基于2001-2015年遥感数据的天山山区雪线监测及分析-李帅.pdf

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1、第卷第期年月 水科学进展 ，： 基于 年遥感数据的天山山区雪线监测及分析 李帅，侯小刚，郑照军，张连成，木扎帕尔木合塔尔，胥志德（中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，新疆乌鲁木齐 ； 新疆维吾尔自治区气候中心，新疆乌鲁木齐 ；国家卫星气象中心，北京 ； 乌鲁木齐气象卫星地面站，新疆乌鲁木齐 ； 民航新疆管理局，新疆乌鲁木齐 ）摘要：基于 年 、 以及相关气象数据，采用积雪持续时间比率法，监测了天山山区的季节雪线高程，分析了其变化特征及影响因子。结果表明： 近年天山山区雪线整体呈显著上升趋势，平均高程 左右，其中，北坡、伊犁河谷、南坡季节雪线的稳定性依次减弱，平均高程分别为 、 及 ；空间上雪线高

2、程呈现南高北低、东高西低的纬度地带性分布特点。 年际尺度上，气温是影响天山山区雪线高程的主控因素，呈显著正相关，南北坡与之相同，但伊犁河谷则降水是影响其变化的主控因素，呈显著负相关；季节尺度上，夏季气温、冬季降水是影响雪线高程的主控因素，降水与其呈负相关，但气温较高的地区，夏秋季降水会促进积雪融化，使雪线高程上升；月尺度上， 月气温、 月降水对其影响最明显，且存在一定的滞后反应。 天山山区雪线高程比零度层低 左右，两者呈较好正相关；雪线高程与（ ）呈负相关，植被覆盖较好区域，同年与雪线高程相关性较好，植被覆盖较差区域，前一年与其相关性较好。关键词：雪线高程；遥感；天山山区；影响因子中图分类号：

3、 ； 文献标志码： 文章编号： （）收稿日期： ；网络出版时间： 网络出版地址： ： 基金项目：国家自然科学基金资助项目（； ）作者简介：李帅（ ），女，陕西西乡人，硕士，主要从事遥感技术与应用。 ： 雪线是陆地终年积雪与夏季无雪区之间的零平衡线，它既是冰川学上的一个重要标志，又是山地垂直带的重要界限，是与林线、冻土带下界和寒漠土上界同等重要的自然地理界限。作为常年积雪区和冰川的下界线，其高程值在空间上的分布变化，不仅反映了常年积雪区和冰川的变化特征，更反映了高山、高原及极地地区某些气候行为的变化特征，因此，准确监测雪线变化对水资源利用、气候演变及灾害预测有着重要意义。天山北坡经济带是新疆重要

4、的经济开发区，也是新疆多雪区域之一，其中乌苏至乌鲁木齐一带的山麓和山前平原纳洪地区，融雪型洪水灾害普遍而剧烈，对周边流域经济发展及人身安全带来很大威胁，各地州水利部门对于雪线尤其是季节雪线监测产品有着急切的需求。因此，开展天山山区季节雪线分布规律的深入研究，对正确评价、合理开发该地区水资源有十分重要的意义。山地冰川地形复杂，人员难以到达，但随着政府部门对于雪线高程需求的迫切性，雪线提取方法从耗费人力物力的传统实地考察测量，到结合实测数据的间接量测，发展到目前基于手段进行雪线高程的动态研究成为一种必然趋势。雪线的研究多集中在青藏高原地区，新疆区域的研究更关注于积雪监测方面，对于雪线的研究较少，部

5、分专家利用实测资料进行了特征分析，如蒋忠信对中国西部雪线的趋势进行了分析，王欣等分析了塔里木河流域冰川系统平衡线分布特征，张连成等开展了基于遥感的雪线高程提取方法对比分析，并从空间变化角度分析了天山山区雪线分布特征。万方数据第期李帅，等：基于 年遥感数据的天山山区雪线监测及分析 目前，很少有学者利用长时间的遥感资料提取并分析近十几年天山山区不同区域雪线的时空变化及影响因素，本文在监测方法上进行了改进，包括引入了积雪产品去云处理、稳定积雪期的确定等，这对迅速提取大区域雪线高程具有重要的借鉴意义，并在分析内容上从零度层高度、植被指数角度研究了其与雪线高程的关系，对于开展融雪径流模拟，特别是融雪型洪

6、水的预警等具有重要意义。资料和方法 研究区域中国境内的天山山脉位于北纬 和东经 之间，横亘新疆全境，中部高山阻隔了新疆南、北向水汽的输送，形成南干北湿的大环境，年最大降水量为 ，最小降水量仅 左右。天山境内盆地、山脉相间出现，导致垂直气候差异巨大，吐鲁番盆地气温最高达，大西沟气温最低仅为 。由于夏季西风带经过西边界输入的水汽在新疆北部大部分向东向南扩散，少部分在中西部和西南角积聚，为天山山区冰川发育提供了必要的水汽条件，加之巨大的高度差异、有利的地理位置以及独特的山地走势，均有利于冰川的发育，使其高山带和极高山带成为干旱区淡水资源的贮藏库和生命的保障地。 研究资料本文所使用的资料主要包括：从

7、数据中心定制覆盖新疆区域的 年雪盖产品（ ）以及植被指数产品（）；从美国网站（： ）获取的雪冰产品；新疆气象信息中心获取的气象站点气温、降水、零度层高度数据；分辨率为 的数据。其中， 日雪盖产品较其他积雪产品而言，空间分辨率较高为 、时间序列较长从年至今，但其受云干扰较严重，本文利用融合了各种卫星影像（、 、 等）、衍生图像产品（雪冰分析， 、 、模式等）以及地面观测资料的雪冰产品进行了去云处理，减少了云的干扰。 研究方法本文主要利用去云后的 雪盖产品，基于“积雪持续时间比率法”提取雪线边界，并基于统计学的方法分析了气温、降水、零度层高度以及植被指数与雪线高程的关系。其中， “积雪持续时间比率

8、法”提取的雪线高程与 提取的“真值”相关系数达 ，其平均误差、绝对平均误差以及均方根误差分别为 、 和 。本文所研究的雪线概指季节性雪线中的夏季雪线，具体方法为：将 年 月的 雪盖产品进行拼接、投影、重采样、裁剪等处理；结合冰雪产品，采用空间和时间滤波相结合的方法进行去云处理（图），生成研究区 年逐日无云积雪产品数据，并利用气象站点实测数据进行精度验证，去云后积雪产品在研究区的总体监测精度为 ，接近去云前晴空积雪产品在研究区总体监测精度 ；常年积雪期时间的选取及积雪持续比率法阈值的确定；采用人机交互的方法绘制雪线位置矢量，形成雪线产品；利用数据提取雪线高程，并基于四分位法进行误差平滑。其中，研

9、究日期的确定，是利用预处理后的 年 数据，计算出天山山区每年 月日雪盖面积，经统计得出每年最小积雪面积出现日期（图），从而得出近年最小积雪面积出现日期为第天，即月日到月日，此范围则被确定为研究日期。由于近年最小积雪覆盖接近于这段时间的“常年积雪”，所以下文统称为“常年积雪”。积雪持续时间比率的确定，是分别将年、 年、 年第 天去云后的积雪产品数据进行叠加，计算一个像元在 内出现积雪的概率，提取积雪出现概率分别为 、 、 直到的雪线高程，并以 数据作为“真值”进行误差分析，误差最小时积雪出现概率为最小误差比率。图为不同年份、不同比率的误差曲线图，可以看出最小误差比率分别为万方数据水科学进展第卷

10、、 、 ，取此年最小误差比率的均值 作为天山山区以 数据叠加时的积雪持续时间比率阈值，即一像元 出现积雪，则认定其为“常年积雪”，将其下边缘作为天山山区的雪线。图 时空滤波法去云后结果（年月日） （ ， ）图天山山区 年最小积雪面积出现日期 图天山山区不同年份、不同比率提取的雪线高程与“真值”的偏差 “ ” 结果分析 近年天山山区季节雪线高程变化特征图为天山山区雪线高程年际变化图，可以看出，近年天山山区各区域雪线高程均呈波动上升趋势。天山山区平均雪线高程为 ，以 的倾向率明显上升， 年达到最大值 ，比最低年份年高 。与西藏高原平均雪线高程 相比，天山山区较低，相差近 ，但其近年的上升速率是西藏

11、高原 的近倍。其中，天山南坡平均雪线高程为 ，上升趋势最为明显，倾向率为 ，于年达到近年最大值 ，比最低年份年高 ；天山北坡为 ，倾向率为 ，于年达到最大值 ，比最低年份年高 ；伊犁河谷地区为 ，倾向率为 ，于年达最大值 ，比最低年份年高 。研究表明，天山山区实际测量的平均雪线高程为 ，其中，天山南坡（库尔勒段）为 ，天山北坡（乌鲁木齐段）为 ，伊犁河谷（伊犁段）为 ，本文提取的雪线高程与实测值相比，误差率分别为 、 、 及 。万方数据第期李帅，等：基于 年遥感数据的天山山区雪线监测及分析 从图可以看出，天山山区雪线空间分布体征为：南高北低、东高西低、向东部凸出，具有纬度地带性分布特点。最高点

12、在天山南段乌恰县境内，高程为 ，然后向东北方向递减。最低点在伊犁河谷，为 ，向东逐渐递增，在吐鲁番盆地达到最大值 ，变化梯度为 ，之后变化较为平稳，振幅 。形成这种分布的原因可能是由于天山南坡受高大山脉阻挡，大西洋水汽难以进入，同时面向塔克拉玛干沙漠，空气干燥，使此区域降水较少，温度较高，雪线较高；伊犁河谷三面环山，来自大西洋的水汽在此被阻挡，致使迎风坡降水丰富，温度较低，雪线较低；大西洋水汽越过山脉之后向四周深处逐渐递减，沿天山中东段方向到吐鲁番盆地水汽达到最低，加之此区域温度较高，使雪线达到最高值。图天山山区各区域雪线高程年际变化 图天山山区雪线高程空间分布 天山山区季节雪线高程变化的影响

13、因素 天山山区雪线高程与气温、降水的相关性及滞后性分析表为天山山区各区域雪线高程与气温、降水相关关系，气温、降水数据是利用天山山区个气象台站的日观测数据，经计算得到月、季、年均值。可以看出，天山山区雪线高程与年均温的相关、偏相关系数分别为 、 ，呈显著正相关；与年降水量的相关、偏相关系数分别为 、 ，呈负相关；气温是影响其雪线高程的主导因素，这可能是由于气温对雪线的影响是持续的，而降水是间断的，天山山区地形复杂，南北跨度大，气温区域差异明显，在年降水量没有显著线性变化趋势的情况下，气温就成为影响其雪线变化的主导因素。天山南坡雪线高程与年气温、年降水均呈正相关，但相关性较弱，这主要是由于天山南坡

14、尤其是西段的冰川面积较大，研究表明冰川越大对气候变化越不敏感，而且南坡夏季降雨相对较多、温度高，降雨会促进冰雪融化；天山北坡雪线高程与年气温呈显著正相关，相关系数达 ，与年降水呈负相关；伊犁河谷地区雪线高程主要受年降水影响，呈显著负相关，相关、偏相关系数分别为 、 ，这主要是由于伊犁河谷降水频次较高，降水量较大，对雪线高程形成了一定累计效应，因此，降水成为影响其变化的主导因素。总体而言，气温升高，引起雪线高程上升，降水增多，导致雪线高程降低，但不同海拔区域的雪线高程受气温、降水变化的影响存在差异，低海拔区受降水影响更大，高海拔区受气温影响更多，当海拔高度超过一定值域后，雪线高程对气候变化相对不

15、敏感。从表也可以看出，季节尺度上，夏季气温、冬季降水是影响天山山区雪线高程变化的主控因素；秋季气温、冬季降水对天山北坡的影响最大，春季气温、秋季降水对天山南坡影响最大，夏季气温和夏季降水对伊犁河谷贡献最大。这与青藏高原研究成果“气温升高是粒雪线高度变化的主导因素”相同，同时在西藏高原的研究中，也指出“雪线与温度呈正相关，与降水呈负相关，但是各区域雪线与气温、降水之间的关系又存在差异。”万方数据水科学进展第卷表天山山区各区域雪线高程与气温、降水相关系数 ， ， 气温相关春夏秋冬年平均气温偏相关春夏秋冬年平均天山山区 天山山区 天山南坡 天山南坡 天山北坡 天山北坡 伊犁河谷 伊犁河谷 降水相关春

16、夏秋冬年平均降水偏相关春夏秋冬年平均天山山区 天山山区 天山南坡 天山南坡 天山北坡 天山北坡 伊犁河谷 伊犁河谷 注： 水平上， 水平上，相关性显著（双侧检验）。表为天山山区各区域雪线高程与月气温、月降水相关系数，从表可看出，月尺度上， 月气温、 月降水对天山山区雪线高程的影响最明显，且存在一定滞后反应。由于南北坡及伊犁河谷所处的气候类型不同，其对气候变化响应也存在一定的地区差异，南北坡及伊犁河谷地区，均是月气温与雪线高程相关性最好，呈显著正相关；降水对天山南坡雪线高程影响最大是前一年的月，而天山北坡、伊犁河谷依次在月、 月，呈显著负相关。这可能是由于伊犁河谷一带受大西洋暖湿气流的影响，相对

17、降水比较丰富，山区降水极值达 ，其后春至初夏的降水量占到全年的。表天山山区各区域雪线高程与月气温、月降水相关系数 ， 天山山区天山南坡天山北坡伊犁河谷气温相关降水相关气温相关降水相关气温相关降水相关气温相关降水相关月 月 月 月 月 月 月 月 月 月 月 月 注： 水平上， 水平上，相关性显著（双侧检验）。 天山山区雪线高程与零度层高度的相关性图为天山山区各区域雪线高程与零度层的相关性曲线图，零度层高度数据采用与雪线高程提取同时段的、探空站监测的点、 点日数据。从图可以看出，天山山区雪线高程比零度层低，均值相差 左右，这可能由于积雪的融化是一个热量累计过程，温度达到 时继续吸热，才能由固态雪

18、变为液态水，所以雪线高程要比零度层高度低，至于这个差距是多少，还有待于研究；其次，两者精度不同，遥感雪线高程是在分辨率为 的数据源上提取的线数据，而零度层高度是探空站实测的点数据；再者，探空站海拔都较低，站点较少，测得的零度层高度与山顶雪线处实际零度层高度之间可能还是有一定差距，这些原因共万方数据第期李帅，等：基于 年遥感数据的天山山区雪线监测及分析 同导致雪线高程比零度层低。但是，两者有较显著的相关性，均通过了 的显著性检验，尤其是与点的零度层高度，相关系数达 ；天山南坡零度层高度与其雪线高程的相关性最好，相关系数达 ，信度系数为 ；天山北坡次之，相关系数为 ；伊犁河谷最低，相关系数仅为 。

19、分析其原因可能是由于零度层高度变化主要受气温影响，如果地面气温上升，大气层结稳定度被破坏，有利于气流的抬升运动，将底层热能向高层输送，使得高层气温上升，零度气温层高度也抬升，反之亦然，从前面的分析看出伊犁河谷雪线高程主要受降水影响，而气温是天山南北坡的主控因素。图天山山区各区域雪线高程与零度层的相关性 天山山区雪线高程与的相关性图天山山区雪线高程与值的相关性 利用分辨率为 的植被产品，经过拼接、投影、重采样、裁剪等预处理，计算得到天山山区 年 月的 的植被指数，与天山山区及各区域雪线高程变化做相关分析及显著性检验（图），可以看出天山山区雪线高程与（ ）呈负相关，与同年相关系数为 ，与前一年相关

20、系数为 ，即生长期地表植被覆盖度越好，雪线高程越低，前一年的植被覆盖状况对天山山区积雪积累及消融有更大影响。分析其原因，可能是由于雪盖及植被指数均采用产品，具有相同的通道特征、卫星测摆等；其次，研究表明植被能截留 的降雪量，同时影响积雪的重分布过程，且植被的盖度、高度以及地形都会对积雪的累积及消融过程产生不同影响。天山南、北坡及伊犁河谷地区雪线高程与同年的相关系数分别为 、 和 ，与前一年的相关系数分别为 、 和 。植被覆盖状况较好区域，同年与雪线高程相关性较好；植被覆盖状况较差区域，前一年与雪线高程相关性较好，其中深层次的原因仍需进一步研究。万方数据水科学进展第卷图中 标号的个点明显偏离相关

21、曲线，分别为年、 年、 年和年雪线高程对的响应，这个点的偏离，反映了在一定条件下，气温、降水等其他因素对雪线高程的影响。 年年平均气温较常年（ 年）偏低 ，尤其夏季明显较常年偏低，且秋冬季降水距平为 ，因此， 年雪线高程比常年偏低。 年年平均气温较常年偏高 ，尤其夏季气温明显较常年偏高； 年年平均气温较常年偏高 ，且秋冬季降水距平为 ； 年年平均气温较常年偏高 ，虽然年降水距平为 ，但冬季降水较常年少，因此，雪线高程也比常年偏高。这也从侧面说明，夏季气温、冬季降水是影响天山山区雪线高程变化的主控因素。结 论（）近年来天山山区季节雪线整体呈显著上升趋势，其平均高程在 左右，天山北坡、伊犁河谷、天

22、山南坡雪线的稳定性依次减弱，平均高程分别为 、 和 ；其空间分布特征为南高北低，东高西低，向东部凸出，具有纬度地带性分布特点。（）年际尺度上，气温是影响天山山区雪线高程的主控因素，呈较高正相关，南北坡与之相同，但伊犁河谷地区降水是影响其变化的主控因素，呈较高负相关；季节尺度上，夏季气温、冬季降水是影响天山山区雪线高程的主控因素；月尺度上， 月气温、 月降水对天山山区雪线高程的影响最明显。总体而言，气温与雪线高程呈正相关；降水与雪线呈负相关，但气温较高地区，夏秋季降水会促进积雪融化，使雪线高程迅速上升。（）天山山区雪线高度比零度层低 左右，但两者有较好的相关性，天山南坡的零度层高度与其雪线高程的

23、相关性最好，相关系数达 ；天山北坡次之，相关系数为 ；伊犁河谷最低，相关系数仅为 。（）雪线高程与呈负相关，即生长期地表植被覆盖度越好，雪线高程越低，且前一年的植被覆盖状况对天山山区积雪积累及消融有更大影响。但对各区域来说，植被覆盖状况较好区域，同年与雪线高程相关性较好；植被覆盖状况较差区域，前一年与雪线高程相关性较好，其中深层次的原因仍需进一步研究。参考文献：张润江，赵福岳，方洪宾，等青藏高原近 现代雪线遥感调查国土资源遥感， ， （）： （ ， ， ， ， ， （）： （ ）杜建括基于遥感与实测的玉龙雪山冰川变化兰州：兰州大学， （ ： ， （ ）韩芳，张百平，谭靖，等山体基面高度对青藏高

24、原及其周边地区雪线空间分布的影响地理研究， ， （）： （ ， ， ， ， ， （）： （ ）王襄平，张玲，方精云中国高山林线的分布高度与气候关系地理学报， ， （）： （ ， ， ， （）： （ ）李兰海，尚明，张敏生 降水数据驱动的融雪径流模拟水科学进展， ， （）： （ ， ， ， （）： （ ）刘潮海中亚天山冰川资源及其分布特征冰川冻土， ， （）： （ ， ， （）： （ 万方数据第期李帅，等：基于 年遥感数据的天山山区雪线监测及分析 ）蒋复初，吴锡浩，王书兵，等中国气候雪线空间分布特征地质力学学报， ， （）： （ ， ， ， ， ， （）： （ ）肖飞，杜耘，凌峰，等基于水流路径

25、分析的雪线数字提取遥感学报， ， （）： （ ， ， ， ， ， （）： （ ） ， ， ， ， ， （）： 史建桥，白淑英，高吉喜，等近 西藏高原雪线时空变化及其与气象因素关系分析沙漠与绿洲气象， ， （）： （ ， ， ， ， ， （）： （ ） ， ， ， ， ， （）： 唐志光，王建，梁继基于的青藏高原雪线高度遥感监测遥感技术与应用， ， （）： （ ， ， ， ， （）： （ ）陈安安，陈伟，吴红波，等 年木孜塔格冰鳞川冰川粒雪线高度变化研究冰川冻土， ， （）： （ ， ， ， ， ， ， （）： （ ）马勇刚，黄粤，陈曦，等新疆积雪覆盖时空变异分析水科学进展， ， （）： （ ， ， ， ， ， （）： （ ）胡列群，黄慰军，殷克勤，等新疆冬季雪水资源估算及分布特征水科学进展， ， （）： （ ， ， ， （）： （ ）蒋忠信中国西部现代雪线的趋势面分析地理科学， ， （）： （ ， ， （）： （ ）王欣，谢自楚，冯清华塔里木河流域冰川系统平衡线的计算及其分布特征冰川冻土， ， （）：