1982-2015年内蒙古雪深时空变化遥感分析

毕哲睿，萨楚拉，刘桂香

(1.内蒙古师范大学地理科学学院，内蒙古呼和浩特 010022；2.内蒙古自治区遥感与地理信息系统重点实验室，内蒙古呼和浩特 010022；3.内蒙古自治区蒙古高原灾害与生态安全重点实验室，内蒙古呼和浩特 010022；4.中国农业科学院草原研究所，内蒙古 呼和浩特 010010)

引言

积雪是由降雪及风吹雪搬运与堆积形成的覆盖在地球表面的雪层〔1〕，在冰冻圈中的分布最为广泛〔2〕，对气候变化格外敏感，是全球变化研究的核心内容和热点之一〔3〕。在2013年，IPCC第五次评估报告宣布：1980-2012年间全球地表温度平均上升了0.85℃〔4〕,而且据研究发现未来50年全球气温仍保持上升趋势〔5〕。内蒙古位于IGBP全球变化研究典型陆地样带中国东北陆地样带之内，是我国北方重要的陆地生态屏障，同时也是草地畜牧业生产的基地〔6〕。所以，研究内蒙古的积雪深度时空分布和对气候变化的响应具有重要现实意义。

经研究发现，北半球积雪变化的关键区域是在青藏高原、蒙古高原、欧洲阿尔卑斯山脉以及北美洲中西部〔7〕。Frei等〔8〕研究发现，1930年至1980年期间，北美洲的冬季积雪一直是呈增加趋势，但是在80年代以后却出现了减少的趋势；Laternser等〔9〕在对瑞士阿尔卑斯山积雪研究时发现，该区域从1987年开始，积雪减少的变化非常显著。我国学者在积雪方面也进行了很多研究，对青藏高原的研究发现，青藏高原的雪深具有长期稳定的增加趋势,冬春季积雪日数在20世纪80年代增加，在90年代减少〔10-12〕。鲁博权等〔13〕研究发现，1979-2014年期间，黑龙江冻土区积雪深度呈轻微下降趋势。王春学等〔14〕研究发现，近50年来春、秋季中国积雪日数和最大积雪深度在整体上呈现缓慢减少的趋势，冬季积雪日数和最大积雪深度呈现增加的趋势。胡列群等〔15〕研究发现，新疆冬、春积雪主要分布在天山以北，天山以南积雪比较浅薄，南北疆及天山以南的积雪深度呈缓慢增长趋势。王秋香等〔16〕研究发现，1961-2006年间，新疆北疆最大积雪深度呈显著增加趋势，积雪日数和稳定积雪日数也呈增加趋势。

从灾害系统理论出发，对牧区雪灾进行大量的研究中发现，雪灾的风险是由致灾因子的危险性、承载体的脆弱性和暴露性的综合作用下形成，其中积雪情况被选为评价的指标之一〔17〕。内蒙古草原是全球典型的中纬度半干旱温带草原生态类型，草地和牲畜是牧区人们最基本的生产、生活资料，一旦发生雪灾，牧民将遭受严重经济损失〔17-20〕。因此，掌握内蒙古的积雪深度时空分布特征和对气候变化的响应，不仅可以进一步完善该地区的积雪监测研究，同时还可以为政府部门防灾减灾建设提供依据。

1 数据和方法

1.1 研究区概况

内蒙古位于我国北部地区(37°24′～53°2′N，97°12′～126°04′E)，东、西、南依次与黑龙江、吉林、辽宁、河北、山西、陕西、宁夏和甘肃毗邻，全区总面积118.3万平方千米，北部与蒙古国和俄罗斯接壤，国境线长4200千米。内蒙古自治区地势较高，坐落于亚洲中部著名的蒙古高原地区，由呼伦贝尔高平原、锡林郭勒高平原、巴彦淖尔—阿拉善及鄂尔多斯等高平原组成，平均海拔1000米左右。春季和秋季多风，夏季炎热短暂，冬季严寒漫长。

图1 内蒙古地理位置图

1.2 数据来源与预处理

文章采用的1982-2015年长时间序列雪深数据集产品，下载于美国冰雪数据中心网站(https://nsidc.org)，该产品数据的原始资料是NSIDC处理的SMMR、SSM/I和SSMIS被动微波亮温数据，时间分辨率为1天，空间分辨率为25km。本研究采用月时间尺度进行分析,首先利用ArcGIS10.4将NetCDF4格网数据读取，然后用栅格计算器对日雪深数据进行算术平均，获取月尺度平均雪深数据，并以内蒙古区划边界对月尺度雪深数据进行裁切，提取研究区内的雪深数据。文章中使用的温度和降水数据为世界气象组织(http://www.wmo.int/pages/index_zh.html)提供的研究区范围的气象站点数据，通过对逐日数据进行算术平均而获取年平均气温、降水。根据蒙古高原气象特征定义：每一年的10月到下一年的3月是一个积雪季节(例如2010年10月到2011年3月是2011年的积雪季节)。

1.3 研究方法

1.3.1 趋势分析法

为研究近些年来内蒙古雪深、温度、降水的时间和空间变化趋势，文章采用一元线性回归趋势分析法，来计算其变化特征。线性趋势斜率(slope)用最小二乘法来表示，如式(1)所示：

(1)

式中：n为研究时段的年份，xi为待分析变量的年均雪深、温度、降水数据。如果slope是正值，说明研究区内雪深、温度、降水的变化趋势是增加的，如果slope是负值，则说明其变化趋势是减少的。

1.3.2 均方根检验法

为研究内蒙古积雪深度年际变化的幅度，通过计算年均积雪深度距平的均方根，来表示积雪深度的异常变化程度，均方根σ计算方法如式(2)所示：

(2)

式中：n为研究时段的年份，di为年均积雪深度与其平均值的偏差。如果σ值较小，说明该区域长期以来降雪程度变化不大，如果σ值较大，说明该区域降雪程度变化较大，降雪不稳定。

2 内蒙古雪深变化特征

2.1 雪深时间变化特征

2.1.1 雪深年际变化特征

内蒙古近年来降雪表现出明显的不稳定性和缓慢下降趋势的特点。积雪深度最小值出现在2008年，仅有5.9mm；积雪深度最大值出现在2013年，达到了34.08mm，最小值与最大值之间差距较大。多年雪深中10个最大降雪年份分别是1990、1991、1993、1997、2000、2001、2004、2011、2013、2015，这些年份的平均积雪深度都达到了16mm以上，容易产生强降雪灾害。雪深高于平均值的年份和低于平均值的年份数量比是1∶1.3，说明内蒙古近年来并没有出现积雪深度偏高的年份较多或者积雪深度偏低的年份较少。在1982-2015年期间，内蒙古多年平均积雪深度为14.42mm，同时积雪深度还出现减少的趋势，减少的速率是1.064mm/10a(p<0.01)。

图2 内蒙古雪深年际变化趋势图

2.1.2 雪深年内变化特征

内蒙古积雪深度年内变化表现出先增加后减少的变化特征。积雪在10月份之前较少，雪深平均值仅为0.12mm，此后雪深开始增加，直到翌年2月雪深达到最大，为24.64mm。不同的时间段雪深增加的速率也不同，11-12月雪深增加的最快，达到10.95mm/月，1-2月雪深增加的最慢，仅为0.57mm/月，3月份随着温度升高，积雪出现融化，雪深开始出现减少趋势。

图3 内蒙古雪深年内变化图

2.2 雪深空间变化特征

2.2.1 多年年均雪深空间分布特征

文章通过对内蒙古多年雪深进行算数平均计算，得到多年年均雪深空间分布图。从中可以看出，内蒙古雪深空间分布广泛，但又存在明显的空间差异性。多年年均雪深空间分布表现出明显的北深南浅的特征，最大雪深出现在呼伦贝尔市的北部，达到62mm，最小雪深出现在阿拉善盟的西部，基本上处于无雪状态。内蒙古雪深的分布特征与它的水分来源有很大关系，水汽主要来自于北冰洋，其次来自于太平洋，所以降雪量在北部地区明显偏高，随着离海洋距离的增加，降雪量由北向南和由东向西逐渐减少，在到达阿拉善时降雪较少。

图4 1982-2015年内蒙古年均雪深空间分布图

2.2.2 雪深变化趋势空间分布特征

根据1982-2015年年均像元雪深，计算每个像元的变化倾向率，正负分别表示雪深增加和减少。从中可以看出，研究区内雪深变化趋势斜率为-0.8mm/a～1.2mm/a之间，大部分区域呈现减少状态，特别是在呼伦贝尔市，雪深减少的最快，仅约占35%的地区雪深呈现出增加趋势，且主要集中在阿拉善盟的西北部，这一变化特征可能与这一地区近年来温度和降水变化有关。

图5 1982-2015年内蒙古雪深变化趋势空间分布图

2.2.3 雪深异常变化空间分布特征

根据1982-2015年年均像元雪深，计算每个像元的异常变化，数值大小代表雪深稳定程度。从中可以看出，研究区内雪深异常变化范围为0-24之间，大部分区域雪深异常变化不明显，其中雪深最稳定的区域为内蒙古的阿拉善盟，这可能与这一区域常年降雪量小有关，但在雪深高值区呼伦贝尔市的西北部，雪深表现出明显不稳定变化，这可能与北半球近年来温度逐渐升高有关。

图6 1982-2015年内蒙古雪深异常变化空间分布图

3 雪深对气候变化的响应

文章通过计算研究区内1982-2013年年均温度和降水的变化趋势，从中可以看出在过去32年中气候变化趋势特征。从年均温度变化趋势图中可以看出，32年间年均温度变化幅度较大，多年年均温度约为4.53℃；其中1990、1994、1998、2007年这4年的温度处于极大值，2007年温度达到近32年最大值，为5.85℃，1984、1996、2000、2012年这4年温度处于极小值，1984年温度达到近32年最小值，为3.06℃。总体上，研究区内年均温度呈现上升趋势，以0.318℃/10a(p<0.01)的速度升高。从年均降水变化趋势图中可以看出，32年年均降水变化幅度较大，多年年均降水约为294.49mm；其中1984、1990、1998、2003、2012年这5年的降水处于极大值，1998年降水达到近32年最大值，为437.15mm，1989、1997、2001、2007年这4年的降水处于极小值，2001年降水达到近32年最小值，为216.03mm。总体上，研究区内年均降水呈现下降趋势，以8.566mm/10a(p<0.01)的速度减少。上述特征表明，温度的升高和降水的减少造成了内蒙古地区积雪深度的减少。这一结果与萨楚拉〔6〕得出的受气温升高影响，内蒙古积雪面积将减少的结论相一致。说明内蒙古积雪深度的变化受温度和降水的影响很大。

图7 1982-2013年内蒙古年均温度、降水变化趋势图

4 结论

内蒙古作为中国北方重要的绿色生态屏障，研究其雪深对该区域的水位、气候和人民生产生活等都具有重要的现实意义。文章利用长时间的SMMR、SSM/I和SSMIS数据并结合地理信息系统处理技术，分析了内蒙古近34年间雪深的时空变化特征及演变规律，并对雪深与气候变化的关系进行了探讨，主要结论如下：

(1)1982-2015年期间，内蒙古多年年均雪深变化范围为0-62mm，与纬度有较高的相关性，随着纬度的升高逐渐增大；一个积雪季内，除了3月份之外雪深都呈现增加趋势，其中11-12月雪深增加的最快，达到10.95mm/月。在研究区的东北部雪深高值区，近年来随着温度升高，雪深出现明显不稳定变化。总体上，内蒙古雪深呈现出逐渐减少的趋势，减少速率为1.064mm/10a(p<0.01)，其中呼伦贝尔市西北部雪深减少的趋势明显快于其它地区。

(2)1982-2013年期间，内蒙古温度总体上呈增加趋势，增加的速率为0.318℃/10a(p<0.01)，降水总体上呈减少趋势，减少的速率为8.566mm/10a(p<0.01)。温度的升高和降水的减少造成了内蒙古雪深呈现减少趋势。