2000-2020年蒙古高原積雪覆蓋率時空變化及其影響因素分析

孫 慧，薩楚拉，孟凡浩，羅 敏，張雨惠

（1.內(nèi)蒙古師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)遙感與地理信息系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010022）

1 引言

積雪是陸地冰凍圈最重要的組成要素，以其高反照率和低熱傳導(dǎo)率在氣候系統(tǒng)中起著關(guān)鍵作用[1,2]。積雪的微小變化就會極大地影響陸-氣系統(tǒng)的輻射能量平衡和水循環(huán)過程[3]。積雪融水作為淡水資源的主要來源之一，其產(chǎn)生的地表水支撐著四分之一的全球國內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP），并且全球有超過六分之一的人口依賴季節(jié)性積雪獲得水源并開展農(nóng)業(yè)等經(jīng)濟(jì)活動，特別是在干旱地區(qū)和半干旱地區(qū)[4]，比如中國新疆[5,6]、西藏[7]以及蒙古高原[8]等地區(qū)。在全球變暖的背景下，近幾十年來全球積雪覆蓋率呈明顯的下降趨勢[9]。積雪的消融對高山地區(qū)徑流的形成產(chǎn)生巨大的影響，尤其是在高寒山區(qū)，積雪的融化直接影響上游地區(qū)徑流的強(qiáng)度，從而影響中下游地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。這表明，積雪在生態(tài)系統(tǒng)、社會經(jīng)濟(jì)以及可持續(xù)發(fā)展等方面具有不可替代的作用，并且受氣候變化的影響，積雪變化對自然和社會效應(yīng)影響日益顯著。因此，研究積雪覆蓋率的時空變化特征及其氣候因素的影響具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

近年來，國內(nèi)外許多學(xué)者開展了關(guān)于積雪覆蓋范圍、積雪深度、積雪密度、雪水當(dāng)量等積雪相關(guān)變量的時空變化特征等方面的研究。從過去90年以來，北半球積雪覆蓋范圍逐漸減少，尤其在二十世紀(jì)八十年代積雪覆蓋范圍減少最多，約減少33×105km2[10,11]。隨著全球變暖，北半球近幾十年的積雪覆蓋范圍、雪量、雪深以及積雪的持續(xù)時間表現(xiàn)為顯著下降趨勢，特別是在低海拔地區(qū)，但是在地表溫度較低的地區(qū)表現(xiàn)為增加趨勢[12]。就局部地區(qū)的積雪研究分析，姜康等[13]基于MOD10C1和MYD10C1數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)2002～2017年蒙古高原的西南部地區(qū)積雪終日提前，東部地區(qū)積雪初日提前；劉暢宇[14]利用國家氣象站數(shù)據(jù)分析了1951～1982年中國地區(qū)的積雪，發(fā)現(xiàn)中國積雪主要集中在青藏高原、中國東北以及北疆地區(qū)；王芝蘭等[15]基于被動微波遙感的雪深數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)1980～2019年青藏高原地區(qū)積雪深度呈緩慢下降趨勢；張曉聞等[16]基于由“中國西部環(huán)境與生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)中心”提供的積雪數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)1979～2016年東北地區(qū)積雪日數(shù)呈增加趨勢；買合木提江·維吉旦等[17]基于MOD10A1數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)2000～2019年北疆地區(qū)積雪終日推遲，而南疆地區(qū)積雪終日提前。在積雪時空分布的研究基礎(chǔ)上，許多學(xué)者也對影響積雪變化的因素進(jìn)行分析。薩楚拉等[18]基于MOD10A2積雪產(chǎn)品發(fā)現(xiàn)2002～2012年蒙古高原積雪覆蓋面積整體呈微弱的減少趨勢，其變化主要是由于氣溫的升高造成；白淑英等[19]基于中國雪深長時間數(shù)據(jù)集發(fā)現(xiàn)青藏高原地區(qū)雪深分布受高程、坡度、坡向地形因素的影響。

蒙古高原屬于干旱、半干旱地區(qū)，是內(nèi)陸高原地區(qū)，其主要的補(bǔ)水來源于積雪融化，積雪覆蓋率變化可以直接反映水資源狀況。因此，對蒙古高原積雪覆蓋率的時空分布特征及其對氣候變化的響應(yīng)進(jìn)行分析，為政府制定氣候適應(yīng)政策提供科學(xué)依據(jù)。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 研究區(qū)概況

蒙古高原為東亞內(nèi)陸高原，位于37°22′N～53°20′N，87°43′E～126°04′E，西起蒙古阿爾泰山，東至大興安嶺，北以薩彥嶺、肯特山為界，南以陰山為界。行政區(qū)劃范圍包括俄羅斯南部、蒙古國全境、中國內(nèi)蒙古自治區(qū)以及新疆維吾爾族自治區(qū)部分地區(qū)。選取蒙古高原主體地區(qū)，即蒙古國全境和中國內(nèi)蒙古自治區(qū)作為研究區(qū)（圖1）。其面積約274.95×104km2，以高平原和山地地貌類型為主，平均海拔約1580m。屬于溫帶大陸性氣候，從西向東由干旱區(qū)向半干旱區(qū)過度。年均氣溫極差大，超過40℃，年均降水量約200mm（8時）[20]。

圖1 研究區(qū)地理位置圖

2.2 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

積雪數(shù)據(jù)選用由美國國家冰雪數(shù)據(jù)中心（NSIDC）提供的2000～2020年逐日積雪數(shù)據(jù)產(chǎn)品MOD10A1，版本V006，空間分辨率為500m（https://nsidc.org/data/mod10a1/versions/6）。選用覆蓋研究區(qū) 的11景 影 像（h23v03、h23v04、h24v03、h24v04、h25v03、h25v04、h25v05、h26v03、h26v04、h26v05、h27v04），利用MRT軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣、圖像拼接、投影轉(zhuǎn)換等預(yù)處理。溫度和降水?dāng)?shù)據(jù)選用由歐洲中期天氣預(yù)報中心（ECMWF）提供的ERA5再分析數(shù)據(jù)集，空間分辨率為0.1°（https://www.ecmwf.int/）。用于分析積雪對氣候因子變化的響應(yīng)。

2.3 研究方法

2.3.1 積雪覆蓋率的提取

由于MODIS第6版本逐日積雪產(chǎn)品僅提供了歸一化積雪指數(shù)（Normalized Difference Vegetation Index，NDSI），未 提 供 具 體 的 積 雪 覆 蓋 率（Snow Cover Fraction，SCF）值，因此，本研究采用MODIS積雪數(shù)據(jù)產(chǎn)品用戶指南[21]推薦的經(jīng)驗(yàn)回歸計算積雪覆蓋率。

一個像元中積雪所占的比例為像元積雪覆蓋率（Pixel Snow Cover Fraction，SCFP）。其計算見公式（1）：

式中：NDSIP表示對應(yīng)像元的歸一化積雪指數(shù)值。

通過統(tǒng)計積雪像元個數(shù)（Ns）以及對應(yīng)SCFP，可以計算出研究區(qū)的積雪覆蓋率（SCF）。如公式（2）所示：

2.3.2 趨勢分析法

采用Sen’s斜率法分析2000-2020年蒙古高原SCF、溫度和降水的變化趨勢，該方法主要是通過計算出序列斜率的中值表示其變化趨勢，是較為成熟的變化趨勢統(tǒng)計方法[22]。計算公式為：

式中：Xi和Xj分別表示第i年和第j年的變量值，在本文中2000≤i≤j≤2020；β為Sen’s斜率值，表示變量的變化趨勢，β大于0表示變量呈上升趨勢，β小于0表示變量呈下降趨勢，β小于0表示變量呈穩(wěn)定趨勢。

采用Mann-Kendall檢驗(yàn)法計算變量變化趨勢的顯著性，該方法屬于非參數(shù)檢驗(yàn)法，與參數(shù)檢驗(yàn)法相比，樣本不用服從某種分布，受到異常值干擾較小，目前在氣象、水文方面的趨勢檢驗(yàn)中被廣泛使用[23]。其統(tǒng)計量Z值的正負(fù)表示其變量呈增加或減少趨勢，Z值的絕對值大于1.96時，表示在0.05置信區(qū)間，說明趨勢變化顯著。

2.3.3 相關(guān)性分析

采用Person相關(guān)系數(shù)分析像元尺度上積雪覆蓋率與氣候因子之間的相關(guān)性，計算公式為：

式中：n表示時間序列長度，xi和yi分別表示兩個變量的具體值，和分別表示兩個變量的樣本均值。Rxy大于0表示兩個變量呈正相關(guān)；Rxy小于0表示兩個變量呈負(fù)相關(guān)。Rxy的絕對值越接近1說明兩個變量越相關(guān)。

3 結(jié)果

3.1 積雪覆蓋率時空變化特征

3.1.1 空間分布特征

圖2為2000～2020年蒙古高原年均積雪覆蓋率空間分布。由圖可知，積雪覆蓋率分布具有明顯的區(qū)域性差異，整體上表現(xiàn)為南部地區(qū)積雪覆蓋率（0%～25%）明顯少于北部地區(qū)（40%～85%）。其中，西部蒙古阿爾泰山和杭愛山海拔高于2000m的地區(qū)積雪覆蓋率最大，其大于60%，而兩山脈之間低海拔地區(qū)的積雪覆蓋率小于45%。北部肯特山及其周圍地區(qū)的積雪覆蓋度在30%～60%之間。東部大興安嶺東側(cè)地區(qū)、中國赤峰市和通遼市的積雪覆蓋率小于30%，而呼倫貝爾高原的積雪覆蓋率大于45%。蒙古高原的中部和西南部地區(qū)的積雪覆蓋率最少，其小于10%，這可能是由于該地區(qū)大多為沙漠或隔壁，蒸發(fā)快，導(dǎo)致積雪難以留存于地表。

圖2 2000-2020年蒙古高原年均積雪覆蓋率空間分布

采用Sen’s斜率方法逐像元計算2000～2020年蒙古高原積雪覆蓋率變化趨勢的空間分布（圖3）。由圖3可知，蒙古高原71.68%的地區(qū)積雪覆蓋率呈減少趨勢，其中中部肯特山南側(cè)和東側(cè)地區(qū)、西部蒙古阿爾泰山南側(cè)地區(qū)的積雪覆蓋率減少幅度最大，其變化趨勢小于-1%/a；西南部中國阿拉善盟及其附近地區(qū)的積雪覆蓋率變化幅度最小，其變化趨勢接近0%/a。28.32%的地區(qū)積雪覆蓋率呈增加趨勢，其中東部大興安嶺東側(cè)、呼倫貝爾高原和錫林郭勒高原的部分地區(qū)的積雪覆蓋率增加幅度最大，其變化趨勢大于1.5%/a；此外，西北部蒙古阿爾泰山和杭愛山地區(qū)的積雪覆蓋度也呈增加趨勢。

圖3 2000-2020年蒙古高原積雪覆蓋率變化趨勢空間分布

采用Mann-Kendall檢驗(yàn)法計算2000～2020年蒙古高原積雪覆蓋率變化趨勢的顯著性，結(jié)果如圖4和表1所示。91.38%的蒙古高原地區(qū)積雪覆蓋率變化不顯著。其中積雪覆蓋率呈不顯著增加趨勢的地區(qū)占整個研究區(qū)的27.26%，主要集中在蒙古高原東部錫林郭勒高原、西北部杭愛山和阿爾泰山地區(qū)；另外，呈不顯著減少趨勢的地區(qū)占整個研究區(qū)的65.12%，主要分布在蒙古高原北部、中部、西南部以及西部。然而，僅7.62%的蒙古高原地區(qū)積雪覆蓋率變化顯著。其中6.56%的地區(qū)積雪覆蓋率變化趨勢呈顯著減少，主要分布在西部蒙古阿爾泰山南側(cè)、北部肯特山東側(cè)、東部大興安嶺中部地區(qū)；另外，僅1.06%的地區(qū)積雪覆蓋率變化趨勢呈顯著增加，零星分布在西北部蒙古阿爾泰山、東部大興安嶺東側(cè)和通遼市。

圖4 2000-2020年蒙古高原積雪覆蓋率變化趨勢顯著性檢驗(yàn)

表1 2000～2020年蒙古高原積雪覆蓋率變化趨勢分類表

3.1.2 時間變化特征

圖5為蒙古高原2000～2020年逐年平均積雪覆蓋率統(tǒng)計圖。由圖可知，蒙古高原年均積雪覆蓋率在18%～38%之間波動并且波動幅度較大。其中2002年、2004年、2009年、2012年、2015年積雪覆蓋率在33%以上；而2005年、2008年、2013年、2014年、2017年、2018年積雪覆蓋率在25%以下；其余10年積雪覆蓋率在25%～33%之間波動。年際平均積雪覆蓋率相差最大18.9%，其中2002年積雪覆蓋率最大（37.26%），2018年積雪覆蓋率最小（18.36%）。當(dāng)年的積雪覆蓋率與前一年的積雪覆蓋率相比（從2001年開始），有8年的積雪覆蓋率呈增加趨勢，有12年的積雪覆蓋率呈減少趨勢。根據(jù)整體的趨勢線可知，蒙古高原2000～2020年年際積雪覆蓋率以0.18%/a的速率微弱減少。

圖5 2000-2020年蒙古高原積雪覆蓋率平均時間序列變化

3.2 氣候影響因子時空變化特征

3.2.1 空間分布特征

圖6為2000～2020年蒙古高原年均溫度和降水的空間分布。由圖可見，溫度和降水的空間分布具有明顯的區(qū)域性特征。就溫度而言（圖6(a)），南部地區(qū)明顯高于北部。其中，西北部蒙古阿爾泰山和杭愛山地區(qū)、北部薩彥嶺和肯特山地區(qū)的年均溫度最低，其小于5℃；東部大興安嶺的年均溫度在-4℃～4℃之間；蒙古高原中部以及東部的中國赤峰市和通遼市的年均溫度在4℃～10℃之間；而西南部地區(qū)的年均溫度最高，其大于10℃。對于降水而言（圖6(b)），從西南部向東北部地區(qū)年均降水逐漸增加。其中，蒙古高原西南部、西北部蒙古阿爾泰山與杭愛山之間的地區(qū)年均降水量最少，其小于100mm；蒙古高原中部地區(qū)年均降水量也較少，在100～200mm之間；而北部薩彥嶺、肯特山以及東部大興安嶺東側(cè)地區(qū)的年均降水量最多，其大于500mm。

圖6 2000-2020年蒙古高原年均溫度(a)和降水(b)空間分布

圖7 是2000～2020年蒙古高原溫度和降水變化趨勢的空間分布。由圖(a)可知，蒙古高原僅3.97%的地區(qū)溫度呈減少趨勢，主要集中在西北部薩彥嶺地區(qū)以及蒙古阿爾泰山北側(cè)部分地區(qū)，其溫度以大于0.02℃/a的速度減少；而96.03%的地區(qū)溫度呈增加趨勢，其中西北部部分地區(qū)、北部肯特山周圍地區(qū)、東部中國烏蘭察布市地區(qū)的溫度增加幅度較大，其變化趨勢大于0.07℃/a，其余地區(qū)的變化趨勢主要在0.02～0.07℃/a之間。由圖(b)可知，蒙古高原36.73%的地區(qū)降水呈減少趨勢，主要分布在蒙古高原南部、北部肯特山西側(cè)地區(qū)；63.27%的地區(qū)降水呈增加趨勢，其中東部大興安嶺東側(cè)降水增加幅度最大，其變化趨勢大于8mm/a，西北部蒙古阿爾泰山和杭愛山、北部薩彥嶺南側(cè)和肯特山東側(cè)地區(qū)的降水變化趨勢主要在2～7mm/a之間。

圖7 2000-2020年蒙古高原溫度(a)和降水(b)變化趨勢空間分布

圖8 和表2是2000～2020年蒙古高原溫度和降水變化趨勢的顯著性統(tǒng)計。結(jié)合圖8(a)和表2可知，蒙古高原僅0.02%的地區(qū)溫度呈顯著減少，零星分布在薩彥嶺地區(qū)；溫度呈不顯著減少的地區(qū)也相當(dāng)少，僅占蒙古高原的3.95%，主要分布在北部薩彥嶺地區(qū)；然而南部，大部分地區(qū)的溫度呈增加趨勢，其中24.42%的地區(qū)溫度呈顯著增加，主要分布在蒙古高原南部、西南部蒙古阿爾泰山南側(cè)和杭愛山南側(cè)地區(qū)；另外71.61%的地區(qū)溫度呈不顯著增加趨勢，主要分布在蒙古高原西北部蒙古阿爾泰山北側(cè)和杭愛山北側(cè)、中部、北部以及東部地區(qū)。結(jié)合圖8(b)和表2可知，蒙古高原94.45%的地區(qū)降水變化趨勢不顯著，其中36.58%的地區(qū)降水呈不顯著減少，主要分布在蒙古高原南部、西北部蒙古阿爾泰山西側(cè)、阿爾泰山與杭愛山之間、北部肯特山西側(cè)地區(qū)；57.87%的地區(qū)降水呈不顯著增加，主要分布在西北部蒙古阿爾泰山和杭愛山、北部薩彥嶺和肯特山及其東側(cè)和南側(cè)、東部大興安嶺地區(qū)；然而蒙古高原僅5.55%的地區(qū)降水呈增加趨勢，其中5.4%的地區(qū)降水呈顯著增加，主要分布在西北部蒙古阿爾泰山北部地區(qū)、北部薩彥嶺與杭愛山之間和肯特山及其東側(cè)、東部大興安嶺東側(cè)地區(qū)；而只有0.15%的地區(qū)降水呈顯著減少趨勢，零星分布在肯特山西側(cè)地區(qū)。

圖8 2000-2020年蒙古高原溫度(a)和降水(b)變化趨勢顯著性檢驗(yàn)

表2 2000～2020年蒙古高原溫度和降水變化趨勢分類表

3.2.2 時間變化特征

圖9為蒙古高原2000～2020年逐年平均溫度和降水統(tǒng)計圖。由圖9(a)可知，蒙古高原年均溫度在1.9～4.6℃之間波動。其中2007年、2017年、2019年、2020年溫度在3.8℃以上；而2000年、2003年、2005年、2010年、2011年、2012年溫度在2.8℃一下；其余10年溫度在2.8～3.8℃之間波動。年際平均溫度相差最大2.63℃，其中2007溫度最高（4.57℃），2012年溫度最低（1.94℃）。當(dāng)年的溫度與前一年的溫度相比（從2001年開始），有12年的溫度呈增加趨勢，有8年的溫度呈減少趨勢。根據(jù)整體的趨勢線可知，蒙古高原2000～2020年年際溫度以0.038℃/a的速率微弱減少。由圖9(a)可知，蒙古高原年均降水在230～350mm之間波動。其中2003年、2012年、2016年、2019年、2020年 降 水 在300mm以上；而2005年、2007年、2009年、2017年降水在250mm一下；其余12年降水在250～300mm之間波動。年際平均降水相差最大115.02mm，其中2003降水最多（349.12mm），2017年降水最少（234.1mm）。當(dāng)年的降水與前一年的降水相比（從2001年開始），有10年的降水呈增加趨勢，有10年的降水呈減少趨勢。根據(jù)整體的趨勢線可知，蒙古高原2000～2020年年際降水以0.84mm/a的速率增加。

圖9 2000-2020年蒙古高原溫度(a)和降水(b)平均時間序列變化

3.3 積雪覆蓋率與氣候因子相關(guān)性分析

圖10 是2000～2020年蒙古高原積雪覆蓋率變化與溫度和降水變化的相關(guān)性空間分布。由圖10(a)可知，89.43%的蒙古高原地區(qū)積雪覆蓋率變化與溫度變化呈負(fù)相關(guān)，僅10.57%的地區(qū)積雪覆蓋率變化與溫度變化呈正相關(guān)。其中，13.13%的地區(qū)相關(guān)系數(shù)小于-0.3，零星分布在蒙古高原北部薩彥嶺和肯特山周圍、東部大興安嶺北側(cè)和中國錫林郭勒盟地區(qū)；76.3%的地區(qū)相關(guān)系數(shù)在-0.3～0之間，主要分布在蒙古高原西南部、南部、中部以及東部中國通遼市和赤峰市；9.73%的地區(qū)相關(guān)系數(shù)在0～0.3之間，零星分布在蒙古高原西北部、東部以及南部地區(qū)；相關(guān)系數(shù)在0.3～0.6之間和大于0.6的地區(qū)分別占研究區(qū)的0.81%和0.03%，零星分布在蒙古高原西北部地區(qū)。由圖10(b)可知，63.51%的蒙古高原地區(qū)積雪覆蓋率變化與降水變化呈負(fù)相關(guān)，36.49%的地區(qū)積雪覆蓋率變化與降水變化呈正相關(guān)。其中，2.6%的地區(qū)相關(guān)系數(shù)小于-0.3，零星分布在蒙古高原西北部蒙古阿爾泰山北側(cè)、北部薩彥嶺及其東側(cè)和肯特山東側(cè)地區(qū)；60.91%的地區(qū)相關(guān)系數(shù)在-0.3～0之間，與溫度相同主要分布在蒙古高原西南部、南部、中部以及東部中國通遼市和赤峰市；26.11%的地區(qū)相關(guān)系數(shù)在0～0.3之間，主要分布在蒙古高原西北部蒙古阿爾泰山和杭愛山及其北側(cè)地區(qū)、北部薩彥嶺和肯特山及其西側(cè)地區(qū)、東部大興安嶺西側(cè)和北側(cè)以及錫林郭勒高原地區(qū)；10.09%的地區(qū)相關(guān)系數(shù)在0.3～0.6之間，主要分布在蒙古高原西北部蒙古阿爾泰山和杭愛山北側(cè)、北部肯特山西側(cè)和南側(cè)、東部大興安嶺和錫林郭勒高原地區(qū)；0.29%的地區(qū)相關(guān)系數(shù)大于0.6，零星分布在蒙古高原西部蒙古阿爾泰山、東部錫林郭勒高原地區(qū)。就研究區(qū)整體而言，積雪覆蓋率變化與溫度變化呈負(fù)相關(guān)，而與降水變化呈正相關(guān)，其相關(guān)系數(shù)分別為-0.23和0.22。

圖10 2000?2020年蒙古高原年均積雪覆蓋率與溫度(a)和降水(b)的相關(guān)系數(shù)

4 結(jié)論

本文利用MODIS積雪產(chǎn)品數(shù)據(jù)以及ERA5的溫度和降水再分析數(shù)據(jù)，分析2000～2020年蒙古高原積雪覆蓋率時空分布特征及其對氣候變化的相關(guān)關(guān)系，得出以下結(jié)論：

（1）蒙古高原積雪覆蓋率整體上表現(xiàn)為南部地區(qū)（0%～25%）明顯少于北部地區(qū)（40%～85%），其中，積雪覆蓋率最大（大于60%）的地區(qū)集中在西部蒙古阿爾泰山和杭愛山海拔高于2000m的地區(qū)。

（2）近21年蒙古高原71.68%的地區(qū)積雪覆蓋率呈減少趨勢，28.32%的地區(qū)呈增加趨勢；整個蒙古高原以0.18%/a的速率減少。

（3）蒙古高原積雪覆蓋率變化與溫度變化主要呈負(fù)相關(guān)（-0.23），與降水變化主要呈正相關(guān)（0.22）。