2003—2020年新疆北部積雪因子時空變化分析

田豐， 張永宏*， 王劍庚， 朱靈龍， 宋凱達

(1.南京信息工程大學自動化學院， 南京 210044； 2.南京信息工程大學大氣物理學院， 南京 210044；3.南京信息工程大學電子與信息工程學院， 南京 210044)

全球變暖對陸地積雪產生的深遠影響,使得積雪對全球氣候變化的響應研究成為熱點[1]。中國的積雪主要分布于三大積雪區，分別位于新疆北部、青藏高原以及內蒙古和東北積雪區[2]。對于新疆而言，冰川與積雪融水是其重要的淡水來源，而氣候變暖可能對積雪減少的潛在影響,使得對積雪因子的監測與研究以及氣候變化、水源管理等有著重要意義[3-4]。

目前常用于積雪監測的方法主要有遙感、水文建模和現場監測等[5]。其中現場監測具有高可靠性，利于建模，但部分區域站點稀疏以及存在觀測位置不佳等狀況，通常無法反映區域的不均勻與復雜性。Huang等[6]對全中國氣象站點1951—2018年的積雪數據分析表明，東北及新疆北部地區積雪覆蓋日數有上升趨勢，而整個中國大陸地區積雪持續日數有所減少，其中25.2%的氣象站表明積雪持續日數明顯減少；Ding等[7]利用新疆105個氣象站1961—2013年的逐日積雪數據分析發現新疆每年的積雪開始日期延遲和結束日期提前，而持續積雪日數有增加趨勢，積雪深度由北向南減少；王慧等[8]選取新疆89個氣象站1961—2017年逐日積雪深度觀測資料分析結果表明，近60年新疆區域積雪覆蓋日數逐漸減少，其中新疆北部地區以及天山山區較明顯，新疆南部略有增加；王宏偉等[9]利用新疆北部2000—2007年氣象站點觀測積雪數據分析發現對新疆北部積雪日數等參數的影響順序為：中海拔>坡向>坡度>植被>緯度>經度。

而遙感產品具有多尺度、多時相、多譜段、多層次等特點，但存在相對較少的積雪參數以及誤差、分辨率不足等問題。目前也有大量對新疆不同地區的積雪時空變化及其對氣候因子響應的相關研究[10-11]。Chen等[12]結合MOD10A2和MYD10A2中2001—2015年數據研究發現新疆大部地區在10月—次年4月出現季節性積雪，新疆北部和伊犁河谷降雪量較高。除伊犁河流域外，新疆東、南、北部和伊犁河谷均呈無顯著下降趨勢；李培基[1]結合地面氣象臺站和多通道掃描微波輻射計(scanning multichannel microwave radiometer，SMMR)遙感數據對新疆積雪、冬季氣溫和降水量分析表明,積雪與冬季氣溫呈負相關,與冬季降水量呈正相關,在研究積雪對氣候變化響應中二者缺一不可，并認為氣候界普遍關注的自1987年以來的北半球積雪持續顯著減少的現象在新疆并不存在；陳麗萍等[13]基于2001—2014年的MOD10A2積雪產品對新疆阿爾泰地區積雪分析表明，初雪開始于10月中旬左右，于次年1月積雪覆蓋面積到最大值，7月積雪覆蓋面積達到最小值，北部積雪多于南部，積雪面積呈減少趨勢；何海迪等[14]基于2011—2015年MOD10A2積雪產品和氣象數據,分析結果表明天山積雪覆蓋面積整體呈減少趨勢,積雪覆蓋率與海拔呈正相關，而年均氣溫升高是面積減小的主因,且年積雪覆蓋面積變化與年降水量變化保持一致，呈下降趨勢；陳敏等[15]采用2001—2014年的中分辨率成像光譜儀(moderate resolution imaging spectrometer，MODIS)積雪產品,對阿克蘇河流域山區積雪時空變化特征進行分析,結果表明阿克蘇河流域山區近14年積雪面積在年、季、月尺度上均有下降趨勢,其中年最大值和夏季積雪面積下降趨勢顯著，庫馬拉克河山區東部為主的地區永久性積雪有所減少；黃曉東[16]結合MODIS和AMSR-E數據研究表明新疆北部地區積雪面積的增減與氣溫的變化存在強相關性，但當氣溫低于-15 ℃時，氣溫的降低對積雪覆蓋面積的增加貢獻較少。

現基于谷歌地圖引擎(Google Earth Engine，GEE)云平臺[17-18]對新疆北部地區積雪因子進行去云處理，并基于像元計算積雪覆蓋比例(snow cover percentage，SCP)、積雪覆蓋日數(snow cover days，SCD)、積雪開始時間(snow onset day，SOD)和積雪結束時間(snow end day，SED)，分析2003—2020年新疆北部積雪因子時空變化。

1 研究區域概況

研究區位于新疆以北大部分區域，主要包括烏魯木齊、阿勒泰地區、克拉瑪依、塔城地區、博爾塔拉、伊犁、阿克蘇北部、克孜勒蘇柯爾克孜北部、巴音郭楞北部、吐魯番地區、哈密地區、昌吉、石河子、北屯等地區。區域介于38°57′～49°10′N和73°49′～96°22′E(圖1)，平均海拔1 447.3 m，最低海拔-166 m，最高海拔6 824 m，是中亞典型的干旱半干旱地區，積雪融水資源豐富[19]。

圖1 研究區域簡圖Fig.1 Sketch map of the study area

2 數據與方法

2.1 數據

2.1.1 積雪數據

采用的積雪數據為2003年6月—2021年6月的MOD10A1 V6(MOD)和MYD10A1 V6(MYD)逐日積雪數據，分別為Terra和Aqua衛星上的中分辨率成像光譜儀獲取的500 m分辨率積雪數據，包含積雪反照率、部分積雪和質量評估數據等，具有良好的時間分辨率[20]。同時從對MODIS數據的精度驗證上來看，Liu等[21]對中國三大積雪區的MOD10A1積雪產品的精度驗證表明在晴空條件下相對于地面站點數據其精度為86.5%，相對陸地衛星數據而言其精度為90.3%，同時地形對精度影響最大，而新疆北部尤為明顯；而劉暢等[22]對新疆西南部的MODIS積雪產品精度進行驗證發現，相對于陸地衛星數據，平均總準確率為82%，而晴空條件下準確率高達98%，而影響精度評估的重要因素是地形與云量。因此在后續的分析工作之前，將對MODIS積雪產品進行去云處理，以期提高分析過程中的準確性。

2.1.2 氣象數據

氣象數據是由國家氣象信息中心提供的2000年1月1日—2020年12月31日中國地面氣候逐日數據集，包括降水、氣溫和積雪深度等；其中新疆北部地區共29個氣象站點，主要分布于天山周圍、阿勒泰以及塔城地區。將以此來驗證同期處理過后的MODIS積雪產品精度。

2.1.3 氣溫以及降水數據

氣溫數據是具有1 km空間分辨率的MOD11A1每日地表溫度產品，其記錄了白日、夜間地表溫度以及溫度質量指標等[23]；降水數據為10 km空間分辨率的GPM V6衛星降水數據，其每0.5 h提供一次降水數據[24]。后期在GEE云平臺上將對這兩類產品進行重采樣，使其空間分辨率與積雪數據相一致，便于數據之間的比對分析。

2.1.4 其他數據

此外，應用的數據還有250 m空間分辨率MOD44W V6陸地/水面掩膜產品，對MODIS積雪數據中的水體進行掩模，以減少水體與積雪之間的誤判以及分析時的影響；高程數據為90 m空間分辨率的SRTM90_V4高程數據，此數據將被用于去云過程以及積雪日數的海拔分布分析，并在去云之前對此數據進行重采樣，使其空間分辨率與積雪數據相一致。

2.2 方法

2.2.1 積雪參數的提取

積雪覆蓋日數(snow cover days,SCD)表示一個水文年(當年6月—次年6月)中有積雪覆蓋的總天數；初次積雪日期(snow onset day,SOD)定義為首次連續積雪三日的第一天，積雪結束日期(snow end day,SED)定義為最后出現連續積雪三日以上的最后一天[6]；積雪覆蓋面積比例(snow cover percentage,SCP)表示研究區雪蓋面積與研究區域總面積的比例，以此來觀察去云過程中的雪蓋面積占比的變化。

2.2.2 積雪產品的去云處理

去云方法主要依據Gafurov等[25]、Tran等[26]的方法，并進行了部分改動，共分為5步。

步驟1數據合并。將MODIS積雪產品Terra和Aqua同一天積雪圖像的“NDSI Snow Cover”波段合并，并將閾值設為50，大于等于50為1(雪)，等于0為0(陸地)，其他為云，當其中一顆衛星將一個像素視為雪(或陸地)，該地面狀態將被分配給組合圖像中的像素。其公式為

(1)

式(1)中：x為列；y為行；t為像素S所處的時間點；A、T分別為Aqua和Terra衛星。

步驟2短期時間濾波。當云覆蓋像素的前一天和后一天都為雪(或陸地)，則云覆蓋像素為雪(或陸地)。其公式為

S(x,y,t)=1，S(x,y,t-1)=1且S(x,y,t+1)=1

(2)

步驟3空間濾波一。假設有3/4的云像素直接“側邊界”為雪(或陸地)。則云像素為雪(或陸地)。其公式為

S(x,y,t)=1，S(x+k,y+k,t)，k∈(-1,1)=1

(3)

步驟4空間濾波二。其后當云像素周圍8個像素中有一個像素顯示為雪并且高度低于中心云像素，則云像素為雪。其公式為

S(x,y,t)=1，H(x+k,y+k,t)，k∈(-1,1)

(4)

式(14)中：H為像素S所處的高度。

步驟5長期時間濾波。以一個水文年(當年6月—次年6月)作為一個時間序列，在前4個步驟的基礎上，依據提出的參數提取方式計算出SOD、SED，使用該信息判斷在SOD與SED之間的云像素為雪，SOD之前以及SED之后的云像素為陸地，從而得到完整的逐日無云積雪數據集。其公式為

(5)

式(5)中：tA為一個水文年內的初雪時間；tM為一個水文年內的終雪時間；依次遍歷求出2003年6月—2021年6月每個水文年的初終雪閾值，最終計算得出完整的逐日無云積雪數據集。

去云方法去除了利用極值雪線法定義每日雪線，并將雪線以上的云像素歸為雪，陸地線以下云像素歸為陸地的步驟，這是由于新疆北部各區域雪線分布差異大且復雜[27]，并且在去云實驗過程中對新疆北部區域利用這一方法去云時每日積雪覆蓋比例以及云像素占比均未發生任何改變，效果不明顯。

2.2.3 積雪精度驗證方法

通過氣象站點提供的積雪“真值”與提取出的和氣象站經緯點相對應的MODIS遙感數據進行精度驗證[28]。對2003年6月—2020年6月共計29個站點的雪深數據進行處理，有雪深記錄的設置為1，無雪深記錄或記錄為0的設置為0，并以此來統計精度驗證指標中的樣本，其樣本參數定義如表1所示。

表1 積雪樣本參數定義

MODIS積雪產品精度驗證指標公式如表2所示，分別為積雪分類總精度、準確度、召回率、多測漏測誤差及F值。

2.2.4 趨勢檢驗方法

利用Mann-Kendall非參數檢驗方法(MK檢驗)和Theil-Sen Median趨勢分析(Sen斜率估計)對SCD、SOD以及SED進行趨勢分析和估計[29-31]，MK檢驗公式為

(6)

表2 精度驗證指標及公式

(7)

Sen斜率估計公式為

(8)

式中：Xj和Xi分別為同一像素點所對應的時間序列數據；n為同一像素點所對應的樣本量；S為同一像素點對應時間序列上差值為正的數量減去差值為負的數量值；Z為MK檢驗統計變量。當對積雪因子的參數分析時，MK檢驗中Z的絕對值大于1.96及通過95%的顯著性檢驗；而slope大于0時表示時間序列數據呈上升趨勢，小于0時則呈下降趨勢。

2.2.5 相關性分析

皮爾遜相關系數用于分析積雪天數與降水以及溫度之間的關系，其可以很好地反映兩者之間的線性關系，公式為

(9)

3 結果與分析

3.1 積雪產品的精度驗證

以表2給出的驗證方式對積雪產品去云過程中的各步驟精度進行驗證，去云后的總精度為91.47%，總精度、精確度、F值有明顯提升，漏測誤差、多測誤差分別下降、增加，召回率下降不明顯，如表3所示。

表3 新疆北部積雪精度驗證結果

通過對2003—2020年月平均SCP(圖2)進行統計發現每年的積雪大致從9月開始到次年4月結束，并且在1月達到頂峰，月平均SCP為56.07%；7—8月達到最小值，月平均SCP分別為2.1%和2.05%。而2008年最大SCP最低，僅為48.3%。在去云處理的工程中，MODIS積雪產品中每一步去云后產品精度以及SCP均有所提升(圖3)，這說明每一個去云步驟是行之有效的。

3.2 積雪參數時空變化分析

由新疆北部地區2003—2020年近20年年平均SCD的空間分布(圖4)可以看出，受地勢和氣候等因素影響，SCD大致隨著海拔的升高而呈現明顯線性增加趨勢(R2=0.89)[32]，海拔4 500 m以上出現常年積雪，SCD超過300 d。

其中SCD最高的地區主要位于天山山脈以及阿爾泰山山脈一帶[圖5(a)]，SCD高于240 d，占研究區域的4.34%；而SCD小于60 d的地區主要位于天山以南和東北地區、塔爾巴哈臺山以南和準噶爾盆地以西地區以及瑪依力山南部和中天山以北地區，占研究區域的49.23%；且受北冰洋濕氣流影響等因素影響，水汽主要集中于天山北部[33]，北部SCD整體高于南部。SOD[圖5(b)]從6月開始，主要是由于高海拔地區常年積雪，并且SOD隨海拔降低而逐步推遲，大部分地區在11月和12月出現首次積雪；準噶爾盆地以及伊犁河谷在12月出現首次積雪；而天山西部以及北部SOD早于天山東部，這可能是由于天山北坡為迎風坡抬升西部氣流，南坡為下降氣流，從而北坡降雨多于南坡[34]；其余地區主要由于沒有連續3 d積雪，且年平均積雪天數較少，不計入討論。SED[圖5(c)]主要在1月開始出現，并且SED隨海拔降低而逐步提前，大部分地區在2月和3月出現SED；其整體以向天山以北和阿爾泰山以南的中心區域逐步提前。

圖2 2003—2020年新疆北部地區月平均SCP

圖4 2003—2020年新疆北部地區各海拔高度帶年平均SCD的變化Fig.4 Average yearly variations of SCD for different elevation zones in northern Xinjiang during 2003 and 2020

圖3 去云過程中2003—2020年新疆北部地區SCP的年內變化Fig.3 The variations of SCP during the removal of the cloud in northern Xinjiang from 2003 to 2020

圖5 2003—2020年新疆北部地區平均SCD、SOD、SED的空間分布、變化趨勢及顯著性Fig.5 Annual mean distribution, variation trend and its significance of SCD, SOD and SED in northern Xinjiang from 2003 to 2020

從變化趨勢上看，SCD[圖5(d)]中48.28%的區域呈現下降趨勢，下降與上升區域基本持平，其中天山山脈整體呈下降趨勢以及中部部分區域呈上升趨勢，但變化趨勢不明顯；阿爾泰山北部呈上升趨勢而南部下降；準噶爾盆地以西以及伊犁河谷呈現上升趨勢，準噶爾盆地以東呈現下降趨勢；其中有顯著下降趨勢的是天山中部以南地區[圖5(g)]，這與Li等[34]對天山積雪的分析一致。SOD[圖5(e)]整體西北部區域呈現提前趨勢，東南部區域、伊犁河谷以及伊犁河谷以南天山區域呈現推遲趨勢；天山區域有少部分地區呈顯著推遲[圖5(h)]。SED[圖5(f)]在天山南部及阿爾泰山北部等區域呈現推遲趨勢，準噶爾盆地及天山北部等地區呈現提前趨勢，整體無明顯變化[圖5(i)]，僅天山中部以北少部地區有明顯的提前趨勢。

從圖6可以發現，春季平均SCD[圖6(a)]主要分布于天山、開都河流域、阿爾泰山及其以南地區，SCD小于15 d的區域占76.42%，而大于60 d的區域占6.04%；夏季平均SCD[圖6(b)]主要分布于天山中部以及阿爾泰山北部區域，約占總研究區域面積的3.35%；秋季平均SCD[圖6(c)]大部分區域小于春季平均SCD，且在阿爾泰山以南和準噶爾盆地東北區域SCD小于15 d，SCD小于15 d的區域占80.41%，而大于60 d的區域占3.58%；冬季平均SCD[圖6(d)]最為明顯，大于60 d的區域占46.3%，主要分布于天山以北區域，與天山南部差異明顯，且南部大部分區域SCD小于15 d。

圖6 2003—2020年新疆北部地區各季節平均SCD空間分布Fig.6 The spatial distribution of SCD for each season in northern Xinjiang from 2003 to 2020

3.3 積雪天數與溫度、降水的相關性分析

在春夏季節，春季與夏季的平均SCD[圖7(a)、圖7(c)]與季度總降水量主要以天山、阿爾泰山、瑪依力山以及塔爾巴哈臺山呈現相關性關系，因為SCD主要集中在此區域；春季和夏季的降水量相關性系數在-0.4～0.4的區域占比分別為92.31%、90.12%，整體相關性不明顯；而春季平均溫度與春季平均SCD[圖7(b)]呈現較大區域的強負相關，主要位于準噶爾盆地以東區域、以西少部分區域以及開都河流域西部，相關系數在-1～-0.8，占相關性區域的14.47%，而春季平均氣溫與平均SCD的大區域負相關性也說明在春季溫度對SCD的影響大于降水量[35]；夏季平均溫度與平均SCD[圖7(d)]在天山中段以及阿爾泰山北部呈現微弱負相關，負相關區域占相關性區域的58.04%。

對于秋季而言，秋季總降水量與平均SCD[圖7(e)]呈正相關的區域占80.86%，其中準噶爾盆地以東的區域正相關最明顯，相關性系數在0.7～0.8；而呈負相關的位于天山以南地區且相關性不大，在-0.2～0。而秋季平均溫度與平均SCD[圖7(f)]呈負相關的區域占74.32%，相關性系數在-1～-0.6的區域主要分布于準噶爾盆地四周少部分區域以及開都河流域的天山一帶，約占13.89%。此外，冬季總降水量與平均SCD[圖7(g)]呈正相關的區域占77.65%，天山西部地區呈現較強正相關，相關性系數在0.7以上；冬季平均溫度與平均SCD[圖7(h)]呈負相關的區域占89.05%，天山南部區域如吐魯番盆地、哈密盆地部分區域以及吐魯番盆地東部呈現強負相關性，相關系數在-1～-0.8。

圖7 2003—2020年新疆北部地區SCD與降水量、溫度的相關性空間分布Fig.7 The spatial distribution of the correlation between SCD and precipitation and temperature in northern Xinjiang from 2003 to 2020

但是伊犁盆地周圍的天山一帶與阿爾泰山北部區域平均SCD與冬季總降水量呈弱正相關，與冬季平均溫度呈弱正相關，當氣溫低于-15 ℃時(圖8)，氣溫變化對積雪貢獻較少可能是造成這一現象的原因之一[16]。

從圖8可以看出天山中部以及阿爾泰山一帶，冬季平均溫度低于-15 ℃；天山以南地區平均溫度高于0 ℃，且在0 ℃以上與SCD呈強負相關性[圖7(h)]。

4 結論

利用MODIS積雪產品2003—2020年數據研究分析了新疆北部地區積雪因子時空變化，結論如下。

圖8 2003—2020年新疆北部地區冬季平均溫度空間分布Fig.8 The spatial distribution of winter temperature in northern Xinjiang from 2003 to 2020

(1)新疆北部地區SCD分布差異較大，主要以天山為界，北部SCD高于南部；SCD、SOD以及SED與海拔大致呈相關變化，SCD隨海拔的升高而增加，4 500 m以上伴有常年積雪，主要分布于天山中部和阿爾泰山北部區域；SOD隨海拔升高而提前，主要在11月和12月出現；SED隨海拔升高而推遲，主要在2月和3月出現。而SCP在1月達到最大，7月和8月最小。

(2)趨勢變化上，SCD、SOD以及SED無明顯變化趨勢，SCD整體西部呈弱上升趨勢，東部呈弱下降趨勢；新疆北部西部SOD呈提前趨勢，東部SOD呈推遲趨勢，SED整體呈提前趨勢。

(3)春夏季，溫度對SCD的影響明顯大于降水量，且SCD與降水量相關性不大；而天山以北地區春季平均SCD與溫度呈較強負相關，準噶爾盆地東部呈強負相關。秋冬季節，氣溫、降水量與SCD有較強的相關性，海拔相對較低區域的氣溫、降水量與SCD之間的相關性要強于天山、阿爾泰山地區。