1996祁連山區(qū)冬半年積雪分布及變化的遙感研究

1996祁連山區(qū)冬半年積雪分布及變化的遙感研究

1研究品種的利用在世界氣候變化的背景下，作為一個(gè)特殊的基質(zhì)，雪雪的高反射率、低主導(dǎo)率和高相學(xué)力對世界能量、輻射平衡和水循環(huán)水的循環(huán)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。許多研究還表明，雪的數(shù)量與氣候變化密切相關(guān)。因此,多年來積雪一直是人們研究的重點(diǎn)。積雪覆蓋意味著水分蓄積,積雪融化后所產(chǎn)生的大量水分將改變土壤水文狀況,形成地表徑流,從而對水文和水資源調(diào)節(jié)產(chǎn)生巨大影響。位于干旱半干旱氣候過渡帶的祁連山積雪資源顯得尤為重要,因?yàn)樗歉拭C省河西內(nèi)陸河流的發(fā)源地和徑流形成區(qū)。祁連山積雪融雪水資源是干旱的河西走廊綠洲農(nóng)業(yè)灌溉區(qū)的主要水資源。有關(guān)祁連山區(qū)積雪的研究,前人也作過很多工作。王金葉等采用人工踏查積雪深度和密度的辦法,調(diào)查了祁連山西水林區(qū)排露溝流域春季積雪的分布規(guī)律。張虎等利用氣象站點(diǎn)年最大雪深、月平均氣溫、月降水量觀測記錄,采用平均差值法、最小二乘法和自回歸滑動平均法檢驗(yàn)了祁連山寺大隆林區(qū)積雪、冷季降水、冷季平均氣溫的變化趨勢。這兩項(xiàng)研究都是基于點(diǎn)上積雪信息的研究,沒有大面積的積雪信息。祁連山區(qū)大量積雪分布在氣候條件惡劣、海拔較高、人跡罕至的地區(qū),而祁連山地區(qū)的氣象臺站大多分布在海拔較低的地區(qū),在西部高山區(qū)幾乎沒有氣象臺站,所以氣象臺站觀測的積雪數(shù)據(jù),由于受站點(diǎn)密度和建站位置的限制,難以有效地反映積雪的時(shí)空分布及其變化。近年來衛(wèi)星遙感技術(shù)發(fā)展迅速,為分析研究積雪時(shí)空變化特征提供了可能。陳乾等利用NOAA衛(wèi)星的AVHRR資料反演祁連山區(qū)積雪參量,得到祁連山積雪的時(shí)空變化以及雪水資源的特征,同時(shí)對祁連山積雪資源進(jìn)行了氣候分析,這對日后祁連山積雪的研究有著重要的指導(dǎo)意義;郭鈮等利用NOAA的1989年和1998年兩年的AVHRR資料進(jìn)行對比分析,得到10年來祁連山區(qū)的積雪變化;張杰等利用1997\_2004年5～8月的AVHRR和MODIS資料得到祁連山區(qū)積雪面積和雪線高度的變化;但是對祁連山冬半年積雪的研究尚不多見。本文利用NOAA和FY-1C/1D獲得的1996\_2002年7個(gè)冬半年連續(xù)的祁連山區(qū)衛(wèi)星遙感積雪資料,結(jié)合相應(yīng)的數(shù)字高程(DEM)數(shù)據(jù)和氣象站觀測資料,分析祁連山區(qū)冬半年的積雪時(shí)空分布和不同高度帶上積雪變化特征,并對其可能的原因進(jìn)行分析。2飲料區(qū)域范圍內(nèi)檢察所見祁連山是青藏高原東北部一個(gè)巨大的邊緣山系,位于甘肅、青海兩省交界地,地處西風(fēng)帶、高原季風(fēng)\,南亞季風(fēng)和東亞季風(fēng)等氣候系統(tǒng)影響的交匯處,地理位置在93°30′～103°00′E,36°30′～39°30′N之間的范圍內(nèi)。祁連山區(qū)由7條以上的山脈組成的山系,山脈中間夾雜有湖盆、河流、谷地。山系西北高\(yùn),東南低,南北兩翼極不對稱,北坡與河西走廊之間的相對高度達(dá)2000m以上,南麓與柴達(dá)木盆地之間的相對高度約1000m。本文將祁連山北側(cè)≥2500m,南側(cè)≥3000m所圍的區(qū)域定義為祁連山區(qū)。考慮到祁連山山脈和河流的分布,以及大氣環(huán)流系統(tǒng)的影響特征,將祁連山區(qū)分成東、中、西三段進(jìn)行研究。東段主要山脈有冷龍嶺,中段有走廊南山,西段有疏勒山、疏勒南山、黨河南山、土爾根達(dá)坂山、柴達(dá)木山等。其中祁連山區(qū)西段的山脈海拔較高,山峰海拔多在4000m以上。祁連山區(qū)高度分布與東、中、西段的劃分以及祁連山區(qū)的地面氣象臺站的具體分布如圖1所示。3雪深與雪積計(jì)算本文采用國家衛(wèi)星中心的衛(wèi)星氣候共享數(shù)據(jù)網(wǎng)上提供的利用NOAA和FY-1C/1D氣象衛(wèi)星資料結(jié)合反演的區(qū)域積雪面積分布數(shù)據(jù),時(shí)間序列是1996\_2002年7年的冬半年6個(gè)月(11月～翌年4月)逐旬資料,空間分辨率為0.05°×0.05°。DEM數(shù)據(jù)的分辨率為1km×1km。同時(shí)采用祁連山區(qū)地面16個(gè)氣象站的溫度和積雪日資料,時(shí)間序列與區(qū)域積雪分布數(shù)據(jù)一致。利用祁連山區(qū)16個(gè)氣象臺站連續(xù)7年冬半年的日積雪資料檢驗(yàn)衛(wèi)星遙感反演的區(qū)域積雪分布數(shù)據(jù)的精度,通過對比地面氣象站所測量的積雪深度和衛(wèi)星反演的積雪數(shù)據(jù),得到衛(wèi)星反演積雪資料的精度。區(qū)域積雪分布數(shù)據(jù)是旬積雪資料,2001年以前是把旬內(nèi)日數(shù)據(jù)運(yùn)用多光譜閾值結(jié)合多時(shí)次合成法,借助于NDSI、NDVI、可見光和近紅外波段的反射率、紅外波段的亮溫結(jié)合,進(jìn)行云雪粗精判識,并考慮太陽同步衛(wèi)星軌道對地觀測覆蓋區(qū)域的周期性變化,將積雪信息按旬合成,盡可能去除云的影響;2001年以后的資料則是發(fā)展了以后的多光譜閾值結(jié)合多時(shí)次合成法,改進(jìn)太陽天頂角訂正模式,結(jié)合多光譜閾值法提出的概率結(jié)合閾值的積雪判定方法的結(jié)果。本文觀測的雪深數(shù)據(jù)是氣象站常規(guī)觀測的日積雪深度資料,為了與遙感積雪數(shù)據(jù)匹配,通過日雪深資料合成旬雪深資料,將16個(gè)氣象站的逐日積雪深度進(jìn)行旬最大值合成,即旬雪深等于旬內(nèi)10天中最大的日雪深。這樣地面觀測的雪深資料就可以與旬積雪遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配。我們定義:如果地面臺站雪深>0,且遙感數(shù)據(jù)顯示有雪,則表示為A1(準(zhǔn)確有雪);如果地面臺站雪深>0,而遙感數(shù)據(jù)顯示無雪,則表示為B1(漏測);如果臺站積雪深度等于零,而遙感數(shù)據(jù)顯示有雪,則表示為A2(誤測);如果臺站雪深等于零,而遙感數(shù)據(jù)顯示無雪,則表示為B2(準(zhǔn)確無雪)(表1)。遙感積雪分布數(shù)據(jù)的誤判率為a2=A2A1+A2+B1+B2,a2=A2A1+A2+B1+B2,漏判率為b1=B1A1+A2+B1+B2.b1=B1A1+A2+B1+B2.通過計(jì)算,本文所用區(qū)域積雪分布數(shù)據(jù)在祁連山地區(qū)積雪平均誤判率、平均漏判率和臺站缺少的部分積雪深度資料之和占20.5%,這樣所用區(qū)域積雪分布數(shù)據(jù)的精度約為79.5%。通過以上遙感積雪分布數(shù)據(jù)與地面氣象站雪深數(shù)據(jù)的對比,表明本文所用的遙感積雪分布數(shù)據(jù)精度較高,可以用來研究祁連山冬半年積雪的時(shí)空變化。為了從時(shí)間和空間上反映祁連山區(qū)積雪狀況,我們定義積雪累積頻率為冬半年中出現(xiàn)積雪的旬?dāng)?shù)量與冬半年的旬總數(shù)量之比,簡稱積雪頻率。積雪頻率的具體算法表示為p=nN,p=nΝ,其中n為冬半年中出現(xiàn)積雪的旬?dāng)?shù)量,N表示冬半年的旬總數(shù)量,p為積雪頻率。4懸浮連翹區(qū)雪的時(shí)空分布特征4.1標(biāo)準(zhǔn)化積極因素受溫度、降水、海拔和大氣環(huán)流等因素的影響,祁連山區(qū)各段積雪的空間分布有很大不同。圖2是祁連山區(qū)積雪頻率空間分布。由圖可以看到,積雪大多隨山脈走向呈帶狀分布在山脊區(qū),而山谷和南面盆地分布較少。旬累積頻率達(dá)到0.6以上的高值區(qū)集中在西段的大雪山(最高峰5483m)、黨河南山(最高峰5665m)、疏勒南山、土爾根達(dá)坂山、喀克吐蒙克、柴達(dá)木山以及哈爾科山的山脊地區(qū),東段的冷龍嶺、中段的走廊南山、托勒山以及托勒南山山脊地區(qū)也有少許分布,但所占面積遠(yuǎn)不如西段大。其中東段冷龍嶺和西段部分高山山頂旬累積積雪頻率最大值達(dá)到0.8以上,這些地區(qū)積雪持續(xù)時(shí)間較長。祁連山區(qū)西南側(cè)的柴達(dá)木盆地\,中段黑河河谷地區(qū)及青海湖附近都是明顯低值區(qū)。整體而言,祁連山區(qū)冬半年積雪西段最多,東段次之,中段最少。造成祁連山區(qū)積雪這種分布格局的原因是天氣系統(tǒng)、地形和海拔高度共同作用的結(jié)果。研究表明,西北地區(qū)氣候可劃分為3個(gè)環(huán)流系統(tǒng)影響區(qū):其西部和中北部氣候主要受西風(fēng)帶活動的控制,稱為西風(fēng)帶氣候影響區(qū);中南部氣候主要受南亞季風(fēng)和高原季風(fēng)活動的控制,稱為高原季風(fēng)氣候影響區(qū);東部的氣候主要受東亞季風(fēng)活動的影響,稱為東亞季風(fēng)氣候影響區(qū)(圖3)。而處在西北地區(qū)中部的祁連山地區(qū),其區(qū)域氣候正好位于3個(gè)大氣環(huán)流系統(tǒng)的交匯區(qū),在不同季節(jié)由于西風(fēng)帶、高原季風(fēng)、東亞季風(fēng)活動的進(jìn)退,它們的影響區(qū)域也會隨之?dāng)U大或縮小。在冬半年東亞與南亞季風(fēng)還沒有出現(xiàn)時(shí),祁連山區(qū)主要受西風(fēng)帶、高原季風(fēng)的影響。圖3顯示,祁連山區(qū)西段和中北段屬西風(fēng)帶氣候影響區(qū);中南段屬高原氣候區(qū);而東段屬東亞季風(fēng)區(qū)及邊緣,在冬半年沒有東亞季風(fēng)影響的情況下,主要受中型氣壓系統(tǒng)的影響,即祁連山東段高壓。冬半年祁連山西段受西風(fēng)氣流的影響,西段的幾條高大的山脈,如黨河南山、土爾根達(dá)板山、柴達(dá)木山為西風(fēng)氣流的迎風(fēng)面,有強(qiáng)烈的地形抬升作用,冷空氣易在祁連山區(qū)西段堆積,降雪量很大,特別是與西風(fēng)氣流交角較大的黨河南山和土爾根達(dá)板山西段的積雪量更多一些,截留了大量西風(fēng)氣流帶來的水汽;中段海拔相對西段偏低,抬升作用不如西段明顯,且水汽在西段已被大量截留,西風(fēng)氣流翻過祁連山西段高山后在中段下沉,故中段降雪較西段大大減少;祁連山東段的高壓使冷龍嶺南側(cè)的大通河及湟水流域處于東南風(fēng)的氣流里,帶有大通河與湟水部分水汽的東南向氣流遇到北面的冷龍嶺地形被迫爬升,達(dá)到凝結(jié)高度后形成冬季的降雪,造成祁連山東段的冷龍嶺一帶的積雪高值區(qū)。計(jì)算各像元積雪頻率的均方差,可以反映積雪頻率圍繞年平均值的平均變化程度。從圖4中可以看到,1996\_2002年祁連山區(qū)的旬積雪頻率的年際變化較大,變化較顯著的地區(qū)位于祁連山區(qū)西段的大部分山區(qū)和東段的北部山區(qū),積雪頻率變化均在0.2～0.3之間;中段的大通山周圍也表現(xiàn)出一定的變化幅度,積雪頻率變化在0.1左右;變化不明顯的地區(qū)出現(xiàn)在積雪分布較少的西段柴達(dá)木盆地、中段黑河河谷地區(qū)以及青海湖以西等地區(qū),同時(shí)還出現(xiàn)在積雪分布頻率很高的大雪山、黨河南山、喀克吐蒙克等高山山頂?shù)挠谰眯苑e雪區(qū),其所占面積很小。4.2積積相變化的平均高度將祁連山區(qū)積雪頻率與數(shù)字高程(DEM)結(jié)合,計(jì)算不同頻率積雪所在的平均海拔高度以及最高和最低高度。由圖5可知,祁連山區(qū)不同頻率積雪所分布的平均高度的基本趨勢為積雪頻率越大,分布的高度也越高,積雪平均分布在3500～4500m高度;不同頻率積雪分布的最大高度線表明,任何頻率的積雪幾乎都可以出現(xiàn)在5000m以上的地區(qū);不同頻率積雪的最低高度在低于0.4頻率時(shí)變化不大,高于0.4頻率部分開始隨著積雪頻率的增大而增高,最低高度范圍在2500～3500m之間,其中頻率在0.8以上的積雪分布高度趨于不變。4.3積極開展積極變化把祁連山區(qū)所有頻率的積雪以0.1頻率的分段分別進(jìn)行分析。如圖6所示,頻率越低所占比例越大,頻率越高所占比例越小。其中頻率在0.5以下的積雪占大部分,比例達(dá)到80%以上且變化明顯,是影響積雪總體變化的主導(dǎo)因素。頻率在0.5以上的積雪所占比例很小,變化幅度不大。積雪頻率為零的地方也就是沒有積雪的地方所占的比例是在1998/1999年冬季達(dá)到最大值,之前呈波動變化;而在1998/1999年冬季之后呈持續(xù)急劇減少的趨勢,減少的幅度達(dá)到30%左右。而有積雪地方的頻率比例變化與積雪頻率為零的地方恰恰相反,即在1998/1999年冬季積雪達(dá)到最小值,在1998/1999年冬季之前呈波動變化,之后呈持續(xù)顯著增加的趨勢。圖6為不同頻率積雪的變化情況。頻率為0～0.1的積雪是一直減少的趨勢;而0.1～0.2頻率的積雪呈現(xiàn)大幅度劇烈波動變化;0.2～0.3與0.1～0.2變化相似,不同在于0.2～0.3頻率所占比例較小且從1998/1999年冬季開始有明顯增加趨勢;0.3～0.5頻率積雪是逐年穩(wěn)定增加;0.6～1.0頻率積雪所占比例很小,均<5%,且變化相似,在1998\_1999年冬季前略有下降,之后呈小幅上升趨勢。4.4東、中、西三個(gè)階段的雪蓋度年4.4.1不同高度變化情況下各高度段的變化我們還采用積雪覆蓋度來研究祁連山積雪東、中、西三段的年際變化,這里定義積雪覆蓋度為積雪區(qū)的面積占該地區(qū)總面積的比例。圖7顯示祁連山東段在1998/1999年冬季前積雪覆蓋度是減少的,而1998/1999年冬季后呈增加趨勢,不同高度的變化很一致;中段從1998/1999年到1999/2000年兩年冬季最小,之前是減少,之后增加。西段從1996/1997年冬季開始呈波動增加,但中段和西段各高度段變化略有不同。縱觀祁連山東、中、西三段積雪覆蓋度的變化趨勢,三段積雪都是按照高度從低到高積雪覆蓋度逐漸增大,也就是說,積雪覆蓋度隨著高度增加而增大,只有中段在1999\_2001年隨著高度的遞增積雪覆蓋度增加的不明顯,變化趨勢比較復(fù)雜。這可能與中段所受天氣系統(tǒng)和地形等的影響比較復(fù)雜有關(guān)。4.4.2積極開展以發(fā)揮東、中片段堆積頻率的變化從圖8中東、中、西三段平均積雪覆蓋度的年際變化趨勢可以看到,東和中兩段積雪是在1998/1999年冬季最少,在1998/1999年冬季前減少,1998/1999年冬季后呈增加趨勢,東、中兩段平均積雪出現(xiàn)頻率變化幅度很接近。而西段從1996/1997年冬季開始是持續(xù)增加趨勢,而且積雪平均出現(xiàn)頻率明顯要比東、中兩段高很多。關(guān)于東、中、西段的變化趨勢,可能與這三段所受的海拔、氣候系統(tǒng)、太陽黑子變化等有關(guān),具體原因還需進(jìn)行更多的研究。5飲料特性分析(1)受溫度、降水、海拔和大氣環(huán)流等因素的影響,祁連山區(qū)各段積雪的空間分布有很大不同。祁連山區(qū)冬半年積雪大多隨山脈走向呈帶狀分布在山脊區(qū),而山谷和南面盆地分布較少;積雪西段最多,東段次之,中段最少。積雪年際變化較大,變化較顯著的地區(qū)位于祁連山區(qū)西段的大部分山區(qū)和東段的北部山區(qū),中段的大通山周圍也表現(xiàn)出一定的變化幅度,變化不明顯的地區(qū)出現(xiàn)在積雪分布較少的西段柴達(dá)木盆地、中段黑河河谷地區(qū)及青海湖以西等地區(qū),同時(shí)還出現(xiàn)在積雪分布頻率很高的大雪山、黨河南山、喀克吐蒙克山等高山山頂?shù)挠谰眯苑e雪區(qū)。(2)祁連山區(qū)不同頻率積雪分布的平均高度的基本趨勢為積雪頻率越大,分布的高度也越高,積雪平均分布在3500～4500m高度;最高高度線出現(xiàn)在5000m以上;最低高度范圍在2500～3500m之間。(3)就不同頻率的積雪而言,頻