基于遥感数据的藏东南冰川和湖泊动态变化监测及其对气候变化的响应研究

来源 :中国科学院大学(中国科学院遥感与数字地球研究所) | 被引量 : 0次 | 上传用户:ciancomjy
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青藏高原拥有丰富的水资源,被誉为亚洲水塔。冰川和湖泊是青藏高原地表系统的两个重要组成部分,同时也是重要的淡水资源。冰川和湖泊的变化对气候环境变化具有极为敏感的响应,并与水资源变化和地质灾害密切相关。在全球气候变暖背景下,青藏高原及周围地区的冰川出现了加剧退缩的趋势。其中,青藏高原东南部是冰川变化幅度最大地区之一。藏东南地区海洋性冰川是气候变化的敏感指示器。冰川退缩会引起下游湖泊发生相应变化,在一定条件下会增大冰湖溃决的危险性。由于冰川退缩和湖泊变化与气候环境变化之间具有较强的关联性,对藏东南地区冰川和湖泊进行长时间序列的动态监测,揭示二者之间的协同演变规律及对气候环境变化的响应关系具有重要意义。卫星遥感技术的快速发展为冰川和湖泊的大范围和长时间监测提供了有效的技术手段。本文以青藏高原东南地区作为研究区,利用1995、2005和2015年共三个时期的遥感影像数据提取研究区的冰川和湖泊分布信息,对冰川与湖泊的分布和变化特征进行分析,并结合1995-2014年藏东南地区气象站观测资料,初步探讨藏东南地区冰川和湖泊变化的原因。主要研究成果如下:(1)本文发展了基于多地表特征并利用多时相和多源遥感数据的藏东南地区冰川和湖泊信息自动提取方法。采用多时相Landsat影像和多源数字高程模型数据,结合地物光谱、地形特征、地表温度和纹理特征等多种地表信息,基于机器学习方法实现无表碛覆盖冰川和表碛覆盖冰川边界的自动分类;并通过融合多期影像结果,减小云和季节性积雪对分类结果的影响。与此同时,以多时相Landsat影像数据为主,结合同时期冰川提取结果和数字高程模型数据,采用改进的基于水体指数的全局-局部迭代方法,实现非结冰湖和结冰湖边界的自动阈值分割和提取,并将多期影像结果进行叠加,有效降低云、山体阴影和冰川等因素对湖泊边界提取的影响。(2)分析了1995-2015年间研究区的冰川分布情况和变化特征。基于提取的三期冰川边界结果,从冰川规模、高程、坡向和表碛覆盖程度等方面对研究区的冰川分布和变化特征进行分析。结果表明,藏东南地区冰川总体呈现退缩趋势,退缩总面积为2842.08 km2,面积变化比例为29.9%,退缩速率在近十年呈现加快趋势。研究区冰川规模等级越大,所占总面积越大,条数越少;冰川规模大小对冰川面积的相对变化和绝对变化有重要的影响,冰川规模越大,绝对面积变化越大,相对面积变化越小。研究区冰川分布面积随着海拔的升高呈现正态分布特征,主要分布在海拔4400 m-6000 m范围内,且在5200 m-5400 m处冰川面积最大;近20年来,各海拔高度带的冰川面积均呈现退缩趋势,并呈现退缩最大程度向高海拔地区转移的趋势;海拔高于4800 m的冰川在近10年(2005-2015年)退缩速度加快。研究区冰川主要分布在北坡,而且各坡向冰川均表现为退缩趋势,其中东南坡向冰川的面积变化最大。与无表碛覆盖冰川相比,表碛覆盖冰川主要分布在低海拔的冰川消融区,在4600 m-4800 m处面积达到最大;1995-2015年间,表碛覆盖冰川和无表碛覆盖冰川均呈现退缩趋势;稀疏表碛覆盖冰川的绝对面积退缩速率最高,并且近十年来呈现加快退缩趋势。(3)分析了1995-2015年间研究区的湖泊分布情况和变化特征。基于提取的三期湖泊边界结果,从湖泊规模、高程、坡向和湖泊类型等方面对研究区的湖泊分布和变化特征进行分析。结果显示,20年内研究区湖泊总体呈现增长趋势,总体面积增加27.13 km2,面积增长比例为6.0%。研究区内湖泊增加主要以规模介于0.05-0.1 km2之间的小湖泊为主,湖泊减少主要以规模介于0.4-0.5 km2之间的湖泊为主。20年间研究区共存湖泊面积总体呈增长趋势。扩张湖泊和新增湖泊的增加面积最显著的海拔分布相近(4200 m-4600 m),然而退缩湖泊和消失湖泊面积在海拔上的峰值呈现分离态势。研究区湖泊增加主要以朝北坡为主,湖泊减少主要以朝南坡为主。研究区冰川湖和非冰川湖在20年内均在增长,冰川湖增长速率更快,近10年来冰川湖呈现加快增长而非冰川湖呈现减缓增长的趋势;研究区内冰川相连冰湖和冰川非相连冰湖均在增长,冰川相连冰湖的增长速率更快,而且二者均呈现近10年加快增长的趋势。(4)结合研究区历史气象资料数据,分析藏东南地区气候变化特征,初步研究冰川和湖泊的变化原因。结果显示,在全球变暖的背景下,研究区在1995-2015年间的年平均气温整体呈明显上升趋势,年降水量总体呈波动下降趋势。研究区在近15年(2000-2015年)的年蒸发量呈波动增加趋势。结合气象数据分析可知,气温持续升高和降水减少是引起冰川消融退缩的主要气候因素。研究区湖泊增加数量和冰川退缩面积具有很好的相关性。气温升高以及由此导致的冰川融水增加是冰湖面积扩张的主要原因。
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