基于modis數(shù)據(jù)的托什干河流域季節(jié)性瀝青混合積分學(xué)分析

0山區(qū)積積水以積水面積和地面設(shè)置為核心的分區(qū)動(dòng)態(tài)研究塔里木河流域是中國(guó)最大的內(nèi)陸流域，生產(chǎn)于周圍山區(qū)（如天山、東帕米爾山、卡拉昆侖山和昆侖山脈）的冰雪融化水，是塔里木河下游綠洲經(jīng)濟(jì)生存和發(fā)展的寶貴資源。長(zhǎng)期以來(lái)，由于缺乏對(duì)山區(qū)冰雪條件的了解，遙感技術(shù)的發(fā)展導(dǎo)致了對(duì)山區(qū)河流分布和變化的研究。在深入研究了一些代表性的河流湖泊的特征后，他們獲得了新的發(fā)現(xiàn)。然而，對(duì)山區(qū)雪的認(rèn)識(shí)仍然不夠，相關(guān)研究也很少。事實(shí)上，雪候區(qū)的動(dòng)態(tài)變化對(duì)于控制區(qū)域的氣候變化非常重要。雪覆蓋物和雪蓋物的數(shù)量作為水文模型的重要參數(shù)，可以預(yù)測(cè)季節(jié)性供水、流域排水和雪洪水的風(fēng)險(xiǎn)。由于空間和時(shí)間分辨率的顯著優(yōu)勢(shì)，山地冰雪生產(chǎn)區(qū)的設(shè)計(jì)被廣泛用于監(jiān)測(cè)雪地的動(dòng)態(tài)。大量的驗(yàn)證研究表明，全球雪氣候數(shù)據(jù)與土壤測(cè)量數(shù)據(jù)具有良好的一致性。例如，與克里蘭姆相比，實(shí)地雪氣候調(diào)查的結(jié)果是，全球雪氣候產(chǎn)品的精度為94%。同時(shí)，研究還表明，如果雪體深度為4cm，則m-sid系列產(chǎn)品的精度降低。根據(jù)parajka等人在美國(guó)波羅的海山區(qū)的驗(yàn)證研究，美國(guó)援助的modis系列產(chǎn)品的精度可達(dá)95%。婁夢(mèng)云等人使用中國(guó)新疆北部20個(gè)土壤觀測(cè)量的數(shù)據(jù)在2002-2011年的modis系列產(chǎn)品中進(jìn)行了驗(yàn)證，平均精度為94%。托什干河流域是塔里木河旁源區(qū)和典型的雪地。因此，遙感數(shù)據(jù)對(duì)流域的形成和變化帶的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和科學(xué)意義。1流域地表及下墊面類型托什干河流域是塔里木河的上游源區(qū)之一,也是天山山區(qū)典型的冰雪覆蓋流域.流域高程介于海拔1841~5575m,沙里桂蘭克水文站控制整個(gè)流域徑流,控制面積19166km2(圖1).流域內(nèi)有一個(gè)國(guó)家氣象觀測(cè)站阿合奇站,流域高程跨度較大,不同高程帶的下墊面類型和植被類型有著明顯差異(表1).其中,海拔3000m以下主要荒漠帶,海拔3000~4000m主要是草地覆蓋,而海拔4000m以上則主要是冰雪覆蓋和裸巖出露.2方法和數(shù)據(jù)2.1基于新型雪濕快干產(chǎn)品的積極影響檢測(cè)MODIS(ModerateResolutionImagingSpectroradiometer)是美國(guó)宇航局(NASA)地球觀測(cè)系統(tǒng)(EarthObservationSystem,EOS)中關(guān)鍵的空間傳感器,它帶有490個(gè)檢測(cè)元件,分布在36個(gè)相互配準(zhǔn)的光譜波段,覆蓋從0.4μm(可見光)到14.4μm(熱紅外)的范圍.空間分辨率分別為:8~36通道為1000m、3~7通道為500m、1~2通道為250m.該傳感器數(shù)據(jù)具有很高的信噪比,每1~2d觀測(cè)地球表面一次,在資源環(huán)境監(jiān)測(cè)研究中有許多應(yīng)用.MODIS積雪像元根據(jù)MODIS第4波段(0.545~0.565μm)和第6波段(1.628~1.652μm)的歸一化差分積雪指數(shù)NDSI(normalizeddifferencesnowindex)計(jì)算得到.一般來(lái)說(shuō),雪的NDSI值要比其他地表覆蓋物的NDSI值高,如果同時(shí)滿足NDSI≥0.4、MODIS第2波段(0.841~0.876μm)≥0.11或MODIS第4波段(0.545~0.565μm)≥0.1的條件,那么該像元就判定為雪.全球評(píng)估結(jié)果表明,MODIS積雪產(chǎn)品的平均分類精度是92%.在我國(guó)北疆牧區(qū)晴朗天氣下,分類精度達(dá)98.5%.影響精度的主要因素是云的遮擋和植被覆蓋.目前,MODIS積雪產(chǎn)品的應(yīng)用研究已在許多方面開展,如流域積雪分布的研究,融雪徑流模擬研究.研究采用的積雪資料來(lái)源于美國(guó)雪冰數(shù)據(jù)中心提供的MODIS/Terra積雪8d合成數(shù)據(jù)(MOD10A2),空間分辨率為500m.選用了覆蓋流域范圍的h23v04和h24v04兩軌從2000年2月26日至2012年12月26日的共1158景影像.為了評(píng)估MODIS數(shù)據(jù)的精度,本研究使用歸一化差分積雪指數(shù)算法獲取了多個(gè)時(shí)期LandsatTM影像的積雪覆蓋率,以此對(duì)MODIS積雪數(shù)據(jù)進(jìn)行精度驗(yàn)證(表2).結(jié)果表明,MODIS積雪產(chǎn)品的積雪分類結(jié)果精度較好.但云覆蓋是影響積雪覆蓋率準(zhǔn)確性的一大因素,盡管使用了8d合成的數(shù)據(jù),但研究區(qū)域云覆蓋比較嚴(yán)重.MODIS積雪數(shù)據(jù)多年平均的10-翌年3月的云覆蓋率超過(guò)5%,尤其是1-3月,其值超過(guò)10%.為了進(jìn)一步去除云的影響,使用空間濾波方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理.使用該方法去云后,1-3月的云覆蓋率均降低至10%以下(圖2).2.2數(shù)據(jù)集與數(shù)據(jù)集流域內(nèi)的地面氣象站點(diǎn)阿合奇站位于流域的東南部,海拔1984m(圖1).該觀測(cè)站自1957年開始觀測(cè),研究使用站點(diǎn)1957-2012年的氣象數(shù)據(jù).觀測(cè)資料表明,站點(diǎn)區(qū)域多年平均降水約300mm,多年平均氣溫10.1℃,降水主要集中在5-10月,占全年降水的70%以上.研究還使用了氣象格點(diǎn)數(shù)據(jù),使用的氣象格點(diǎn)數(shù)據(jù)為中國(guó)地面氣溫日值0.5°×0.5°格點(diǎn)數(shù)據(jù)集和中國(guó)地面降水日值0.5°×0.5°格點(diǎn)數(shù)據(jù)集.2個(gè)數(shù)據(jù)集以最新整編的我國(guó)2000多個(gè)氣象站點(diǎn)的觀測(cè)資料為數(shù)據(jù)源,以薄盤樣條法對(duì)氣溫和降水進(jìn)行空間插值而得到.數(shù)據(jù)集的空間分辨率0.5°×0.5°,時(shí)間分辨率為日,時(shí)間跨度為1961年1月1日至今,且在不斷更新中.以上數(shù)據(jù)集由國(guó)家氣象信息中心制作,中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)提供下載,網(wǎng)址為/home.do.氣象格點(diǎn)在流域的分布情況如圖3.此外,預(yù)估流域未來(lái)融雪徑流的變化使用了氣候情景數(shù)據(jù),該氣候情景數(shù)據(jù)為由國(guó)家氣候中心提供的CMIP5多模式簡(jiǎn)單集合平均數(shù)據(jù),包括RCP2.6、RCP4.5、RCP8.5三種情景未來(lái)氣候變化預(yù)估數(shù)據(jù).2.3srtm數(shù)據(jù)處理地形數(shù)據(jù)使用SRTM3數(shù)據(jù)(ShuttleRadarTopographyMission).該數(shù)據(jù)的格網(wǎng)精度是90m(見/).SRTM數(shù)據(jù)覆蓋60°N~56°S,占全球陸地表面的80%以上.目前一些分辨率較低的數(shù)據(jù)已向公眾公開,用于科研工作.本研究使用該數(shù)據(jù)進(jìn)行了托什干河流域劃分和高程帶離散,該數(shù)據(jù)在流域內(nèi)沒有明顯數(shù)據(jù)空洞,流域劃分結(jié)果也表明數(shù)據(jù)精度較好.Huang等利用ICESat對(duì)SRTM數(shù)據(jù)在青藏高原的精度情況進(jìn)行了研究,其垂直精度約為16m.此外,研究還使用了流域出口水文站的月徑流數(shù)據(jù).用于模型參數(shù)率定和檢驗(yàn).2.4日徑流xySRM(SnowmeltRunoffModel)融雪徑流模型是Matinic于20世紀(jì)70年代提出來(lái)的概念性分布式水文模型,其參數(shù)從物理意義出發(fā),又比較簡(jiǎn)化.該模型最突出的特點(diǎn)是提出了概化的徑流計(jì)算公式,該公式的基本思想是計(jì)算每天消融和降水所產(chǎn)生的水量,將它們疊加到前一日計(jì)算的退水流量上,得到每天的日徑流量.具體的計(jì)算公式:式中:Q為平均日流量(m3·s-1);cs為融雪徑流系數(shù);cR為降雨徑流系數(shù);a為度日因子(cm·℃-1·d-1);T為度日數(shù)(℃·d);△T為根據(jù)溫度直減率在不同高程進(jìn)行溫度插值后度日數(shù)的修正值(℃·d);S為分帶流域雪蓋面積百分比;P為降水(cm);A為流域或分帶面積(km2);k為衰退系數(shù);n為模擬流量連續(xù)計(jì)算的天數(shù);10000/86400是徑流量到徑流深的換算系數(shù).在山區(qū)應(yīng)用,考慮到高程對(duì)相關(guān)參數(shù)的影響,一般需對(duì)流域劃分高程帶.一般按500m高度間隔進(jìn)行高程帶劃分,在每個(gè)分帶用式(1)計(jì)算,總的模擬值為各個(gè)分帶之和.3結(jié)果3.1積極開展積極關(guān)斷和堆積覆蓋率積雪具有很強(qiáng)的季節(jié)性,從獲得的2000年以來(lái)流域各季節(jié)的積雪覆蓋率變化過(guò)程可以看出(圖4),冬季積雪覆蓋率最高,在2005年超過(guò)60%,其次是秋季,夏季覆蓋率最低.2000年夏季積雪覆蓋率達(dá)到最低值10.2%;多年月平均積雪覆蓋率更能體現(xiàn)流域積雪覆蓋率的年內(nèi)過(guò)程(圖5).1月積雪覆蓋率最大,氣溫高的7、8月積雪覆蓋率達(dá)到低值.3.2積累期的時(shí)間高程主要影響積雪的積累和消融時(shí)段的長(zhǎng)短,以30%的積雪覆蓋率為閾值來(lái)劃分流域積雪積累期與消融期.海拔3000m以下區(qū)域只有1月為積累期;海拔3000~4000m的積累期為9月-翌年4月;而海拔4000~5000m全年的積雪覆蓋率都在30%以上,說(shuō)明該帶積雪全年都在積累(圖6).需要說(shuō)明的是,研究流域積雪的積累期同時(shí)也伴隨著積雪的消融,因?yàn)樵诮邓S富的時(shí)段也是氣溫高的時(shí)段,這也是大陸性氣候帶的特點(diǎn).3.3冬季堆積增加2000年以來(lái)流域積雪呈現(xiàn)增加趨勢(shì),年平均積雪覆蓋率傾向率為0.205%·a-1,但有一定的時(shí)空差異.時(shí)間上,相對(duì)其他季節(jié),流域冬季積雪增加更為明顯,傾向率為0.345%·a-1(圖7);空間上,與其他高度帶相比,海拔3000~4000m高度帶增加比較明顯,其中,秋季增加趨勢(shì)最為顯著(圖7),傾向率為0.602%·a-1.3.4與標(biāo)準(zhǔn)自由大氣的垂直遞減率比較流域春季徑流主要來(lái)自3-5月的積雪消融產(chǎn)流;SRM融雪徑流模型的輸入變量為氣溫、降水和積雪覆蓋率.用高程帶將流域進(jìn)行空間離散,按500m高度間隔流域可分為7個(gè)高程帶,各帶的高度區(qū)間見表1.為了得到3-5月各帶的氣溫和降水輸入數(shù)據(jù),需要知道氣溫和降水隨高程的變化率.使用氣象格點(diǎn)數(shù)據(jù),計(jì)算3-5月流域氣溫、降水隨高程的變化率(圖8).3-5月流域氣溫的垂直遞減率為5.8℃·(1000m)-1,低于標(biāo)準(zhǔn)自由大氣的垂直遞減率;3-5月流域降水隨高度的上升而增加,增加的比率為38.5%·(1000m)-1.利用獲得的氣溫和降水的高程變化率,計(jì)算得到了所需時(shí)段各高程帶氣溫和降水輸入數(shù)據(jù).各帶的積雪覆蓋率數(shù)據(jù)則由MOD10A2數(shù)據(jù)與各高程帶切割統(tǒng)計(jì)得到.模型的背景參數(shù)如退水系數(shù)、降雨貢獻(xiàn)面積和臨界氣溫根據(jù)模型相關(guān)方法確定,同時(shí)參考天山鞏乃斯河流域、開都河流域和唐古拉山冬克瑪?shù)缀恿饔虻难芯砍晒?選擇有遙感積雪面積觀測(cè)的2000-2006年開展春季融雪徑流模擬研究,將2000-2003年設(shè)為模型參數(shù)率定期,2000-2006年為模型檢驗(yàn)期.結(jié)果表明,率定期模擬值和實(shí)測(cè)值的相關(guān)系數(shù)為0.86(圖9a),檢驗(yàn)期模擬值和實(shí)測(cè)值的相關(guān)系數(shù)為0.87(圖9b).同時(shí),率定期還率定了相關(guān)參數(shù)值(表3).總體而言,模型較好的模擬了春季融雪徑流量.說(shuō)明模型參數(shù)的確定是合理的,模型適合模擬流域的融雪徑流.3.5融雪徑流過(guò)程自然過(guò)程模型以1981-2010年做為當(dāng)前的氣候背景,獲得了在多種RCP情景下流域2021-2050年春季的氣候變化狀況(表4).利用SRM模型,以未來(lái)氣候情景為驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù),以2000-2012年的平均積雪覆蓋率為輸入,預(yù)估了流域2021-2050年的融雪徑流過(guò)程.結(jié)果表明,4月份之后徑流峰值增大顯著(圖10).盡管不同氣候情景下流域氣溫降水的變化并不相同,但對(duì)流域春季徑流而言,并沒有明顯差別.4區(qū)域堆積和氣象條件對(duì)徑流的影響托什干河流域有著豐富的積雪.季節(jié)上,冬季是流域積雪分布最廣;月份上,1月份積雪分布最廣,積雪分布時(shí)空差異顯著.在積雪豐富的年份,1月份積雪覆蓋率可達(dá)90%以上,但積雪少的