Change in snow coverage and responses to climate change from 2001 to 2013 in the upper reaches of Kaidu River Basin
LIFei, LIUMiaomiao, WANGShuixian Key Laboratory of Western China's Environmental Systems (Ministry of Education),College of Earth and Environmental Sciences,Lanzhou University,Lanzhou 730000,China 通讯作者:王水献,E-mail:wangshuixian@lzu.edu.cn 收稿日期:2015-11-12 修回日期:2016-03-12 网络出版日期:2016-06-20 版权声明:2016《资源科学》编辑部《资源科学》编辑部 基金资助:兰州大学中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(lzujbky-2014-207)农业部公益性行业(农业)科研专项(201203006) 作者简介: -->作者简介:李斐,男,甘肃庆阳人,硕士生,主要从事高寒地区气候变化与水文响应方面的研究。E-mail:lifei14@lzu.edu.cn
关键词:开都河流域;积雪面积;MODIS;气温;降水;时空分布;气候变化 Abstract Based on precipitation and temperature data for the upper reaches of the Kaidu River Basin from 1958 to 2013 and MODIS (Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer)snow product data MOD10A2 from 2001 to 2013,we investigated snow coverage dynamics and trends in different seasons and regions using linear regression analysis and non-parametric Mann-Kendall tests from 2001 to 2013. Trends in climate change between precipitation and temperature were analyzed over the past 50 years and correlation analysis between precipitation,temperature and snow coverage data was conducted. We found that all elevation zones show decreasing trends,except for B (2000~2900 m)for which the increasing trend was the main focus. In the whole study zone and all elevation zones except for D (3800~4794m),changes in snow coverage are common single-peak curves in the whole year. The maximum value for snow coverage occurred in winter and the minimum in summer. However,D shows a double-peak curve. Its peak occurred in November and April,and the valley occurred in February. The increasing trend is significant and obvious for annual snow coverage of B in autumn. For other elevation zones,a decreasing trend is dominant. There is a central trend from A (1098~2000m),C (2900~3800m)and D to B. Obvious correlations between snow coverage and precipitation in winter and temperature in spring are clear. There may be an increasing run-off and flood frequency in spring.
Keywords:upper reaches of the Kaidu River basin;snow coverage;MODIS;temperature;precipitation;spatial and temporal distribution;climate change -->0 PDF (2954KB)元数据多维度评价相关文章收藏文章 本文引用格式导出EndNoteRisBibtex收藏本文--> 李斐, 刘苗苗, 王水献. 2001-2013年开都河流域上游积雪时空分布特征及其对气象因子的响应[J]. , 2016, 38(6): 1160-1168 https://doi.org/10.18402/resci.2016.06.15 LIFei, LIUMiaomiao, WANGShuixian. Change in snow coverage and responses to climate change from 2001 to 2013 in the upper reaches of Kaidu River Basin[J]. 资源科学, 2016, 38(6): 1160-1168 https://doi.org/10.18402/resci.2016.06.15
开都河流域位于新疆天山南麓,是塔里木河流域的主要子流域[13],隶属暖温带典型荒漠气候。河流发源于天山中部萨尔明山的哈尔尕特和扎克斯台沟,流经大小尤尔多斯盆地和巴音布鲁克草原,自大山口水文站进入焉耆盆地流入博斯腾湖,是唯一能常年补给博斯腾湖的河流[14]。开都河全长610km,冰雪融水和降雨是其补给的主要来源,其中年冰川融水量约4.8亿m3,占年出山径流14.1%[15]。研究区位于开都河流域上游,其地理位置在82°57′E-86°13′E,42°3′N-43°21′N之间,面积2.0678万km2,海拔1098~4794m,包括巴音布鲁克气象站(海拔2458m)和大山口水文站(海拔1400m)在内,其年均气温-4.16℃,年均降水量273mm,年平均潜在蒸发量1157mm[16] 。研究区内永久性积雪和冰川分布广泛。春季融雪是巴音布鲁克草原牧草发芽的主要水源,同时也是春季洪水的主要水源[17] 。研究区地理位置如图1所示。 显示原图|下载原图ZIP|生成PPT 图1研究区位置 -->Figure 1Location of study zone -->
2.2 数据来源及处理
(1)MOD10A2积雪产品[18]是由MOD10A1积雪产品进行合成得到的8d合成积雪产品,该产品具有去云效果显著,数据处理工作量相对较小,数据精度高等特点。本文以美国国家冰雪产品中心(NSIDC,http://nsidc.org)提供的2001-2013年MOD10A2产品为主,其空间分辨率为500m,数据格式为.hdf[19]。通过NSIDC提供的MODIS产品处理工具ModisTool对MOD10A2数据进行拼接和重投影,采用ArcGIS对拼接图片进行掩膜提取,得到研究区2001-2013年积雪覆盖栅格数据。将DEM高程数据分成4个高度带,提取各高度带积雪覆盖栅格数据,最后通过栅格计算、面积统计等步骤,得到4个高度带及全区8 d积雪面积数据。在2001-2013年的积雪数据中,2001年第169日、第177日,2002年第81日以及2008年第113日数据缺失,为了不影响数据的连续性,本文对缺失数据进行了插值处理。 (2)1958-2013年巴音布鲁克站日降水数据和日气温数据来自中国气象数据网[20](http://data.cma.gov.cn)。 (3)采用地理空间数据云(www.gscloud.cn)提供的SRTM DEM数据[21],其空间分辨率为90m。将研究区等高度划分成A、B、C、D 4个高度带,各个高度带及整个研究区高程范围及面积如表1所示。 Table 1 表1 表1研究区高程分带及面积 Table 1Area of elevation zones and the mean hypsometric elevations
逐年计算研究区2001-2013年积雪日数,并对其进行线性回归分析,积雪覆盖日数变化率如图2所示。积雪日数呈增加趋势的地方绝大部分位于B高度带,B带平均积雪日数增加速率约为1.3d/a,其中个别地区积雪日数增加速率甚至达到了(6.0~8.0)d/a。其他3个分带则呈现出不同程度的减少趋势,其中以D高度带减少趋势最为强烈,其平均减少速率约为1.5d/a,而A、C两高度带也以1d/a左右的趋势迅速减小。就研究区整体而言,平均积雪日数呈增加趋势,增加速率仅为3.8d/100a。积雪日数在各高度带表现出的这种变化特征表明整个研究区的积雪分布有向B带集中的趋势。 显示原图|下载原图ZIP|生成PPT 图22001-2013年研究区积雪日数变化率 -->Figure 2Change rate of snow-cover duration in study zone from 2001 to 2013 -->
3.2 年内积雪分布特征
为分析2001-2013年研究区内不同高度带积雪面积的年内分布规律和特性,计算了不同高度带各月平均积雪面积。不同高度带各月多年平均积雪覆盖率如图3所示。图3显示,A、B、C 3个高度带积雪面积的年内变化均为单峰型,其中A带积雪覆盖率最低,每年的3-10月积雪覆盖率基本为零,峰值大约出现在1月份,对应积雪面积也仅占本带面积的20%左右;B带年内波动最大,最大积雪面积位于2月,大约占到本带面积的80%,占研究区面积的38%,而在7月份则基本没有积雪,可见B带基本上为季节性积雪;C带峰型与B带较为相似,但是峰值出现时间较早,积雪覆盖率较高,最大积雪覆盖率位于12月份,最小值则位于7月份。与其他3带不同,D带年内变化幅度相对较小,积雪覆盖程度相对较高且呈双峰变化。D带积雪面积在当年11月及次年4月各有一个峰值,这2个峰值之间的谷值则出现在次年2月份。颜伟等在玉龙喀什河流域积雪面积变化的研究中也发现了类似现象[24]。导致这一现象出现的原因可能是高海拔地区冬季气温低,风速大,风吹雪临界风速小,容易发生风吹雪现象,导致积雪升华和重分布,耗散积雪[25]。从整体上看D带积雪覆盖率变化曲线,前一个峰型高而宽,而后一个峰型则低且窄。相对于4个高度带的积雪覆盖变化曲线,整个研究区的变化曲线则显得比较规则:7-11月依次递增;12月、次年1月及2月3个月份基本持平,保持最大值状态,最大积雪面积约占研究区总面积的75%;3-7月依次递减,7月达到最小值,对应积雪面积仅占5%左右。 显示原图|下载原图ZIP|生成PPT 图32001-2013年研究区各高度带月平均积雪覆盖率 -->Figure 3Averaged monthly snow coverage rate for different dividing elevation areas over the study zone from 2001 to 2013 -->
3.3 不同季节积雪面积年际变化趋势
对2001-2013年各高度带不同季节以及全年平均积雪面积分别做线性回归分析和M-K检验,以研究其变化趋势和显著性,结果如表2所示。在M-K检验统计量Zk较大的情况下,线性回归分析的变化趋势和 M-K检验大体一致,但在统计量Zk很小的情况下,两种方法可能会呈现出相反的变化趋势。故此,认为当统计量Zk ≥0.73时,序列存在相应的变化趋势,反之,则变化趋势不明显。 Table 2 表2 表22001-2013年研究区积雪面积时空变化趋势及其显著性分析 Table 2Temporal and spatial variation and significance analysis for snow coverage of different zones from 2001 to 2013
气候变化对区域的整个水文过程都具有重大影响,积雪变化作为水文过程中的一个环节也不例外。由于研究区只有巴音布鲁克气象站提供降水、气温数据,故相关分析均以巴音布鲁克气象站气象数据为基础。图4是1958-2013年研究区气温、降水的年际变化过程。从图4可以看出,在1958-2000年和2001-2013年两个时间段内,降水呈减小趋势,气温呈微弱增加趋势。虽然变化趋势没有改变,但是近十几年两者的均值明显增高,且变化趋势有所增强。在不同季节,1958-2000年春夏季节降水持续下降,2001-2013年下降趋势更为明显;秋季降水则由以前的减少趋势转为上升趋势。冬季气温的下降趋势也更为剧烈。可以看出,自1958以来,不同季节气候变化过程差异较大,且近十几年气候变化的趋势有所加剧。 根据全区积雪面积与气象因子的相关关系(表3),气温与积雪面积的相关性除春季呈较高且显著的负相关之外,其他3个季节相关性均不显著。与气温不同,降水与积雪面积的最高相关关系则出现在冬季,且通过了0.01水平显著性检验,其他3个季节虽然也呈正相关关系,但是并不显著。分析研究区不同季节下气温、降水与积雪面积的关系(图5),可以看出冬季积雪面积随降水的变化速率达到220km2/mm,春季和秋季的增加速率则分别为40km2/mm和30km2/mm,而冬季则没有明显的增加趋势。对于气温而言,随气温升高,积雪面积减少最快的季节是春季,其变化速率达到了-530km2/℃,秋季与夏季基本持平,而冬季则减小速率最小。 Table 3 表3 表32001-2013年研究区各季节积雪面积与气温、降水相关系数 Table 3Correlation coefficient between SCA(snow cover area)and TEM(temperature)/PRE(precipitation)at the study zone in different seasons from 2001 to 2013
气象因子
春季
夏季
秋季
冬季
气温
-0.729***
-0.206
-0.434
-0.311
降水
0.420 **
0.113
0.510
0.833***
注:***和**分别表示通过0.01和0.05水平检验。 新窗口打开 显示原图|下载原图ZIP|生成PPT 图41958-2013年研究区降水、气温变化趋势 -->Figure 4Annual variations of precipitation and temperature in study area from 1958 to 2013 -->
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT 图52001-2013年研究区不同季节下积雪面积与降水、气温的关系 -->Figure 5Variations between snow coverage and pricipitation/temperature of study area in different season from 2001 to 2013 -->
通过对开都河流域上游地区不同时段多年积雪日数、积雪面积、降水和气温数据进行统计,分析积雪面积与降水、气温的相关关系,研究结果表明: (1)就积雪日数变化而言,研究区在2001-2013年间,整体积雪日数有较缓慢的增加趋势;对于不同高度带,在海拔2000~2900m的B带有明显的增加趋势,其他高度带则有不同程度的减少趋势。 (2)就年内积雪面积变化而言,研究区总积雪面积在冬季3个月基本维持最大值,最小值则出现在夏季。各高度带除位于海拔3800~4794m的D带积雪面积变化呈双峰曲线,其他高度带积雪面积呈单峰变化曲线。 (3)就年际积雪面积变化趋势而言,研究区2001-2013年整体积雪面积基本不变,B带有明显的增加趋势且秋季增加趋势通过0.01水平显著性检验,其他高度带有不同程度的减少趋势。 (4)研究区积雪面积在冬季和春季分别与降水、气温明显相关,通过了0.01水平显著性检验,其对应的变化速率也明显高于其他季节。这种变化趋势可能导致研究区未来春季径流以及春季洪水频率增加。 致谢:感谢各位审稿专家在文章修改过程中提出的宝贵意见和建议!感谢中国科学院寒区旱区环境与工程研究所高泽永博士、兰州大学刘国华师兄以及孙哲同学在文章写作过程中给予的帮助!感谢兰州大学王晓磊师兄在地理信息系统学习过程中的耐心指导! The authors have declared that no competing interests exist.
[ WangF,Ding YH.Trend of snow cover fraction in East Asia in 21th century under different scenarios [J]. Plateau Meteorology,2011,30(4):869-877.] [本文引用: 1]
[Jiang HB,Qin QM,ZhangN,et al.Effect of different snow depth and area on the snow cover retrieval using remote sensing data [J]. Spectroscopy and Spectral Analysis,2011,31(12):3342-3346.] [本文引用: 1]
[Yang CJ,Zhao ZJ,NiJ,et al.Temporal and spatial analysis of change in snow cover in western Sichuan based on MODIS images [J]. Sci China Earth Sci,2011,41(12):1743-1750.] [本文引用: 1]
[Cai DH,GuoN,WangX,et al.The spatial and temporal variations of snow cover over the Qilian Mountains based on MODIS data [J]. Journal of Gla-ciology and Geocryology,2009,31(6):1028-1036.] [本文引用: 1]
[5]
Groisman PY,Karl TR,Knight RW,et al.Changes of snow cover,temperature,and radiative heat balance over the Northern Hemisphere [J]. Journal of Climate,1994,7(11):1633-1656. [本文引用: 1]
[Ma LJ,Qin DH.Spatial-temporal characteristics of observed key parameters for snow cover in China during 1957-2009 [J]. Journal of Gla-ciology and Geocryology,2012,34(1):1-11.] [本文引用: 1]
[Han LY,Zhang LD,Zhang CJ,et al.The snow coverage in eastern section of Qilian Mountain and its responding to regional climate [J]. Journal of Arid Land Resources and Environment,2011,25(5):109-112.] [本文引用: 1]
[ZhangJ,HanT,WangJ.Change of snow-cover area and snowline altitude in the Qilian Mountains,1997-2004 [J]. Journal of Glaciology and Geocryology,2005,27(5):649-654.] [本文引用: 1]
[9]
Dietz AJ,KuenzerC,ConradC.Snow-cover variability in Central Asia between 2000 and 2011 derived from improved MODIS daily snow-cover products [J]. International Journal of Remote Sensing,2013,34(11):3879-3902. [本文引用: 2]
[Wang ZY,CheT.Spatio-temporal distribution of snow cover in arid regions in China [J]. Arid Zone Research,2012,29(3):464-471.] [本文引用: 1]
[11]
Tahir AA,ChevallierP,ArnaudY,et al.Snow cover dynamics and hydrological regime of the Hunza River Basin,Karakoram Range,Northern Pakistan [J]. Hydrology and Earth System Sciences,2011,15(7):2259-2274. [本文引用: 1]
[Gu HM,Shi JQ,Zou CX,et al.Study on the effect of climate on runoff in Kaidu River Basin [J]. Research of Soil and Water Conservation,2013,20(6):135-139.] [本文引用: 1]
[Zhong RS,WuB.Annual distri-bution characteristic of runoff of Kaidu River in Xinjiang [J]. Journal of Irrigation and Drainage,2011,30(2):123-126.] [本文引用: 1]
[Zhang YC,Li BL,Bao AM,et al.Modeling the snowmelt runoff in Kaidu River Basin [J]. Science in China (Series D:Earth Science),2006,36(S2):24-32.] [本文引用: 1]
[18]
National Snow and Ice Data Center. MODIS/Terra Snow Cover 8-Day L3 Global 500m Grid,Version 5 [EB/OL].[2015-09-01]. http://nsidc.org/data. [本文引用: 1]
[JiaX,Chen SJ,Huang TC,et al.Variability of snow cover in the mountain region of the Yarkant River basin analyzed with MODIS data [J]. Journal of Glaciology and Geocryology,2014,36(2):296-303.] [本文引用: 2]
[National Meteorological Information Center. Daily Ground Climate Data Set in China,Version 3.0 [EB/OL].[2015-09-15]. http://data.cma.gov.cn/data/index.html.] [本文引用: 1]
[YanW,Liu JS,Luo GM,et al.Snow cover area changes in the Yurungkax River Basin of West Kunlun Mountains during 2000-2013 using MODIS data [J]. Progress in Geography,2014,33(3):315-325.] [本文引用: 1]
[Li HY,WangJ,Hao XH.Influence of blowing snow mass and energy exchanges in the Qilian Mountainous [J]. Journal of Glaciology and Geocryology,2012,34(5):1084-1090.] [本文引用: 1]
[Hu LQ,LiS,Liang FC.Analysis of the variation characteristics of snow covers in Xinjiang region during recent 50 years [J]. Journal of Glaciology and Geocryology,2013,35(4):793-800.] [本文引用: 1]
[Lou MY,Liu ZH,Lou SM,et al.Temporal and spatial distribution of snow cover in Xinjiang from 2002 to 2011 [J]. Journal of Glaciology and Geocryology,2013,35(5):1095-1102.] [本文引用: 1]
[Dang SZ,Liu CM,Wang ZG,et al.Satio-Temporal distribution characteristics of snow cover in the upper reaches of Heihe River basin over the past 10 years and the variation trend [J]. Resources Science,2012,34(8):1574-1581.] [本文引用: 1]
[LiJ,Liu SY,Wei JF,et al.Snow cover dynamics and snowmelt runoff modeling in the Toxkan River basin,source region of the Tarim River,Xinjiang [J]. Journal of Glaciology and Geocryology,2014,36(6):1508-1516.] [本文引用: 2]