1982-2015年內蒙古雪深時空變化遙感分析

畢哲睿，薩楚拉，劉桂香

(1.內蒙古師范大學地理科學學院，內蒙古呼和浩特 010022；2.內蒙古自治區遙感與地理信息系統重點實驗室，內蒙古呼和浩特 010022；3.內蒙古自治區蒙古高原災害與生態安全重點實驗室，內蒙古呼和浩特 010022；4.中國農業科學院草原研究所，內蒙古 呼和浩特 010010)

引言

積雪是由降雪及風吹雪搬運與堆積形成的覆蓋在地球表面的雪層〔1〕，在冰凍圈中的分布最為廣泛〔2〕，對氣候變化格外敏感，是全球變化研究的核心內容和熱點之一〔3〕。在2013年，IPCC第五次評估報告宣布：1980-2012年間全球地表溫度平均上升了0.85℃〔4〕,而且據研究發現未來50年全球氣溫仍保持上升趨勢〔5〕。內蒙古位于IGBP全球變化研究典型陸地樣帶中國東北陸地樣帶之內，是我國北方重要的陸地生態屏障，同時也是草地畜牧業生產的基地〔6〕。所以，研究內蒙古的積雪深度時空分布和對氣候變化的響應具有重要現實意義。

經研究發現，北半球積雪變化的關鍵區域是在青藏高原、蒙古高原、歐洲阿爾卑斯山脈以及北美洲中西部〔7〕。Frei等〔8〕研究發現，1930年至1980年期間，北美洲的冬季積雪一直是呈增加趨勢，但是在80年代以后卻出現了減少的趨勢；Laternser等〔9〕在對瑞士阿爾卑斯山積雪研究時發現，該區域從1987年開始，積雪減少的變化非常顯著。我國學者在積雪方面也進行了很多研究，對青藏高原的研究發現，青藏高原的雪深具有長期穩定的增加趨勢,冬春季積雪日數在20世紀80年代增加，在90年代減少〔10-12〕。魯博權等〔13〕研究發現，1979-2014年期間，黑龍江凍土區積雪深度呈輕微下降趨勢。王春學等〔14〕研究發現，近50年來春、秋季中國積雪日數和最大積雪深度在整體上呈現緩慢減少的趨勢，冬季積雪日數和最大積雪深度呈現增加的趨勢。胡列群等〔15〕研究發現，新疆冬、春積雪主要分布在天山以北，天山以南積雪比較淺薄，南北疆及天山以南的積雪深度呈緩慢增長趨勢。王秋香等〔16〕研究發現，1961-2006年間，新疆北疆最大積雪深度呈顯著增加趨勢，積雪日數和穩定積雪日數也呈增加趨勢。

從災害系統理論出發，對牧區雪災進行大量的研究中發現，雪災的風險是由致災因子的危險性、承載體的脆弱性和暴露性的綜合作用下形成，其中積雪情況被選為評價的指標之一〔17〕。內蒙古草原是全球典型的中緯度半干旱溫帶草原生態類型，草地和牲畜是牧區人們最基本的生產、生活資料，一旦發生雪災，牧民將遭受嚴重經濟損失〔17-20〕。因此，掌握內蒙古的積雪深度時空分布特征和對氣候變化的響應，不僅可以進一步完善該地區的積雪監測研究，同時還可以為政府部門防災減災建設提供依據。

1 數據和方法

1.1 研究區概況

內蒙古位于我國北部地區(37°24′～53°2′N，97°12′～126°04′E)，東、西、南依次與黑龍江、吉林、遼寧、河北、山西、陜西、寧夏和甘肅毗鄰，全區總面積118.3萬平方千米，北部與蒙古國和俄羅斯接壤，國境線長4200千米。內蒙古自治區地勢較高，坐落于亞洲中部著名的蒙古高原地區，由呼倫貝爾高平原、錫林郭勒高平原、巴彥淖爾—阿拉善及鄂爾多斯等高平原組成，平均海拔1000米左右。春季和秋季多風，夏季炎熱短暫，冬季嚴寒漫長。

圖1 內蒙古地理位置圖

1.2 數據來源與預處理

文章采用的1982-2015年長時間序列雪深數據集產品，下載于美國冰雪數據中心網站(https://nsidc.org)，該產品數據的原始資料是NSIDC處理的SMMR、SSM/I和SSMIS被動微波亮溫數據，時間分辨率為1天，空間分辨率為25km。本研究采用月時間尺度進行分析,首先利用ArcGIS10.4將NetCDF4格網數據讀取，然后用柵格計算器對日雪深數據進行算術平均，獲取月尺度平均雪深數據，并以內蒙古區劃邊界對月尺度雪深數據進行裁切，提取研究區內的雪深數據。文章中使用的溫度和降水數據為世界氣象組織(http://www.wmo.int/pages/index_zh.html)提供的研究區范圍的氣象站點數據，通過對逐日數據進行算術平均而獲取年平均氣溫、降水。根據蒙古高原氣象特征定義：每一年的10月到下一年的3月是一個積雪季節(例如2010年10月到2011年3月是2011年的積雪季節)。

1.3 研究方法

1.3.1 趨勢分析法

為研究近些年來內蒙古雪深、溫度、降水的時間和空間變化趨勢，文章采用一元線性回歸趨勢分析法，來計算其變化特征。線性趨勢斜率(slope)用最小二乘法來表示，如式(1)所示：

(1)

式中：n為研究時段的年份，xi為待分析變量的年均雪深、溫度、降水數據。如果slope是正值，說明研究區內雪深、溫度、降水的變化趨勢是增加的，如果slope是負值，則說明其變化趨勢是減少的。

1.3.2 均方根檢驗法

為研究內蒙古積雪深度年際變化的幅度，通過計算年均積雪深度距平的均方根，來表示積雪深度的異常變化程度，均方根σ計算方法如式(2)所示：

(2)

式中：n為研究時段的年份，di為年均積雪深度與其平均值的偏差。如果σ值較小，說明該區域長期以來降雪程度變化不大，如果σ值較大，說明該區域降雪程度變化較大，降雪不穩定。

2 內蒙古雪深變化特征

2.1 雪深時間變化特征

2.1.1 雪深年際變化特征

內蒙古近年來降雪表現出明顯的不穩定性和緩慢下降趨勢的特點。積雪深度最小值出現在2008年，僅有5.9mm；積雪深度最大值出現在2013年，達到了34.08mm，最小值與最大值之間差距較大。多年雪深中10個最大降雪年份分別是1990、1991、1993、1997、2000、2001、2004、2011、2013、2015，這些年份的平均積雪深度都達到了16mm以上，容易產生強降雪災害。雪深高于平均值的年份和低于平均值的年份數量比是1∶1.3，說明內蒙古近年來并沒有出現積雪深度偏高的年份較多或者積雪深度偏低的年份較少。在1982-2015年期間，內蒙古多年平均積雪深度為14.42mm，同時積雪深度還出現減少的趨勢，減少的速率是1.064mm/10a(p<0.01)。

圖2 內蒙古雪深年際變化趨勢圖

2.1.2 雪深年內變化特征

內蒙古積雪深度年內變化表現出先增加后減少的變化特征。積雪在10月份之前較少，雪深平均值僅為0.12mm，此后雪深開始增加，直到翌年2月雪深達到最大，為24.64mm。不同的時間段雪深增加的速率也不同，11-12月雪深增加的最快，達到10.95mm/月，1-2月雪深增加的最慢，僅為0.57mm/月，3月份隨著溫度升高，積雪出現融化，雪深開始出現減少趨勢。

圖3 內蒙古雪深年內變化圖

2.2 雪深空間變化特征

2.2.1 多年年均雪深空間分布特征

文章通過對內蒙古多年雪深進行算數平均計算，得到多年年均雪深空間分布圖。從中可以看出，內蒙古雪深空間分布廣泛，但又存在明顯的空間差異性。多年年均雪深空間分布表現出明顯的北深南淺的特征，最大雪深出現在呼倫貝爾市的北部，達到62mm，最小雪深出現在阿拉善盟的西部，基本上處于無雪狀態。內蒙古雪深的分布特征與它的水分來源有很大關系，水汽主要來自于北冰洋，其次來自于太平洋，所以降雪量在北部地區明顯偏高，隨著離海洋距離的增加，降雪量由北向南和由東向西逐漸減少，在到達阿拉善時降雪較少。

圖4 1982-2015年內蒙古年均雪深空間分布圖

2.2.2 雪深變化趨勢空間分布特征

根據1982-2015年年均像元雪深，計算每個像元的變化傾向率，正負分別表示雪深增加和減少。從中可以看出，研究區內雪深變化趨勢斜率為-0.8mm/a～1.2mm/a之間，大部分區域呈現減少狀態，特別是在呼倫貝爾市，雪深減少的最快，僅約占35%的地區雪深呈現出增加趨勢，且主要集中在阿拉善盟的西北部，這一變化特征可能與這一地區近年來溫度和降水變化有關。

圖5 1982-2015年內蒙古雪深變化趨勢空間分布圖

2.2.3 雪深異常變化空間分布特征

根據1982-2015年年均像元雪深，計算每個像元的異常變化，數值大小代表雪深穩定程度。從中可以看出，研究區內雪深異常變化范圍為0-24之間，大部分區域雪深異常變化不明顯，其中雪深最穩定的區域為內蒙古的阿拉善盟，這可能與這一區域常年降雪量小有關，但在雪深高值區呼倫貝爾市的西北部，雪深表現出明顯不穩定變化，這可能與北半球近年來溫度逐漸升高有關。

圖6 1982-2015年內蒙古雪深異常變化空間分布圖

3 雪深對氣候變化的響應

文章通過計算研究區內1982-2013年年均溫度和降水的變化趨勢，從中可以看出在過去32年中氣候變化趨勢特征。從年均溫度變化趨勢圖中可以看出，32年間年均溫度變化幅度較大，多年年均溫度約為4.53℃；其中1990、1994、1998、2007年這4年的溫度處于極大值，2007年溫度達到近32年最大值，為5.85℃，1984、1996、2000、2012年這4年溫度處于極小值，1984年溫度達到近32年最小值，為3.06℃。總體上，研究區內年均溫度呈現上升趨勢，以0.318℃/10a(p<0.01)的速度升高。從年均降水變化趨勢圖中可以看出，32年年均降水變化幅度較大，多年年均降水約為294.49mm；其中1984、1990、1998、2003、2012年這5年的降水處于極大值，1998年降水達到近32年最大值，為437.15mm，1989、1997、2001、2007年這4年的降水處于極小值，2001年降水達到近32年最小值，為216.03mm。總體上，研究區內年均降水呈現下降趨勢，以8.566mm/10a(p<0.01)的速度減少。上述特征表明，溫度的升高和降水的減少造成了內蒙古地區積雪深度的減少。這一結果與薩楚拉〔6〕得出的受氣溫升高影響，內蒙古積雪面積將減少的結論相一致。說明內蒙古積雪深度的變化受溫度和降水的影響很大。

圖7 1982-2013年內蒙古年均溫度、降水變化趨勢圖

4 結論

內蒙古作為中國北方重要的綠色生態屏障，研究其雪深對該區域的水位、氣候和人民生產生活等都具有重要的現實意義。文章利用長時間的SMMR、SSM/I和SSMIS數據并結合地理信息系統處理技術，分析了內蒙古近34年間雪深的時空變化特征及演變規律，并對雪深與氣候變化的關系進行了探討，主要結論如下：

(1)1982-2015年期間，內蒙古多年年均雪深變化范圍為0-62mm，與緯度有較高的相關性，隨著緯度的升高逐漸增大；一個積雪季內，除了3月份之外雪深都呈現增加趨勢，其中11-12月雪深增加的最快，達到10.95mm/月。在研究區的東北部雪深高值區，近年來隨著溫度升高，雪深出現明顯不穩定變化?？傮w上，內蒙古雪深呈現出逐漸減少的趨勢，減少速率為1.064mm/10a(p<0.01)，其中呼倫貝爾市西北部雪深減少的趨勢明顯快于其它地區。

(2)1982-2013年期間，內蒙古溫度總體上呈增加趨勢，增加的速率為0.318℃/10a(p<0.01)，降水總體上呈減少趨勢，減少的速率為8.566mm/10a(p<0.01)。溫度的升高和降水的減少造成了內蒙古雪深呈現減少趨勢。