1979—2018年雅礱江中上游積雪時空變化及影響因素分析

吳 南，張 珂,2,3,4，管曉祥，馮 進(jìn),2，黃應(yīng)厚,2，張企諾,2，李運(yùn)平,2

(1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098；2.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室，江蘇 南京 210098；3.河海大學(xué)長江保護(hù)與綠色發(fā)展研究院，江蘇 南京 210098；4.中國氣象局-河海大學(xué)水文氣象研究聯(lián)合實驗室，江蘇 南京 210098)

積雪是氣候系統(tǒng)五大圈層中冰凍圈的重要組成要素，作為地球表面最活躍的生態(tài)要素之一[1-2]，其深度、雪蓋面積、空間分布以及開始和結(jié)束時間等積雪特征對氣候變化、水文過程以及生態(tài)影響等極為敏感，尤其對氣候變化最為顯著[3-5]。站點和衛(wèi)星遙感資料均表明，中國積雪主要分布在青藏高原、新疆北部、內(nèi)蒙古和東北地區(qū)[6]。青藏高原積雪分布以高海拔地區(qū)為主[7]，在全球氣候變暖的背景下，受到的直接影響最為顯著，積雪面積和深度易受到降水和溫度的疊加影響[8]。青藏高原積雪深度的變化會影響其下墊面的屬性特征，進(jìn)而影響高原與大氣間熱力的相互作用[9-10]，最終對流域下游的氣候變化產(chǎn)生重要的影響[11]。因此，研究積雪的時空變化具有重要的意義。

20世紀(jì)90年代之前，青藏高原積雪普遍呈增長的趨勢[12]，且在80年代增長趨勢最為明顯[8]，90年代末，積雪開始顯著減少[13-14]，其中東部地區(qū)積雪變化趨勢最為顯著[15]。除多等[16]研究發(fā)現(xiàn)，1981—2010年青藏高原年積雪天數(shù)以平均每10 a減少4.81 d的變化率顯著減少；白淑英等[17]分析了1979—2010年高原積雪深度的年際變化，發(fā)現(xiàn)積雪深度平均每10 a增長0.26 cm；相關(guān)研究還發(fā)現(xiàn)高原積雪天數(shù)和積雪深度的變化趨勢并不同步[18]。青藏高原的年內(nèi)積雪變化主要體現(xiàn)在積雪期長，積雪時間主要集中在10月至次年5月[12]；積雪出現(xiàn)快，消退慢[19]?？麻L青等[19]研究表明，青藏高原積雪及其變化的空間分布很不均勻，四周與腹地的積雪存在明顯差異；青藏高原的積雪敏感區(qū)在不同季節(jié)也存在空間差異性。郝振純等[20-22]對高原積雪的分布情況及年際變化特征進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)采用不同的研究方法、資料長度、季節(jié)劃分等，得到的結(jié)論各有差異。鄭淑文等[23-24]研究表明，積雪的時空變化由多種因素共同作用引起，氣候因子和地形因子是最重要的影響因素。姜琪等[25]利用1961—2014年高原110個氣象站站點資料分析積雪特征及其影響因素，發(fā)現(xiàn)積雪深度隨海拔呈增加趨勢，且在不同季節(jié)，降水、氣溫與積雪深度表現(xiàn)出不同的相關(guān)性。沈鎏澄等[26]發(fā)現(xiàn)在青藏高原中東部地區(qū)，不同季節(jié)積雪深度的影響因素不同，冬季降水起主導(dǎo)作用，其他季節(jié)氣溫起主導(dǎo)作用。此外，蔣元春等[27]研究表明，積雪變化受到不同土地類型的影響。目前的研究大多分別基于氣候因子或地形因子進(jìn)行分析，極少有研究將二者進(jìn)行對比分析，高原積雪深度長時間序列的時空動態(tài)變化，積雪與主要氣候因子(降水、氣溫)和地形因子(高程、坡度、坡向)的相互關(guān)系仍需要進(jìn)一步研究。

雅礱江中上游研究區(qū)位于青藏高原東部(圖1)，全年積雪覆蓋變化顯著，河道徑流主要由降水、地下水和融雪補(bǔ)給，流域內(nèi)多年平均流量大，積雪的時空分布對其徑流量變化有直接的影響。由于雅礱江中上游地區(qū)水文和氣象站點布設(shè)較少，針對該流域積雪分布的研究較少，本文依據(jù)研究區(qū)1979—2018年遙感反演的長系列逐日積雪深度數(shù)據(jù)及同期降水、氣溫柵格數(shù)據(jù)，分析積雪特征及氣候、地形因子的時空分布和年際變化，并進(jìn)行相關(guān)性分析，評價積雪深度對各影響因子的敏感性。旨在全面揭示研究區(qū)積雪深度的時空變化特征，初步探究雅礱江中上游積雪深度與氣候因子、地形因子之間的關(guān)系。

圖1 研究區(qū)地理位置

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

雅礱江是長江上游金沙江流域最大的一級支流，全長約1 571 km，水能資源極為豐富。雅礱江以新龍縣樂安鄉(xiāng)以上為上游，樂安鄉(xiāng)至無量河口為中游，無量河口以下為下游。雅江水文站位于東經(jīng)101°01′，北緯30°02′，站點以上干流長634 km，控制面積約6.7萬km2，占整個雅礱江流域面積的52%。雅礱江中上游研究區(qū)海拔在2 650～5 851 m 之間，地勢西北高、東南低，地貌以山地為主，北部有大面積雪山分布。受地理環(huán)境等因素約束，研究區(qū)內(nèi)氣象站及水文站站點分布較為稀疏。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

采用由地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/)提供的DEM數(shù)字高程數(shù)據(jù)，空間分辨率為 1 km，通過ArcGIS軟件得到流域坡度、坡向的空間分布。降水、氣溫以及積雪數(shù)據(jù)資料均來自國家青藏高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://data.tpdc.ac.cn/zh-hans/)，其中，降水、氣溫數(shù)據(jù)來源于中國區(qū)域地面氣象要素驅(qū)動數(shù)據(jù)集(1979—2018年)，時間分辨率為3 h，空間分辨率為0.1°，該數(shù)據(jù)集原始資料來自中國氣象局的觀測數(shù)據(jù)、再分析資料以及衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，剔除非物理意義值后，再利用ANU-Spline插值所得；積雪數(shù)據(jù)來源于中國積雪深度長時間序列數(shù)據(jù)集(1978—2020年)，時間分辨率為1 d，空間分辨率為25 km，該數(shù)據(jù)集由原始數(shù)據(jù)(經(jīng)美國國家雪冰數(shù)據(jù)中心SMMR(1979—1987年)、SSM/I(1987—2007年)和SSMI/S(2008—2018年)處理得到的逐日被動微波亮溫數(shù)據(jù)(EASE-Grid))反演所得。研究中采用雙線性插值法將降水、氣溫和積雪資料處理成空間分辨率為1 km的數(shù)據(jù)集。

根據(jù)積雪季節(jié)變化的特點，將當(dāng)年9月1日至次年8月31日定義為一個積雪年[28]，依據(jù)GB/T 35229—2017《地面氣象觀測規(guī)范》對積雪日的劃分標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)日積雪深度h<0.5 cm時，記為0 cm；當(dāng) 0.5 cm≤h<1 cm時，記為1 cm；當(dāng)積雪深度符合觀測要求，且h≥1 cm時，記為一個積雪日。一個積雪年內(nèi)第一次出現(xiàn)h≥1 cm的日期為積雪初日；最后一次出現(xiàn)h≥1 cm的日期為積雪終日；積雪天數(shù)定義為積雪期(積雪初日至積雪終日)內(nèi)有積雪深度記錄值的所有累計天數(shù)；年均雪深為積雪年內(nèi)所有積雪深度之和與該年內(nèi)積雪天數(shù)的比值。儒略日表示以1年為1個周期，當(dāng)年的第一天(即1月1日)計時為1，在周期內(nèi)從第1個儒略日開始以連續(xù)天數(shù)計算時間，當(dāng)年的最后一天(即12月31日)計時為365或366。

2 研究方法

2.1 趨勢分析法

采用線性回歸方法分析研究區(qū)積雪特征(積雪初日、積雪終日、積雪天數(shù)、積雪深度)以及氣候因子(降水、氣溫)的變化趨勢，以氣候傾向率S表征各要素隨時間的變化幅度。

此外，采用Mann-Kendall趨勢檢驗法計算變化趨勢的顯著性，該方法由世界氣象組織推薦，具有檢測范圍廣、受人為因素影響小的優(yōu)點[25]，目前被廣泛應(yīng)用于水文、氣象系列的趨勢檢驗。該方法不需要樣本服從某種分布，也不受異常值的干擾，能夠有效區(qū)分某一過程是處于自然波動狀態(tài)還是特定波動狀態(tài)。其統(tǒng)計量Z為正值表示序列呈增加趨勢，負(fù)值表示呈減少趨勢，Z值的絕對值大于1.96時，說明在0.05置信區(qū)間變化趨勢顯著。

2.2 相關(guān)分析法

采用相關(guān)分析法研究積雪深度和影響因子的相關(guān)程度，根據(jù)相關(guān)現(xiàn)象所表現(xiàn)的不同特征，對具有依存關(guān)系的變量研究其相關(guān)程度，用數(shù)學(xué)方法對其數(shù)值抽象化。

多元線性回歸常用于通過多個自變量的最優(yōu)組合來解釋并預(yù)測因變量，每個自變量對應(yīng)的回歸系數(shù)表示該自變量對因變量變化的貢獻(xiàn)程度。本文以氣候因子(降水、氣溫)與地形因子(高程、坡度、坡向)為自變量，積雪深度為因變量，建立積雪特征和影響因子的多元線性回歸關(guān)系，量化各因子對積雪深度變化的貢獻(xiàn)率。

根據(jù)下式對每個自變量進(jìn)行歸一化處理，將其結(jié)果值映射到[0,1]區(qū)間內(nèi)：

(1)

式中：x′為轉(zhuǎn)換值；x為原始值；xmax為樣本數(shù)據(jù)的最大值；xmin為樣本數(shù)據(jù)的最小值。

積雪深度和各因子對其貢獻(xiàn)率的計算公式為

(2)

(3)

式中：y為積雪深度；x′i(i=1,2,…,5)分別為經(jīng)歸一化處理的降水、氣溫、高程、坡度、坡向值;ki(i=1,2,…,5)分別為各因子的回歸系數(shù)；b為回歸殘差；ηi為因子i對積雪深度的貢獻(xiàn)率。

3 結(jié)果與分析

3.1 積雪深度及其影響因子的空間分布

研究區(qū)內(nèi)高程、坡度和坡向以及1979—2018年積雪期內(nèi)降水量、氣溫和積雪深度的多年平均值空間分布如圖2所示。圖2(a)(b)(c)表明，整體上流域西北地區(qū)海拔高、坡度緩，東南地區(qū)海拔低、坡度陡，坡向分布不均勻。圖2(d)(e)(f)表明，流域中部地區(qū)降水最為豐富，西北和東南地區(qū)降水較少；受地形因子的影響，氣溫分布呈現(xiàn)西北低、東南高的趨勢；由于地形因子與氣候因子的共同影響，積雪深度呈現(xiàn)西北大、東南小以及兩邊大、中間小的分布趨勢。總體而言，雅礱江中上游地區(qū)是積雪深度較大的區(qū)域，這主要是由于海拔越高、氣溫越低，積雪越不易融化，而坡度越陡越不利于雪層的累積。

(a)高程

以氣候因子(降水、氣溫)和地形因子(高程、坡度、坡向)為自變量，以多年平均雪深為因變量進(jìn)行多元線性回歸分析，計算1979—2018年積雪期內(nèi)各影響因子對多年平均雪深的貢獻(xiàn)率。結(jié)果表明，降水、氣溫和高程對積雪深度的貢獻(xiàn)率較高，坡度與坡向的貢獻(xiàn)率較低。降水、氣溫、高程、坡度和坡向?qū)δ昃┥羁臻g分布的貢獻(xiàn)率分別為0.218、0.453、0.206、0.080和0.043，可以看出，5個影響因子的貢獻(xiàn)率由高到低分別為氣溫、降水、高程、坡度和坡向。對氣候因子與地形因子的貢獻(xiàn)率累積求和，可得到氣候因子與地形因子對積雪深度的貢獻(xiàn)率分別為0.671和0.329，氣候因子的貢獻(xiàn)率明顯高于地形因子。

3.2 積雪特征與氣候因子的時間變化

依據(jù)積雪特征定義及雅礱江中上游積雪遙感反演得到的逐日積雪深度數(shù)據(jù)，對研究區(qū)1979—2018年積雪特征隨時間變化的趨勢進(jìn)行分析，結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出，雅礱江中上游積雪開始時間主要集中在10月和11月，積雪初日呈下降趨勢，即每年的積雪開始時間逐漸提前；積雪結(jié)束時間主要集中在次年的4月和5月，積雪終日呈上升趨勢，即積雪結(jié)束時間逐漸延遲。不同積雪年間積雪期內(nèi)的積雪天數(shù)總體呈增長趨勢，積雪天數(shù)平均每10 a增加7.52 d，多年平均積雪天數(shù)為189 d；不同積雪年間積雪期內(nèi)的年均雪深變化幅度較大，總體呈減少趨勢，年均雪深平均每10 a減少0.33 cm，多年平均雪深為3.98 cm。

已有研究表明，在全球氣候變暖大背景下，青藏高原積雪天數(shù)顯著減少[16]，但該研究區(qū)1979—2018年積雪天數(shù)總體呈增加的趨勢。從圖3可以看出，積雪初日、積雪終日、積雪天數(shù)均在1987年前后發(fā)生了趨勢變化，即表現(xiàn)為變化前積雪天數(shù)呈增加趨勢，變化后呈略微減少趨勢，這可能導(dǎo)致整個研究期表現(xiàn)為不明顯的增長趨勢。年均雪深在1987年后也表現(xiàn)出減小趨勢，這與全球氣候變暖相吻合。

(a)積雪初日

對雅礱江中上游1979—2018年積雪期內(nèi)年降水量和年均氣溫數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢分析，如圖4所示。從圖4可以看出，1979—2018年降水整體呈增長趨勢,年降水量平均每10 a增加11.47 mm，Z值為4.23，變化趨勢顯著；流域內(nèi)氣溫變化趨勢與降水相似，積雪期內(nèi)氣候變暖現(xiàn)象十分明顯，年均氣溫平均每10 a升高0.56 ℃，Z值為5.47，呈顯著上升趨勢。

(a)年降水量

3.3 積雪深度與氣候因子的空間演變

基于雅礱江中上游積雪期內(nèi)年降水量、年均氣溫和年均雪深格點數(shù)據(jù)，計算其1979—2018年氣候因子傾向率S值和趨勢檢驗Z值的空間分布，如圖5和圖6所示。結(jié)果表明，研究區(qū)積雪期內(nèi)年降水量呈增加趨勢，且絕大多數(shù)地區(qū)Z值高于1.96，變化趨勢顯著。流域內(nèi)大部分區(qū)域年均氣溫也呈上升趨勢，其中，西北部和東南部升溫顯著，中部地區(qū)升溫不明顯。多年來流域內(nèi)年均雪深多為下降趨勢，但變化趨勢不顯著，極少部分區(qū)域年均雪深呈上升趨勢。

(a)年降水量

(a)年降水量

氣溫較低時，降水的增加有助于積雪的累積，沈鎏澄等[26]在研究青藏高原中東部地區(qū)積雪變化原因時，發(fā)現(xiàn)冬季(氣溫較低)積雪變化由降水主導(dǎo)，其他季節(jié)由氣溫主導(dǎo)。該研究區(qū)的降水在時間和空間尺度上均表現(xiàn)為顯著增長的趨勢，而積雪深度卻表現(xiàn)出略微減少的趨勢，這可能是由于研究區(qū)積雪天數(shù)較長，包含了冬、春兩季。積雪期后期(即春季)，氣溫是積雪變化的主導(dǎo)因子，在全球氣溫升高的背景下，降水多以降雨的形式出現(xiàn)，這將導(dǎo)致積雪的消融，因此積雪變化是一系列因素共同作用的結(jié)果。

3.4 積雪深度及其影響因子相關(guān)性分析

在柵格尺度上計算1979—2018年積雪期內(nèi)年均雪深與年降水量、年均氣溫的相關(guān)系數(shù)(r)，分析比較年均雪深與2個氣候因子的相關(guān)性以及空間分布規(guī)律，結(jié)果如圖7所示。從圖7可以看出，積雪深度與降水量的相關(guān)系數(shù)多為正值，極少部分區(qū)域為負(fù)值，整個研究區(qū)域積雪深度與氣溫的相關(guān)系數(shù)均為負(fù)值，即積雪期內(nèi)降水增加、氣溫降低有利于積雪的形成。從相關(guān)系數(shù)在研究區(qū)的空間分布可以看出，研究區(qū)中下游區(qū)域積雪深度與降水量和氣溫的相關(guān)系數(shù)絕對值較高，說明在該區(qū)域積雪深度與這2個氣候因子的相關(guān)性相對較強(qiáng)。

(a)年均雪深與年降水量

計算1979—2018年流域面平均雪深與氣候因子(降水、氣溫)和地形因子(高程、坡度、坡向)的相關(guān)系數(shù)，結(jié)果表明，降水、高程與積雪深度呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)較高，分別為0.30和0.40；氣溫、坡度、坡向與積雪深度呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.56、-0.36和-0.04。積雪深度與氣溫相關(guān)性最強(qiáng)，與坡向相關(guān)性最弱，這表明在氣候因子中，降水越多、氣溫越低，越有利于積雪的形成；在地形因子中，海拔越高、坡度越小，越容易積雪，坡向與積雪深度的相關(guān)性較小。該研究區(qū)各影響因子與積雪深度的相關(guān)程度由強(qiáng)到弱依次為：氣溫、高程、坡度、降水和坡向。

4 結(jié) 論

a.1979—2018年雅礱江中上游區(qū)域降水、氣溫、高程、坡度和坡向?qū)δ昃┥羁臻g分布的貢獻(xiàn)率分別為0.218、0.453、0.206、0.080和0.043，貢獻(xiàn)率由高到低分別為氣溫、降水、高程、坡度和坡向，氣候因子的貢獻(xiàn)率明顯高于地形因子。

b.雅礱江中上游積雪期主要集中在10月至次年5月，不同積雪年間積雪期內(nèi)積雪天數(shù)增長率為0.752 d/a，年均雪深變化幅度較大，總體呈不明顯的減少趨勢，極少部分區(qū)域年均雪深呈增加趨勢。

c.研究區(qū)絕大多數(shù)地區(qū)年降水量和年均氣溫呈顯著上升趨勢，其中西北部和東南部積雪期內(nèi)升溫現(xiàn)象明顯。積雪深度與降水量的相關(guān)系數(shù)多為正值，與氣溫的相關(guān)系數(shù)均為負(fù)值，且在研究區(qū)中下游區(qū)域，積雪深度與這2個氣候因子的相關(guān)性相對較強(qiáng)；積雪深度與各影響因子的相關(guān)程度由強(qiáng)到弱依次為氣溫、高程、坡度、降水和坡向。