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《武汉大学》 2018年
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利用多源卫星数据研究青藏高原湖泊水储量变化及其影响因素

黄征凯  
【摘要】:青藏高原分布着地球上海拔最高、数量最多的高原湖泊群,也是我国湖泊分布最集中的地区。青藏高原是我国主要河流的发源地,该地区的湖泊对于河流的水量调节起着重要作用,有效掌握青藏高原湖泊水储量变化对于我国水资源利用和可持续发展有着重要意义。本文的研究核心是联合多源卫星数据研究青藏高原湖泊水储量变化,主要内容包括水陆交界处波形重跟踪算法研究,内陆湖泊的多源测高数据融合和测高数据自动化处理方法研究,利用测高和遥感数据计算湖泊水储量变化研究,结合GRACE观测数据进行湖泊水量平衡分析,以及青藏高原湖泊的气候变化响应研究等。本文的主要研究工作和成果如下:(1)当测高卫星经过水陆交界处时,由于受到“陆地污染”的影响,回波波形中出现的异常峰值将降低重跟踪算法的改正精度。针对水陆交界处“陆地污染”的问题,提出波形净化技术,并利用阈值法对净化后的波形进行重跟踪改正。结果显示本文提出的方法增加了有效数据,分别与大地水准面和验潮站数据比较,精度分别为15cm和20cm。针对内陆湖泊的特点,提出改进的波形净化方法,以青藏高原湖泊实测水位数据评估各重跟踪算法的精度。计算结果显示净化后的波形和阈值法的组合较原始波形进行阈值法重跟踪改正的精度提高了 2.5cm,这表明改进的波形净化技术可有效提高内陆湖泊的测高数据精度。(2)研究了内陆湖泊多源测高数据的融合方法,将不同测高数据进行时间基准和坐标基准的统一,利用平差方法消除系统偏差,从而提高了测高数据精度,并通过实例验证了该方法的可行性。研究了稳健的测高数据粗差剔除方法,最大程度获取了干净的湖泊水位时间序列;制定测高数据自动化处理方案,实现了青藏高原湖泊中测高数据的批量提取,自动生成湖泊水位时间序列,大幅提高了湖泊水位信息提取的计算效率。(3)分别利用四种测高数据分析不同时段青藏高原湖泊水位变化趋势;Topex和ERS系列测高数据显示,在1992-2017年期间,观测的93个湖泊的平均水位变化趋势为+17.2cm/yr;综合Icesat和Cryosat-2卫星数据观测到181个湖泊的水位变化,结果显示在2003-2017年期间,青藏高原湖泊水位的平均变化趋势为+14.6cm/yr。在流域分布上,北部湖泊多为上涨趋势,南部的雅鲁藏布江流域和西部的印度河流域为下降趋势。综合多种测高数据均发现1997年大量湖泊的水位由下降转成上涨,2012年大量湖泊水位上涨趋势转成下降趋势。(4)研究了利用NDWI指数提取湖泊边界的方法,利用遥感数据计算结果显示,1992-2015年青藏高原湖泊面积以+452.45km2/yr的速率扩张,其中内流区湖泊的急剧增长(+444.6km2/yr)是主要贡献,遥感数据呈现的面积变化与测高观测水位变化表现基本一致。讨论了联合测高与遥感观测数据估计湖泊水储量变化的方法,计算结果显示:1992-2015年期间,青藏高原整体水储量变化为5.86Gt/yr,其中色林错的水储量增加最快(+1.22Gt/yr),约占总增加量的21%,水储量减少最快的为羊卓雍错(-0.11Gt/yr)。(5)利用GRACE月重力场模型球谐系数计算青藏高原陆地水储量变化,结果显示陆地水储量变化与湖泊水储量变化的区域分布较为一致。其中南部的雅鲁藏布江流域为持续下降,北部的柴达木盆地为持续增加,中间过渡区域的内流区和黄河流域在2012年出现水储量由升转降的变化。比较湖泊水储量变化与陆地水储量变化,结果显示内流区的湖泊水量变化是陆地水储量变化的主要贡献,该地区湖泊水储量变化的主导因素为净降水量。(6)由于冰川融水量无法准确估计,本文利用冰川系数对冰川与湖泊水量变化关系进行定性分析。统计结果显示:2003-2009年期间,冰川湖泊和非冰川湖泊的水位上涨速率分别为20cm/yr和22cm/yr,两者没有显著差异;2010-2017年期间,冰川湖泊的水位变化速率高于非冰川湖泊(分别为8cm/yr和3cm/yr)。比较冻土区和非冻土区的湖泊水位变化,结果显示所有时段冻土区湖泊的水位上涨速率均高于非冻土区湖泊。这表明2012年降水减少后,冰川和冻土对湖泊补给的贡献增加,一定程度上减缓了湖泊水位下降速率。提出了利用净降水数据模拟封闭湖泊的水储量变化的方法,并分离出湖泊水储量变化中非降水-蒸发因素的影响。利用测高和遥感技术观察青藏高原北部大量湖泊出现的水位暴涨以及卓乃湖溃堤事件,表明利用测高技术实时监测该地区湖泊水位变化对于地质灾害的预警有重要指导作用。分析了气温变化与湖泊水位变化的关系,其中水位变化与秋季气温变化呈正相关,与冬季气温呈负相关。
【学位授予单位】:武汉大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:P332;TP79

【参考文献】
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