天山中段瑪納斯河上游山區(qū)雪蓋衰退過程遙感研究

李海星

南京工業(yè)大學(xué)測繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，南京 江蘇 211816

季節(jié)性積雪的積累與消融，伴隨著能量與水分的存儲(chǔ)與再釋放，在氣候系統(tǒng)中扮演著極其重要的角色，是干旱半干旱地區(qū)寶貴的淡水資源。定量識(shí)別積雪信息并研究消融期雪蓋的時(shí)空衰退特征，對流域水資源管理與氣候變化具有重要的實(shí)際應(yīng)用與科學(xué)研究價(jià)值。論文基于國產(chǎn)環(huán)境一號(hào)(HJ-1A/B)衛(wèi)星數(shù)據(jù)，以天山中段瑪納斯河上游山區(qū)為研究區(qū)，結(jié)合實(shí)地考察實(shí)測數(shù)據(jù)，研究和掌握雪蓋衰退過程的時(shí)空變化差異和特點(diǎn)。主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下：

(1) 雪蓋信息的遙感識(shí)別。通過野外考察及實(shí)地測量，獲取不同狀態(tài)積雪、典型地物的光譜反射率數(shù)據(jù)，分析不同狀態(tài)積雪以及典型地物的反射光譜特征，獲得積雪信息的衛(wèi)星圖像響應(yīng)特征。利用J-M(Jeffries-Matusita)分離數(shù)篩選出表征積雪新老狀態(tài)的最敏感指標(biāo)為積雪粒徑指數(shù)和綠光波段反射率，采用層次分析法構(gòu)建積雪老化指數(shù)，有效識(shí)別了山區(qū)復(fù)雜地形條件下雪蓋范圍與狀態(tài)信息。

(2) 雪蓋衰退的時(shí)段變化特點(diǎn)。構(gòu)建了基于多時(shí)相雪蓋消融信息變化時(shí)序。通過雪蓋面積和老化指數(shù)雙重變量時(shí)序變化的極大/小值，劃分雪蓋衰退時(shí)段。再通過時(shí)段變化速率、雪蓋狀態(tài)轉(zhuǎn)移速率歸納雪蓋衰退的時(shí)段與高度帶變化特點(diǎn)。結(jié)果表明，在每個(gè)衰退時(shí)段內(nèi)雪蓋面積減少速率和老化指數(shù)增加速率具有“緩慢-加速-趨緩”的特點(diǎn)。在整個(gè)積雪消融期，各衰退時(shí)段的雪蓋面積減少速率則逐時(shí)段降低，積雪老化指數(shù)的增加速率逐時(shí)段先降后升。積雪老化增長速率隨海拔升高而降低。

(3) 雪蓋衰退的空間分布特征。探討了不同地形和下墊面條件下雪蓋消融信息的空間分布特征。結(jié)果表明：①在各衰退時(shí)段，雪蓋面積和積雪老化指數(shù)的海拔分布差異顯著，新增降雪隨海拔升高而增加(除冰雪帶)，衰退末期積雪覆蓋則隨時(shí)序向高海拔攀升。積雪老化指數(shù)隨新增降雪有所下降，但在衰退末期顯示出高程差異性。②坡向?qū)π略鼋笛┟娣e/積雪老化指數(shù)影響較小，而在衰退末期二者都顯示了明顯的坡向差異。③平坡和險(xiǎn)坡的積雪分布低于其他坡，其他坡度則呈均勻分布。④草地帶在不同時(shí)期均具有最大的積雪空間分布，積雪老化指數(shù)在不同時(shí)段均顯示了林地>草地>裸地>冰川的特性。

(4) 雪蓋衰退過程解釋。通過時(shí)空數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和Mann-Kendall趨勢分析方法構(gòu)建了逐消融時(shí)段雪蓋時(shí)空衰退趨勢，針對主要影響因子及實(shí)測溫度資料分析了“雪蓋衰退-影響因子”局部空間關(guān)聯(lián)性。利用全局Moran’s I系數(shù)度量影響雪蓋衰退空間分布差異的不同因子大小順序?yàn)椋汉０?>坡向>坡度>下墊面。針對最主要影響因子(海拔)對雪蓋衰退趨勢的關(guān)聯(lián)類型制得的局部時(shí)空LISA聚集圖，結(jié)合不同關(guān)聯(lián)類型在不同地形因子的分布統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在有效積溫條件下，雪蓋衰退趨勢與海拔顯著相關(guān)；坡向不同造成的太陽輻射差異會(huì)引起高海拔區(qū)域南坡衰退趨勢總是大于北坡；地理位置帶來的熱量分布不均導(dǎo)致天山北麓部分區(qū)域雪蓋衰退趨勢偏低。

本文針對天山中段瑪納斯河上游山區(qū)復(fù)雜的雪蓋衰退過程進(jìn)行了詳細(xì)研究。以野外實(shí)測數(shù)據(jù)結(jié)合國產(chǎn)環(huán)境衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，獲取了山區(qū)消融期積雪新老狀態(tài)信息。基于多時(shí)相雪蓋范圍與新老狀態(tài)信息時(shí)空序列信息，通過綜合特定空間位置雪蓋信息的時(shí)序變化特點(diǎn)，以及在特定衰退時(shí)段內(nèi)雪蓋信息的空間分布特征，準(zhǔn)確把握消融期內(nèi)雪蓋信息的時(shí)空變化過程與特點(diǎn)。結(jié)合空間關(guān)聯(lián)性方法度量了主要影響因子，并構(gòu)建了其與雪蓋衰退趨勢的局部空間關(guān)聯(lián)性。不僅為流域水資源管理、徑流模擬與預(yù)報(bào)、氣候變化研究等提供科學(xué)依據(jù)，也為雪蓋變化研究提供了新的思路。