基于时序InSAR技术的青藏高原不同热稳定状态的多年冻土地表形变特征分析

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青藏高原是中低纬度地带多年冻土主要分布区和气候变化敏感区,该区域多年冻土在过去几十年发生了各种程度的退化,因此开展多年冻土地表形变监测有助于进一步了解全球变暖背景下青藏高原多年冻土的退化特征。其中,合成孔径雷达干涉测量(Interferometric Synthetic Aperture Radar,InSAR)技术是当前大范围监测由活动层冻胀融沉导致的地表形变的主要手段。研究表明,青藏高原的多年冻土主要呈现五种不同的热稳定状态(极稳定型、稳定型、亚稳定型、过渡型和不稳定型),表明青藏高原地区高海拔多年冻土的长期稳定性和易退化程度存在显著差异。然而,当前基于InSAR技术的地表形变研究并未考虑多年冻土热稳定状态的差异及影响,使得在大尺度范围内的冻土形变监测研究对形变模式的解析不充分,因此对不同热稳定状态的多年冻土形变量级进行量化与特征解析显得尤为重要。本研究选取了青藏高原热稳定性不同的三个多年冻土区为研究区,利用Sentinel-1A卫星的降轨SAR数据,基于SBAS-InSAR技术获取了2018年3月至2021年2月各个研究区近三年的地表形变时序特征。在此基础上,通过得到的累积形变量和线性形变速率解析了不同热稳定状态多年冻土区地表形变的时空分布特征,并利用周期形变模型拟合季节形变振幅与年际形变速率两个形变量级参数,量化与解析了不同热稳定状态多年冻土区地表形变的量级与特征。主要研究结果包括:(1)以不稳定型和过渡型多年冻土区为主的黑河上游野牛沟多年冻土区近三年的整体形变较为稳定,季节形变振幅大部分在9.5 mm以内,平均值为3.3 mm,年际形变速率主要集中在-15.1~15 mm/yr,平均值为-0.1 mm/yr。发生沉降的区域主要集中在野牛沟河上游两侧的不稳定型多年冻土区,沉降区伴随明显的周期性循环特征。季节形变振幅随坡度角变化明显,且北坡的季节形变量最大,但年际形变速率与地下含冰量和年均地温的相关性不显著,季节形变振幅和年际形变速率在一定程度上互为控制因素。(2)以过渡型和亚稳定型多年冻土为主的楚玛尔河研究区近三年整体存在明显的沉降趋势,且经历着非常明显的随季节变化的周期性冻融循环过程,季节形变振幅大部分在25.8 mm以内,平均值为12.9 mm,年际形变速率主要集中在-17.6~5.5 mm/yr,平均值为-6.1 mm/yr。沉降量较大的区域主要分布在昆仑山脉以南卓乃湖以北的山区、卓乃湖以东的约巴西沟、错达日玛湖和多尔改错湖以北的山坡及风火山以北等地区,存在亚稳定型比过渡型多年冻土区的地表沉降速率更大的情况。季节形变振幅随坡度角变化明显,且北坡的季节形变量最大,含冰量越高或年均地温越低的区域地表沉降速率越大,当季节形变振幅小于20 mm时可以作为年际形变速率的控制因素之一。(3)以亚稳定型和稳定型多年冻土为主的格尔木研究区近三年整体线性形变趋势明显,季节形变振幅大部分在8 mm以内,平均值为3.7 mm,年际形变速率主要集中在-23~10 mm/yr,平均值为-6.5 mm/yr。沉降量较大的区域主要分布于昆仑山山麓的稳定和亚稳定型冻土区以及东北角的过渡型与不稳定型冻土区,存在稳定型比不稳定型多年冻土区的地表沉降速率更大的情况。季节形变振幅随坡度角变化明显,北坡和南坡的季节形变量最大,季节形变振幅和年际形变速率不互为控制因素。(4)热稳定状态整体较差的野牛沟研究区地表发生的累积形变量并不大,主要沉降区属于不稳定型的多年冻土,沉降区的季节性形变量级较大;热稳定状态整体较好的楚玛尔河与格尔木研究区沉降趋势明显,前者以周期形变为主,后者以线性形变为主,地下冰含量与年均地温为影响其年际形变速率量级的主要环境因子。此外,坡度角对三个研究区季节形变振幅量级的影响较大,植被覆盖(NDVI)与土壤属性(容重)次之。
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