第三极积雪时空变化特征研究

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积雪是冰冻圈的重要组成部分,积雪能直接影响大气与地表之间的物质与能量交换,由此对气候、冻土及生态系统等产生重要影响。积雪产生的融水还是水循环中的重要一环,其作为一种重要的水资源在人类社会中产生着重要且积极的作用。第三极地区作为典型的低纬度、高海拔积雪分布区正在面临着积雪快速消融的现状,近几十年来其升温幅度明显高于全球水平,达到全球平均升温幅度的2倍以上,这些现象引起了学术界的广泛关注。为此,本研究以第三极地区为主体,基于积雪年(本研究所有研究结果均基于积雪年进行,积雪年的定义见本文2.3.1.1部分)利用多源数据从多个参数角度对第三极地区的积雪及其变化进行了细致的研究。同时为了全方位反映第三极地区积雪量丰度水平,研究就总积雪水储量将其与与我国“一带一路”倡议及“丝绸之路经济带”高度重合的泛第三极地区和作为典型高纬度、低海拔积雪分布区的北极进行了对比分析。首先,本研究利用MODIS逐日无云二值积雪产品分析了第三极地区积雪面积的年际及月际变化特征。对第三极地区积雪天数比率(一个积雪年中积雪天数占全年天数的比率)的空间分布及年际变化展开了详细的研究。并分别采用了以连续一天有积雪及连续三天有积雪这两个评判标准综合地对第三极地区的积雪物候特征(包括积雪初日、积雪终日、积雪持续时间)进行了详实的分析,同时对不同评判条件下,积雪物候参数的差异进行了详细的对比分析。最后对多年平均积雪次数的空间分布及第三极积雪分布成因进行了探讨。其次,为了探究第三极地区积雪量的丰富程度,本研究利用五种雪水当量产品(Globsnow V2.1、Globsnow V3.0、GLDAS V2.0、GLDAS V2.2、Can SISE)对其总积雪水储量进行了研究。同时为了了解第三极地区的总积雪水储量丰度水平,将泛第三极及北极纳入了对比。研究首先利用经过严格质量控制的地面积雪站点实测雪水当量数据对五种雪水当量产品在各个研究区的精度进行了评估。其次分别利用五种雪水当量产品对第三极、泛第三极及北极地区各积雪年的总积雪水储量进行估算,分析三个地区总积雪水储量的年际变化特征。最后就多年平均总积雪水储量、总积雪水储量年际变化速率、多年平均累积雪水当量、年累积雪水当量年际变化速率、总积雪水储量相对于多年平均总积雪水储量比例的变化速率这些参数将第三极、泛第三极及北极地区进行了详细的对比分析,并梳理了气候因素与总积雪水储量之间的变化关系。得出的结论如下:(1)2000-2015年(积雪年),第三极地区多年平均积雪面积约为(2.50±0.05)×10~6 km~2,约占第三极总面积的(98.44±1.85)%;从月平均积雪面积变化来看,第三极地区8月到来年1月积雪面积处于不断增长状态,同时8月份其平均积雪面积最小,2月份平均积雪面积最大;第三极地区总体积雪天数比率较低,积雪天数比率<20%的面积占比高达65.86%;同时,积雪天数比率在空间上异质性较强,帕米尔高原和念青唐古拉山西南侧较高,而柴达木盆地、第三极地区南部大部分地区和祁连山东南部相对较低;第三极地区积雪天数比率在总体上呈减少趋势。(2)第三极地区首次出现积雪的时间较早,且最后一次出现积雪的时间较晚;与在一天有积雪的标准下的分析结果相比,在连续三天有积雪的标准下,第三极地区呈现出积雪初日大幅延后、积雪终日大幅提前和积雪持续时间大幅缩短的情况。(3)在第三极及泛第三极地区,GLDAS V2.0、GLDAS V2.2、Can SISE三种雪水当量产品与地面实测雪水当量值相关性较低,GLDAS V2.0、GLDAS V2.2雪水当量产品表现出对第三极及泛第三极地区雪水当量的严重低估,相比之下Can SISE雪水当量产品在这两个区域精度最高;在北极区域,GLDAS V2.0、GLDAS V2.2两种雪水当量产品严重低估了北极地区的雪水当量,Can SISE雪水当量产品的精度表现最佳,Globsnow V3.0产品次之,Globsnow V2.1产品随后。(4)1981-2010年(积雪年),第三极、泛第三极及北极地区的多年平均总积雪水储量分别约为46.07±7.44 km~3、277.21±37.30 km~3、1249.17±81.42 km~3;其多年平均年累积雪水当量分别为18.14mm、22.93mm、93.15mm,北极地区多年平均年累积雪水当量远大于第三极及泛第三极地区,而第三极地区最小;北极地区累积雪水当量减少速率显著高于第三极及第三极地区,第三极地区最低,同时第三极地区总积雪水储量相对于多年平均总积雪水储量减少的比例最为迅速,显著高于泛第三极及北极地区;总积雪水储量的变化很可能与气温及降雪有密切的关系,气温升高或降水减少会导致总积雪水储量减少,反之则会增加。
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