黃河源區積雪時空變化特征

摘 要：黃河源區積雪量豐富，積雪變化對黃河水文及生態影響深遠。利用國家青藏高原科學數據中心逐日中國雪深長時間序列數據集，對１９８８—２０１７ 年黃河源區平均積雪深度、積雪天數、積雪初日、積雪終日進行了時空變化分析。結果表明：黃河源區積雪變化與海拔相關，海拔越高積雪深度、積雪天數越大，積雪初日越早、積雪終日越晚；平均積雪深度以－０．１８７ ｃｍ／ （１０ ａ） 的速率在０．０１水平呈顯著減小趨勢，１９９７ 年最大（２．７ ｃｍ）、２００３ 年最小（０．３ ｃｍ）；積雪天數以－９．７６３ ｄ／ （１０ ａ）的速率在０．０１ 水平呈顯著減小趨勢，１９９２ 年達到最大值１５８．８ ｄ、２００３ 年達到最小值６２．９ ｄ；積雪初日以１．７４５ ｄ／ （１０ ａ）的速率在０．１ 水平呈延后趨勢，最早出現日期為１９９２ 年８ 月１２ 日，最晚出現日期為２００３ 年１１ 月１６ 日；積雪終日以５．００６ ｄ／ （１０ ａ）的速率在０．０５ 水平呈明顯提前趨勢，最早出現日期為２００９ 年３ 月１８ 日，最晚出現日期為１９９２ 年５ 月２ 日。

關鍵詞：積雪深度；積雪天數；積雪初日；積雪終日；黃河源區

中圖分類號：Ｐ４２６．６３＋ ５；ＴＶ８８２．１ 文獻標志碼：Ａｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２３．０４．０１５

引用格式：范霄寒，韋玲利，朱莎莎，等．黃河源區積雪時空變化特征［Ｊ］．人民黃河，２０２３，４５（４）：８７－９１．

積雪對氣候、河川徑流量、海平面等具有較大影響，在氣候變化和調節中起著重要作用［１－２］ 。耦合融雪分布式水文模型能夠較為精確地推求融雪徑流量［３］ ，融雪徑流量受積雪變化影響，而積雪變化對氣候變化極具敏感性，氣溫和降水量的變化均會導致融雪徑流量的變化［４］ 。積雪融水是河流重要的補給水源，對河流水文及生態具有重要影響。全球變暖，積雪特征發生很大變化［３］ ，中國三大積雪地區積雪天數、積雪深度等均呈下降趨勢，東北—內蒙古積雪區積雪特征變化尤為明顯，從東向西積雪天數逐漸減少，積雪深度減小［５］ 。青藏高原是中國重要的積雪區，也是北半球積雪量較大的區域，青藏高原積雪變化特征備受國內外關注［６］ ，青藏高原被稱作全球氣候變化的指示器，是積雪時空變化研究的重點區域［７］ 。黃河發源于青藏高原，黃河源區積雪變化受氣候影響顯著［８］ ，積雪融水對青藏高原地區河流補給及水生態保護具有重要作用［９］ ，研究黃河源區積雪變化對黃河流域生態保護和高質量發展具有重要意義。

１ 黃河源區概況

黃河發源于青藏高原巴顏喀拉山北麓約古宗列盆地。位于青藏高原東北的黃河源區面積為１２．２ 萬ｋｍ２，約占黃河流域總面積的１５％，海拔為２ ６６７ ～６ ２４７ ｍ（見圖１），屬內陸高原氣候區，冷熱兩季交替，凍土、積雪、冰川分布廣泛。

２ 數據來源及處理

２．１ 積雪參數

對１９８８—２０１７ 年黃河源區積雪深度ＳＤ、積雪天數ＳＣＤ、積雪初日ＳＣＳ、積雪終日ＳＣＭ 共４ 個積雪參數進行變化特征分析，為有效解決黃河流域水資源及水生態環境問題提供依據。將９ 月１ 日至次年８ 月３１ 日作為一個積雪年［１０］ ，將積雪深度ＳＤ ≥ ０．５ ｃｍ 的自然日作為一個積雪日，將一個積雪年內首次出現積雪深度ＳＤ ≥０．５ ｃｍ的日期作為積雪初日，將一個積雪年內最后一次出現積雪深度ＳＤ ≥ ０．５ ｃｍ 的日期作為積雪終日。積雪天數是在一個積雪年內積雪初日到積雪終日所有積雪深度ＳＤ ≥０．５ ｃｍ的累計積雪日，平均積雪深度為一個積雪年的日均積雪深度。

（１） 積雪天數ＳＣＤ。根據中國雪深長時間序列數據集目前可用的被動微波遙感分辨率，將一個積雪年中在３０ ｋｍ × ３０ ｋｍ 像元上觀測到積雪深度ＳＤ ≥ ０．５ｃｍ 的積雪天數作為積雪天數ＳＣＤ，即某個像元在一個完整積雪年中觀測到存在積雪的天數，計算公式為

式中：Ｓｉ 為某積雪年第ｉ 天積雪情況，取值為０ 和１，其中０、１ 分別代表不存在、存在積雪深度≥ ０．５ ｃｍ 的積雪。

（２） 積雪初日（ＳＣＳ） 和積雪終日（ＳＣＭ）。對黃河源區１９８８—２０１７ 年每一個積雪年的積雪初日、積雪終日進行計算。

式中：Ｆｄ 為一個固定天數，即１９８８—２０１７ 年最大積雪覆蓋面積對應的天數，根據已有數據確定其值為１６７ ｄ；ＳＣＤｂＦｄ、ＳＣＤａＦｄ 分別為Ｆｄ 之前積雪天數、Ｆｄ 之后積雪天數。

（３）線性傾向率。線性傾向率可以反映黃河源區平均積雪深度、平均積雪天數、積雪初日、積雪終日在１９８８—２０１７ 年的變化趨勢。采用最小二乘法計算［９］ ，根據黃河源區積雪參數年際變化得出平均積雪深度、平均積雪天數、積雪初日、積雪終日與積雪年份的線性關系，其斜率即線性傾向率大于０ 說明在１９８８—２０１７年積雪呈增加趨勢，小于０ 說明積雪呈減少趨勢。為分析積雪參數變化的顯著性，利用Ｆ 檢驗對線性傾向率進行０．０１、０．０５、０．１ 水平的顯著性檢驗。

２．２ 數據來源

積雪數據來源于國家青藏高原科學數據中心逐日中國雪深長時間序列數據集，其原始數據來自于美國國家雪冰數據中心，投影有ＲＡＳＥ－ＧＲＩＤ 和經緯度兩種方式。逐日積雪數據空間分辨率為２５ ｋｍ，是通過處理美國國家雪冰數據中心ＳＭＭＲ（１９７９—１９８７ 年）、ＳＳＭ／ Ｉ（１９８７—２００７ 年）和ＳＳＭＩ／ Ｓ（２００８—２０１８）逐日被動微波亮溫數據（ＥＡＳＥ－Ｇｒｉｄ）后的數據。

２．３ 數據處理

對中國雪深長時間序列數據集進行格式轉換，利用Ｐｙｔｈｏｎ 將原數據的ＡＳＣⅡ格式批量轉為ｔｉｆ 格式，再將此數據集進行裁剪，輸出范圍選定為黃河源區，得到黃河源區逐日雪深數據集。利用Ｍａｔｌａｂ 對黃河源區１９８８—２０１７ 年逐日雪深數據集進行處理，獲得逐年積雪深度、積雪天數、積雪初日和積雪終日等參數。

３ 研究結果

３．１ 積雪深度空間變化

（１）積雪深度空間分布。１９８８—２０１７ 年黃河源區各像元多年平均積雪深度空間分布見圖２，可以看出黃河源區存在大量積雪，但多年平均積雪深度在不同區域存在差異。高海拔地區多年平均積雪深度較大；源區上游到黃河源頭的西南部、東部多年平均積雪深度在２．９ ｃｍ 以上；黃河源區東部、東北部等區域多年平均積雪深度較小，約為０．５ ｃｍ；其他大部分區域多年平均積雪深度為１～３ ｃｍ。

（２） 積雪深度空間變化。對黃河源區各像元１９８８—２０１７ 年平均積雪深度與積雪年的線性傾向率進行計算，得到平均積雪深度變化趨勢，見圖３。平均積雪深度呈減小趨勢，平均積雪深度逐年下降。其中黃河源區中部區域平均積雪深度下降約２．７ ｃｍ；中部和西部區域平均積雪深度下降明顯，原因是該地區氣溫較低，而氣溫變化對平均積雪深度變化影響較大；黃河源區東部、北部、東南局部區域平均積雪深度緩慢增大。黃河源區積雪深度整體呈下降趨勢，研究時段內下降０．５～１．５ ｃｍ。

３．２ 積雪天數空間變化

（１）積雪天數空間分布。１９８８—２０１７ 年黃河源區各像元平均積雪天數空間分布見圖４，可以看出黃河源區中部、南部、西部區域平均積雪天數在１６０ ｄ 以上，局部區域在２１０ ｄ 以上；中南部、北部區域積雪儲存條件良好，平均積雪天數為１１０～１６０ ｄ；東南部、東部區域平均積雪天數較少，一般在６０ ｄ 以內，尤其是東部區域平均積雪天數大多為２０ ｄ 左右，原因是海拔較低、溫度較高，不利于積雪存儲。

（２）積雪天數變化趨勢。１９８８—２０１７ 年黃河源區積雪天數線性傾向率即積雪天數變化趨勢見圖５。黃河源區積雪天數整體呈減少趨勢，其中西部、中部區域３０ 個積雪年積雪天數減少６０～９０ ｄ；黃河源區北部、南部部分區域積雪天數呈增加趨勢，但僅增加１０～２０ ｄ。

３．３ 積雪初日、積雪終日空間變化

（１）積雪初日、積雪終日空間分布。積雪初日、積雪終日是一對非常重要的積雪參數，提前或推遲是影響積雪天數變化的重要因素，黃河源區各像元年平均積雪初日、積雪終日空間分布見圖６。可以看出，黃河源區最早出現積雪的時間集中在９ 月底至１０ 月中旬（２５～４０ ｄ），主要分布在黃河源區中部、南部、西南部，海拔較高；隨著海拔降低，積雪初日出現時間逐漸推遲；年平均積雪初日較晚地區主要分布在西北部、東北部、東部區域，一般１１ 月中旬至１２ 月中旬（８５ ～ １１４ｄ）出現積雪。積雪終日在黃河源區中部、南部、西南部海拔高的地區出現較晚，最晚在次年６ 月（２９０ ｄ）積雪融化，次年７ 月、８ 月整個黃河源區處于無雪狀態；積雪終日較早出現區域集中在東北部、東部、西北部區域，在２ 月、３ 月（１５０～２００ ｄ）積雪融化。

（２）積雪初日、積雪終日空間變化趨勢。１９８８—２０１７ 年黃河源區各像元積雪初日、積雪終日線性傾向率見圖７。可以看出，黃河源區積雪初日整體呈延后趨勢，延后區域主要分布在黃河源區中部、西部、東南部，平均延后２０～４０ ｄ；積雪初日在北部、西北部、東部局部區域出現提前，提前幅度較小，平均提前３～１０ ｄ，個別區域提前２０ ｄ 左右。積雪終日整體處于提前狀態，提前區域分布在黃河源區中部、西部區域，平均提前２０～４０ ｄ，部分區域提前６０ ｄ 左右；局部區域積雪終日存在延后，主要分布在黃河源區西部，延后幅度不大，平均延后３～１０ ｄ，個別區域延后２０～３０ ｄ。

３．４ 黃河源區積雪參數變化特征

黃河源區１９８８—２０１７ 年平均積雪深度、積雪天數、積雪初日、積雪終日４ 個積雪參數年際變化情況見圖８。平均積雪深度在１９８８—２０１７ 年以－０．１８７ ｃｍ／ （１０ａ）的速率在０．０１ 水平呈顯著減小趨勢，黃河源區平均積雪深度１９９７ 年最大（２．７ ｃｍ），２００３ 年最小（０．３ ｃｍ）。積雪天數在１９８８—２０１７ 年以－９．７６３ ｄ／ （１０ ａ）的速率在０．０１ 水平呈顯著減少趨勢，黃河源區積雪天數１９９２ 年最大（１５８．８ ｄ），２００３ 年最小（６２．９ ｄ）。積雪初日在１９８８—２０１７ 年呈延后趨勢，以１．７４５ ｄ／ （１０ ａ）的速率在０．１ 水平顯著延后，黃河源區積雪初日最早出現日期為１９９２ 年８ 月１２ 日，最晚出現日期為２００３ 年１１ 月１６ 日。積雪終日在１９８８—２０１７ 年呈顯著提前趨勢，以５．００６ ｄ／（１０ ａ）的速率在０．０５ 水平提前，黃河源區積雪終日最早出現日期為２００９ 年３ 月１８ 日，最晚出現日期為１９９２ 年５ 月２ 日。

綜上，１９８８—２０１７ 年黃河源區平均積雪深度、積雪天數不斷減少，積雪初日不斷延后，積雪終日不斷提前，積雪終日提前比積雪初日延后造成的積雪天數減少更明顯。積雪變化原因主要是全球變暖環境下溫度上升；除溫度因素對積雪變化有影響外，降水對積雪變化影響也較大［５］ ；太陽輻射、氣溶膠等氣象因子，積雪顆粒大小、結構密度等，以及下墊面條件（植被、凍土）等都是影響積雪變化的重要因素。不同區域積雪變化的主要原因是未來一段時間的研究重點，此外，研究積雪變化對黃河水文效應和災害效應的影響，對黃河生態保護具有重要意義。

４ 結 語

多年平均積雪深度、平均積雪天數、平均積雪初日、平均積雪終日空間分布具有一定規律性，在黃河源區中部、南部、西部多年平均積雪深度、平均積雪天數較大，平均積雪初日比其他區域早，平均積雪終日比其他區域晚。平均積雪深度、積雪天數在中部、南部、西部區域減小速度最快，與其空間分布規律基本一致。積雪終日在黃河源區中部、南部、西部區域提前較多，積雪初日整體呈延后趨勢。積雪終日提前比積雪初日延后對積雪天數減少的影響更明顯。

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【責任編輯 呂艷梅】