.除春季以外，其他3个季节的积雪覆盖面积比例在近19 a内均呈现下降趋势.春季积雪覆盖面积在2005年达到近19 a里的最大值，占比达到21.96%，而后呈现出波动的下降趋势，2015年达到最低值，仅为8.88%，此后又呈波动上升趋势.夏季由于气温高，积雪仅分布在高海拔的永久冰雪带，故积雪覆盖面积比例最小，且受气温降水等因素的影响小，因此，相较于秋、冬季，积雪覆盖面积比例下降速度慢，整体呈现波动下降趋势，其中2006年骤降，出现近19 a里积雪覆盖面积比例的最小值，仅为3.03%;而在2014年达到积雪覆盖面积比率最高值7.07%.秋季积雪覆盖面积比例在2002—2012年较为稳定，在2013—2020年间则不断上下波动，并在2015年和2018年分别出现最低值4.69%和最高值19.45%.冬季是川西高原积雪覆盖面积比例最高的季节，同时也是近19 a里下降速度最快的季节，冬季积雪在2002—2016年存在1～2年的周期性上升下降变化趋势，在2015年积雪覆盖面积总体下降，2016年达到近19 a内积雪覆盖面积的最低值，为7.02%.之后又开始迅速上升，在2019年达到年际间最高值26.09%，而在2019—2020年积雪覆盖面积出现骤降，积雪覆盖面积减少了18.69%.

3.1.2 川西高原积雪日数时空变化特征

1） 年均积雪日数空间分布特征.川西高原积雪日数总体呈现西北高和东南低的空间分布格局（图5）.其中，积雪日数大于240 d的地区主要分布在沙鲁里山、大雪山南部以及邛崃山地区，占川西高原总面积的0.26%;积雪日数在180～240 d的地区同样位于区域内高海拔山地，包括大雪山、邛崃山、岷山、巴颜喀拉山和沙鲁里山等，所占面积约为3.01%;积雪日数在30～180 d的地区占42.4%，主要分布在区域内大部分山脉地区;积雪日数小于30 d的地区分布范围最广，占总面积的54.33%，主要分布在区域内丘状高原以及低海拔河谷地区.

2） 年均积雪日数变化趋势.2002—2020年川西高原大多地区年均积雪日数变化趋势基本不变（图6a），约占高原总面积的79%，并与积雪日数小于30 d的区域大致重合.积雪日数呈现明显增加的地区（Kgt;2 d/a）主要分布在巴颜喀拉山东部和沙鲁里山北部部分地区，为1.68%.轻微增加的地区（Kgt;1 d/a）与明显增加地区分布相同，且在邛崃山部分区域也有分布，面积占比为4.14%.呈现明显减少的地区（Klt;-2 d/a）则主要分布在大雪山、邛崃山南部以及沙鲁里山，占高原总面积的6.6%.轻微减少的地区（Klt;-1 d/a）主要分布在明显减少地区外围，占8.58%.

川西高原总体变化趋势不显著（P≥0.05）、显著（Plt;0.05）或者极显著（Plt;0.01）变化趋势的地区主要位于大雪山南部、沙鲁里山南部和北部，占川西高原面积的5.26%.这些区域主要呈下降趋势（图6b）.

3.2 川西高原稳定积雪的空间格局 "基于MODIS积雪产品，选取川西高原冬季和春季2次降雪过程及其后30 d的遥感数据，对川西高原整体积雪稳定格局进行分析.同时，基于Landsat数据选取石渠县和若尔盖县为丘状高原代表区域，选取德格县为高山峡谷代表区域（图7），对川西高原两大典型下垫面的稳定积雪空间格局进行研究.其中，丘状高原区域由于海拔高，气温低，全年平均温度约为0.8 ℃;受印度洋暖湿气流的影响，年均降水量约为480 mm，降水相对丰富，为稳定季节性积雪的形成提供了良好的环境条件和物质基础.高山峡谷区地处横断山东部，年平均气温相对较高，年平均降水量超过700 mm，水热条件差异大，灌木、林地和草地等下垫面类型多样，对积雪分布存在重要影响.

3.2.1 全区积雪格局空间特征 "川西高原冬季稳定积雪呈现出小片集中分布的特征（图8a）.冬季大多数地区的积雪存在剧烈变化，在短时间内快速消融，仅西北部巴颜喀拉山一带，较为集中地存在稳定积雪区域，主要是由于地处巴颜喀拉山山麓，平均海拔超过4 000 m，温度低，有利于积雪保存，因此，稳定积雪在该区域分布广泛.另外，在邛崃山、大雪山以及沙鲁里山等高海拔山区也零星存在着稳定积雪区，这些地区海拔高，存在永久冰雪带，因此积雪保存时间长.

春季稳定积雪分布区域与冬季分布区域差异较大（图8b）.春季的稳定积雪分布分散，主要分布在区内高海拔山地，沿山脉走向分布，且分布范围较冬季更大.在川西高原西北部，冬季存在的稳定积雪区域面积在春季迅速缩减，仅存在于一些海拔较高的区域;在山脉前端的丘状高原区，春季气温回升快，不利于积雪的保存，因此不存在稳定积雪区.

3.2.2 典型下垫面稳定积雪空间格局 "在以石渠县和若尔盖县为代表的丘状高原区域，稳定积雪区与海拔存在明显的相关性，主要分布在四周具有一定起伏度的山区，且大致沿山脉走向分布;而在平坦地区基本不存在稳定积雪区.在以德格县为代表的高山峡谷地区，稳定积雪区主要分布在河谷两岸海拔大于4 500 m的山区，与山脉走向一致，呈现西北—东南走向;而在两山间的河谷地区，由于温度高，降水少，不存在稳定积雪区，因此，高山峡谷稳定积雪区呈现出间断的分布特征.

总体来看，稳定积雪区主要分布在高海拔山区，在地形平坦的高原面以及低海拔河谷地区基本不存在稳定积雪区.主要是由于在平坦的高原面由于风力较大，且太阳辐射强，积雪变化速度快，积雪难以保存，河谷地区因地处峡谷底部，降水少，海拔较低，气温高，且河流具有保温作用，不易形成降雪，因此积雪较少，也难以形成稳定的积雪区.而在高海拔山区，受地形作用的影响，水汽向上爬升过程中气温降低，水汽极易凝结形成降雪，且气温低，地形复杂，太阳辐射和风速等影响较小，积雪能持续较长时间，因此容易形成稳定积雪区.

4 结论与讨论

基于遥感数据，对川西高原积雪的时空变化情况以及稳定积雪的空间分布格局特征进行研究分析，主要得出以下结论：

1） 川西高原的积雪在年内主要呈现“双峰型”的变化特征，积雪在11月和3月的分布面积最广，在7月最小.积雪日数较多的地区主要分布在高原西北部以及区内一些高海拔山区，积雪较少的地区主要分布在南北走向的河谷以及高原内部.

2） 川西高原积雪覆盖面积整体呈现出下降趋势.在季节上，除春季轻微上升外，其他3个季节的积雪都呈下降趋势，冬季积雪的下降速率最快.在空间分布上，川西高原大多数地区积雪基本不变，而在高原西北部巴颜喀拉山地区呈现增加趋势，在高原大部分极高山地区呈现下降趋势.

3） 川西高原稳定积雪主要分布在区内高海拔山区，与积雪日数高值区分布范围相似，而在平坦的高原面以及干热河谷地区基本不存在稳定积雪区.

众多研究表明，由于云层等因素的影响，遥感影像常常将雪/云错误识别，在积雪多/少的地区存在低/高估[28-29].

本文缺少对MODIS逐日无云积雪数据的精度验证，因此，可能对积雪存在错误估计的情况，导致最终结果存在差异.此外，由于遥感数据分辨率的限制，许多斑块状的积雪不能被正确提取，导致遥感影像出现积雪的低估情况[30-31].因此，在今后的研究中，尤其需要关注云层对积雪的影像以及遥感分辨率的问题.

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Spatial and Temporal Variations of Snowpack on the Western Sichuan Plateau and Analysis of Its Stabilizing Snowpack Pattern

NIE Lumin1，2， ZHANG Zihan1，2， LU Heng1，2

（1. Key Laboratory of the Evaluation and Monitoring of Southwest Land Resources， Sichuan Normal University， Chengdu 610066， Sichuan;

2. The Faculty Geography Resource Sciences， Sichuan Normal University， Chengdu 610101， Sichuan）

Based on the MODIS snowpack data， the spatial and temporal distribution of snowpack and its change characteristics in the Western Sichuan Plateau from 2002 to 2020 were analyzed by GIS analysis and Mann-Kendall trend test， and combined with a total of 39 Landsat remote sensing images from three regions in different time periods， where we explored the spatial distribution pattern of snowpack areas in the whole area of the Western Sichuan Plateau and in the typical subsurface， respectively. The spatial distribution pattern of the snowpack area is discussed. The results show that： 1） the seasonal snowpack on the Western Sichuan Plateau is mainly distributed in the high-elevation mountainous areas and the northwestern part of the plateau， with less distribution in the interior of the plateau and the river valleys; 2） the annual distribution of the seasonal snowpack on the Plateau has shown a decreasing trend， with the decrease of the seasonal snowpack in winter being particularly obvious; 3） the stable snowpack on the Plateau is mainly distributed in the high-elevation areas， mainly in the extremely high mountainous areas of the region.

snow cover; temporal and spatial patterns; Mann-Kendall trend test; Western Sichuan Plateau

（编辑 郑月蓉）

投稿日期：2023-08-31 "接受日期：2024-03-26

基金项目：教育部人文社会科学项目（21YJCZH099）、四川省科技厅基础应用研究项目（2020YJ0118）和四川省科技计划项目（2023NSFSC1979）

*通信作者简介：陆 恒（1986—），男，副教授，硕导，主要从事积雪物理和冰冻圈水文研究，E-mail：luheng@sicnu.edu.cn

引用格式：聂禄敏，张子晗，陆恒. 川西高原积雪时空变化以及稳定性积雪分布特征分析[J]. 四川师范大学学报（自然科学版），2025，48（1）：72-81.