阿勒泰地區冬季積雪變化及其與氣溫及降水的關系

陳愛京　肖繼東　楊志華

摘要 ? ?本文對阿勒泰地區2004—2018年冬季積雪變化及其與氣溫、降水之間的關系進行了分析。結果表明，阿勒泰地區11月開始形成積雪穩定期，12月積雪覆蓋率迅速發展，主要表現為積雪面積的擴張，12月到翌年2月發展到鼎盛階段，1月達到最高峰;隨著暖季的到來，氣溫逐漸回升，積雪也逐漸消融。14年來，>20 cm的積雪面積年際變化趨勢較大，總體呈明顯下降趨勢。積雪變化與降水幾乎沒有相關關系，但積雪面積與氣溫有很高的負相關性，受氣溫的影響較大，說明氣溫是影響積雪變化的主導因素。

關鍵詞 ? ?積雪;氣溫;降水;新疆阿勒泰

中圖分類號 ? ?P468.02 ? ? ? ?文獻標識碼 ? ?A

文章編號 ? 1007-5739（2019）19-0187-04 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）

Variation ?of ?Winter ?Snow ?Cover ?and ?Its ?Relationship ?with ?Temperature ?and ?Precipitation ?in ?Altay ?Region

CHEN Ai-jing ? ?XIAO Ji-dong ? ?YANG Zhi-hua

（Urumqi Meteorological Satellite Ground Station，Urumqi Xinjiang 830001）

Abstract ? ?This paper analyzed the winter snow cover in the Altay region from 2004 to 2018 and its relationship with temperature and precipitation. The results showed that the Altay region began to form a stable snow period in November，and the snow cover rate developed rapidly in December. It is characterized by the expansion of the snow area. It reached the peak stage from December to February of the next year.In January，it reached the peak. With the arrival of the warm season，the temperature gradually rose and the snow gradually disappeared. In the past 14 years，the annual variation trend of the snow cover area of >20 cm was relatively large，and showed a significant overall downward trend. There was almost no correlation between snow cover and precipitation，but the snow area had a high negative correlation with temperature，which was affected by temperature，indicating that temperature was the dominant factor affecting snow changes.

Key words ? ?snow cover;temperature;precipitation;Altay Xinjiang

積雪作為最活躍且具有多重屬性的地表覆蓋類型，是冰凍圈內最敏感的環境變化響應因子，積雪時空變化被認為是氣候變化的指示器[1]。大范圍積雪影響氣候變化、地表輻射平衡與能量交換、水資源利用、工農業和生活用水資源、環境、寒區工程等一系列與人類活動相關的要素[2]。積雪對氣候環境變化十分敏感，特別是季節性積雪，在干旱區和寒冷區既是最活躍的環境影響因素，也是最敏感的環境變化響應因子[3]。

人們對于積雪的研究越來越多，例如李培基[4]使用1978—1987年SMMR微波候積雪深度資料，1973—1989年NOAA周積雪面積圖以及青藏高原60個基本氣象臺站1957—1992年逐日積雪深度、密度和月積雪日數記錄，揭示出亞洲高原積雪時空分布特征。郭艷君等[5]利用3年來NOAA衛星遙感和常規觀測的中國積雪資料，對比研究了二者在不同季節和不同年代的逐月積雪日數。楊建平等[6]應用長江黃河源區及其周邊地區16個氣象站逐日積雪資料，分析了長江黃河源區積雪的空間分布和年代變化特征。黃慰軍等[7]利用29個有雪密度觀測的氣象站40年氣象資料對新疆雪密度時空分布及其影響特征進行了研究，結果表明，新疆雪密度的分布呈現從盆地（及其周邊）到山地（及其周邊）最后到海拔3 800～4 000 m以上高山帶，雪密度隨高度的升高依次升高。依據雪密度分布圖和時間函數計算得出，穩定期新疆雪密度最大平均值為0.191 g/cm3。胡列群等[8]利用新疆91個氣象臺站1960—2011年的觀測資料，對南北疆及天山山區冬春年（10月至翌年5月）的積雪日數最大積雪深度、積雪初始、終止日期等因子進行了統計，對新疆區域近50年積雪變化特征進行了分析。唐志光等[9]采用基于三次樣條函數的去云算法對2001—2015年天山地區的逐日MODIS積雪面積比例產品進行了去云處理，在此基礎上分析了近15年天山地區積雪的時空分布及其變化特征。何海迪等[10]利用2011—2015年MOD10A2積雪產品和氣象數據，通過幾何校正、去云預處理，應用歸一化差分積雪指數算法等獲取中國境內天山山區積雪覆蓋面積數據，分析了中國天山積雪面積的時空變化特征及與氣溫、降水的關系。結果表明：①年內積雪面積呈單峰變化。②2001—2015年積雪覆蓋面積整體上呈減少趨勢，積雪覆蓋率最大值的波動比最小值的波動更加劇烈。③積雪覆蓋率隨著海拔升高而增大，海拔<1 500 m區域積雪覆蓋率低于10%，海拔>4 500 m以上區域積雪覆蓋率平均可達70%，為常年穩定積雪區。積雪覆蓋率在西北坡最高，南坡最低。④年均氣溫升高是積雪覆蓋面積減小的主因，年積雪覆蓋面積變化與年降水量變化保持一致的下降趨勢。梁鵬斌等[11]利用2001—2017年MOD10A2積雪產品和氣象數據，分析祁連山積雪面積動態變化特征及與氣溫、降水的關系。結果表明，2001—2017年祁連山積雪面積年際波動趨勢較大，呈減小趨勢，夏冬季積雪面積減小趨勢大于春季，秋季呈現略微增加趨勢;祁連山區積雪面積主要分布在3 000～4 000 m及4 000～5 000 m，積雪覆蓋率隨著海拔上升呈現逐漸增大的趨勢;初步分析認為，祁連山積雪面積變化對氣溫要素更敏感。

新疆占中國國土面積的1/6，屬干旱半干旱區，地表水資源匱乏，但季節性積雪水資源豐富，占全國積雪水資源總量的1/3[12]，對于冬季嚴寒而漫長和以干旱著稱的新疆，雪是重要的水分氣候資源。新疆冬季積雪時間長、雪量較為豐富，農牧業生產與積雪這一重要水資源關系密切[13]。因此，對新疆積雪變化特征進行分析，是了解新疆水資源的重要依據，也為今后生態環境的建設奠定基礎。

1 ? ?數據與方法

1.1 ? ?研究區概況

阿勒泰地區位于新疆北部，與蒙古和俄羅斯接壤，地理坐標為北緯44°59′35″～49°10′45″、東經85°31′37″～91°1′15″，總體地勢趨勢是北高南低、東南高西北低。該區屬大陸性寒溫帶氣候，但面積廣袤，地貌類型復雜多樣，高差懸殊，氣候差異非常明顯。山區年降水量300～500 mm，年均溫度-4℃～ -2 ℃;山前平原區受荒漠氣候影響，年降水量130～150 mm，年均溫3.4～4.2 ℃;荒漠區年降水量80～90 mm，年均溫6 ℃。海拔500～4 374 m，3 200 m以上為冰雪作用帶，氣候是夏季干熱少雨，冬季嚴寒多雪，受西伯利亞氣流影響，常在10月至次年4月發生雪災天氣，1月極端最低氣溫達 -40 ℃，冬季積雪深厚，積雪期長達120 d左右，積雪最高厚度達60 cm，山區達1.2 m，冬季積雪深厚，雪災頻繁，暴雪給牧業、交通和人民生活帶來極大的危害。

1.2 ? ?數據及處理

1.2.1 ? ?MODIS數據與處理方法。MODIS具有36個光譜通道，分布在0.4～14.0 μm的電磁波譜范圍內[14]。包含用于積雪監測的可見光波譜范圍內的通道4（0.545～0.565 μm）與近紅外波譜范圍內的通道6（1.628～1.652 μm），這2個波段主要反映地物對太陽輻射的反射特性。MODIS儀器的空間分辨率分別為250 m（通道1～2）、500 m（通道3～7）、1 000 m（通道8～36），視幅寬度為2 330 km，每日或每2 d可獲取1次來自大氣、海洋和陸地表面信息的全球觀測數據。MODIS對積雪的監測主要是利用積雪在1.6 μm的強吸收特性，利用MODIS數據制作的積雪監測影像具有分辨率高、監測范圍廣的特點，可以清楚地反映出積雪覆蓋的范圍。

本文使用的積雪覆蓋數據（時間序列為2004年11月至2018年3月）是由新疆遙感中心開發的積雪遙感監測系統生成的，首先對MODIS 1B數據進行幾何糾正，通過EOS/MODIS用戶端軟件EOSSHOP，對MODIS數據進行幾何糾正，生成等經緯度投影、中心經度為88.5°、中心緯度為47°、中心分辨率為0.002 5（即空間分辨率為250 m）、影像大小為2 800×2 000的局地文件LD2（Local Data Version2），然后將局地文件通過積雪遙感監測系統計算出旬的積雪覆蓋率，再將三旬的積雪覆蓋率做平均得到2004年11月至2018年3月冬半年的月積雪覆蓋率數據。北疆北部屬北溫帶寒涼區大陸性氣候，冬季嚴寒而漫長，長達5個月（當年11月至次年3月）。11—12月為前冬，1月為隆冬，2—3月為后冬[15]。

1.2.2 ? ?氣象數據與處理方法。對2004年11月至2018年3月阿勒泰地區7個氣象站點冬半年的月氣象觀測數據進行了分析，首先對氣象數據進行了質量控制，根據相似臺站相似和氣候平均值方法修正或填補明顯有誤或空缺的資料[16]。對所得的月積雪覆蓋率、月積雪面積、月平均氣溫、月平均降水數據加以分析，并通過統計軟件作進一步的相關分析。

2 ? ?結果與分析

2.1 ? ?積雪的年內變化

將2004年11月至2018年3月冬半年內的月積雪覆蓋率的平均值作為當年的積雪覆蓋率，統計出阿勒泰地區冬半年的月積雪覆蓋率數據。結果表明，阿勒泰地區的積雪屬于季節性積雪，阿勒泰地區一般積雪期為5～6個月，冬季積雪隨著氣溫的降低，穩定積雪開始形成，積雪覆蓋率逐漸增加。阿勒泰地區11月開始形成積雪穩定期;12月積雪覆蓋率迅速發展，主要表現為積雪面積的擴張;12月到2月發展到鼎盛階段，1月達到最高峰，積雪覆蓋率從47.9%增加到90.8%左右，在鼎盛時期積雪面積相對穩定，積雪深度不斷增加。3月開始，氣溫逐漸回升，積雪也開始慢慢消融，積雪覆蓋率開始下降，積雪面積減小（圖1、2）。

2.2 ? ?積雪的年際變化

對阿勒泰地區2004—2018年冬季的積雪覆蓋率、積雪總面積以及>20 cm的積雪面積進行了統計，得到阿勒泰地區積雪的年際變化特征，結果如圖3、4、5所示。可以看出，2007—2008年和2017—2018年的積雪覆蓋率和積雪總面積較小，分別為63.75%、67 767.46 km2和64.70%、69 519.2 km2，明顯小于多年平均值;2009—2010年冬季的積雪覆蓋率和積雪總面積最大，分別為95.12%和101 421.01 km2，其余年份在平均值上下波動;2004—2018年積雪覆蓋率和積雪總面積年際整體變化趨勢不是很大，略微有下降的趨勢。對 >20 cm的積雪面積繪制年際變化曲線，其中2017—2018年>20 cm的積雪面積最小，為15 163.53 km2，比多年均值少16 937 km2;2009—2010年>20 cm的積雪面積最大，為55 997.6 km2，比多年平均值多23 897.1 km2。>20 cm的積雪面積線性變化趨勢較大，總體呈明顯的下降趨勢。這可能是由于全球氣候變暖加劇了山區積雪的消融。

2.3 ? ?積雪面積與氣溫及降水的關系

為了更深入地分析積雪變化與氣溫及降水的相關性，本文分別對阿勒泰地區積雪總面積、<20 cm的積雪面積、 >20 cm的積雪面積與氣溫、降水的關系進行了分析。積雪面積采用每月的上、中、下三旬的平均值合成的月數據，為使氣溫和降水資料與積雪面積數據相對應，氣象資料是相對應積雪數據的月平均氣溫和降水的數據。

2.3.1 ? ?積雪面積與氣溫的關系。一般情況下，氣溫越低，越有利于積雪的累積和穩定，從積雪總面積、<20 cm的積雪面積、>20 cm的積雪面積與氣溫的相關性分析（圖6、7、8，表1）可以看出，積雪總面積、<20 cm的積雪面積、>20 cm的積雪面積都與氣溫成較高的負相關性，相關系數分別為-0.851、 -0.637、-0.379，均通過了0.01的顯著性檢驗，說明積雪面積受氣溫的影響很大。由于<20 cm的積雪面積大多數都集中在平原區或者淺山帶，受氣溫的影響較大，氣溫的下降有利于<20 cm的積雪面積的累積;著氣溫的升高，平原區和淺山帶的積雪也會迅速融化，積雪面積也隨之減少;>20 cm的積雪面積大多數集中在高山區，其海拔較高，積雪相對穩定，受氣溫的影響相對小一些。

2.3.2 ? ?積雪面積與降水的關系。從積雪總面積、<20 cm的積雪面積、>20 cm的積雪面積與平均降水的相關性分析（圖9、10、11，表1）可以看出，積雪總面積、<20 cm的積雪面積、 >20 cm的積雪面積都與平均降水的相關性很小，相關系數分別為-0.059、-0.130、0.079，均未通過顯著性檢驗，說明積雪面積幾乎不受降水的影響。

綜上所述，積雪面積與降水幾乎沒有相關關系，但積雪面積與氣溫的負相關性卻很高，說明溫度對積雪面積變化影響很大，隨著氣溫的下降，穩定積雪開始形成，積雪面積開始擴張，隨著氣溫的升高，積雪開始融化，積雪面積逐漸減小，氣溫是影響積雪變化的主導因素。

3 ? ?結論

（1）由近14年阿勒泰地區年內積雪變化可知，隨著氣溫下降，穩定積雪開始形成;1—2月積雪發展到鼎盛階段，積雪覆蓋率達到峰值，積雪面積相對穩定;3月隨著氣溫升高，積雪開始消融，積雪覆蓋率開始衰減，積雪面積開始減少。

（2）近14年，阿勒泰地區除2009—2010年冬季的積雪總面積最大外，其余年份都在平均值上下波動，積雪總面積年際變化不大;但>20 cm的積雪面積年際變化趨勢較大，總體呈明顯的下降趨勢。

（3）積雪變化與氣溫、降水的相關性分析發現，積雪變化與降水幾乎沒有相關關系，但積雪面積與氣溫有很高的負相關性，受氣溫的影響較大，說明氣溫是影響積雪變化的主導因素[17-18]。

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