臺(tái)蘭河流域積雪覆蓋面積變化特征分析

田 龍

(新疆水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊 830000)

臺(tái)蘭河流域積雪覆蓋面積變化特征分析

田 龍

(新疆水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊 830000)

利用臺(tái)蘭河流域2002—2009年的水文資料以及MODIS數(shù)據(jù)，分析在全球氣候變化下，臺(tái)蘭河流域積雪覆蓋面積的變化特征、以及主要影響因素與積雪覆蓋面積之間的關(guān)系。研究結(jié)果表明：每年6—7月份積雪消融量最大，2月份左右積雪覆蓋面積達(dá)到最大；海拔在3 500 m以下積雪覆蓋面積年內(nèi)變化明顯，海拔在4 500 m以上為常年積雪區(qū)；在年際變化上積雪覆蓋面積沒有明顯的變化趨勢；積雪覆蓋面積與月平均氣溫、月均流量有較好的相關(guān)性。

臺(tái)蘭河流域；MODIS數(shù)據(jù)；氣候變化

通過利用MODIS積雪數(shù)據(jù)，利用遙感技術(shù)提取積雪信息，分析研究區(qū)近年來(2002—2009年)積雪覆蓋面積變化特征，同時(shí)結(jié)合臺(tái)蘭水文站的水文資料，分析2002—2009年年內(nèi)月均氣溫和月降水量與積雪面積的變化特征，為該區(qū)域進(jìn)行融雪徑流模擬提供參考。

1 研究區(qū)及數(shù)據(jù)信息

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)選擇位于新疆阿克蘇地區(qū)溫宿縣境內(nèi)的臺(tái)蘭河流域，地理位置在東經(jīng)79°46′41″～80°54′16″，北緯41°29′40″～42°09′03″之間，流域總面積5 146 km2，其中山區(qū)面積為1 324 km2，平原區(qū)的面積為3 822 km2。

研究區(qū)位于中緯度地帶，屬于大陸北溫帶干旱氣候，流域內(nèi)年平均氣溫為7.9 ℃；流域受西風(fēng)環(huán)流和北冰洋水汽以及地形抬升的影響，水汽自西向東，自北向南漸減，年平均降水量為63.3 mm，全流域年最大降水量123.4 mm，年最小降水量25.5 mm。流域水面蒸發(fā)量山區(qū)小于平原區(qū)，高山區(qū)的水面蒸發(fā)量在600 mm左右，中山區(qū)在800～1 000 mm，平原區(qū)在1 200～1 900 mm；流域多年平均流量為23.36 m3/s，多年平均徑流量為7.42億m3；流域內(nèi)共發(fā)育現(xiàn)代冰川115條，冰川總面積431 km2，其中長度超過10 km的冰川有4條，總面積達(dá)到307.7 km2，冰川儲(chǔ)量73.132 km3，平均雪線海拔4 290 m[1-3]。

1.2 選用數(shù)據(jù)

通過利用數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)、MODIS積雪數(shù)據(jù)獲取流域信息及積雪信息；再結(jié)合臺(tái)蘭水文站的水文資料探究積雪面積與水文要素之間存在的關(guān)系，所用數(shù)據(jù)見表1[4]。

表1 所用數(shù)據(jù)匯總表

1.3 數(shù)據(jù)處理

將下載的DEM數(shù)據(jù)(分辨率為90 m×90 m)，通過GIS軟件對原始的DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行填洼、削峰、流向判定以及匯流累積等處理即可得到流域范圍，以此作為積雪面積統(tǒng)計(jì)的底圖[5]。

利用MODIS產(chǎn)品處理軟件MRT(MODIS Reprojection Tool)對MODIS數(shù)據(jù)產(chǎn)品進(jìn)行處理，即對研究區(qū)2002—2009年數(shù)據(jù)進(jìn)行鑲嵌、地理幾何校正與重采樣處理。投影體系為通用橫軸墨卡托投影(UTM投影)，橢球體系為WGS84體系，投影中心帶為45°帶，采樣方法為鄰近法，分辨率統(tǒng)一到500 m[6-7]。

對水文資料進(jìn)行月平均統(tǒng)計(jì)，得到2002—2009年月平均氣溫、月降水量和月平均流量數(shù)據(jù)。

2 臺(tái)蘭河流域2002—2009年積雪覆蓋面積變化分析

2.1 多年月平均積雪覆蓋面積變化特征分析

通過對2002—2009年的積雪覆蓋圖分析，發(fā)現(xiàn)每年的7月或8月的積雪覆蓋面積最小，為了方便分析積雪分布特征，故將每年7月1日—翌年6月30日視為1個(gè)積雪年，將數(shù)據(jù)資料分為7個(gè)周期年，同時(shí)為了研究臺(tái)蘭河流域不同區(qū)域的積雪覆蓋面積和找出常年積雪區(qū)，將研究區(qū)按照高程變化分為9帶，分帶信息見表2。研究區(qū)積雪覆蓋面積多年月平均變化以及不同高程帶積雪覆蓋面積多年月平均變化分別見圖1、2。

表2 臺(tái)蘭河流域高程分帶信息表

圖1 研究區(qū)積雪面積多年月平均變化過程圖

圖2 研究區(qū)各帶積雪面積多年月平均變化過程圖

通過圖1可知，7—11月為積雪快速增長期，11月—次年2月為積雪緩慢積累期，這時(shí)積雪覆蓋率達(dá)到最大值83.1%；3—6月為積雪快速消融期，積雪覆蓋率逐漸減小。

由圖2可發(fā)現(xiàn)第1～6帶各月積雪面積變化非常明顯，而第7～9帶幾乎沒有變化，這是由于第7、8、9帶的海拔為4 500 m以上，屬于常年積雪區(qū)；同時(shí)積雪覆蓋面積還與各高程帶的面積有密切關(guān)系，這就是為什么第9帶多年月平均積雪覆蓋面積最低的原因。第1與第2高程帶積雪變化情況基本相同，4月—次年10月積雪基本已經(jīng)完全消融； 10月—次年1月為積雪積累期，積雪覆蓋率逐漸增大達(dá)到最高值，分別為54.3%和67.9%；每年2—4月為積雪覆蓋面積衰減期，積雪覆蓋率逐漸減少。第3、4、5高程帶積雪變化情況基本相同，7月—次年2月為積雪積累期，積雪覆蓋率逐漸增大并達(dá)到最高值，分別為69.4%、81.3%和87.8%；每年2—6月為積雪覆蓋衰減期。第6帶積雪覆蓋面積存在一定的波動(dòng)性，7—10月為積雪積累期，積雪覆蓋率增大，10月—次年4月趨于穩(wěn)定，表現(xiàn)出了常年積雪的特征，最大積雪覆蓋率為92.9%；4—6月為積雪覆蓋衰減期。第7、8、9高程帶為常年積雪區(qū)，每年各月的積雪覆蓋面積變化不大，積雪覆蓋率達(dá)到95%以上。

2.2 多年年際積雪覆蓋面積變化特征分析

應(yīng)用研究區(qū)2002—2009年月平均積雪覆蓋面積資料，將每年的積雪數(shù)據(jù)按春(3—5月)、夏(6—8月)、秋(9—11月)、冬(12月—次年2月)分為4個(gè)時(shí)期。全流域積雪面積年際變化情況見圖3、4。

圖3 研究區(qū)季節(jié)積雪覆蓋面積變化趨勢圖

圖4 研究區(qū)各高程帶積雪覆蓋面積變化趨勢圖

由圖3可知，研究區(qū)春季積雪覆蓋面積在2002年出現(xiàn)了最低值，而在2003年又出現(xiàn)最高值，從2003—2007年積雪覆蓋面積逐年減少，2007—2009年積雪覆蓋面積有所增加。夏季積雪面積變化呈現(xiàn)出規(guī)律性的階梯狀，在2002—2004年和2005—2008年都有逐年減少的趨勢，雖然這期間在2005年和2009年有所增加，但是從整體看來是減少的。秋季積雪面積波動(dòng)明顯，但是變化保持在880 km2左右，不超過均值的15%。冬季在2002—2004年積雪面積呈增長趨勢，在2004年達(dá)到一個(gè)峰值，2005—2007年和2007—2008年具有相同的減少的趨勢，在2009年又有所增加。

由圖4可知，第1帶積雪面積多年趨于穩(wěn)定，只是在2007年出現(xiàn)了一個(gè)低值。第2、3、4、5帶具有相同的變化趨勢，2002—2003年有所增加，2003—2006年波動(dòng)減少，在2007年急劇減少，2007—2009年有所增加。第7、8和第9帶在2002—2009年積雪面積基本保持一致。第6帶在變化明顯的2～5帶與幾乎沒有變化的7～9帶之間表現(xiàn)出了略微的變化，但是整體趨于穩(wěn)定。從以上分析可以看出在2002—2009年，研究區(qū)的積雪覆蓋面積幾乎沒有什么變化。

3 臺(tái)蘭河流域2002—2009年水文要素與積雪覆蓋面積的關(guān)系分析

利用統(tǒng)計(jì)計(jì)算得到2002—2009年各月平均積雪覆蓋面積和臺(tái)蘭河水文站月平均氣溫、月降水量以及月均流量資料，分析得到多年積雪覆蓋面積與月平均氣溫的相關(guān)系數(shù)為-0.873(見圖5)、多年積雪覆蓋面積與月均流量的相關(guān)系數(shù)為-0.794(見圖6)、多年月平均氣溫與月均流量的相關(guān)系數(shù)為0.818(見圖7)。

圖5 月均氣溫與月積雪覆蓋面積相關(guān)圖

通過計(jì)算分析可知?dú)鉁嘏c積雪覆蓋面積有著很高的相關(guān)性，同時(shí)積雪覆蓋面積的大小又對流量有著明顯影響；在分析降水與積雪覆蓋面積相關(guān)性的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)相關(guān)系數(shù)很低，但是普遍認(rèn)為降雪對積雪面積有促進(jìn)作用，分析其原因是由于水文站測量降水時(shí)不區(qū)分降雨和降雪，隨著氣溫的變化，降水的形式也出現(xiàn)相應(yīng)改變，而只有一定強(qiáng)度的降雪，地面才會(huì)有積雪覆蓋，因此觀測到的降水量是混合了多種形式降水的降水量，同時(shí)雨量筒對降雪量的觀測誤差較大，觀測值偏低可達(dá)30%，這就給分析降雪與積雪面積之間的關(guān)系增加了難度。

圖6 月均流量與月積雪覆蓋面積相關(guān)圖

圖7 月均流量與月均氣溫相關(guān)圖

4 結(jié)果與討論

利用臺(tái)蘭河流域2002—2009年MODIS積雪數(shù)據(jù)及臺(tái)蘭水文站水文數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論。

(1) 2002—2009年研究區(qū)積雪在時(shí)間上分布基本上服從如下規(guī)律：每年6—7月份積雪消融量達(dá)到最大，積雪覆蓋度達(dá)到最小，能夠消融的積雪已經(jīng)完全消融，而在每年2月份左右積雪覆蓋面積達(dá)到最大，積雪覆蓋率可達(dá)到80%以上。不同的高程帶積雪開始消融的時(shí)間與開始積雪的時(shí)間并不一致，其中海拔在3 500 m以下積雪覆蓋面積變化明顯，海拔在4 500 m以上為常年積雪區(qū)，幾乎沒有什么變化。在年際上的積雪覆蓋面積沒有明顯的變化趨勢，這與近年來全球氣候變暖，氣溫雖然有所升高但同時(shí)南疆降水增多有著直接關(guān)系。

(2) 研究區(qū)2002—2009年積雪覆蓋面積與月平均氣溫的相關(guān)系數(shù)為-0.873、多年積雪覆蓋面積與月均流量的相關(guān)系數(shù)為-0.794、多年月平均氣溫與月均流量的相關(guān)系數(shù)為0.818，然而降水量與積雪覆蓋面積卻沒有明顯的相關(guān)性，這主要是由于影響降水的因素較多，難以區(qū)分降水為降雪還是降雨，同時(shí)還與降雪的測量誤差過大是分不開的。

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Analysis on Change Characteristics of Snow-covered Area in Tailan River Catchment

TIAN Long

(Xinjiang Water Resources and Hydropower Investigation Design and Research Institute, Urumqi 830000，China)

By application of the hydrological data on the Tailan River catchment (2002—2009) and MODIS data, the change characteristics of the snow-covered area in Tailan River catchment as well as the relationship between main impact factors and the snow-covered area are analyzed in condition of the global climate change. The study shows that snow thaws largely in June through July each year and the snow-covered area increases at maximum around February. The snow-covered area below EL. 3 500 m changes obviously in a year, and above EL. 4 500 m, it is the area snow covered permanently year round. The snow-covered area is without obvious change between years. The snow-covered area is with close correlation with average monthly temperature and average monthly discharge.

Tailan River catchment; MODIS data; climate change

1006—2610(2015)02—0005—04

2014-09-18

田龍(1988- ),男,陜西省渭南市人,工程師，主要從事水文水資源研究.

P426.635

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.02.002

新疆的主要河流都發(fā)源于高山冰川及多年積雪區(qū)，積雪對氣候變化的響應(yīng)十分敏感，在全球氣候變暖的總體趨勢下，掌握積雪的變化情況對新疆地區(qū)水資源變化研究尤為重要。