2002-2012年西藏積雪面積時空變化研究

謝忠俍,肖聲華

(1. 陜西鐵路工程職業技術學院，陜西 渭南 714099; 2. 廣東省大寶山礦業有限公司，廣東 韶關 512128)

0 前 言

雪是地表最活躍的自然要素之一，雪的特征(如積雪面積、積雪分布、雪深等)是全球氣候、能量平衡、生態模型和水文的重要輸入參數。中國是一個積雪多并且雪災頻繁的國家，穩定的季節性積雪大概是420 km×104 km左右[1]，其主要分布在內蒙古和青藏高原以及新疆北部和東北等地。復雜的氣候背景和地理環境及多樣的降雪天氣導致我國的積雪分布很不均勻，雪蓋特征多樣。積雪特征研究以往大多是基于氣象站和水文站直接觀測數據進行統計分析，但是這種人工作業方式，容易受到歷史氣象資料缺失及站點數量稀少的影響，尤其是在西藏自然地理、氣象條件惡劣的情況下更使得地面觀測數據受到限制。近年來，隨著遙感技術的不斷發展，應用遙感數據進行積雪方面的研究取得了很大的進步。美國國家海洋和大氣局(NOAA)早在1966年第一顆極軌衛星發射以后就開始制作北半球雪蓋產品，通過衛星遙感監測分析得到了全球積雪年際變化資料[2]。Frei等[3]通過遙感手段分析表明北美洲的積雪從20世紀30年代到80年代初在冬季一直呈現增加趨勢，隨后積雪呈減少趨勢。楊修群等[4]對北半球的雪蓋變化進行了時空特征分析，數據采用NOAA提供的1988-1998年北半球逐周的雪蓋數據，研究發現1988-1998年這十年來，北半球的積雪變化最強烈的異常區域在我國的青藏高原。楊存建等[5]通過實驗構建新的積雪提取模型能有效提取積雪，并通過目視判讀檢驗,積雪提取效果理想。巴桑[6]等利用多源遙感數據分析西藏積雪變化趨勢，結果表明近年來西藏地區的積雪面積總體呈下降趨勢，同時存在明顯的季節性變化。楊倩[7]等利用MOD10A1通過積雪覆蓋指數研究了2000-2010年吉林省積雪時空變化特征及其與氣候的關系。楊志剛[8]等利用MODIS數據研究了近15年青藏高原積雪覆蓋時空變化。

西藏地區地處青藏高原的核心區域，是南亞和我國的許多大江大河的發源地。研究已表明該區域是我國積雪面積最大、時間最長的地區之一，其對長江流域夏季降水及東亞季風及旱澇等災害性天氣等會產生直接的影響[6,9]。文中利用MODIS積雪產品，采用月最大值合成的方式，獲取了西藏2002-2012年的積雪面積時空變化特征，并分析其積雪時空分布和變化特征，為西藏經濟建設、環境保護及防災減災提提供科學依據。

2 研究區概況

西藏自治區土地面積120多萬km2，平均海拔高于4 000 m，大小湖泊共計1 500多個。由于夏季西南季風和冬季西風的交替控制，西藏的氣候類型復雜，干季和雨季的分別也非常明顯，干季一般在每年10月至第二年4月，雨季在每年的5月至9月。西藏的南部邊緣地區和藏北一線牧業生產受影響最嚴重的自然災害就是雪災。從20世紀80年代到現在，西藏曾發生多次重大雪災，嚴重損害了牧民的生命財產安全。西藏的降雪南北多而中部少，南部邊緣降水量特點為雙峰型、那曲東北部和中西部則為單峰型[10]。同時由于高原地形復雜，基礎資料缺失及氣候獨特等原因，也給積雪研究帶來了許多困難。

3 研究數據與方法

3.1 研究數據

目前，NASA面向全球用戶共提供了陸地、大氣以及海洋三類共計44種的MODIS標準數據產品。在MODIS的各種標準數據產品里，MOD10(Terra提供)和MYD10(Aqua提供)代表的是陸地2級或者3級的標準雪蓋產品，它們是由美國國家雪冰數據中心(NSIDC)的分布式主動存檔中心(DAAC)面向全球用戶進行免費發布。本文收集的覆蓋西藏自治區，時間段為2002-2012年的空間分辨率為500 m的雪蓋產品MOD10A2影像數據，其影像生成頻率為每8天一次，它是利用每8景 MOD10A1 影像合成1期得到的產品，這樣合成能較大程度的降低云覆蓋對積雪識別的影響。

3.2 研究方法

1)數據預處理

利用 Arcgis10.1、Envi5.4等專業數據處理軟件對 MOD10A2積雪產品進行鑲嵌和坐標變換、投影轉換，選用最鄰近方法進行重采樣,再利用西藏矢量邊界對其進行裁剪，最后的數據結果以GEOTIFF格式輸出。

2)影像合成、積雪數據提取

選擇將研究區進行每月4景的MOD10A2圖像融合，為了去除云污染對 MOD10A2雪蓋產品分類所造成的影響,根據MOD10A2產品編碼及意義，通過設定地表類型的優先級(積雪>湖冰>水體>陸地云層無意義)的方法來對積雪面積進行合成處理，其合成規則[11-12]見表1。對像元數據重分類并賦值(積雪為1，其他為0)，統計不同時期積雪像元數，按月積雪面積最大合成規則獲得研究區積雪面積[13]。

表1 MOD10A2產品合成規則

注：*0、1、4、11、254和255分別代表傳感器數據丟失、不確定、數據錯誤、夜晚或傳感器停止工作或在極地區域、傳感器數據飽和及填充數據。

3)積雪覆蓋時間指數計算

根據積雪覆蓋信息提取的結果統計得到西藏地區10年內每年的月最大積雪面積、月最小積雪面積，據此得到西藏積雪的時間變化特征，同時對時間變化特征進行年內變化和年際變化分析，為分析西藏積雪覆蓋的空間分布特征。根據文獻[14-15]提出的積雪覆蓋時間指數 對西藏近10年的各像元平均積雪指數進行提取、計算，具體見公式1。

(1)

4 結果分析

4.1 積雪的年內變化時間變化特征

在積雪覆蓋的年內變化上，西藏積雪面積隨著季節的更替有明顯的變化，存在有積雪和融雪兩個時期，年內積雪變化有明顯的兩個波峰和一個波谷(見圖1)。第1個波峰出現于2月，其平均積雪面積達到58.6萬km2，最大積雪面積也達到81.1萬km2。2月以后，隨著春季的來臨，積雪開始慢慢消融，雖然4月最大積雪面積有所上升，但平均積雪面積及最小積雪面積都在2月后逐漸減少。至5月份，隨著夏季的來臨，積雪面積在快速的減少，直到7月達到最少，月平均積雪面積僅27.1萬km2。8月份后，隨著氣溫的下降，積雪面積又開始快速上升，到10月份達到第2個波峰，其平均面積達到47.3萬km2，最大積雪面積達到65.8萬km2。10月份以后，積雪面積開始小幅下滑。這是由于10月以后西藏進入冬季，氣溫極低，降水不充分，在一定程度上限制了積雪的堆積。

圖1 西藏積雪面積特征值年內變化

4.2 積雪的年際變化時間變化特征

在積雪覆蓋的年際變化上，西藏積雪面積在總體上呈現雙峰波動的特征，但是波動幅度不大(見圖2)，10年內西藏的平均積雪面積在39.9萬km2左右，約占研究區總面積的32.2%。年平均積雪面積的兩個峰值分別出現在2005年和2008年。在2008年，年平均積雪面積達到42.1萬km2，這與2008年冬天我國出現大范圍冰雪災害天氣這個事實相符。年平均積雪面積的兩個波谷出現在2007年和2010年，這兩年的積雪面積僅為38.2萬km2和35.5萬km2。近10年來，積雪面積的年最大值出現的月份大多在1月或者2月，而積雪面積年最小值只出現在7月和8月，其中有8年都出現在7月(見表2)。

圖2 西藏積雪面積特征值年際變化表2 西藏積雪面積特征值的年際變化

從研究區10年的積雪覆蓋率的時間序列的變化來看(見圖3)，西藏的積雪覆蓋率周期性變化顯著，每一年的積雪覆蓋率都呈現出年初和年末高，中間時段低。在10年里，西藏地區每月的平均積雪覆蓋率基本上都在10%～60%之間，每年的月平均最小覆蓋率基本上都在7月份，約10%左右。積雪覆蓋率的年內變化波動范圍較大，而年際變化波動范圍較小。

圖3 西藏積雪覆蓋率的時間序列變化

4.3 積雪的空間分布特征

西藏地區積雪在空間上的分布受地域的影響差異明顯(圖4)。高積雪區(積雪時間指數大于0.6)主要分布在西藏的林芝的大部分地區、那曲縣東部、昌都西部以及噶爾縣北部、日喀則南部邊緣等地。這樣的分布很大程度上是因為西藏北部處于西風帶的上升區、南部處于孟加拉灣與印度的洋暖濕氣流的作用區，而這些地區的降水很豐富，這就為積雪的發展提供了有利的條件。而西藏的中部由于受到高山地形阻隔等的影響，水汽輸送較少，且該地區的海拔較低，溫度較高，不利于積雪的發展與堆積，所以中部的積雪覆蓋時間指數低。

圖4 西藏積雪10年平均積雪時間指數圖

5 結 論

本文主要通過收集2002-2012年共10年的西藏MOD10A2雪蓋產品，將數據進行4期合成一景，得到每個月的積雪覆蓋影像。分析出西藏10年來積雪面積的年內、年際及空間分布特征。其結論如下：

1)在積雪覆蓋的年內變化上，西藏積雪面積隨著季節的更替有明顯的變化，存在有積雪和融雪兩個時期，年內積雪變化有明顯的兩個波峰和一個波谷，波峰出現于2月和7月，波谷出現于7月。

2)在積雪覆蓋的年際變化上，西藏積雪面積在總體上呈現雙峰波動的特征，但是波動幅度不大。10年來，積雪面積的年最大值出現的月份大多在1月或者2月，而積雪面積的年最小值只出現在7月和8月。

3)空間上，西藏地區積雪受地域影響差異明顯。高積雪區主要分布在西藏的林芝的大部分地區、那曲縣東部、昌都西部以及噶爾縣北部、日喀則南部邊緣等地。