田琛钰, 袁金国

(河北师范大学 地理科学学院,河北省环境变化遥感识别技术创新中心,河北省环境演变与生态建设重点实验室,河北 石家庄 050024)

0 引 言

2015年奥委会宣布将由北京举办第24届冬奥会,张家口市协办(主要承办大多数雪上项目).冬奥会举办地的选址并不是越北越好、越冷越好,气温过低会影响参赛人员的人体反应速度和观众的观赛舒适度[1],也容易导致冻伤;气温过高,比赛场地积雪表面会融化而且还会变松,选手不容易滑行,动作易失误,还易受伤.雪上比赛因是在户外举行,所以对气象条件要求很高.冬奥会的选址有一些专业性的要求,河北省张家口市崇礼区是东亚大陆性季风气候中温带亚干旱区,冬季空气活动频繁,平均气温-12 ℃,平均风速仅为2级,降雪早、积雪厚、存雪期长,全年积雪约1.5 m,存雪期150多天,大多数雪上项目选择在张家口市崇礼区举办必有其缘由.

地形、气温、降雪等因素是冬奥会选址的主要影响因素.张磊[2]对2014,2010和2006年冬奥会举办城市索尼、温哥华、都灵的地理位置和气候特征进行分析后得出,冬奥会的承办地具有地理位置便捷、经济发达、气候条件适宜等特点,并从冬季雪期、雪质、气温、风速、地形、空气质量和交通状况方面对雪上项目选址崇礼区进行了分析.赵亮[3]结合“历届冬奥会举办城市分布图”(八年级上册地理书),从气温、降雪、地形和社会来分析冬奥会的选址问题.徐庆喆等[4]利用崇礼区1960—2014年日气象数据,通过计算降雪概率对降雪初终日、冬季雪期和最长连续无降雪时段进行研究,分析冬奥会期间的降雪特征.钱昊等[5]使用NOAA-AVHRR的北半球每周积雪覆盖数据MOD10A1和MYD10A1研究崇礼区积雪面积和积雪覆盖频率变化,利用微波积雪深度数据分析积雪深度的时空分布,通过对积雪的研究分析为冬奥会的成功举办建言献策.

利用卫星遥感,可以获得时间长、空间广、全天候、准确度高的数据,地形、气象的限制较小.利用美国MODIS积雪覆盖数据和积雪深度数据,对河北省张家口市崇礼区的高度、坡度及2001—2015年冬季的积雪覆盖度、积雪深度、气温等进行研究,分析2022冬奥会选址崇礼区的原因.

1 研究区与数据

1.1 研究区概况

河北省张家口市崇礼区位于河北省西北部,东南紧靠北京市,总面积2 334 km2,处于40 °47 ′～41 °17 ′N,114 °47 ′～115 °34 ′E,海拔高度824～2 162 m,地势呈东高西低,区城内大多数为山地,山峰海拔高度基本为1 500～2 000 m,属于中低山区.坡度为0 °～63 °(99.5 %为0 °～35 °),较为平缓,几乎没有陡坡.由于地理位置和地形的因素,崇礼区冬季空气流动较为活跃,平均气温为-11 ℃,平均风速2级,降雪较早,积雪较厚,积雪期较长,冬季的平均积雪深度约为2.7 cm,积雪天数150多天(大致从11月下旬到次年4月初).

1.2 数 据

1.2.1 DEM数据

在地理空间数据云(http:∥www.gscloud.cn)下载30 m分辨率的ASTER GDEM,投影为UTM,数据平面为WGS84.

1.2.2 MODIS积雪覆盖数据

中分辨率成像光谱仪MODIS是搭载在美国地球观测系统EOS的Terra和 Aqua卫星上的传感器[6],研究所用的是MODIS月合成积雪数据MOD10CM.利用崇礼区2001—2015年每年1,2月和上一年12月的月积雪覆盖数据来研究积雪面积,空间分辨率为经纬度0.05 °,积雪覆盖月平均值是根据每日的标准差雪被指数(normalized difference snow index,NDSI)计算得到的,并且只有满足以下条件时,才能被定义为雪[7].

(1)

NDSI≥0.4,

(2)

ρMODIS2≥0.1,

(3)

ρMODIS4≥0.1.

(4)

式中,ρMODIS2,ρMODIS4和ρMODIS6分别代表数据的第2,4,6波段的反射率(https:∥nsidc.org/data/MOD10CM/).

月积雪覆盖数据的像元值及其含义见表1.

表1 月积雪覆盖数据的像元值及其含义

1.2.3 积雪深度数据

日积雪深度数据来自国家青藏高原科学数据中心(https:∥data.tpdc.ac.cn/zh-hans/),单位为cm,空间分辨率为25 km,为美国国家冰雪数据中心处理后的数据[7-10].该数据时间长、空间分布广、全天候、不受云层影响、穿透力强且分辨率高.

1.2.4 冬季气温数据

冬季气温数据来自中国地面气候资料日值数据集,主要使用2000—2015年河北省内站点和附近站点的数据.

2 数据处理与分析方法

2.1 DEM和坡度

使用ArcGIS对数字高程数据DEM进行镶嵌,利用崇礼区的矢量文件,对镶嵌后的DEM图像进行裁切,得到研究区的高程.

使用ArcGIS的Slope工具对DEM提取坡度并进行分级,结果如表2所示.

表2 不同坡度类型的分类标准Tab.2 Classification Standard of Different Slopes

2.2 积雪面积计算

MODIS积雪覆盖数据MOD10CM的格式为HDF-EOS,使用HEG工具对2001—2015年每年1,2月和上一年12月的月积雪覆盖数据进行格式转换、重采样和投影变换.为避免分析年数据时产生歧义,年份统计采用水文年,2000年12月属于2001年.

MOD10CM产品栅格值0～100指的是每个像元的积雪覆盖率,0是指这个像元内没有积雪覆盖,100是指这个像元内全部覆盖着积雪,通过属性提取工具将无效数据剔除后求平均值,得到2001—2015年的年平均积雪覆盖及12月和1,2月的月平均积雪覆盖,对数据进行裁切后得到崇礼区的积雪覆盖,以此分析冬季各月之间的积雪覆盖度变化.由于MODIS传感器原因,2003年12月积雪覆盖数据缺片.研究区积雪面积计算公式[11]为

(5)

式中S为积雪面积,N为像元数量,An为像元面积,F为像元的值.

2.3 积雪深度数据处理

积雪深度数据集中的文件为ASCII码文件,利用ArcGIS将文件批处理为栅格影像,积雪深度数据为逐日积雪数据,借助栅格计算器获取月积雪深度,进行重采样后获得分辨率为0.009 °的栅格影像,以此得到冬季平均积雪深度、2001—2015年年均积雪深度及12月和1,2月的月平均积雪深度,利用裁切工具得到崇礼区的积雪深度.利用克里金插值得到崇礼区冬季积雪深度分布图以及12月和1,2月的月积雪深度分布图,分析冬季各月份之间的积雪深度变化.

2.4 气温数据处理

使用R语言对气温日值数据进行处理,求出各个站点月平均气温,将12月和1,2月的气温数据导入ArcGIS中,利用克里金工具进行插值计算,得到气温的空间分布,利用栅格计算器得到冬季平均气温及12月和1,2月的平均气温.

3 结果分析

3.1 DEM和坡度分析

冬奥会场地的选址最主要的条件是海拔落差,对于速降项目,奥委会规定比赛场地的平均海拔落差要超过800 m.崇礼区海拔高度824～2 162 m,最大高差1 338 m(见图1).

雪上项目赛场依赖有一定坡度的低山区,特别是高山滑雪项目对坡度的要求很高.由图2和表3可知,研究区坡度为0 °～63 °,且99.45 %为0 °～35 °,所以崇礼区多为缓坡和斜坡(81.73 %),陡坡和急坡比较少(7.65 %),险坡几乎没有(0.03 %),符合冬奥会雪上项目比赛的要求.崇礼区地势东部高、西部低,因此雪上项目赛场大多分布在东部地区.

图1 研究区高程Fig.1 Elevation of the Study Area

图2 研究区坡度Fig.2 Slope of the Study Area

表3 各级坡度的像元数量及其占比Tab.3 Numbers and Proportion of Pixels at Each Level of Slope

3.2 多时间序列积雪覆盖时空分布

由图3可知,研究区北部和东部的积雪覆盖度较大,最大覆盖度达到79.17 %,西南地区覆盖较少,最少为5.28 % .

图3 冬季平均积雪覆盖度分布Fig.3 Distribution of Average Snow Coverage in Winter

积雪覆盖度是冬奥会雪上项目比赛选址的一个重要因素,崇礼区2001—2015年冬季平均积雪面积为694 km2,约占崇礼区总面积(2 334 km2)的30 %,冬季积雪面积比较大,满足冬奥会雪上项目选址的需求.由图4可知,研究区2001—2015年积雪面积呈现微弱的减少趋势,与同年的气温数据呈负相关关系,气温较低时积雪面积大,气温较高时积雪面积小.研究发现,2014,2015年冬季气温较高,使得2014—2015年积雪面积骤减,整体呈微弱减少的趋势.

图4 2001—2015年积雪面积和气温的变化Fig.4 Snow Area and Air Temperature Change from 2001 to 2015

由图5可知,12月的平均积雪面积变化趋势不太明显(由于MODIS传感器原因,图5中2003年12月积雪覆盖数据缺失),1,2月的平均积雪面积呈减少趋势,与2001—2015年积雪面积的逐年变化趋势相对应.计算得到2001—2015年冬季每个月的积雪面积平均值,即12月约为628 km2,占27 %;1月约为900 km2,占39 %;2月约为549 km,占24 %.因此,1月积雪面积最大,12月次之,2月最小,1月积雪状况在冬季中最好.1,2月积雪面积变化趋势与逐年积雪面积变化趋势相似,由此分析得出,年积雪面积减少与1,2月积雪面积趋于减少相关性比较大,2月处于冬季末期、春季初期,日最高气温超过0 ℃的频率较高,容易造成积雪消融,积雪覆盖度较小的地区很可能会没有积雪.但因为研究区年均积雪面积为694 km2,相较于其他地区还是比较大的,也符合冬奥会雪上项目选址的要求,不过冬奥会筹备部门还是需要关注1,2月的积雪覆盖度.

图5 2001—2015年12～2月各月的积雪面积变化Fig.5 Snow Area Change from December to February from 2001 to 2015

3.3 多时间序列积雪深度分析

研究区东北部地区积雪深度较大,最大为3.83 cm;西南地区积雪深度较小,最小为1.3 cm(见图6).研究区北部或者西北部平均气温较低,南部气温较高,因此北部或者西北部的积雪较厚、南部的积雪较薄.冬奥会选址不只是选择积雪深度厚的地区,同时还要考虑高差、坡度等因素,崇礼区的坡度空间分布特点为东南地区坡度较高、西北地区坡度较低,而且东部积雪深度相对于其他地区也比较厚,约为2.3～3.3 cm,所以雪上项目的比赛场地主要分布在崇礼区东部.

图6 冬季平均积雪深度分布Fig.6 Distribution of Average Snow Depth in Winter

积雪深度对雪上项目很重要,积雪深度小不利于滑雪.由图7可知,2013年积雪厚度最厚,为12.45 cm;2014年最薄,为0.10 cm;2001—2015年冬季平均积雪深度总体呈增加趋势,冬季积雪深度与同年气温呈负相关关系,气温较低时,积雪深度大.崇礼区2001—2015年冬季平均积雪深度为2.67 cm,其中2006,2007,2008,2014和2015年小于1 cm.

图7 2001—2015年积雪深度与气温的变化Fig.7 Snow Depth and Air Temperature Change from 2001 to 2015

2001—2015年冬季各月积雪深度呈增加趋势(见图8),12月平均积雪深度为2.59 cm,1月为2.63 cm,2月为2.80 cm,2月积雪深度高于冬季平均值,1月次之,12月最低.主要是因为12月刚刚开始积雪,气温比较低,均低于0 ℃,所以积雪不易融化,降雪可以累积;1月气温最低,积雪累积比较稳定,积雪深度持续增加;2月平均气温虽然在3个月中最高,但依然低于0 ℃,为-6.2 ℃,仅在积雪特别薄的地区出现消融现象,积雪较厚的地区反而会继续积累,所以2月积雪深度累积达到巅峰.

图8 2001—2015年12～2月各月积雪深度变化Fig.8 Snow Depth Change from December to February from 2001 to 2015

3.4 多年冬季气温分析

由图9可知,研究区西北部冬季平均气温较低,最低为-10.40 ℃,南部冬季平均气温较高,最高为-6.67 ℃,因此冬季南部比西北部的气温更高.

图9 冬季平均气温分布Fig.9 Distribution of Average Air Temperature in Winter

雪上项目主要在室外举办,周围环境气温过高,比赛场地的雪面和冰面容易融化和松软,选手容易受伤,比赛动作容易失误;环境气温过低,会影响参赛人员的人体反应速度和观众的舒适度,也容易导致冻伤,所以奥委会雪上项目比赛场地要求在保证积雪厚度合格的情况下,2月的平均气温低于0 ℃.由图10可知,研究区2001—2015年冬季平均气温逐年降低且幅度较大,有利于崇礼区积雪的累积,崇礼区2001—2015年冬季平均气温为-8.37 ℃.

图10 2001—2015年冬季平均气温变化Fig.10 Average Air Temperature Change in Winter from 2001 to 2015

2001—2015年冬季各月气温变化趋势与逐年气温变化趋势相似,均为逐渐降低(见图11),区别在于1月降低幅度较小,2月降低幅度很大,有利于冬奥会在2月举办.12月平均气温为-8.73 ℃,1月为-10.18 ℃,2月为-6.20 ℃,所以1月气温最低,12月次之,2月最高,但因温度较低,依旧能够促进2月降雪的累积,使积雪深度达到最大.

图11 2001—2015年12～2月平均气温变化Fig.11 Average Air Temperature Change from December to February from 2001 to 2015

4 结 论

张家口市崇礼区最大高程差为1 338 m,可以满足雪上项目比赛的高差需求,而且其坡度大多为0 °～35 °,占比达到99.45 %,缓坡和斜坡比较多,占比为81.73 %,基本没有陡峭的山坡,多为低山,适合进行滑雪比赛.

崇礼区北部和东部地区的积雪覆盖度较大,西南地区的积雪覆盖度较小.1月积雪面积最大,12月次之,2月最小.北部或西北部平均气温较低,南部气温较高,所以导致北部或西北部的积雪深度较大,南部的积雪深度较小,东部的积雪深度大致为2.3～3.3 cm.综合对比积雪深度与气温数值发现,冬季积雪在12月开始积累,平均气温约为-8.73 ℃,仅次于1月平均气温,有利于积雪的积累;1月积雪持续增加,但较为缓慢,因为1月气温最低,降水较少,空气比较稳定,积雪缓慢增加;2月积雪继续累加,气温在冬季里面最高,容易造成积雪较薄地区的积雪融化,使得积雪面积减少,但是较厚积雪区会继续积累(2月平均气温虽然在冬季最高,但仍为-6.20 ℃,所以积雪深度总体呈增加趋势).

冬奥会比赛场地所用雪多为人工雪,自然雪会影响比赛动作的完成,所以对雪上项目而言更重要的是高差和坡度.崇礼区东部地势较高,坡度更为符合要求,积雪覆盖度较广,积雪深度也较大.2月气温比12月和1月高,对参赛选手的人体反应速度和观众的舒适度更加有利,而且2月的积雪深度比12月和1月都大,有利于比赛的进行,因此2022冬奥会大多数雪上项目选址在崇礼区.