تحلیل آماری الگوهای عمق برف و دمای سطح زمین مبتنی بر داده‌های سنجش از دور در ارتفاعات مازندران

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 پژوهشکده سنجش از دور و GIS محیطی دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری، ساری، ایران

2 پارک علم و فناوری مازندران، ساری، ایران

3 پژوهشکده سنجش ازدور و GIS محیطی دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری، ساری، ایران

چکیده

سابقه و هدف: پوشش برف به‌عنوان یکی از مؤثرترین مؤلفه‌های سطح زمین، نقشی کلیدی در تنظیم تبادل انرژی، کنترل دمای سطح زمین و پویایی‌های اقلیمی مناطق کوهستانی ایفا می‌کند. افزایش دما در دهه‌های اخیر، به‌ویژه در عرض‌های میانی و ارتفاعات، موجب تغییر الگوهای انباشت و ذوب برف شده و پیامدهای گسترده‌ای بر منابع آب، مخاطرات طبیعی و اقلیم محلی برجای گذاشته است. نواحی مرتفع استان مازندران در دامنه‌های البرز مرکزی، به‌دلیل شیب حرارتی شدید، تنوع ارتفاعی و وابستگی بالا به برف زمستانه، از جمله مناطق بسیار آسیب‌پذیر در برابر این تغییرات به‌شمار می‌روند. با وجود اهمیت موضوع، بررسی کمی، چندشاخصه و مکانی–زمانی رابطه دمای سطح زمین و عمق برف در این منطقه تاکنون کمتر مورد توجه قرار گرفته است. هدف این پژوهش، تبیین کمی شدت، جهت و ماهیت رابطه میان دمای سطح زمین (LST) و عمق برف و شناسایی رژیم‌های غالب حرارتی–برفی در ارتفاعات استان مازندران است.

مواد و روش‌ها: در این پژوهش از داده‌های عمق برف مدل GLDAS و داده‌های دمای سطح زمین (LST) استخراج‌شده از سنجنده MODIS طی دوره ۲۰۱۸ تا ۲۰۲۴ استفاده شد. تحلیل‌ها برای پنج ایستگاه مرتفع آلاشت، بلده، کیاسر، کجور و سیاه‌بیشه انجام گرفت که نماینده شرایط متنوع ارتفاعی در البرز مرکزی استان هستند. به‌منظور بررسی وابستگی میان متغیرها، از شاخص‌های آماری مکمل شامل همبستگی پیرسون و اسپیرمن، اطلاعات متقابل (MI) و ضریب تعیین (R²) بهره‌گیری شد. همچنین برای شناسایی الگوهای رفتاری مشترک و آستانه‌های حرارتی، تحلیل خوشه‌بندی K-means به‌کار گرفته شد. به‌منظور بررسی تغییرات مکانی–زمانی، نقشه‌های سالانه LST و عمق برف برای کل محدوده البرز مرکزی استان تهیه و تحلیل گردید.

نتایج و بحث: نتایج آماری به‌طور معناداری وجود یک رابطه معکوس، قوی و پایدار میان دمای سطح زمین و عمق برف را در تمامی ایستگاه‌ها نشان داد. ضرایب همبستگی پیرسون در بازه 58/0- تا 77/0- و ضرایب اسپیرمن در بازه 76/0- تا 91/0- قرار گرفتند که بیانگر وابستگی منفی یکنواخت میان افزایش دما و کاهش عمق برف است. اختلاف قابل‌توجه میان ضرایب پیرسون و اسپیرمن نشان می‌دهد که رابطه میان این دو متغیر تنها محدود به رفتار خطی نیست و مؤلفه‌های غیرخطی نقش مهمی در کنترل آن دارند. این موضوع با مقادیر اطلاعات متقابل (بین 3/0 تا 61/0) به‌خوبی تأیید شد و نشان داد که بازخوردهای پیچیده‌ای همچون اثر آلبدو، ذخیره انرژی نهان ذوب و تغییر شارهای حرارتی سطحی در تعامل برف و دما مؤثر هستند. بیشترین شدت این رابطه در ایستگاه سیاه‌بیشه مشاهده شد، به‌طوری که مقدار ضریب پیرسون 77/0-، اسپیرمن 91/0- و ضریب تعیین حدود 60 درصد برآورد گردید. این نتایج نشان‌دهنده حساسیت بسیار بالای سامانه برف–دما در ارتفاعات بالاتر و نقش تعیین‌کننده برف در تعدیل دمای سطح زمین است. تحلیل خوشه‌بندی K-means در تمامی ایستگاه‌ها سه رژیم حرارتی–برفی متمایز را شناسایی کرد: شرایط گرم بدون برف، شرایط انتقالی با برف ناپایدار و شرایط سرد با انباشت پایدار برف. این خوشه‌ها آستانه‌های دمایی حاکم بر انباشت و ذوب برف را به‌روشنی مشخص کردند و نشان دادند که در دماهای نزدیک و پایین‌تر از صفر درجه سانتی‌گراد، حضور برف با افزایش آلبدو و کاهش جذب انرژی تابشی، موجب افت محسوس دمای سطح زمین می‌شود. تحلیل نقشه‌های مکانی–زمانی نیز نوسانات شدید سالانه را آشکار ساخت. سال ۲۰۱۹ با بیشینه عمق برف تا حدود 2/1 متر، کمترین مقادیر LST را در سطح وسیعی از ارتفاعات ثبت کرد، در حالی که در سال‌های ۲۰۲۱ و ۲۰۲۲ کاهش شدید عمق برف (حداکثر حدود 08/0 متر) با افزایش LST بیش از 2 درجه سانتی‌گراد همراه بود. این تغییرات، بازخورد منفی برف–دما و شکنندگی بالای سامانه‌های کوهستانی نسبت به کاهش پوشش برف را به‌طور مستقیم تأیید می‌کند.

نتیجه‌گیری: نتایج این پژوهش نشان می‌دهد که کاهش عمق و پوشش برف در ارتفاعات استان مازندران تأثیر مستقیمی بر افزایش دمای سطح زمین دارد و می‌تواند به تشدید فرآیندهای ذوب، تغییر زمان‌بندی رواناب و کاهش پایداری منابع آب منجر شود. حساسیت بالای رابطه برف–دما در ایستگاه‌های مرتفع، اهمیت پایش دقیق و مدل‌سازی این سامانه‌ها را در شرایط گرمایش اقلیمی برجسته می‌سازد. بر این اساس، به‌کارگیری مدل‌های اقلیمی منطقه‌ای مبتنی بر سناریوهای گرمایش جهانی و توسعه شبکه پایش زمینی در ارتفاعات، به‌عنوان راهبردی کلیدی برای مدیریت منابع آب و کاهش پیامدهای تغییر اقلیم در منطقه پیشنهاد می‌شود.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Statistical analysis of snow depth and land surface temperature patterns based on remote sensing data in Mazandaran highlands

نویسندگان [English]

  • Karim Solaimani 1
  • Alireza Yousefi kebriya 1
  • Shamim Ahmadi 2
  • Sedigheh Bararkhanpour Ahmadi 3
1 Environmental RS & GIS Research Institute, Sari Agricultural Sciences and Natural Resources University, Sari, Iran.
2 Mazandaran Science and Technology Park, Sari, Iran
3 Environmental RS & GIS Research Institute, Sari Agricultural Sciences and Natural Resources University, Sari, Iran.
چکیده [English]

Background and Objective: Snow cover is one of the most influential surface components, playing a key role in regulating energy exchange, controlling land surface temperature, and governing climatic dynamics in mountainous regions. In recent decades, particularly at mid-latitudes and high elevations, rising temperatures have altered snow accumulation and melt patterns, with significant consequences for water resources, natural hazards, and local climate. The high-altitude areas of Mazandaran Province, located on the slopes of the Central Alborz Mountains, are especially vulnerable due to steep thermal gradients, altitudinal variability, and high dependence on winter snowfall. Despite its importance, a quantitative, multi-metric, and spatiotemporal analysis of the relationship between LST and snow depth in this region has been limited. The main objective of this study is to quantify the intensity, direction, and nature of the relationship between LST and snow depth and to identify dominant thermal–snow regimes in the highlands of Mazandaran Province.

Materials and Methods: Snow depth data from the GLDAS model and LST data derived from the MODIS sensor for the period 2018–2024 were used in this study. Analyses were conducted for five high-altitude stations—Alasht, Baladeh, Kiasar, Kojur, and Siah-Bisheh—representing diverse elevation conditions in the Central Alborz region. To examine the dependency between variables, complementary statistical indices including Pearson and Spearman correlations, MI, and R² were employed. Additionally, K-means clustering was applied to identify common behavioral patterns and thermal thresholds. To investigate spatiotemporal variations, annual LST and snow depth maps were produced and analyzed for the entire Central Alborz region of Mazandaran.

Results and Discussion: Statistical analyses consistently revealed a strong, significant, and negative relationship between LST and snow depth across all stations. Pearson correlation coefficients ranged from -0.58 to -0.77, and Spearman coefficients ranged from -0.76 to -0.91, indicating a stable inverse dependency between rising temperatures and decreasing snow depth. The notable differences between Pearson and Spearman coefficients suggest that the relationship is not purely linear, with nonlinear components playing a significant role. This finding was further supported by MI values ranging from 0.3 to 0.61, highlighting the influence of complex feedback mechanisms such as albedo effects, latent heat of melt storage, and variations in surface heat fluxes on the snow–temperature interaction. The strongest relationship was observed at the Siah-Bisheh station, where Pearson and Spearman coefficients reached -0.77 and -0.91, respectively, with an R² value of approximately 60%. This emphasizes the high sensitivity of the snow–temperature system at higher elevations and the key role of snow in moderating land surface temperature. K-means clustering identified three distinct thermal–snow regimes across all stations: warm snow-free conditions, transitional periods with unstable snow, and cold conditions with stable snow accumulation. These clusters clearly delineated temperature thresholds governing snow accumulation and melt, indicating that at temperatures near or below 0°C, snow significantly reduces LST through increased albedo and decreased surface energy absorption. Spatiotemporal analysis of annual maps revealed pronounced interannual variations. In 2019, with maximum snow depths reaching approximately 1.2 meters, the lowest LST values were recorded over extensive high-elevation areas. Conversely, in 2021 and 2022, reduced snow depths (maximum ~0.08 meters) coincided with LST increases exceeding 2°C. These patterns directly confirm the negative snow–temperature feedback and the high vulnerability of mountainous systems to reductions in snow cover.

Conclusion: The findings indicate that reductions in snow depth and coverage in the highlands of Mazandaran Province have a direct impact on increasing land surface temperature, potentially intensifying melt processes, altering runoff timing, and reducing water resource stability. The high sensitivity of the snow–temperature relationship in high-altitude stations underscores the importance of precise monitoring and modeling of these systems under warming climate conditions. Accordingly, the application of regional climate models based on global warming scenarios, along with the expansion of ground-based monitoring networks in high-altitude areas, is recommended as a key strategy for water resource management and mitigating climate change impacts in the region.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Snow cover
  • MODIS sensor
  • cluster analysis
  • thermal regime
  • Alborz Mountains