东北地区积雪时空分布及其融雪径流模拟

发布时间：2020-07-06 23:32

【摘要】：东北地区是我国主要农业、林业和畜牧业生产基地，是我国三大季节性稳定积雪区域之一。东北冬季寒冷且持续时间长，季节性积雪在北部最多可持续存在半年。积雪是重要的淡水资源之一，春季融雪径流占河川年径流总量的10-15%。同时，积雪也是东北地区自然灾害的主要来源之一，冬季降雪过多容易引起雪灾而春季突发性融雪径流也增大了洪灾的可能性。因此，积雪的动态变化研究和融雪径流模拟对区域水资源管理、农牧业发展和灾害防御具有重要的现实意义。针对MODIS逐日积雪产品Terra MOD10A1和Aqua MYD10A1云覆盖率高的缺陷，设计单日合成和多日合成算法，生成东北地区双星单日合成产品（MODISDC）和滑动多日合成产品（MODISMC），云覆盖率分别降低了9.96%和46.69%，平均合成天数为3-4天。利用站台和卫星影像积雪分类建立混淆矩阵，建立5个精度指标验证合成产品的积雪精度，结果表明MODISMC和MODISDC总体精度分别为76.52%和47.51%，明显高于MODIS逐日积雪产品，而Terra MOD10A1和Aqua MYD10A1的总体精度分别为34.45%和30.75%，说明合成方法能有效降低云覆盖，恢复云下积雪信息。基于滑动多日积雪合成产品，计算东北地区积雪覆盖率、积雪日数和积雪指数。定义每年9月1日到次年8月31日为一个水文年，简写为HY。从HY2003开始，积雪覆盖率以每年0.22%速度增长，即积雪面积每年以22.57km2增加。东北地区积雪持续时间最长的区域分布在长白山地区和大兴安岭北部，最大积雪持续时间超过6个月以上；大兴安岭（内蒙古界内）和小兴安岭积雪持续时间次之。近12年，东北地区积雪覆盖率和积雪日数呈现增长趋势，HY2010、HY2011和HY2013积雪分布范围大且持续时间较长，HY2003和HY2008分布范围小且持续时间短。气温和积雪日数SCD呈负相关关系，相关系数为-0.60（P0.05）；而积雪日数与降水量呈现正相关关系，相关系数为0.78（P0.05）。研究不同纬度、不同地形和不同植被覆盖下东北地区积雪时空变化，分析积雪-植被-高程的时空变化规律，并根据积雪和植被的相关性确定积雪变化的高程过渡带。结果表明，东北地区积雪分布呈现明显的纬向特征，积雪日数与纬度显著正相关，相关系数为0.90（P0.05）。在地形因子中，高程是影响积雪变化的主要地形控制因子。分析不同高程下积雪日数和植被指数NDVI相关性，植被对积雪的影响随着高程的变化而变化，结果表明存在一个1200-1600m高程过渡带，高程小于1200m积雪变化与植被相互作用明显，而大于1600m植被对积雪变化的影响作用微弱。选择东北地区辽河流域（LH）、嫩江流域（NJ）、松花江上游流域（SU）和松花江下游流域（SD）四个典型流域，基于流域尺度合成高时间分辨率的MODISMC数据，平均合成天数为2-3天。由此，对比四个流域积雪覆盖率、积雪日数和积雪指数变化。四个流域的积雪覆盖率、积雪日数和积雪指数的大小顺序为SDSUNJLH。其中，松花江上游流域积雪增长最快，积雪面积每年以9.44km2速度增长，积雪日数以每年4.48天增长。基于分类回归树（Classificationand Regression Tree, CART），从地形、植被和气象三个角度分析影响积雪变化因素的重要性并排序，影响因子包括高程、坡度、坡向、归一化植被指数、气温和降水量，研究表明高程和植被是控制东北地区积雪变化的主要因素。选择松花江上游流域的二道松花江流域为例，基于SRTM DEM数据建立3个高程分布带，利用MODISMC数据获取积雪面积衰减曲线，通过对气象站台气温和降水量数据进行克里金插值，获取不同高程分布带的气温和降水量，并以实测站台的逐日径流数据作为初始值运用SRM融雪径流模型，对2010年二道松花江流域融雪期进行径流模拟，利用评价指标Nash-Sutcliffe R2系数和体积差Dv对结果进行评价，R2=0.57和Dv=25.59%说明模型有待优化，误差的主要来源是模型原理忽略物理过程和实测资料缺乏。结果表明，模拟的径流反映研究区域融雪径流的峰值发生在4月中旬到5月初，而整个融雪期大规模径流峰值在8月1日左右，SRM模拟结果初步反映了长白山山区融雪的宏观过程和径流变化。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P426.635
【图文】：

遥感影像图,数据,降雪量,气候特征

图 2.1 东北地区 SRTM DEM 数据遥感影像图(3) 气候特征研究区地域广阔，气候类型多样。自南向北跨暖温带、中温带与寒温带三个带，热量显著不同，气候上从湿润区、半湿润区过渡到半干旱区。气候特征有三个特征[78]，即：1）明显的南北走向的温度梯度，西北部和东北年平局小于 3℃而中部平原温度在 3-7℃之间；2）降水量呈现从东部、到中部、到递减的趋势，年累积降水量为 600-1000 mm、300-600 mm、100-300 mm；3走向的潜在蒸散量梯度，从北部 500-600 mm 上升到 600-700 mm。(4) 雪情东北地区是中国地区三大稳定积雪区域之一[17]，在空间分布上主要表现为纬多、低纬少”和“高山多、平原少”的特点[59]。大部分地区年降雪量在150mm 之间，其中长白山地部分地区年降雪量可达 150mm 以上；从南到北持续时间依次增加，雪期长达 30-190d[[88]。东北地区周围山地降雪多中部平

辽河流域,辽河,吉林,内蒙古

图 2.3 东北地区 4 个典型流域分布范围(1) 辽河流域辽河位于我国东北地区西南部，河道蜿蜒迂回，流经河北、内蒙古、吉林和4省区，在辽宁境内盘山县注入渤海，全长1345km，流域面积21.96万km2[91]东部为山地，大部属于千山山脉，一般高程 200-1000m；西部南端属燕山山延余脉，一般高程为 500-1500m；西北部为大兴安岭的南端；北部浅丘岗地 200-300m，为松花江与辽河分水岭；南临渤海；中部为辽河平原。流域地体是由北向南、自东西两侧向中间平原倾斜。西辽河平原风沙地貌显著，松较厚，多湖洼沼泽。辽河流域水系如图 2.4 所示。辽河流域大部分地区属温带半湿润半干旱季风气候。辽河流域无冰川融雪主要是通过影响流域总蒸散量而使得流量发生改变[91]。年平均气温为 4-9°最低气温值为-18-9°C，年平均最高温度值为 21-28°C。1 月份最低，平均0-18°C 之间。流域内年降水量为 350-1000mm，年降水量的 65%集中在 4-

水系图,辽河流域,水系图

图 2.4 辽河流域水系图域内山地面积为 48.2%，丘陵为 21.5%，平原为 24.3%，沙丘型多样，具有温带草原、暖温带落叶阔叶林以及地带性灌丛等东部山地多为温带针阔混交林，南部和西部多为暖温带落叶阔带草甸草原，中部平原地区以农作物为主，流域内土地利用方区林地、中部耕地和内蒙古地区多为草原和未开发利用土地的断地开垦、采伐和人工建造，流域内几乎已无原始植被[93-95]。江流域源于兴安岭山脉伊勒呼里山南麓，自北向南流，在三岔河口与河长 1370 km，流域面积 25.47 万 km2，流域水系图如图 2.5西部和南部三面地势较高，东部与松花江平原连接，形成广阔向东区内大体可分为大兴安岭山区、山区丘陵过渡地带、山前低平原区。

【参考文献】