基于MODIS数据的玛纳斯河山区雪盖年内变化特征研究

基于2000年～2010年的MODIS/Terra积雪8d合成数据(MOD10A2)与DEM数据,通过计算和分析不同高程带、不同坡向和不同坡度的积雪覆盖率,研究了新疆玛纳斯河山区雪盖的年内变化特征。结果表明:①研究区平均积雪覆盖率最高为一月中旬的67.8%,最低为七月中旬的11.9%,年内变化总体上呈V字型,积雪分布与气温关系密切;②可将研究区雪盖年内分布情况归纳为1600m以下、1600m～3800m和3800m以上共三个高程带,各高程带内雪盖分布的年内变化较为相似,不同高程带则差异明显。从年内波动情况来看,低海拔地区年内波动幅度最大,随着海拔上升,波动幅度逐渐减小;③3800m以下各坡向和坡度地区积雪覆盖率均表现为一月最高,七月最低,四月和十月介于二者之间,而3800m以上地区积雪覆盖率全年最高值则出现在四月和十月;④各坡度和坡向区域雪盖的年内变化与所在高程带的总体情况基本相似,说明坡度和坡向对雪盖分布的影响是在高程影响的基础上产生的。     

MODIS积雪产品及研究应用概述

MODIS是新一代图谱合一的光谱成像仪,适合进行雪情监测。概要介绍了MODIS积雪产品及NDSI算法在积雪制图方面的应用,也介绍了MODIS积雪产品在国内外研究应用的现状和今后的发展趋势。并且给出了应用MODIS数据制作内蒙古雪盖图的实例。     

东北地区MODIS亚像元积雪覆盖率反演及验证

以中巴资源卫星数据作为地面“真值”影像,根据东北地区地理环境与气候特点对Salomoson亚像元积雪覆盖率模型参数进行修正,反演东北地区MODIS像元积雪覆盖率,并用不同方案对模型的稳定性和精度进行分析。研究结果表明,经修正后的Salomoson亚像元积雪覆盖率反演模型对不同地貌--景观单元具有稳定性,其中较小的波动源于积雪物理性质差异、大气效应、积雪影像分类误差及影像配准误差。在东北平原区,NDSI值在0.52~0.65时,模型反演精度高,但反演雪盖率总体偏低,主要是由NDSI基于对波段反射率的非线性转换引起的;雪盖率高估的像元主要分布在城区外围以及农村居民点,而覆盖城区、乡、镇以及居民点之间道路的像元雪盖率误差小,其原因是人类活动频率影响像元内积雪组分与非积雪组分的光谱特性的差异程度。与MODIS雪产品进行对比分析,积雪覆盖率提供较传统雪盖制图更加丰富的信息,然而对林区冠层下积雪覆盖二者均未给出准确估计。     

多源遥感驱动的SRM模型在缺资料地区的研究及应用

以MODIS雪盖、风云静止卫星降水、GLDAS气温等多源数据,作为传统SRM模型的输入参数,构建多源遥感驱动的SRM融雪径流模型,并在缺资料地区——青藏高原的年楚河流域进行融雪过程的径流模拟。研究表明融雪后期的瞬时降雪很大程度上影响了插值后积雪覆盖率的精度,在插值的时候考虑降水和气温,排除瞬时积雪干扰,改进线性插值获得每天的积雪覆盖率,可以提高模型模拟精度;遥感驱动的SRM模型在缺资料地区年楚河适用性较好,Nash-Sutcliffe系数(NSE)达到0.681,体积差(Dv)为-0.17%,均方根误差(RMSE)为9.678,模型模拟的精度较高。研究结果可为高寒地区生态水文模型研究提供重要参考,同时可为SRM模型在其他流域尤其是缺资料地区融雪径流计算中的应用提供有效支撑。     

基于MODIS数据的我国天山典型区积雪特征研究

准确监测天山地区积雪面积和积雪日数对合理利用水资源及分析区域气候变化有重要意义。MODIS每日积雪产品可以为大面积快速积雪制图与监测提供依据,但因云量较高成为其应用的瓶颈。利用结合MODIS产品的时间与空间信息有效地减少了云对MODIS积雪产品的影响,并利用改进的MODIS积雪数据和DEM分析2002~2009年天山地区积雪面积和积雪日数的变化特征。结果表明:积雪频率总体上随着海拔升高而增大;不同坡向积雪面积差异明显,西北坡积雪覆盖率最高,北坡、西坡和东北坡次之,南坡和东南坡的积雪覆盖率最低;2006~2008年研究区积雪面积出现低值,年内最大积雪面积呈逐年减少的趋势;随着海拔下降,积雪日数逐渐变小,天山南部地区积雪日数仅为40 d以下;积雪日数大的区域年际积雪日数变化相对稳定,积雪日数少于40 d的区域积雪日数的变异系数最大,年际积雪日数变化不稳定。     

高亚洲地区无云积雪遥感二值产品对比和精度验证分析

以青藏高原为核心的高亚洲地区是我国重要的积雪分布区域,也是气候变化的敏感区域。高精度的积雪遥感监测产品可更好地理解区域水和能量循环过程,提升气候、环境分析和水资源应用潜力,然而由于高亚洲地区地形复杂,高原局部气候变化快,当前所发布的积雪产品的算法各有所长,不同产品的精度评价所采用的评估方法、参考数据和精度指标不统一,这为积雪数据产品应用及评价带来挑战。选择目前国内外已经发布的较为典型的IMS、MODIS无云积雪产品等3种数据,开展基于流域的时空交叉对比分析,并采用同一套地面参考数据集及综合性指标,进行了精度验证和比对研究。结果表明:利用不同数量的地面观测数据进行验证时,3种积雪产品表现都较为稳定,总精度都能达到85%以上,IMS和与微波观测相结合的无云(A-MODIS)产品召回率较高,而MODIS积雪产品的准确度较高,权衡参数F值较高;在积雪季初期3种产品积雪覆盖面积和趋势吻合,后期融雪期出现较大差异,IMS与A-MODIS产品相较于MODIS产品有高估现象,认为与云覆盖及微波数据的质量有很大关系,总体来看IMS产品与MODIS积雪产品精度相接近,但MODIS积雪产品数据质量较高。该项研究可为积雪遥感产品在高亚洲地区应用提供客观的分析和评价。     

卫星遥感西藏高原积雪时空变化及影响因子分析

积雪是气候变化的指示器,其变化对地球能量和辐射平衡以及水分循环产生深刻的影响。研究积雪与气候变化的关系是气候变化区域响应的最好实证。利用2000年3月~2011年2月共11 a的MODIS雪盖产品数据、1979~2010年逐日雪深被动微波遥感数据、DEM数据以及地面气象观测数据,通过GIS空间分析及地统计分析功能,系统分析西藏高原雪深、雪盖和雪线的时空变化规律及其对气候变化的响应关系。研究表明:研究区雪深的分布形成了四周山地积雪深度大,中部腹地雪深小的空间格局。1979~1999年平均雪深呈极显著增加趋势,线性倾向率为0.26 cm/10a,1999~2010年则呈下降趋势。逐像元回归分析结果显示,研究区年积雪深度呈增加趋势的像元数占全区像元总数的76.9%,有减少趋势的仅占23.1%;雪盖面积变化总体呈缓慢波动减少趋势,线性倾向率为-3.89万km²/10a;7、8月在中东部念青唐古拉山、南部喜马拉雅山、冈底斯山和昆仑山等山脉一带以及高原腹地局部地区仍存在大面积常年积雪;雪线年平均呈微弱上升趋势,线性倾向率为6.54 m/10a,各季节平均雪线中,秋季雪线的变化对年平均贡献最大;雪线空间分布呈现从东南向西北逐步升高的态势。积雪参数与气候因素的相关分析表明,雪深春秋季主要受风速和日照时数影响,夏冬季则分别是降水量和风速;气温是影响四季积雪覆盖面积的主导因素,春秋季雪线与气温分别呈正相关和负相关。     

基于MODIS数据的玛纳斯河山区雪盖时空分布分析

基于2000~2010年的MODIS/Terra积雪8 d合成数据(MOD10A2)与DEM数据,通过计算和分析积雪频率与积雪覆盖率,研究了新疆玛纳斯河山区雪盖的时空分布特征。结果表明：① 研究区一月份积雪覆盖丰富,积雪频率高值区主要分布在北部中低山地区、南部中海拔地区以及清水河与塔西河的河源地区;四月与十月的雪盖分布规律相似,总体上积雪频率随高程上升而上升;七月份只有少部分高山区域被积雪覆盖;② 积雪频率始终保持较高水平的区域是玛纳斯河、金沟河、清水河以及塔西河的河源高山地区,而玛纳斯河流域中上游的河谷地区则始终保持较低水平;③ 一月份,1 400 m以下地区的积雪覆盖率超过95%,随着高程上升,迅速下降至2 600 m的最低值约41%,此后逐渐上升至5 000 m以上80%左右;④ 一月、四月和十月份积雪覆盖率在大部分高程带上均表现为北坡、东北坡和西北坡最高,东坡和西坡次之,南坡、东南坡和西南坡最低的规律;七月份各高程带的雪盖分布没有明显的坡向差异。     

天山典型区卫星雪盖的年内变化特征分析

利用2000年1月~2001年5月位于天山中段的Landsat TM及ETM+卫星遥感数据,提取逐月雪盖信息,结合研究区数字高程模型数据获取不同地形条件、不同垂直带上的雪盖逐月分布状况,从而分析雪盖的空间分布特征和时间变化规律。研究结果表明,年内雪盖面积与海拔带、坡向带、坡度带之间呈现一定的相关性。总体而言雪盖比率随海拔上升而增大,随坡度增大而减小;雪盖边界高度呈现明显夏秋高、冬春低的变化规律;雪盖面积在特定时间段存在东西坡向上的差异,总体差异小于南北坡向的差异。研究结论为天山水资源的合理利用以及气候与环境变化研究提供科学依据。     

陆地卫星MSS资料在大范围融雪径流模拟中的应用

本文主要介绍了一种利用数字处理的卫星资料估算周期性雪盖面积的方法。
由于我们首次提出了在地形复杂的高山流域进行大面积雪盖制图的方法，因此，对
于有部分云盖的地区或卫星图象不完整时，其雪盖的确定过程还有待于进一步改进
和完善。
季节性雪盖的面积变化范围甘融雪径流模型是一个很重要的变化参量，根据这
些参量，我们就可以利用融雪径流模型(SRM)对所研究的流域(面积3249k
mZ，海拔高度571一3614m)的自然径流做出模拟。但在我们的研究流域，由于实
测径流要受到水岸调配的明显影响，因此，要想通过实测值来优化模型参数，对模
拟值进行校正似乎是不可能的。     

融合FY-3C号和FY-4A号卫星数据的积雪面积变化研究—以祁连山区为例

祁连山区积雪类型丰富、判识复杂,是中国积雪研究的典型区域。因此,精确地监测祁连山区积雪面积变化及其时空演变,对祁连山区生态环境和社会经济发展等具有重要意义。FY-3C MULSS利用多阈值积雪指数模型提供全球日积雪覆盖产品,FY-4A AGRI传感器每15~60 min提供一景覆盖全球的多光谱影像。基于FY-4A AGRI高时间分辨率的特征,构建适合于FY-4A号数据的动态多阈值多时相云隙间积雪识别方法,很大程度上减小了云对光学数据识别积雪造成的影响,并结合FY-3C MULSS积雪覆盖日产品较高空间分辨率的优势,融合得到去除云后的FY3C4积雪覆盖数据。利用Landsat 8 OLI卫星数据对融合后的积雪数据进行对比验证,结果表明融合FY-3C和FY-4A后的数据能更好地判识祁连山区的积雪覆盖情况。以MODIS MOD10A2积雪产品为真实值,随机检验了2018年3月~2019年3月融合后数据的积雪判识精度,发现无云情况下方法的总体精度可达到85.25%。进一步研究发现祁连山区积雪面积在海拔、气候和坡向等因素的影响下时空分布极不均匀,总体呈现出冬春季节大于夏秋季节,以及东部积雪面积大于西部积雪面积的特征。     

一种融合遥感和地面观测资料的雪深空间插值方法

针对积雪观测站点稀少的问题,提出一种考虑海拔影响,能够融合MODIS积雪面积产品和站点观测的雪深空间插值方法,该方法利用去云后MODIS积雪面积产品构建的无积雪“虚拟站点”弥补站点分布不均匀和稀少的不足,利用泛协克里金插值方法考虑海拔对雪深的影响。利用北疆地区50个气象站点的逐日雪深观测资料、逐日MODIS积雪面积产品和AMSR-E被动微波雪水当量和雪深产品,对普通克里金、泛克里金、普通协克里金和泛协克里金插值结果进行了比较研究。研究结果表明:积雪覆盖范围较大时,站点雪深与海拔之间相关系数较大,利用泛协克里金插值结果精度高且稳定;否则利用普通克里金插值精度较高且稳定。通过增加“虚拟站点”,能够提高雪深插值精度,并在一定程度上修正了克里金插值中存在的平滑效应。
     

Topographic controls on spatio-temporal snow cover distribution in Northwest Himalaya

The present study deals with spatio-temporal snow cover distribution in Northwest Himalaya (NWH) in a discourse on regional topography and prevalent climatology. Snow cover variation during 2001–2012 in NWH and eight major river basins was examined using MODIS data on board the Terra satellite. Slope match topographic correction was applied to eliminate the differential illumination effect on satellite imagery. The impact of cloud cover was removed by generating a 10-day maximum snow cover product. Annual and seasonal analysis shows a decreasing trend in snow cover area (SCA) over the entire NWH. Maximal SCA was observed in the windward river basins of the Lower and the Middle Himalayan zones and in the highly glaciated Shyok river basin of the Upper Himalaya. Monthly snow cover duration (SCD) maps revealed the effect of longitudinal variation as well as the strong influence of regional climatology and topography. The relationship of SCA with altitude and aspect was studied in all the river basins of NWH. The study shows a linear increment of SCA/D with increasing respect to elevation in all river basins. The maximum rate of SCA/D change with elevation was observed in the Jhelum river basin. In the Middle Himalayan Zone, an effect of basin orientation in regard to elevation was observed. Mean annual SCA at altitudes of up to 4500 m shows a decreasing trend. Seasonal analysis of aspect-wise snow cover shows that southern slopes have lower SCA during winter months. The difference in SCA between northern and southern slopes is even higher in summer and the monsoon period.     

Evaluation of MODIS snow cover and cloud mask and its application in Northern Xinjiang, China

Using five-year (2001-2005) ground-observed snow depth and cloud cover data at 20 climatic stations in Northern Xinjiang, China, this study: 1) evaluates the accuracy of the 8-day snow cover product (MOD10A2) from the Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS)/Terra satellite, 2) generates a new snow cover time series by separating the MODIS cloud masked pixels as snow and land, and 3) examines the temporal variability of snow area extent (SAE) and correlations of air temperature and elevation with SAE. Results show that, under clear sky conditions, the MOD10A2 has high accuracies when mapping snow (94%) and land (99%) at snow depth ≥ 4 cm, but a very low accuracy (< 39%) for patchy snow or thin snow depth (< 4 cm). Most of the patchy snow is misclassified as land. The mean accuracy of the cloud mask used in MOD10A2 for December, January and February is very low (19%). Based on the ratio of snow to land of ground observations in each month, the new snow cover time series generated in this study provides a better representation of actual snow cover for the study area. The SAE (%) time series exhibits similar patterns during six hydrologic years (2001-2006), even though the accumulation and melt periods do not exactly coincide. The variation of SAE is negatively associated with air temperature over the range of − 10 °C to 5 °C. An increase in elevation generally results in longer periods of snow cover, but the influence of elevation on SAE decreases as elevation exceeds 4 km in the Ili River Watershed (IRW). The number of days with snow cover shows either a decreasing trend or no trend in the IRW and the entire study area in the study period. This result is inconsistent with a reported increasing trend based on limited in situ observations. Long-term continuance of the MODIS snow cover product is critical to resolve this dilemma because the in situ observations appear to undersample the region.     

Validation of operational AVHRR subpixel snow retrievals over the European Alps based on ASTER data

Snow is of great economic and social importance for the European Alps. Accurate monitoring of the alpine snow cover is a key component in studying regional climate change as well as in daily weather forecasting and snowmelt run‐off modelling. These applications require snow cover information on a high temporal resolution in near‐real time. For the European Alps, operational snow cover fraction maps are generated on a daily basis using data from the Advanced Very High Resolution Radiometer (AVHRR) on board the National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) platforms. Snow cover distribution is inherently discontinuous and heterogeneous in this mountainous region. We have therefore implemented a straightforward multiple endmember unmixing approach to estimate fractional snow cover. Subpixel proportions are difficult to validate because similar products are not available and appropriate ground‐based observations do not exist. In this study, we validate AVHRR subpixel snow retrievals using binary classified data sets from the Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer (ASTER) to establish absolute errors of our operational approach at three test sites. Our analysis indicates that the AVHRR subpixel maps compare well with the aggregated ASTER data, showing an overall correlation of 0.78 and providing subpixel estimates with a mean absolute error of 10.4% fractional snow cover. Discrepancies between AVHRR and ASTER snow fraction maps can be attributed to varying snow conditions, terrain effects and density in forest cover.     

Mapping dry/wet snow cover in the Indian Himalayas using IRS multispectral imagery

Application of remote sensing data has been made to differentiate between dry/wet snows in a glacierized basin. The present study has been carried out in the Gangotri glacier, Himalayas, using IRS-LISS-III multispectral data for the period March-November 2000 and the digital elevation model. The methodology involves conversion of satellite sensor data into reflectance values, computation of NDSI, determination of the boundary between dry/wet snows from spectral response data, and threshold slicing of the image data. The areas of dry snow cover and wet snow cover for different dates of satellite overpasses have been computed. The dry snow area has been compared with non-melting area obtained from the temperature lapse rate method, and the two are found to be in close mutual correspondence (< 15%). It is observed that there occur four water-bearing zones in the glacierized basin: dry snow zone, wet snow zone, exposed glacial ice and moraine-covered glacial ice, each of which possesses unique hydrological characteristics and can be distinguished and mapped from satellite sensor data. It is suggested that input of data on the position and extent of specifically wet snow and exposed glacial ice, which can be directly derived from remote sensing, should improve hydrological simulation of such basins.     

1980~2019年北疆积雪时空变化与气候和植被的关系

利用1980~2019年中国长时间序列的AVHRR逐日无云积雪面积产品和气象站实测雪深资料计算积雪日数、积雪初日、积雪终日、积雪期、雪深等积雪物候参数,研究积雪物候的时空分布变化,同时结合ECMWF-ERA5再分析资料和GIMMS NDVI3g数据集分别提取气象因子（气温、降水）和植被因子（返青期、枯黄期、生长期）,探究北疆积雪物候变化对气象因子和植被因子的响应。结果表明：北疆近40 a间的平均积雪日数为81.62 d/a,73%的区域为稳定积雪区,积雪初日在11月、终日在3月,积雪期为每年11月初至次年3月底4月初;空间上呈现不均匀分布,其中阿勒泰山地区、天山地区、大部分塔城盆地和额尔齐斯谷地区为主要积雪区,1980~2019年间北疆积雪覆盖面积比例、积雪日数和积雪期逐年降低,积雪初日基本没变,但积雪终日显著提前;ECMWF-ERA5再分析资料表明1980~2019年北疆积雪期降水量无明显变化,但积雪覆盖面积比例显著降低,说明降雪区雪深可能增加,这与北疆气象站实测雪深逐渐增加结果相吻合;平均气温与积雪期积雪覆盖面积比例、积雪日数、积雪期长度相关性较大,呈现显著负相关,积雪期降水量与积雪物候参数呈现正相关;积雪物候及其气候效应引起北疆自然植被返青期显著提前,植被生长期延长的特征。