玛纳斯河流域积雪年内分配与年际变化研究_干旱区资源与环境

为了对虚拟气象站点进行插值，本文选用虚拟气象站缓冲区 200 公里内的 18 个气象站
点资料进行基于 DEM 的协同 Kriging 插值，并利用位于同一地理单元内的大西沟、乌鲁木
齐牧业气象站和小渠子对插值结果进行交叉验证。结果证明：基于 DEM 的协同 Kriging 插
值可以较好的反映年平均气温、累计降水量、初雪日及积雪日数随海拔高度的变化趋势，其
干旱区资源与环境
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天山北坡典型内陆河流域积雪年内分配与年际变化研究 —以玛纳斯河流域为例
陈晓娜1，2，包安明1
（1 中国科学院新疆生态与地理研究所，乌鲁木齐 830011，
2 中国科学院研究生院，北京 100049）
摘要
以 500 米分辨率的 MOD10A2 积雪遥感影像和气象站点数据为基础，以积雪覆盖率和初雪日与积雪日数 为变量对玛纳斯河流域积雪的年内分配（2007 年 10 月-2008 年 9 月）与年际变化（1960 年-2006 年）进行 了分析探讨。结果表明：水文年内玛纳斯河流域积雪变化较大，北部开阔的河谷地带积雪覆盖呈现明显的 季节性变化；南部山区海拔较高，季节性积雪消融后，流域冰川主要分布在在海拔 3600 米以上的山顶以及
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图 4 2007 年 10 月~2008 年 9 月玛纳斯河流域积雪覆盖变化 Fig.4 The snow cover change of Manasi River Basin between Oct of 2007 and Sep of 2008
基金项目：国家科技支撑计划项目（2007BAH12B03）；中国科学院知识创新工程重要方向项目（KZCX2-YW-334） 作者简介：陈晓娜（1984-），女，河南汝州人，在读硕士研究生，研究方向为遥感与地理信息系统在积雪
水文学研究中的应用.E-mail:chenxiaona_gucas@
对比玛纳斯地区 Landsat5 TM 影像和 DEM 图可以发现，流域积雪分布与海拔高度和下 垫面的坡度、坡向密切相关，且流域内不同海拔高度的积雪覆盖变化呈现一定的不同步性。 季节性积雪消融后冰川主要分布在海拔 3600 米以上的山顶以及山谷间西北向的坡地上（图 j，图 k，图 l）。
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关键词：玛纳斯河流域；积雪变化；MOD10A2
0 引言
积雪对地球表层能量平衡、大气循环以及湿度、降雨和流域水文状况有着重要联系和明 显的反馈作用[1]，其对气候环境变化十分敏感，特别是季节性积雪，在干旱区和寒冷区既是 最活跃的环境影响因素，也是最敏感的环境变化响应因子[2]。IPCC 第四次评估报告指出全 球平均气温、海温以及海平面在升高，大范围的雪和冰川在融化，气候系统在近 100a （1906-2005）发生了显著变化[3]。积雪是气候的产物，气候系统的长期变化必然导致积雪 特征的相应变化，从而引起相应水文环境变化。西北干旱区地表水资源贫乏，但季节性积雪
山谷间西北向的坡地上。同时，1960~2006 年间玛纳斯河流域积雪呈现出初雪日推迟和积雪日数减短的趋 势。对流域初雪日出现的频率分析表明：1960~1988 年间流域初雪日出现的时间相对较早，平均出现日期
为每年的第 303 天，1994-2006 年间初雪日有显著推迟，平均出现日期为每年的第 313 天。于此同时，玛 纳斯河流域的积雪日数呈将少趋势，速度为 0.06 天/年，该速度小于初雪日推迟的速度 0.3 天/年，这说明 初雪日推迟的同时，玛纳斯河流域的积雪期呈现减短的趋势；该特征是 47 年来流域冬季平均气温与累计降 水量的升高所直接驱动的结果，但两者并不具备统计学上的相关关系。
研究区位于玛纳斯河流域的集水区，海拔较高，且无实测气象站点资料，其平均气温、 累计降水量、初雪日及积雪日数等资料需通过插值得到。为了充分体现气象要素的空间异质 性，本文引入了 SRM（Snow Run-off Model）模型中的面积-高程曲线以寻找流域中心点。
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2 数据与方法
2.1 MODIS 积雪遥感数据 同其它主要的地球覆盖物相比，积雪具有两个重要特性：在可见光波段有较高的反射率；
在短波红外波段有较低的反射率。MODIS积雪检测算法充分利用了这种特殊的光谱组合特
点，使用MODIS第4波段(0.545~0.565 m )和第6波段(1.628~1.652 m )的反射率计算归一化
5400
低于某海拔的流域面积（Km2）
4500
3600
2700
虚拟气象站点
1800
900
0 1400
1900
2400
2900 3400 3900 海拔高度（m）
4400
4900
5172
图 2. 研究区虚拟气象站点位置图
Fig.2 Location of virtual weather station in Manasi River Basin
精度达 94%，利用插值结果进行玛纳斯河流域积雪年际变化研究是可行的。
2.3 数据处理方法 MOD10A2是NASA（National Aeronautics and Space Administration）陆地产品组按照
统一算法经过多次处理的积雪产品，可以直接用于积雪研究。针对玛纳斯河流域，其数据处 理方法包括：1）格式转换: 将MODIS数据原有的投影系统为SIN的hdf文件转换为较为常用 的Erdas、Arcmap可以处理的投影系统为的WGS84的tif文件；2）影像拼接和研究区影像提 取：将格式转换后的编号为23v04和h24v04的两幅影像进行拼接，并基于边界文件提取研究 区影像；3)积雪分类编码提取及统计：读取影像属性值，并利用积雪属性值和其他区域属性 值的不同计算积雪面积覆盖率；4）影像选择及积雪覆盖率校正：NDSI可以把雪从大量的云 中分离出来，但不能很好的识别光谱特征与雪极其相似的薄卷云[10]，同时，玛纳斯河流域 有大量的冰川存在，冰川上空的云覆盖会直接导致冰川区误判。因此，本研究剔出了云覆盖 过多的影像，并引入研究区冰川边界，对云干扰区进行修正。其中，a为研究区MOD10A2
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影像，b为玛纳斯河流域冰川区边界，c为修正后研究区积雪Байду номын сангаас盖影像。
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图 3 根据实际冰川范围纠正的冰川云干扰区 Fig.3 Correction of MOD10A2 image based on the real extention of glacier in Manasi River Basin
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资源丰富，河流补给与工农业生产主要依靠冰雪融水，有资料显示积雪对河流的补给在春季 甚至可达 75%以上[4]。在此背景下研究积雪对气候变化的响应对整个干旱区的社会经济可持 续发展和生态环境建设有十分重要的意义。
以新疆为例，李培基、叶佰生、康尔泗等人的研究结果显示随着气候的明显变暖，新疆 积雪并没有持续下降[5- 6]；张佳华，吴杨等人证明近年来新疆积雪日数处于波动状态，没有 呈现出明显的规律性变化[7]；高卫东，魏文寿等则以天山雪崩站为代表，证明新疆境内天山 中部地区季节性积雪呈增加趋势[8]。受资料及技术方法的限制，现阶段干旱区积雪对气候变 化的响应模式仍然处于讨论阶段。本文以天山北坡最大的内陆性河流——玛纳斯河流域为研 究对象，结合 MODIS 积雪遥感数据与气象站点资料，探讨内陆干旱区积雪特征值对气候变 化的响应，具有一定的实际意义。
差值积雪指数NDSI(Normalized Difference Snow Index )，并采用一套分组决策支持方法来检 测积雪[10]。
在MODIS的44种标准数据产品中，MODIS10系列是全球每天500m×500m分辨率的积雪 覆盖数据。其中，MOD10A1时间分辨率为1~2 d，空间分辨率为500m，MOD10A2由MOD10A1 日数据8d最大化合成得到。黄晓东，张学通等[11]对北疆牧区MODIS积雪产品的精度验证表 明，MODIS每日积雪产品MOD10A1受天气状况的严重影响，积雪平均识别率仅为33.4%， 不宜直接用于积雪覆盖范围的动态监测与制图；MOD10A2积雪分类产品反映8d内最大的积 雪覆盖范围，具有较高的积雪分类精度，平均积雪识别率87.39%，可较好地消除云层对地 表积雪分类的影响，能够满足从事冰雪及相关学科较大空间尺度上进行研究的需要。考虑到 本研究对积雪遥感数据时间分辨率和空间分辨率的要求，本文选择MOD10A2数据来进行玛 纳斯河流域积雪年内变化研究。
1 研究区概况
天山山区以季节性冰雪资源而著称，被誉为新疆干旱区的“湿岛”[9]，区域气候变化所导 致的积雪变化对春、夏季河川径流的影响在该区域表现的更为充分。玛纳斯河发源于天山北 麓依连哈比尕山，是准噶尔盆地南缘最大的一条融雪性内陆河流，也是新疆重要的粮棉基地 和经济开发区之一。流域面积 1.98 万 km2,其中山区 0.515 万 km2，平原 1.465 万 km2。流域 地形复杂，北部玛纳斯湖海拔 246m，南端山区最高海拔 5289m，且有永久性冰川分布，冰 川面积 608 km2，储量 39 亿 m3，为源头天然固体水库。本文以玛纳斯河流域肯斯瓦特水文 站上游集水区为研究对象，该区域积雪变化对整个流域可利用水资源的影响极为重要。
3 玛纳斯河流域积雪变化
3.1 积雪年内分配变化
水文年内玛纳斯河流域积雪面积变化较大，从 2007 年 10 月~2008 年 9 月的流域积雪覆 盖变化图（图 4）中可以看出，流域积雪主要分布在海拔较高的南部山区。山顶及冰川发育 区积雪相对稳定，而北部开阔平坦地区积雪具有明显的季节变化。10 月份流积雪开始增多 （图 l），逐步呈现片状连续分布；11 月~次年 2 月份为流域积雪最多的时段，积雪基本覆 盖整个玛纳斯河流域（图 c，图 d，图 e）；3 月~4 月份季节性积雪开始消融，积雪分布逐 渐破碎，裸露地表增多（图 f）；7 月~8 月份为流域积雪覆盖率最低的月份，季节性积雪全 部消融，仅南部冰川区有永久性积雪存在（图 j，图 k）。