利用多源衛星數據研究青藏高原湖泊水儲量變化及其影響因素

黃征凱

華東交通大學土木建筑學院，江西 南昌 330013

青藏高原分布著地球上海拔最高、數量最多的高原湖泊群，也是我國湖泊最集中的地區，有效掌握青藏高原湖泊水儲量變化對于我國水資源有效利用具有重要意義。本文的研究核心是聯合多源衛星數據研究青藏高原湖泊水儲量變化，主要內容包括水陸交界處波形重跟蹤算法研究、多源測高數據融合、利用測高和遙感數據計算湖泊水儲量變化、結合GRACE數據進行湖泊水量平衡分析和青藏高原湖泊的氣候變化響應研究等。本文的主要研究成果如下：

(1)針對水陸交界處“陸地污染”的問題，提出了波形凈化技術，并利用閾值法對凈化后的波形進行重跟蹤改正。結果顯示本文方法增加了有效數據，與大地水準面和驗潮站數據比較，精度分別為15 cm和20 cm。針對內陸湖泊的特點，提出改進的波形凈化方法，以青藏高原湖泊實測水位數據評估各重跟蹤算法的精度，結果顯示凈化后的波形進行閾值法改正的精度提高了2.5 cm，表明改進的波形凈化技術可有效提高內陸湖泊的測高數據質量。

(2)研究了內陸湖泊多源測高數據的融合方法，將不同測高數據進行時間基準和坐標基準的統一，利用平差方法消除系統偏差，從而提高了測高數據精度，并通過實例驗證了該方法的可行性。制定了測高數據自動化處理方案，實現了內陸湖泊中測高數據的批量提取，自動生成湖泊水位時間序列，大幅提高了湖泊水位信息提取的計算效率。

(3)利用多種測高數據分析不同時段青藏高原湖泊水位變化趨勢；Topex和ERS系列測高數據顯示，93個青藏高原湖泊(1992—2017年)的平均水位上漲速率為+17.2 cm/a；綜合Icesat和Cryosat-2衛星數據觀測到181個湖泊(2003—2017年)的平均水位上漲速率為+14.6 cm/a。在流域分布上，呈現北部湖泊普遍上漲、南部的雅魯藏布江流域和西部的印度河流域多為下降趨勢。綜合多種測高數據均發現：1997年大量湖泊的水位由下降趨勢轉為上漲趨勢，并且在2012年出現大量湖泊水位由上漲轉成下降。

(4)利用遙感影像分析青藏高原湖泊面積變化，并討論了聯合測高與遙感數據估計湖泊水儲量變化的方法，結果顯示：1992—2015年青藏高原湖泊面積以+452.45 km2/a的速率擴張，其中的最主要貢獻是內流區湖泊的急劇擴張；在此期間，青藏高原湖泊水儲量變化速率為5.86 Gt/a。

(5)利用GRACE數據計算青藏高原陸地水儲量變化，結果顯示：陸地水儲量變化與湖泊水儲量變化規律較為一致；其中，南部的雅魯藏布江流域持續下降，北部的柴達木盆地持續增加，中間過渡區域的內流區和黃河流域在2012年出現水儲量由升轉降的變化。結合測高和GRACE數據進行青藏高原內流區水儲量平衡分析，結果表明青藏高原內流區湖泊水儲量變化的主導因素為凈降水量。

(6)對冰川、凍土與湖泊水量變化關系進行定性分析的結果顯示：在2003—2009年，冰川湖泊和非冰川湖泊的水位上漲速率沒有顯著差異；在2010—2017年，冰川湖泊的水位變化速率高于非冰川湖泊；此外，所有時段凍土區湖泊的水位上漲速率均高于非凍土區湖泊的上漲速率。綜上表明：在2012年降水減少后，冰川、凍土對湖泊補給的貢獻顯著增加，一定程度上減緩了湖泊水位下降速率。聯合測高和遙感技術觀察到青藏高原北部大量湖泊出現水位暴漲以及卓乃湖的潰堤事件，表明利用測高技術實時監測湖泊水位變化對于地質災害的預警有重要指導作用。