天山中段瑪納斯河上游山區雪蓋衰退過程遙感研究

李海星

南京工業大學測繪科學與技術學院，南京 江蘇 211816

季節性積雪的積累與消融，伴隨著能量與水分的存儲與再釋放，在氣候系統中扮演著極其重要的角色，是干旱半干旱地區寶貴的淡水資源。定量識別積雪信息并研究消融期雪蓋的時空衰退特征，對流域水資源管理與氣候變化具有重要的實際應用與科學研究價值。論文基于國產環境一號(HJ-1A/B)衛星數據，以天山中段瑪納斯河上游山區為研究區，結合實地考察實測數據，研究和掌握雪蓋衰退過程的時空變化差異和特點。主要研究內容和結論如下：

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

(2) 雪蓋衰退的時段變化特點。構建了基于多時相雪蓋消融信息變化時序。通過雪蓋面積和老化指數雙重變量時序變化的極大/小值，劃分雪蓋衰退時段。再通過時段變化速率、雪蓋狀態轉移速率歸納雪蓋衰退的時段與高度帶變化特點。結果表明，在每個衰退時段內雪蓋面積減少速率和老化指數增加速率具有“緩慢-加速-趨緩”的特點。在整個積雪消融期，各衰退時段的雪蓋面積減少速率則逐時段降低，積雪老化指數的增加速率逐時段先降后升。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。結果表明：①在各衰退時段，雪蓋面積和積雪老化指數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序向高海拔攀升。積雪老化指數隨新增降雪有所下降，但在衰退末期顯示出高程差異性。②坡向對新增降雪面積/積雪老化指數影響較小，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草地帶在不同時期均具有最大的積雪空間分布，積雪老化指數在不同時段均顯示了林地>草地>裸地>冰川的特性。

(4) 雪蓋衰退過程解釋。通過時空數據結構和Mann-Kendall趨勢分析方法構建了逐消融時段雪蓋時空衰退趨勢，針對主要影響因子及實測溫度資料分析了“雪蓋衰退-影響因子”局部空間關聯性。利用全局Moran’s I系數度量影響雪蓋衰退空間分布差異的不同因子大小順序為：海拔>>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聯類型制得的局部時空LISA聚集圖，結合不同關聯類型在不同地形因子的分布統計數據，發現在有效積溫條件下，雪蓋衰退趨勢與海拔顯著相關；坡向不同造成的太陽輻射差異會引起高海拔區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致天山北麓部分區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復雜的雪蓋衰退過程進行了詳細研究。以野外實測數據結合國產環境衛星遙感數據，獲取了山區消融期積雪新老狀態信息。基于多時相雪蓋范圍與新老狀態信息時空序列信息，通過綜合特定空間位置雪蓋信息的時序變化特點，以及在特定衰退時段內雪蓋信息的空間分布特征，準確把握消融期內雪蓋信息的時空變化過程與特點。結合空間關聯性方法度量了主要影響因子，并構建了其與雪蓋衰退趨勢的局部空間關聯性。不僅為流域水資源管理、徑流模擬與預報、氣候變化研究等提供科學依據，也為雪蓋變化研究提供了新的思路。