Αλλαγές στη φαινολογία του χιονιού από το 1979 έως το 2016 πάνω από τα όρη Tianshan, Κεντρική Ασία

Από RemoteSensing Wiki

Αλλαγές στη φαινολογία του χιονιού από το 1979 έως το 2016 πάνω από τα όρη Tianshan, Κεντρική Ασία

Πρωτότυπος τίτλος: Changes in Snow Phenology from 1979 to 2016 over the Tianshan Mountains, Central Asia

Συγγραφέας: Tao Yang, Qian Li, Sajjad Ahmad, Hongfei Zhou, Lanhai Li

Σύνδεσμος πρωτότυπου κειμένου: [1]

Σχήμα 1 α)Τοποθεσία των ορέων Tianshan (TS) και κατανομή των μετεωρολογικών σταθμών. β)Ετήσιες βροχοπτώσεις πάνω από το TS από το 1979 έως το 2016 (προϊόντα του Παγκόσμιου Κέντρου Κλιματολογίας Βροχόπτωσης (GPCC)). γ)Μηνιαία κατανομή των βροχοπτώσεων και της θερμοκρασίας στο TS κατά την την 1979-2016 (GPCC και Παγκόσμιο Δίκτυο Ιστορικής Κλιματολογίας 2 και Σύστημα Παρακολούθησης Κλιματικών Ανωμαλιών (GHCN_CAMS)). δ)Μέση χρονική σειρά βάθους χιονιού πάνω από το TS κατά την περίοδο 1979-2016.

Σχήμα 2. Μέση φαινολογία χιονιού κατά την περίοδο 1979-2016: (α)ημέρα έναρξης χιονιού Do,β) ημέρα λήξης χιονιού De,γ)διάρκεια κάλυψης χιονιού Dd, και( δ) μέγιστο βάθος χιονιού SDμέγιστο

Σχήμα 3. Χρονικές τάσεις στη φαινολογία του χιονιού:(α)ημέρα έναρξης χιονιού Do,β) ημέρα λήξης χιονιού De,γ)διάρκεια κάλυψης χιονιού Dd, και( δ) μέγιστο βάθος χιονιού SDμέγιστο. Οι μαύρες κουκίδες στο σχήμα 3 δείχνουν ότι οι τάσεις ήταν σημαντικές (επίπεδο σπουδαιότητας στο 0,05).

Σχήμα 4. α) Ετήσιες διακυμάνσεις της ημέρας έναρξης του χιονιού Do, ημέρα λήξης χιονιού De, και τις διάρκειες κάλυψης χιονιού Dd από το 1979 έως το 2016 επί του TS· β)Συνεισφορές από το Do και De στο Dd σε ολόκληρη την TS κατά την ίδια την 1979-2016 (ομαλοποιημένες τιμές)· γ)Σχέση μεταξύ Do και Dd; (δ)Σχέση μεταξύ De και Dd. R2 είναι ο συντελεστής προσδιορισμού.

Σχήμα 5 Χωρική κατανομή των μεταβολών της θερμοκρασίας και των βροχοπτώσεων πάνω από το TS από το 1979 έως το 2016. Το χωροταξικό μοτίβο των (α) ημερών με μέση θερμοκρασία <0 °C και β) μεταβάλλεται από μετεωρολογικές παρατηρήσεις. Οι διακυμάνσεις του γ) ετήσιου μέσου Ta,δ) Τm,ε) Pa, κα ιστ) PD. Οι μαύροι σταυροί και οι κουκίδες του σχήματος 5 δείχνουν ότι οι τάσεις ήταν σημαντικές (επίπεδο σπουδαιότητας στο 0,05).

Σχήμα 6 α)Ευαισθησία του Do στο Τa (ημέρες °C−1),β) ευαισθησία του Do στο Pa (ημέρες χιλ.−1),γ)ευαισθησία της SDμέγιστο στο Τa (cm °C−1),δ) ευαισθησία της SDμέγιστο στο Pa (εκ. χιλ.−1),ε) ευαισθησία του De στο Τm (ημέρες °C−1), και στ) ευαισθησία του De στην SDμέγιστο (ημέρες εκ.−1). Οι μαύρες κουκίδες στο σχήμα 6 δείχνουν ότι ο συσχετισμός ήταν σημαντικός (επίπεδο σπουδαιότητας στο 0,05).

Εισαγωγή

Σε σύγκριση με τις αραιές παρατηρήσεις των μετεωρολογικών σταθμών, η τηλεπισκόπηση είναι ένας αποτελεσματικός τρόπος για την παρακολούθηση της δυναμικής του χιονιού των προηγούμενων δεκαετιών σε περιφερειακές και παγκόσμιες κλίμακες. Η οπτική τηλεπισκόπηση χρησιμοποιεί τον ομαλοποιημένο δείκτη χιονιού (NDSI) για να προσδιορίσει την έκταση κάλυψης χιονιού με υψηλή ανάλυση. Οι φαινολογικές συνθήκες χιονιού επηρεάζονται κυρίως από τη μεταβλητότητα της έκτασης κάλυψης χιονιού. Οι αυξανόμενες θερμοκρασίες έχουν μειώσει τη διάρκεια κάλυψης χιονιού (Dd) , καθυστερούν την ημέρα έναρξης του χιονιού (Do), με αποτέλεσμα να έρχεται και πιο σύντομα η ημέρα λήξης χιονιού (De). Αντίθετα, οι ενισχυμένοι δυτικόι άνεμοι μέσου γεωγραφικού πλάτους έχουν προκαλέσει μια διευρυμένη έκταση κάλυψης χιονιού στην Ασία και το Θιβέτ με παρατεταμένο Dd, νωρίτερα Do, και αργότερα De .Ωστόσο, η μάσκα σύννεφου και η έλλειψη μεθόδων ανίχνευσης βάθους χιονιού περιορίζουν την εφαρμογή προϊόντων χιονιού από οπτική τηλεπισκόπηση. Η παθητική τηλεπισκόπηση μικροκυμάτων με βάση τη φασματική μέθοδο διαβάθμισης μικροκυμάτων παρέχει έναν πιθανό τρόπο παρακολούθησης των διακυμάνσεων του βάθους χιονιού και της χιονοκάλυψης υπό συννεφιασμένες συνθήκες. Τα προϊόντα βάθους χιονιού που ανακτώνται από παθητικούς αισθητήρες μικροκυμάτων έχουν εφαρμοστεί με επιτυχία στη φαινολογία βλάστησης, κλιματολογία χιονιού και υδρολογία χιονιού. Η μελέτη αυτή διερεύνησε τη μεταβλητότητα της φαινολογίας του χιονιού από το 1979 έως το 2016 με βάση τα παθητικά δεδομένα βάθους χιονιού μικροκυμάτων από την TS (τα όρη Tianshan). Οι στόχοι αυτής της μελέτης ήταν οι εξής: (1) η παραγωγή φαινολογίας του χιονιού, συμπεριλαμβανομένου του, Da, Dd, και SDμέγ. από τα καθημερινά δεδομένα βάθους χιονιού· (2) για την ανάλυση των τάσεων της φαινολογίας του χιονιού, καθώς και των πιθανών παραγόντων επιρροής τους και (3) να συζητήσουν τις πιθανές επιπτώσεις των αλλαγών της φαινολογίας του χιονιού στους υδάτινους πόρους. Αυτή είναι η πρώτη μελέτη για να περιγράψει τη φαινολογία του χιονιού χρησιμοποιώντας παθητικά δεδομένα βάθους χιονιού μικροκυμάτων για ολόκληρο το TS (όρη Tianshan). Τα αποτελέσματα θα συμβάλουν στη βελτίωση της κατανόησης της φαινολογίας του χιονιού και θα οδηγήσουν σε καλύτερη διαχείριση των περιφερειακών υδάτινων πόρων.

Περιοχή Μελέτης

Ως το μεγαλύτερο ορεινό σύστημα στην Κεντρική Ασία, το TS έχει πλάτος περίπου 250-350 χιλιόμετρα και μήκος πάνω από 2500 χιλιόμετρα, που εκτείνεται από το Ουζμπεκιστάν έως την Κιργιζία, το νοτιοανατολικό Καζακστάν και το Σιντζιάνγκ (Κίνα) με 800.000 χιλιόμετρα2 (Σχήμα 1α) .

Σύνολα δεδομένων

Προϊόντα βάθους χιονιού τηλεπισκόπησης

Σε αυτή τη μελέτη χρησιμοποιήθηκε το παθητικό σύνολο δεδομένων βάθους χιονιού, εντός της περιοχής από 60-140°E και 15-55°N σε χωρική ανάλυση 25 km το οποίο προέρχεται από τα δεδομένα θερμοκρασίας φωτεινότητας από το Εθνικό Κέντρο Δεδομένων Χιονιού και Πάγου (NSIDC), συμπεριλαμβανομένου του πολυκαναλικού ραδιομέτρου σάρωσης (SMMR) (1978-1987), ειδικού αισθητήρα μικροκυμάτων/εικονολήπτων (SSM/I) (1987-2007), και ειδικού εικονογράφου μικροκυμάτων αισθητήρων (SSMI/S) (2008-2016). Η χρονική συνέπεια αυτού του συνόλου δεδομένων βελτιώθηκε με διασταυρούμενη βαθμονόμηση των θερμοκρασιών φωτός διαφορετικών αισθητήρων . Αυτή η καθημερινή βάση δεδομένων αναπτύχθηκε μέσω ενός τροποποιημένου αλγορίθμου Chang, ο οποίος βασίστηκε στα in situ δεδομένα χιονιού της Κίνας, λαμβάνοντας υπόψη τον αντίκτυπο της δασικής κάλυψης, της περιεκτικότητας σε υγρό νερό στο στρώμα χιονιού και του σώματος των επιφανειακών υδάτων.

Σύνολα δεδομένων υετού και θερμοκρασίας

Τα καθημερινά δεδομένα θερμοκρασίας και βροχόπτωσης από 50 μετεωρολογικούς σταθμούς στο TS για την 1979-2016 συλλέχθηκαν από τη Μετεωρολογική Υπηρεσία της Κίνας και το Εθνικό Κέντρο Κλιματικών Δεδομένων (NCDC). Τα δεδομένα από μετεωρολογικούς σταθμούς εφαρμόστηκαν για να αναλυθεί ο αριθμός των ημερών κατά τις οποίες η θερμοκρασία ήταν κάτω από 0 °C στην περιοχή μελέτης. Η μηνιαία θερμοκρασία του αέρα (1979-2016) προήλθε από το Παγκόσμιο Ιστορικό Δίκτυο Κλιματολογίας 2 και το Σύστημα Παρακολούθησης Κλιματικών Ανωμαλιών (GHCN_CAMS. Τα δικτυωμένα δεδομένα σχετικά με τη θερμοκρασία του αέρα και τις βροχοπτώσεις χρησιμοποιήθηκαν για τη διερεύνηση της σχέσης μεταξύ των φαινολογικών αλλαγών του χιονιού και των κλιματικών διακυμάνσεων της TS. Ως τυπικός ποταμός που κυριαρχείται από χιονόνερο στο TS, ο ποταμός Kaidu επιλέχθηκε για να συζητήσει τη μεταβλητότητα των επιπτώσεων της φαινολογίας του χιονιού στους υδάτινους πόρους. Τα καθημερινά δεδομένα απορροής στον ποταμό Kaidu από το 1979 έως το 2011 συλλέχθηκαν από την Υδρολογική Υπηρεσία του Σιντζιάνγκ.

Μεθοδολογία

Υπολογισμός φαινολογίας χιονιού

Για να διερευνηθεί η μεταβλητότητα της φαινολογίας του χιονιού πάνω από το TS, η μελέτη αυτή όρισε την περίοδο από τον Σεπτέμβριο έως τον επόμενο Αύγουστο ως υδρολογικό έτος χιονιού. Η ημέρα έναρξης κάλυψης χιονιού (Do) για το υδρολογικό έτος ορίστηκε ως η πρώτη ημέρα των πρώτων πέντε διαδοχικών ημερών χιονοκάλυψης σε κάθε πλέγμα για τη μείωση της επίδρασης στιγμιαίου χιονιού στους υπολογισμούς της φαινολογίας του χιονιού. Η ημέρα λήξης κάλυψης χιονιού(De) για το υδρολογικό έτος ορίστηκε ως η τελευταία ημέρα των τελευταίων πέντε διαδοχικών ημερών χιονοκάλυψης σε κάθε πλέγμα. Η διάρκεια κάλυψης χιονιού (Dd) για το υδρολογικό έτος υπολογίστηκε από το Do στο De. Η περίοδος από τον Σεπτέμβριο έως τον επόμενο Φεβρουάριο ορίστηκε ως περίοδος συσσώρευσης και η περίοδος από τον Μάρτιο έως τον Αύγουστο ορίστηκε ως εποχή τήξης, με το μέγιστο βάθος χιονιού (SDμέγιστο) που κορυφώνεται γύρω στο Μάρτιο(Σχήμα 1δ).

Ανάλυση ευαισθησίας της φαινολογίας του χιονιού

Η μέση μηνιαία θερμοκρασία αέρα (Ta), η συνολική μηνιαία βροχόπτωση (Pa) κατά τη διάρκεια της περιόδου συσσώρευσης, το μέγιστο βάθος χιονιού(SDμέγιστο), η μέση μηνιαία θερμοκρασία αέρα (Tm), και οι συνολικές μηνιαίες βροχοπτώσεις (Pm) κατά τη διάρκεια της εποχής τήξης εφαρμόστηκαν για τον ποσοτικό προσδιορισμό των συνεισφορών τους στη φαινολογία του χιονιού πάνω από το TS. Σύμφωνα με peng et al. και Chen et al, ένα πολλαπλάσιο γραμμικό μοντέλο παλινδρόμησης (εξίσωση (1)) μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να αναλύσει τη μεταβλητότητα του Δo, η οποία καθοδηγήθηκε κυρίως από τον Ta και Pa. Do=β1×Ta+β2×Pa+β3 (1) όταν οι συντελεστές παλινδρόμησης β1 και β2 ορίστηκαν ως η ευαισθησία του Do στο Τa και την ευαισθησία του Do στο Pa αντίστοιχα. De καθορίστηκε κυρίως από το Tm και SDmax, και η ΝΔmax κατά την εποχή του χιονιού εξαρτιόταν από το Ta και Pa .Έτσι, εξισώσεις (2) και (3) χρησιμοποιήθηκαν στην ανάλυση ευαισθησίας της SDμέγιστο και Δe αντίστοιχα. SDμέγιστο=β4×Ta+β5×Pa+β6 (2) De=β7×Tm+β8×SDmax+β9 (3)

Ανάλυση τάσεων και στατιστική ανάλυση

Οι τάσεις στη φαινολογία του χιονιού, τη θερμοκρασία του αέρα και τις βροχοπτώσεις υπολογίστηκαν με τη δοκιμή Mann-Kendall (M-K), η οποία είναι μια μη παραμετρική μέθοδος μονοτονικών τάσεων που έχει εφαρμοστεί με επιτυχία για την ανίχνευση τάσεων σε μια χρονική σειρά. Οι διακυμάνσεις στη φαινολογία του χιονιού και η σχέση της με τη θερμοκρασία του αέρα και τις βροχοπτώσεις διερευνήθηκαν με ανάλυση συσχέτισης και γραμμική παλινδρόμηση.

Συνεισφορές του Dο και De στο Dd

Η τυπική βαθμολογία μιας ακατέργαστης βαθμολογίας x [75] μπορεί να οριστεί ως εξής: z=(x−μ)/σ (4)

όπου μ είναι ο μέσος όρος του Do, De, και Dd στο TS από το 1979 έως το 2016 και σ είναι η τυπική απόκλιση του Do, De, και Dd κατά την αντίστοιχη περίοδο. Με την παλινδρόμηση των z-βαθμολογιών του Dd ενάντια στις βαθμολογίες z για το Do και De, οι συνεισφορές του Do και De στο Dd ανωμαλίες μπορούν να προκύψουν από τους συντελεστές παλινδρόμησης.

Αποτελέσματα

Κλιματολογία της φαινολογίας χιονιού πέρα από το TS

Χωρικές κατανομές Do, De, Dd, και SDμέγιστο κατά την 1979-2016 παρουσιάζονται στο σχήμα 2.

Αλλαγές στη φαινολογία του χιονιού πάνω από το TS

Χωρικές κατανομές χρονικών τάσεων στη μέση Do, De, Dd, και SDμέγιστο κατά την TS κατά την την 1979-2016 εμφανίζονται στο σχήμα 3.

Συνεισφορές του Do και De στο Dd

Οι συνεισφορές του Do και De στο Dd εκτιμήθηκαν από τις ομαλοποιημένες τιμές τους σε σχέση με το TS από το 1979 έως το 2016.

Χωροχρονικές διακυμάνσεις της θερμοκρασίας και των βροχοπτώσεων πάνω από το TS

Η μελέτη αυτή υπολόγισε τον αριθμό των ημερών με μέσες θερμοκρασίες αέρα κάτω από 0 °C από τις παρατηρήσεις μετεωρολογικών σταθμών πάνω από το TS από το 1979 έως το 2016 για να συγκρίνει τα αποτελέσματα του Dd προέρχονται από παθητικά όργανα μικροκυμάτων. Μικρές τιμές για ημέρες με μέση θερμοκρασία αέρα <0 °C εμφανίστηκαν (<120 ημέρες) στο νότιο άκρο του TS, στην κοιλάδα Ili και στο WTS(σχήμα 5α). Το πρότυπο αυτό ήταν γενικά σύμφωνο με τη χωρική κατανομή του Dd (Σχήμα 2γ). Οι ημέρες με μέση θερμοκρασία αέρα <0 °C σε όλους τους σταθμούς παρουσίασαν πτωτική τάση και οι σημαντικά μειούμενοι (επίπεδο σπουδαιότητας σε 0,05) σταθμοί εντοπίστηκαν στους ποταμούς Aksu και Kaidu, στην κοιλάδα Ili και στο ETS(σχήμα 5β).

Ανάλυση ευαισθησίας της φαινολογίας του χιονιού πάνω από το TS Η ανάλυση ευαισθησίας πραγματοποιήθηκε με βάση εξισώσεις (1)–(3) για την ανίχνευση των χαρακτηριστικών των φαινολογικών αλλαγών του χιονιού πάνω από το TS και τα αποτελέσματα παρουσιάζονται στο σχήμα 6.

Συμπεράσματα

Αυτή η μελέτη διερεύνησε τη χωροχρονική φαινολογία του χιονιού και του βάθους χιονιού πάνω από το TS χρησιμοποιώντας ένα σύνολο δεδομένων όπως το βάθος χιονιού μικροκυμάτων από το 1979 έως το 2016, καθώς και διερευνώντας τις επιπτώσεις και τα χαρακτηριστικά των αλλαγών του χιονιού. Τα κύρια ευρήματα της μελέτης είναι τα εξής: 1. Η ημέρα λήξης και η διάρκεια του χιονιού σε όλη την TS σημείωσαν σημαντική μείωση και κυριάρχησαν στη διακύμανση της παρατήρησης του χιονιού . Η ημέρα λήξης χιονιού ήταν νωρίτερα σε όλη την TS με αυξανόμενες θερμοκρασίες κατά τη διάρκεια της εποχής τήξης, ειδικά στις περιοχές μεγάλου υψομέτρου και στην κοιλάδα Fergana. 2. Η αύξηση των βροχοπτώσεων κατά τη διάρκεια της περιόδου συσσώρευσης μπορεί να οδηγήσει σε αυξημένο μέγιστο βάθος χιονιού στην κοιλάδα Ili και στα ανώτερα σημεία των ποταμών Aksu και Chu, προκαλώντας στη συνέχεια μεγαλύτερη διάρκεια χιονοκάλυψης. Η διάρκεια κάλυψης χιονιού μειώθηκε στις ανώτερες περιοχές της λεκάνης του ποταμού Kaidu, των περιοχών μεγάλου υψομέτρου των ποταμών Aksu και Ili, του βόρειου ETS και της κοιλάδας Fergana λόγω του γεγονότος ότι οι αυξανόμενες θερμοκρασίες καθυστέρησαν την ημέρα έναρξης του χιονιού και προκάλεσαν την εμφάνιση πιο σύντομης ημέρας λήξης χιονιού. 3. Η ημέρα λήξης χιονιού με αυξημένες βροχοπτώσεις κατά τη διάρκεια της περιόδου συσσώρευσης στις λεκάνες απορροής ποταμού που κυριαρχούνται από χιονόνερο συνέβαλαν στην αύξηση της χιονόπτωσης και προώθησαν την κορυφή απορροής νωρίτερα την άνοιξη. Η αυξημένη χιονόπτωση θα αυξήσει τον κίνδυνο πλημμυρών. Η μετατοπισμένη κορύφωση απορροής θα εισαγάγει χρονική αναντιστοιχία μεταξύ της παροχής νερού και της καλλιεργητικής περιόδου, αυξάνοντας τις δυσκολίες της περιφερειακής δεξαμενής και της διαχείρισης της γεωργίας και εντείνοντας τις αντιφάσεις για το σχεδιασμό και τη χρήση του νερού στις γειτονικές χώρες.