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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

本站小编 Free考研考试/2021-12-29

李斐, 刘苗苗, 王水献
兰州大学资源环境学院西部环境教育部重点实验室,兰州 730000

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



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摘要
积雪融水是干旱区水资源的重要来源之一,深入地了解积雪面积变化的规律和趋势,有助于准确预测、合理规划干旱区水资源。本研究以新疆开都河流域上游为研究区,利用MOD10A2积雪数据对研究区积雪进行了分带提取,通过线性回归分析和Mann-Kendall秩次相关法对2001-2013年不同季节不同分带积雪日数、积雪面积变化进行了趋势分析和显著性检验。结合降水、气温等气象因素,分析了积雪面积对气象因素变化的响应程度。结果表明:①研究区整体积雪日数平均变化趋势并不明显,B带(海拔2000~2900m)以增加趋势为主,A带(海拔1098~2000m)、C带(海拔2900~3800m)及D带(海拔3800~4794m)以减少趋势为主;②D带积雪面积变化呈双峰曲线,其他各分带及整个区域积雪面积变化以单峰为主,最大值出现在冬季,最小值则出现在夏季;③B带秋季积雪面积显著增加(P<0.01),其他分带积雪面积有减小趋势但并不显著,积雪分布有向B带集中的趋势;④研究区气温、降水分别在春、冬季节与积雪面积相关性显著(P<0.01),对应的变化速率亦明显高于其他季节,这可能导致未来春季径流及春季洪水频率增加。

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

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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
LI Fei, LIU Miaomiao, WANG Shuixian. 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

1 引言

积雪作为冰雪圈中覆盖面积最广、季和年际变化最明显的组成部分,对地球气候起着十分重要的调节作用[1]。积雪覆盖的变化对地表反照率、全球和地区能量平衡及水文循环系统都有重要影响[2]。从流域尺度来讲,积雪面积变化对以积雪为主要补给源的河流来说具有重要影响,会对流域的农、牧、工业生产和人民生活造成影响[3]。正因为如此,积雪的分布及其随时间的变化已越来越受到国内外****的重视[4]。如Groisman等利用1972-1992年积雪资料,对北半球的积雪覆盖范围变化进行分析,发现北半球年内平均积雪覆盖范围在研究时段内减少了约10%左右[5]。马丽娟等利用1957-2009年中国地面气象台站观测积雪资料对关键积雪参数的时空变化特征进行分析,发现新疆西北部雪深有显著增加趋势[6]。韩兰英等利用EOS/MODIS、NOAA资料以及气象资料,分析祁连山积雪面积时间、空间分布及其对气候的响应,发现祁连山东段以及中段积雪面积有减少趋势[7]。张杰等利用1997-2004年5-8月的卫星资料、周边气象站台气象数据、人工增雨雪等相关资料,分析河西内陆河流域上游的祁连山区积雪面积和雪线高度变化,发现祁连山中部雪线高度对降水和气温变化有明显响应[8]
目前,遥感数据在积雪制图和监测方面应用程度已经相当广泛,应用技术也日趋成熟。在众多雪盖产品中,MODIS雪盖产品成为现时运用最广泛、研究最深入的积雪数据之一。如Dietz等对2001-2011年间MODIS日积雪覆盖产品进行去云处理,评估了处理后的数据精度,分析了中亚地区积雪覆盖日数、积雪开始时间、积雪消融时间以及积雪覆盖指数的变化情况[9]。王增艳等利用MODIS和 AMRS-E融合后的2002-2009年8个水文年份的无云积雪产品,计算并验证了用遥感方法提取研究区积雪日数、初雪日期和终雪日期的精度,分析研究区8a来积雪时空分布特征[10]。在MODIS产品中,MOD10A2产品则由于其显著的去云效果、良好的时间连续性受到研究者们的广泛应用。Tahir等通过对巴基斯坦北部地区Hunza河流域积雪覆盖的研究,证明了MOD10A2产品对山区积雪具有较好的识别性,可用于山区积雪的变化研究[11]
开都河流域是一个由融雪和降水共同补给的流域,其区域内积雪面积以及积雪分布的变化在很大程度上会影响流域径流量以及年内的径流分配,进而影响当地人们的生产和生活。而开都河上游地区积雪、冰川分布广泛,是全流域主要的冰雪融水水源地,对该区域积雪面积及其变化特征的研究是十分必要的。已有研究[12]对开都河上游地区积雪面积、积雪面积与气象因素之间的相关关系以及积雪面积与气象因素、春季径流三者之间的关系进行了研究,但目前尚没有对该区不同高程下的积雪特点进行分析,从而更加准确、深入地理解和描述研究区积雪面积变化的规律和内在机理。故此,本文以新疆开都河流域上游为研究区域,以MODIS数据产品(MOD10A2)为积雪数据源,结合气温、降水等气象数据,利用DEM高程数据对研究区进行高度带划分,分析其积雪面积变化特征,及其对气温、降水等气象因素变化的响应。

2 研究区概况、数据来源与研究方法

2.1 研究区概况

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。
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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
高度带海拔
/m
面积
/km2
占研究区面积
比例/%
A1 098~2 0001 3296.43
B2 000~2 9009 27344.84
C2 900~3 8008 73842.26
D3 800~4 7941 3386.47
全区1 097~4 79420 678100.00


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2.3 研究方法

积雪日数是衡量区域积雪特征的一个重要指标。本文以单个象元点为基本单位,计算研究区内所有象元点的积雪日数,改进了Dietz等[9]提出的积雪日数计算公式,使其适合MOD10A2数据,提出单个象元点积雪日数的计算方法:
SCDh,k=m×i=hk(si)(h=1,2,?,n-1;k=h+1,h+2,?,n)(1)
其中:
si=0无积雪覆盖1积雪覆盖(2)
式中 SCDh,k为年内第h期积雪数据到第k期积雪数据时段内的积雪日数; si为积雪识别函数;m为一期积雪数据的时间跨度,m=8;n为年内总积雪期数,n=46;h则统一取1,即从每年第一期积雪数据开始算起。
为了研究气象资料以及积雪面积的变化趋势,本文利用线性回归分析法与Mann-Kendall秩次相关法[22,23](以下简称M-K检验)共同对2001-2013年间的相关资料进行趋势分析并进行显著性检验。

3 结果及分析

3.1 积雪日数变化趋势

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。
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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。
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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
高度带统计分析年均
A变化率线性回归-1.000.134.85-24.21-3.08
M-K检验0.030.240.73-15.52-5.05
统计量Zk0.240.731.340.981.10
B变化率线性回归14.23-22.2795.8064.5632.80
M-K检验11.93-12.9874.5450.6732.83
统计量Zk0.000.982.44**1.220.85
C变化率线性回归-37.16-50.6412.24-25.52-22.86
M-K检验-27.84-42.11-12.15-32.16-32.08
统计量Zk0.241.220.120.731.59
D变化率线性回归-2.73-13.77-3.62-5.83-5.59
M-K检验-3.81-12.00-7.91-6.19-6.20
统计量Zk0.981.71*1.460.851.71*
全区变化率线性回归-26.66-86.53109.279.001.27
M-K检验56.44-77.7065.9815.4717.57
统计量Zk0.241.461.101.220.37

注:**和*分别表示序列变化趋势通过了0.05和0.1显著水平下的M-K检验;Zk为M-K检验中的统计量。
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在2001-2013年积雪变化过程中,虽然研究区年平均积雪面积没有明显变化趋势,但是各个高度带的积雪面积变化却不尽相同。其中A、C、D 3个高度带积雪面积变化均呈减少趋势,以C、D两带趋势最为明显。B带则与其他3个高度带恰恰相反,其积雪面积有明显的增加趋势。
进一步对B高度带积雪面积变化趋势进行分析发现,B带积雪面积变化趋势除夏季有不太明显的减少趋势外,其他季节均呈增加趋势,其中秋季增加趋势最为明显且通过了0.01水平的显著性检验。由B带积雪面积变化率可以看出,B带的增加趋势是由秋季和冬季两个季节的积雪面积增加所造成,且秋季积雪面积增加速率还要大于冬季。然而,秋季是积雪积累期初始阶段,冬季则是积累持续阶段,冬季积雪面积的变化是在秋季变化的基础上进行的。B带在秋、冬季节变化趋势的这种特点则说明该带积雪面积的急剧增加趋势主要是由秋季积雪面积的增加引起的。这不仅证实了研究区积雪分布有向B带集中的趋势,而且还进一步说明这种集中过程主要发生在秋季。

3.4 气候变化趋势及积雪面积对气象因子的响应

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 **0.1130.5100.833***

注:***和**分别表示通过0.01和0.05水平检验。
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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
-->

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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
-->

整体而言,由于夏季气温较高,季节性积雪基本完全融化,大部分地区降水以雨为主,积雪面积变化只在少数海拔极高的多年积雪或冰川(以下统称积雪)区得以体现,故研究区夏季积雪面积与气温、降水相关性最弱;与夏季相反,研究区冬季绝大部分地区气温在0℃以下,积雪不会消融且降水以雪为主,使得降水成为影响积雪面积的主要气象因素,而气温则表现出与积雪面积相关性不高的特点。在春季,气温与积雪面积呈正相关的主要原因可能是,研究区冬季积累了较多新雪,由于气温较低,再冻结程度较小,雪密度相对其他季节较低,当春季气温升高后,积雪消融速度快,使得积雪面积迅速减小,从而与气温呈现出显著的负相关。
积雪是西北干旱山区水资源的重要来源之一,研究积雪面积变化对干旱区水资源的管理和规划具有非常重要的意义。胡列群等通过对新疆1960-2011年积雪变化特征的分析指出[26],南北疆及天山山区的积雪深度均呈小幅增长,积雪日数呈略微降低趋势。娄梦筠等在研究2002-2011年新疆积雪时空特征时发现[27],新疆全境年平均积雪面积呈下降趋势,秋季则呈现出增加趋势,与李倩等对研究区2000-2010年积雪面积变化特征研究的结论类似[12]。这说明位于新疆天山南麓的研究区积雪面积变化基本与新疆整体积雪面积变化趋势一致。
然而,不同地区除符合大空间尺度下积雪面积变化的一般规律外,也有其自身的变化特性。相比于研究区年内积雪面积变化只有在D带出现双峰型变化,在黑河流域上游地区[28]以及新疆叶尔羌河流域[19]相关研究则表明整个研究区积雪面积年内变化呈现出双峰变化过程。李晶等对塔里木河源区托什干河流域进行积雪变化研究时发现[29],该流域积雪面积在2000-2012年间有较弱增加趋势,且除冬季4000~5000m高度带外,其他高度带在所有季节年际积雪变化过程中均未出现下降趋势。与托什干河流域不同[29],2001-2013年间研究区积雪面积在B带出现了明显的上升趋势,这种趋势在秋季和冬季尤为明显,由于B带面积较大,且积雪面积变化幅度大,该区域积雪面积对整个研究区积雪面积的变化也产生了较大影响。B带周围高山环绕,内部则较为平坦,呈盆地形态。这是研究区与其他流域在地形上最大的不同,也可能是研究区在气候变化背景下与其他流域积雪变化特征不同的重要原因之一,除此之外,B带积雪面积的异常变化可能也与气候变化对局部大气循环的影响有关,具体原因还需要在以后的工作中进一步研究。
积雪面积与气象因子的相关分析表明研究区气温和降水与积雪面积具有较为紧密的联系。尤其是积雪面积在冬季受降水影响较大,在冬季降水较丰沛年份可能会储存大量水资源,而春季积雪消融速率又较其他季节快,考虑到研究区目前春季气温以及B带积雪均呈增长趋势,未来研究区春季径流可能会有所增加,春季洪水出现频率也会有所上升。

4 结论

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.

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文中引用次数倒序
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