ICESat-2數據監測青藏高原湖泊2018—2021年水位變化

馬山木， 甘甫平， 吳懷春， 閆柏琨

(1.中國地質大學(北京)生物地質與環境地質國家重點實驗室,北京 100083； 2.中國地質大學(北京)海洋學院,北京 100083； 3.中國自然資源航空物探遙感中心,北京 100083)

0 引言

湖泊是全球水資源的重要組成部分，其變化是區域和全球氣候變化的重要指示器，也是流域水資源評價、水平衡分析的重要參量[1]。青藏高原以“亞洲水塔”著稱，被稱作地球“第三極”，分布上千個湖泊[2]。對這些湖泊水位進行動態監測和調查，有助于全球氣候變化研究，也將對湖泊生態維護、水資源利用、水循環和生態環境過程等研究提供動態監測信息。

衛星測高技術是獲取湖泊水位變化的最重要手段之一。經過20多年的發展[3]，獲取了青藏高原湖泊水位變化系列監測數據，形成了青藏高原部分湖泊從1972—2019年間長時間序列的水位變化監測成果[4-11]。比如，Hwang等[4]利用T/P系列數據監測了1993—2014年間23個青藏高原湖泊的水位變化，其中最小的青蛙湖約25 km2； Gao等[5]融合ENVISAT，CryoSat-2，Jason-1和Jason-2數據，獲取了2002—2012年間青藏高原51個湖泊的水位變化，并分析了凍土對其影響； Song等[6]使用ICESat衛星數據獲取了2003—2009年間青藏高原105個湖泊的水位變化，并分析了其與氣候變化的關系； Chen等[7]融合了Jason-2，Jason-3，CryoSat-2和Sentinel-3A數據，獲取了2016—2019年間261個面積大于10 km2的青藏高原湖泊的水位變化，其中大多數湖泊呈上升趨勢。

上述高原湖泊水位監測受到衛星測高點地面足印大小和距離間隔的限制，測高點覆蓋主要集中在水面面積大于10 km2的大中型湖泊，對于數量相對更多的小型湖泊開展工作較少。2018年，ICESat-2衛星成功發射，其足印大小為17 m，這使對小型湖泊水位監測成為可能。本文主要利用ICESat-2衛星 ATL08產品[12]，通過青藏高原湖泊分布位置確定、水面高程信息提取等對部分面積大于1 km2的高原湖泊水位及其變化信息進行了更高頻次的監測，從而分析2018年10月—2021年4月間具有水位監測信息的473個湖泊的水位時空變化特征。

1 主要數據源

湖泊水位數據主要是基于ICESat-2衛星ATLAS系統的ATL08產品數據。由于ATL08產品僅僅是地表高程數據，還需與湖泊位置數據進行復合，從而獲取湖泊水位變化信息。利用Hydroweb水位等進行交叉驗證，確保水位信息的可靠性。為此，本文主要數據源包括ICESat-2衛星ALT08產品、湖泊位置與分布數據，以及Hydroweb水位監測等產品。

1.1 ATL08產品數據

ATL08產品數據是由ICESat-2衛星搭載的ATLAS(Advanced Topographic Laser Altmeter System)系統獲取的點云數據生產的3級產品之一。ATLAS系統具備微脈沖、多波束、低能量的單光子探測、窄脈寬及高重頻(10 kHz)的特性[13-14]，能夠探測單光子水平的激光反射，將單個激光脈沖分成6個光束(3對)，從而提供比ICESat所使用的GLAS更密集的地面覆蓋度。ATLAS憑借其單光子探測方法，提供相比傳統衛星雷達高度計更高的垂向準確度和精確度。足跡范圍大小為17 m，這有利于觀測更多小面積(10 km2以下)湖泊的水位高程。ATL08產品采用DRAGANN算法，是基于二級產品ATL03 數據，沿軌道地理定位點云數據的10 km范圍上實施自適應最近鄰識別，得到中高置信度光子信號并與ATL03產品結合，以確保獲取地表的所有潛在光子信號，其表面高度是100 m范圍內的平均地形高度[12]——沿軌方向各種尺度的地面高度(包含冠層覆蓋高度)，包括冠層高度、冠層覆蓋度百分比、表面坡度和粗糙度等因素[14-15]。

本研究青藏高原湖泊水位信息的提取主要是基于2018年10月—2021年4月的ATL08產品數據得到的。

1.2 湖泊位置數據

由于ATL08主要是地表高程數據，需要與湖泊位置數據的結合，才能取得為水位高程數據。湖泊位置數據主要包括GSWO(global surface water occurrence)水體掩模數據[16]、GRanD(global reservoir and dam)和GOODD (golbal georeferenced database of dams) 全球水庫矢量數據[17]，以及包含1 171個面積大于1 km2的青藏高原湖泊名稱、面積和位置等信息的青藏高原湖泊子數據集[2]。

1.3 交叉驗證數據

主要是由美國農業部/美國國家航空航天局發布的G-REALM水位產品[18]、法國和俄羅斯聯合發布的Hydroweb水位產品[19]，以及 MERIT水文數據集[20]。

G-REALM水位產品主要是利用Jason-1，Jason-2，Jason-3,T/P及ENVISAT等雷達測高數據，獲取了世界上最大的353個湖泊和水庫的水位高程，精度達10 cm。Hydroweb水位產品包含全球150個湖泊和水庫，基于T/P，GFO，ENVISAT，SARAL，ERS-1，ERS-2，Jason-1，Jason-2，Jason-3和Sentinel-3A等數據生產的水位產品。MERIT水文數據集是基于MERIT DEM和多種內陸河流地圖開發的，包含水文校準高程。

本研究使用了4個青藏高原湖泊的G-REALM水位和18個Hydroweb水位進行水位交叉驗證。

2 技術流程與數據處理

基于ATL08產品數據與湖泊位置數據，通過水面掩模處理、水位高程提取、水位信息處理和精度交叉驗證等步驟，獲取了湖泊時間序列的水位(圖1)。

圖1 技術路線Fig.1 Technical route

2.1 水面掩模處理

由于ATL08產品包括土地和植被的地表高度，以及內陸水體的高程，需要采用水面掩模對水體進行空間篩選。為了保證ICESat-2的足跡經過水體，對GSWO進行二值化處理，提取30 a內超過80%為水體的像素，然后將掩模侵蝕3個像素(90 μm)以進一步降低陸表地物影響。以水體面積除以包含水體的邊界的水體總面積之商小于5%的閾值進行河流等水體的刪除[21]，提取湖泊水面位置和分布。

利用全球水庫矢量數據建立1 km范圍緩沖區，并與已有的水面掩模進行疊加處理，獲取水面掩模數據[21]。

2.2 水位高程提取

將湖泊矢量數據與ICESat-2衛星ATL08產品數據進行位置配對處理。對每個湖泊水體，選取其高程觀測數據序列10%～90%的部分。若某一水體的高程觀測數據少于3個，則去除該觀測值，此外刪除當天及軌道內標準差大于0.25 m的高程觀測值。然后計算每個湖泊水體高程觀測值的中位數為水位。

基于上述處理，得到2018年10月14日—2021年4月21日青藏高原湖泊水位數據集。對于給定水體，77%水體的當日高程觀測值標準差小于0.05 m，86%水體的當日高程觀測值標準差小于0.1 m。

2.3 水位信息處理

首先篩除與2018年10月14日—2021年4月21日監測期內所有觀測值的平均值相差超過3倍標準差的高程觀測值，以消除因云層或其他傳感器的錯誤而導致的質量較差的觀測值。然后，通過取每個月所有高度觀測的平均值為每月的高度觀測值，以便于觀察各水體一致時間段的水位。青藏高原湖泊在31個月中平均有1.5個高程觀測，觀測值數與湖泊面積呈正相關。

為了篩除高程觀測值中的異常值，對于月度時間序列高度觀測值將額外篩選。去除月度時間序列高度觀測值中超過MERIT水文數據集中湖泊高程40 m的觀測值，以及超出高度觀測值中值2.5倍標準差的觀測值。這些篩選步驟確保青藏地區水位高程變化觀測是可靠的。

2.4 精度交叉驗證

利用G-REALM及Hydroweb水位產品數據對ICESat-2數據獲取的水位序列進行精度交叉驗證(表1)。為了進一步驗證本文獲取水位序列的精度，分別計算了上述18個湖泊的ICESat-2水位和Hydroweb水位的標準差(表2)，得出兩者的標準差均值分別為0.06 m和0.1 m。綜合來看，本文獲取的ICESat-2水位序列精度至少優于Hydroweb水位產品0.04 m。綜合表1和表2可知，在與Hydroweb水位交叉驗證中，可可西里湖的相關系數最高，為0.957，茲格塘錯相關系數最低，為0.122，考慮到茲格塘錯月水位重復數少，且其Hydroweb水位的標準差高(表2)，水位數據不可靠導致相關系數低。

表1 Hydroweb及G-REALM水位產品與所獲取的ICESat-2水位序列的統計比較Tab.1 Comparison between the ICESat-2 timeseries and the Hydroweb andG-REALM water levels

表2 Hydroweb水位產品與所獲取的ICESat-2水位序列的標準差比較Tab.2 Comparison between the Hydroweb water levels and water levels obtained from ICESat-2 data (m)

2.5 時間序列水位監測

利用ICESat-2衛星ATL08產品數據，基于前文的相關數據處理流程和數據處理方法對2018年10月14日—2021年4月21日期間青藏高原湖泊水位信息進行提取和動態監測，得到了水位變化情況(圖2)。

圖2 青藏高原湖泊的水位變化趨勢空間分布Fig.2 Distribution of lake level change trends of the lakes on the Qinghai-Tibet Plateau

3 湖泊水位時空變化特征

對所監測到473個湖泊，從其整體的水位變化趨勢、不同分布區域的時空特征、部分典型湖泊的月度變化趨勢進行了分析。

3.1 湖泊水位的整體變化

采取線性回歸模型估算了2018—2021年間青藏高原473個湖泊的水位變化趨勢。整體上，湖泊水位呈現明顯的上升趨勢(表3)，整體年均變化率(按照湖泊面積加權計算)為0.013 m/a，水位上升湖泊面積占整體湖泊的75%。

表3 青藏高原473個湖泊的水位變化趨勢統計(2018—2021年)Tab.3 Lake level change trends of 473 lakes on the Qinghai-Tibet Plateau(2018—2021)

水位上升湖泊總面積(33 422 km2)遠大于水位下降湖泊總面積(10 732 km2)，而且83%的面積大于500 km2的湖泊水位均為上升。絕大多數水位下降湖泊年變化率低于0.01 m/a(圖3)，這表明青藏高原湖泊水量在持續上漲。其中，水位上升最快的和下降最快的湖泊中，面積大于500 km2分別是阿其克庫勒湖(0.061 m/a)和鄂陵湖(-0.026 m/a)，[200,500] km2分別是勒斜武擔錯(0.059 m/a)和吳如錯(-0.035 m/a)，[100,200) km2分別是托素湖(0.097 m/a)和振泉湖(-0.024 m/a)，[50,100) km2分別是錯達日瑪(0.039 m/a)和朝陽湖(-0.037 m/a)，[10,50) km2分別是荷花湖(0.085 m/a)和八松措(-0.081 m/a)，[1,10) km2分別是沖果錯(0.151 m/a)和郭扎錯(小)(-0.063 m/a)。綜合來看，青藏高原湖泊在2018—2021年間總體水位明顯上升，其中大型湖泊水位上升趨勢明顯，中型湖泊水位上升平緩，小型湖泊水位呈微弱下降。

圖3 青藏高原湖泊水位變化趨勢統計Fig.3 Histogram of lake level change trendsof the lakes on the Qinghai-Tibet Plateau

3.2 不同流域的湖泊水位變化趨勢

為了更好地了解湖泊水位變化的空間分布特征，本研究將按照柴達木流域、黃河源流域、雅魯藏布江流域、印度河流域、內高原流域等流域對青藏高原湖泊水位變化情況進行分析，流域范圍如圖2所示。

1)柴達木流域。該流域內監測到的18個湖泊中，有10個湖泊水位呈上升趨勢，集中分布于流域北部，年均上升率為0.024 m/a。其余8個湖泊水位呈下降趨勢，多集中于流域南部，昆侖山脈北麓地區，年均下降率為-0.009 m/a。上升湖泊總面積為673 km2，下降湖泊總面積為315 km2。流域內水位上升最快的湖泊為托素湖(0.097 m/a)，下降最快為庫水浣(-0.006 m/a)。柴達木流域監測到的面積最大的冬給措納湖(241 km2)水位變化率為0.035 m/a。

2)長江源流域。該流域內監測到的35個湖泊主要分布于長江源地區，其中的23個湖泊水位呈上升趨勢，年均上升率為0.017 m/a。其余12個湖泊水位呈下降趨勢，多靠近山麓，年均下降率為-0.005 m/a。上升湖泊總面積為277 km2，下降湖泊總面積為325 km2。流域內水位上升最快的湖泊為亞莫錯根(0.048 m/a)，下降最快為日九錯(-0.013 m/a)。其中監測到的面積最大的葉魯蘇湖(202 km2)水位變化率為-0.009 m/a。

3)青海湖流域。該流域內監測到的2個湖泊，青海湖與都蘭湖水位均呈上升趨勢，年均上升率為0.015 m/a，上升湖泊總面積為4 391 km2。流域內監測到的面積最大的青海湖(4 348 km2)水位變化率為0.028 m/a。

4)黃河源流域。該流域內監測到的15個湖泊中9個湖泊水位呈上升趨勢，集中于下游，年均上升率為0.025 m/a； 其余6個湖泊水位呈下降趨勢，位于上游，年均下降率為-0.012 m/a； 上升湖泊總面積為121 km2，下降湖泊總面積為1 204 km2。流域內水位上升最快的湖泊為苦海(0.050 m/a)，下降最快為鄂陵湖(-0.026 m/a)，同時與鄂陵湖相鄰的扎陵湖水位也呈下降趨勢(-0.007 m/a)。

5)雅魯藏布江流域。該流域內監測到的18個湖泊中的7個湖泊水位呈上升趨勢，年均上升率為0.027 m/a。其余11個湖泊水位呈下降趨勢，多分布于上游地區，年均下降率為-0.015 m/a。上升湖泊總面積為71 km2，下降湖泊總面積為93 km2。流域內水位上升最快的湖泊為沖果錯(0.151 m/a)，下降最快為八松錯(-0.081 m/a)。監測到的湖泊中面積最大的多慶錯(49 km2)水位變化率為0.015 m/a。

6)印度河流域。該流域監測到的18個湖泊中的9個湖泊水位呈上升趨勢，年均上升率為0.015 m/a。其余9個湖泊水位雖然呈下降趨勢，但年均下降率為-0.008 m/a。上升湖泊總面積為826 km2，下降湖泊總面積為610 km2。流域內水位上升最快的湖泊為臺錯(0.027 m/a)，下降最快為阿永布錯(-0.015 m/a)。印度河流域監測到的面積最大的班公錯(671 km2)水位變化率為0.008 m/a。

7)內高原流域。該流域包含羌塘高原、可可西里地區(圖4)，自然環境惡劣、氣候干燥，是青藏高原最大的內流區，湖泊眾多。該流域監測到的349個湖泊中的153個湖泊水位呈上升趨勢，年均上升率為0.021 m/a。其余196個湖泊水位呈下降趨勢，年均下降率為-0.017 m/a。上升湖泊總面積為19 571 km2，下降湖泊總面積為6 854 km2。流域內水位上升最快的湖泊為荷花湖(0.084 m/a)，下降最快為向陽湖(-0.067 m/a)。內高原流域監測到的面積最大的色林錯(2 300 km2)水位變化率為0.019 m/a。①內高原北部流域[2]區域主要為可可西里地區[22]。該流域內監測到的121個湖泊中的50個湖泊水位呈上升趨勢，多分布其東部和北部，年均上升率為0.019 m/a。其余71個湖泊水位呈下降趨勢，多分布與西部和南部，年均下降率為-0.019 m/a。上升湖泊總面積為6 127 km2，下降湖泊總面積為2 240 km2。流域內水位上升最快的湖泊為荷花湖(0.084 m/a)，下降最快為向陽湖(0.067 m/a)。②內高原中部流域[2]區域主要包含羌塘高原中西部、西北部地區[22]。該流域內監測到的126個湖泊中的49個湖泊水位呈上升趨勢，年均上升率為0.016 m/a。其余77個湖泊水位呈下降趨勢，年均下降率為-0.021 m/a。上升湖泊總面積為3 816 km2，下降湖泊總面積為1 825 km2。流域內水位上升最快的湖泊為加窮湖(0.043 m/a)，下降最快為郭扎錯(小)(-0.063 m/a)。③內高原南部流域[22]區域為羌塘高原南部地區[22]。該流域內監測到的102個湖泊中的54個湖泊水位呈上升趨勢，年均上升率為0.029 m/a。其余48個湖泊水位呈下降趨勢，年均下降率為-0.012 m/a。上升湖泊總面積為9 628 km2，下降湖泊總面積為2 789 km2。流域內水位上升最快的湖泊為錯雄拉則(0.047 m/a)，下降最快為查爾康錯(-0.039 m/a)。

圖4 內高原流域湖泊的水位變化趨勢空間分布

總體來看(圖5和表4)，綜合湖泊面積與湖泊水位變化率，除黃河源流域湖泊水位明顯下降外，青藏高原各流域湖泊水位呈上升趨勢，其中柴達木流域與內高原南部流域湖泊水位上升顯著。值得注意的是，各流域水位呈下降趨勢的湖泊多分布于山麓與上游，即流域內海拔相對較高的地區。同時，較多小型湖泊水位呈下降趨勢，以內高原中部和北部流域地區最明顯。雅魯藏布江流域統計湖泊總面積小，且未獲取羊卓雍措的湖泊水位數據，故該流域變化趨勢暫不確定。另外，怒江、塔里木和瀾滄江流域未能獲得水位信息暫不予討論。

圖5 各流域湖泊水位不同變化趨勢占比Fig.5 Proportion of different changing trends of lake level in each basin

表4 青藏高原各流域湖泊的水位變化趨勢統計(2018—2021年)Tab.4 Lake level change trends of the lakes of each basin in the Qinghai-Tibet Plateau(2018—2021)

3.3 典型湖泊水位變化特征

通過結合前人研究及地區重點，與本文的湖泊面積分級、流域分區的分類標準，選取納木錯、色林錯、西金烏蘭湖、多格錯仁與格仁錯作為典型湖泊，并對其水位變化情況進行了分析(圖6)。納木錯(內高原南部，>500 km2)湖泊水位在2018—2021年間，季節性變化明顯，且2020年秋季水位顯著上升； 但近3 a內水位僅微弱上升。色林錯(內高原南部，[200,500) km2)2018年10月—2020年10月水位上升1 m，呈現上升趨勢。西金烏蘭湖(內高原北部，[200,500) km2)2018年10月—2020年10月水位上升0.6 m,湖泊水位呈現上升趨勢的同時，同年水位的波動范圍也在不斷擴大。多格錯仁(內高原北部，[200,500) km2)水位變化較為穩定，略有下降趨勢。格仁錯(內高原南部，[100,200) km2)湖泊水位下降趨勢明顯，季節性水位下降0.6 m，2018年10月—2021年4月期間水位下降達1 m。

圖6 典型湖泊2018—2021年水位變化

4 討論與結論

4.1 討論

監測結果表明，2018年10月—2021年4月，青藏高原湖泊水位總體呈上升趨勢。大型湖泊水位上升明顯，中型湖泊水位上升平緩，小型湖泊水位略呈下降趨勢。研究表明，降水對湖泊水量增加貢獻占74%，冰川、凍土與積雪消融占26%[23]。相對于大中型湖泊，小型湖泊的冰川融水補給十分有限。因此，在青藏高原降水增多[24]的背景下，氣溫持續升高[25]導致冰川融水增加與湖泊蒸發增強，可能是大中型湖泊水位上升，而小型湖泊水位呈微弱下降的原因。

4.2 結論

本文基于水面掩模處理、水位高程提取、水位信息處理等方法，利用ICESat-2衛星ATL08產品對青藏高原地區湖泊水位進行動態監測。受衛星觀測數據的限制，僅實現了對青藏地區473個面積大于1 km2的湖泊進行較高頻次(月-季度)監測，所監測湖泊數量多于前人，并使用Hydroweb及G-REALM水位產品進行交叉驗證，證實本文水位序列精度較高，彌補了青藏高原湖泊水位監測數據在時空方面的不足，為高原湖泊動態監測提供了水位變化的最新信息。

本文采用了ICESat-2衛星成功發射以來的最新數據，監測了近3 a間青藏高原湖泊的水位變化。未來將持續采用該衛星數據高精度動態監測青藏高原湖泊水位變化。同時也將進一步融合更多衛星測高數據，以期實現對整個青藏高原面積大于1 km2的湖泊進行全面動態監測，監測青藏高原湖泊的水量變化，更好地支撐全球氣候變化研究和區域水資源評價。

志謝：感謝廖靜娟老師、吳艷紅老師和陳嘉明博士對本研究的指導與幫助！