卫星遥感监测近30年来青藏高原湖泊变化

湖泊是揭示全球气候变化与区域响应的重要信息载体.以青海省、西藏自治区2005~2006年的408景CBERS CCD影像和5景Landsat ETM+影像为主要数据源,在1975年前后的1177幅1:10万地形图和82幅1:5万地形图的支持下,完成青藏高原1 km2以上湖泊的卫星遥感调查,并将其结果与20世纪60~80年代第一次全国湖泊调查进行比较,对青藏高原湖泊数量、面积、空间分布的变化情况进行分析.确定截至2005~2006年,青藏高原共有1 km2以上湖泊1055个,占同期全国湖泊总数量的30%以上,其中青海省222个,西藏自治区833个;青藏高原湖泊总面积为41831.72 km2,占全国湖泊总面积的50%以上.发现面积大于1 km2的新生湖泊共30个,原面积大于1 km2的湖泊消失5个.13个面积大于500 km2的大湖中,羊卓雍错在调查期内萎缩严重且目前仍在继续萎缩;青海湖在调查期内总体呈萎缩状态,但另有研究表明自2004年后呈扩张趋势.色林错、纳木错和赤布张错的面积也有较大的扩张.新生湖泊按照成因可归纳为河道扩展、沼泽转化等6种类型,消亡湖泊则多是由于自然条件变化导致的干涸.在3个典型的气候与生态环境敏感区中,那曲地区和可可西里地区的湖泊总体呈扩张趋势,而黄河源区的湖泊则总体呈萎缩状态.区域湖泊变化特征是近几十年来青藏高原气候变化导致的温度升高、冰川融化、冻土消融、雪线退缩等现象的显著响应.调查和分析结论可为青藏高原湖泊变化及其对气候波动的响应等研究提供参考.     

动态地表覆盖类型遥感监测: 中国主要湖泊面积2000~2010年间逐旬时间尺度消长

传统湖泊面积制图一般选取一年中某一天的湖泊状态代表某段时间的湖泊面积状况, 无法反映湖泊面积的变化信息. 利用中等分辨率成像光谱仪（MODIS）8天500 m分辨率的合成数据, 通过样本自动选取与支持向量机（SVM）水体识别相结合, 获得了中国2000~2010年629个主要湖泊每8天的湖水分布范围. 比较2000年湖泊制图结果与同期30 m分辨率湿地解译湖泊分布图, 发现MODIS湖泊水体制图具有较高的精度（生产者精度91.06%, 用户精度89.81%）. 基于该多时相数据库分析了629个湖泊的面积变化、波动性、淹没程度以及丰水期. 中国主要湖泊总面积呈增加趋势, 主要来自青藏高原湖泊面积扩张. 2000~2010年最大面积大于1000 km²的湖泊有12个, 其中6个在萎缩. 鄱阳湖萎缩速率最大, 为-54.76 km² a^?1, 洞庭湖萎缩速率为-25.08 km² a^?1. 青藏高原、新疆北部、内蒙古东北部和东北地区湖泊面积波动性小, 长江中下游、内蒙古南部、新疆中部湖泊波动性大. 青藏高原、新疆北部、黑龙江、吉林湖泊淹没强度增加, 而新疆中部、西藏南部、内蒙古南部、四川、长江中下游湖泊淹没强度减少. 湖泊面积的高时间频率制图是从通用地表覆盖制图向高频率专一地表覆盖类型制图的尝试, 对湖泊水文研究将是一种重要的数据补充, 同时基于更准确的湖泊水淹等动态地表覆盖状况, 将有可能开发更准确的新一代陆面过程模式, 从而提高模式模拟效果.     

“亚洲水塔”的近期湖泊变化及气候响应:进展、问题与展望

青藏高原分布的众多封闭湖泊是"亚洲水塔"的重要组成部分.最近几十年,青藏高原的升温速率是全球平均升温速率的2倍,并且呈现了明显的降水增长.作为中低纬度分布的最大冰冻圈系统,青藏高原的气温和降水变化对湖泊变化产生了深刻的影响.湖泊水量和盐度变化是气候变化下湖泊水量平衡形成的结果,是定量反映气候变化影响程度的重要指标,而变化的时空特征可能反映了西风季风环流对地表水循环的影响.湖泊水体的物理化学参数是影响湖泊生态系统的重要因素,其在气候变化下的改变深刻地影响着湖泊生态系统的组成与变化趋势.本文基于大量的青藏高原湖泊面积、水位、水量、水体物理化学参数与气候变化关系研究的分析,梳理了青藏高原湖泊变化对气候变化响应的研究进展,提出了第二次青藏高原综合科学考察研究任务中湖泊考察研究的主要目标和内容.     

青藏高原不同类型湖泊温度季节性变化及其分类

青藏高原广泛分布的湖泊是研究高原气候变化及其与全球气候系统相互关系的理想载体,但是目前对于高原湖泊现代过程研究仍然比较缺乏,在某种程度上制约了对过去气候环境变化记录的指标意义和湖泊生态系统演替的深入理解.本研究对青藏高原西部淡水湖泊班公错和中部咸水湖泊达则错开展了为期1年的湖水温度监测,讨论其湖水分层、翻转等水文物理过程.数据显示班公错属于典型的双季对流混合型湖泊(dimictic lake),而达则错属于半对流湖泊(meromictic lake),可能与达则错深部湖水盐度较高有关.利用湖泊模型Lake Analyzer进一步确认达则错不完全混合是由湖水盐度梯度所致.现代湖泊温度监测为高原湖泊分类提供有效数据,也为进一步深入研究过去气候变化和生态系统演替提供了水文物理学基础.     

基于ICESat/CryoSat-2卫星测高及站点观测的纳木错湖水位趋势变化监测

<正>全球气候变化对青藏高原的水循环和水资源产生重要的影响,高海拔内陆湖变化成为气候变化的重要指示器.近年来,卫星测高技术成为青藏高原湖泊动态变化的有力观测手段.目前,ICESat测高数据已广泛运用于湖泊水位变化监测,而该卫星仅能提供2003~2009年期间的测高数据.因此,2010年发射的高精度雷达高度计卫星如CryoSat-2成为青藏高原湖泊水位持续监测的潜在重要数据源.本文以青藏高原纳木错(Namco)水位变化为例,基于2005~2013年的纳木错站实测水位数据,评价CryoSat-2卫星在湖面脚点(footprint)     

1978～2008年中国湿地类型变化

分别基于美国陆地卫星(Landsat MSS/TM/ETM+)和中巴资源卫星(CBERS-02B)影像数据,以人工目视解译为主,完成了中国1978～2008年4期(基准年分别为1978,1990,2000和2008年)湿地遥感制图,并进行了大量的室内外验证.在此基础上,对我国湿地现状及近30年来湿地变化进行了初步分析,得到以下主要结论:(ⅰ)截止2008年,中国湿地面积约为324097km2,其中以内陆沼泽(35%)和湖泊湿地(26%)为主.(ⅱ)1978～2008年,中国湿地面积减少了约33%,而人工湿地增加了约122%.过去30年里湿地减少的速度大幅降低,由最初5523km2/a(1978～1990年)降为831km2/a(2000～2008年).(ⅲ)减少的自然湿地(包括滨海湿地和内陆湿地),其类型变化由湿地向非湿地转化的比例逐渐降低.初期(1978～1990年)几乎全部(98%)转换为非湿地;在1990～2000年间减少的自然湿地约有86%转化为非湿地,而在2000～2008年,这一比例下降为77%.(ⅳ)气候变化和农业活动是中国湿地变化的主要驱动因素,湿地变化在中国分为三大不同特征区域,即西部三省/自治区(西藏、新疆和青海)、北部两省/自治区(黑龙江和内蒙古)和其他省市区.其中西部区域尤其是青藏高原,湿地变化的驱动因子以气候增温为主;新疆湿地由于气候增温和农业活动共同作用造成变化不大.北部省/自治区的湿地变化则主要由农业活动引起;而其他省市区的湿地变化几乎完全受控于人类的农业经济活动.     

青藏高原湖泊水量与水质变化的新认知

青藏高原湖泊众多,是气候变化敏感的指示器。湖泊作为地表下垫面的重要组成部分,不仅通过陆-气之间的水汽和能量交换影响区域气候(如降水、气温),而且通过沉积物记录了过去的气候变化信息。湖泊的水量和水质是制约湖泊与大气水分能量交换和湖泊沉积过程的基本要素,对青藏高原湖泊水量、水质的基础调查工作是准确认识青藏高原对气候响应与影响的关键。基于最近5年在青藏高原地区开展的湖泊基础调查工作,明晰了过去对青藏高原重要湖泊基础资料的模糊认识,阐述了湖泊面积、水量变化的时空差异及其对气候变化的响应,探讨了基于遥感水色开展大范围长、时间湖泊水质研究的新方法。     

中国科学院青藏高原研究所湖泊沉积与环境变化研究团队

正湖泊及其流域是相对独立的自然综合体,是大气圈、生物圈、岩石圈、陆地水圈和冰冻圈相互作用的连接点,青藏高原分布着中国一半以上面积的湖泊,青藏高原湖泊沉积与环境变化是地表过程研究的核心内容之一。中国科学院青藏高原研究所自2003年建所伊始就将湖泊沉积与环境变化作为重点研究方向。目前该学科由朱立平研究员作为学术带头人,团队     

西藏纳木错1971~2004年湖泊面积变化及其原因的定量分析

利用1970年航测地形图、1991和2004年二期影像数据、1971~2004年纳木错流域附近气象站点气象资料以及纳木错实测水深数据, 综合运用遥感、GIS技术、空间分析、统计分析等方法, 定量分析了近34年来纳木错湖面面积和水量的变化情况, 并从气象要素和水量平衡两方面对其变化原因进行了探讨. 结果表明, 1971~2004年期间, 湖面面积从1920 km²增加到2015.38 km², 增加速率为2.37 km²?a^–1; 湖泊水量从783.23×108 m³增加到863.77×108 m³, 平均增加速率为2.37×108 m³?a^–1. 其中, 湖面面积和水量在1992~2004年的增加速率(4.01 km²?a^–1和3.61×108 m³?a^–1)均明显大于其在1971~1991年的增加速率(2.06 km²?a^–1和1.60×108 m³?a^–1). 气象要素变化分析表明, 纳木错流域气温升高引起的冰川融水增加、流域降水量增长、湖面蒸发量减小共同构成了湖泊水量增加的原因. 从湖泊水量平衡来分析, 两个研究时段内, 湖面降水与陆面降水产生的径流补给分别占湖泊总补给量的63%和61.91%, 而冰川融水补给仅占总补给量的8.55%和11.48%, 显示降水是构成湖泊补给的主要来源; 从湖泊水量增加的原因来分析, 降水增加及其产生的径流对湖泊总补给增量的贡献率占46.67%, 而冰川融水增加对湖泊总补给增量的贡献率则高达52.86%. 湖泊蒸发与水量增加的比例显示, 湖泊总补给增量的95.71%贡献给湖泊水量的增加, 因此, 冰川融水增加在近期湖泊水量增加的比例占到50.6%左右, 显示气候变暖引起的冰川融水增加是引起近年纳木错湖面迅速扩张的主要原因.     

1969～2010年青藏高原北麓河盆地热喀斯特湖塘演化过程

<正>青藏高原多年冻土在过去40~50年中经历了显著的退化过程,热喀斯特湖作为冻土退化最直观的表现,其发生和发展直接影响区域水量平衡及生态环境.此外,热喀斯特湖塘在形成过程中还会释放存储于多年冻土层中的碳,影响区域碳循环.因此,青藏高原热喀斯特湖数量和面积演化过程研究对区域水资源、地球化学循环以及气候变化评估具有重要的意义.本文利用青藏高原北麓河盆地1969年的航片资料以及2003和2010年的SPOT-5     

我国草地面积有多大?

草地是不可或缺的自然资源,但关于我国草地面积到底有多大存在很大争议.本文主要利用植被分布与降水之间的相关关系来探讨我国草地的分布和面积.归一化植被指数(NDVI)数据能够很好地反映植被的覆盖状况,与降水之间也存在良好的相关关系,因此可以通过建立已知草原地区的降水与NDVI的关系来反演草地的分布和面积.利用此方法及与遥感数据相匹配的过去30年(1982~2011年)的平均降水量数据,估算得到我国的草地总面积约为293×104 km2.将研究期间的降水数据每5年求其平均,估算得到我国草地面积的年际变化并不显著,变动于290×104~295×104 km2.     

基于监测的藏东南然乌湖现代过程:湖泊对冰川融水的响应程度

青藏高原冰川和湖泊广布,湖泊水质、沉积物对冰川变化的响应研究较为匮乏.本文通过藏东南外流区第二大湖泊然乌湖监测的系统设计,研究了湖泊对冰川的响应程度.利用水位计对比然乌湖和各大补给河流水位与水温的关系,发现冰川融水补给河流(曲尺河)对湖泊水量平衡的重要性;利用水质多参数仪器定期监测湖泊和河流的水质参数的时空变化,发现冰川融水对然乌湖温度的时空变化有重要影响,导致水温自上而下降低,流量小的季节湖泊温度差异变小;自上游到下游电导率逐渐升高,显现出离子浓度低的冰川融水对湖泊的冲淡效应,p H随之变化;甚至影响到了叶绿素含量的时空变化;利用在上、中和下湖布设的沉积物捕获器监测沉积通量的时空变化,发现沉积速率非常大,通量具有上湖中湖下湖的规律,且时间上各湖具有入湖流量大的季节大于小的季节的规律,说明了冰川融水对然乌湖在沉积量方面的影响是决定性的.总之,然乌湖水体和沉积物能够高信度地响应上游冰川的变化,然乌湖沉积物具有高分辨率反演该区域冰川和气候变化的潜力.     

藏南沉错沉积物水蚤残体组合对环境变化的响应

利用活塞取样器在藏南沉错获取了连续的沉积岩芯, 选择顶部的117 cm岩芯段进行水蚤(Cladocera)残体分析. 根据水蚤的种类、数量和生态习性, 从下到上可以将岩芯中水蚤组合划分为5个带: CL0组合(117～101 cm)没有发现水蚤; CL1组合(101～77 cm, 约公元1407～1533年)出现钻孔中的全部9种水蚤, 并达到序列中的最高含量, 反映了在温暖的沉积环境中有大量的外来冷水注入和有机质输入, 湖泊宽浅适宜大型水生植物的生长; CL2组合(77～29 cm, 约公元1533～1831年)的水蚤数量和种类大大下降, 只有为数不多、环境适应性较强的Chydorus sphaericus经常存在, 说明了当时的沉积环境非常恶劣; CL3组合(29～10 cm, 约公元1831～1941年)的优势水蚤种类与CL1 组合接近, 但丰度下降, 特别是喜有机碎屑环境的水蚤数量大大降低, 反映了环境有利的条件下, 流域地表的植被发育仍然较差; CL4组合(10～0 cm, 约公元1941年到现在)除没有发现浮游型水蚤外, 其他7种水蚤均可见到, 稳定的湖泊水温使广温型的水蚤种与窄温型的浅水种相比, 已经失去竞争优势. 该孔水蚤组合反映的环境变化得到其平行孔的介形类组合、环境磁学与相关参数以及硅藻-盐度转换函数研究结果的支持, 反映了青藏高原湖泊沉积中的水蚤组合对沉积环境的敏感性和在环境变化研究中的重要意义.     

青藏高原中部色林错湖近10年来湖面急剧上涨与冰川消融

量化了1976～2010年间,特别是2000～2010年间西藏色林错、错鄂及班戈错的湖面面积及湖面海拔高度变化,分析了不同补给方式对湖面变化的影响,为最近10年青藏高原中东部气候变暖所致冰川加速消融提供了新证据.结合差分GPS实测湖面海拔、数字高程模型(DEM)及不同时相(1976～2009年)湖面面积的遥感解译,研究提出:(1)近40年来色林错湖面海拔高度变化过程可分为两个阶段.1976～2000年,色林错湖面海拔缓慢上升4.3m,平均0.18m/a;2000～2010年,湖面急剧上涨8.2m,平均0.82m/a.与色林错近10年湖面海拔的快速增长对比,错鄂和班戈错的湖面上升趋势缓慢且平稳.(2)1976～2009年间,色林错湖面面积变化过程经历了平稳增长→加速增长→平稳增长的变化过程.湖面总体扩大656.64km2,增长幅度为39.4%,特别是1999～2009年间,湖面急剧扩大549.77km2,增长幅度为30.6%.根据气象数据相关性及湖水水位平衡分析,近期气温升高所致上游冰川的加速消融是色林错近10年湖面快速变化的主要因素--冰川融水直接导致色林错湖面上涨约8m,降水量的增加是影响湖面变化的次要因素;而主导班戈错湖面变化的因素是长期降水量的变化,气温的影响是次要因素.     

青藏高原高寒灌丛草甸花粉组合的植被指示性

基于青藏高原泽库盆地31个样点表层苔藓样品孢粉组合分析和植被调查数据,揭示了高寒灌丛草甸花粉组合特征及其花粉来源范围,阐明了主要花粉类型对植被组成的指示意义.结果显示:研究区花粉组合以莎草科、紫菀属、毛茛科、蔷薇科和禾本科等为主,其主要由样点周围40 km范围内植被产生(花粉贡献率83%);花粉组合中出现的桦属、松属和云杉属等乔木类型花粉由风力远距离搬运而来. 0～100 m范围,研究区各样点间植被组成差异显著,与花粉组合的对应关系差; 0～3 km范围,各样点间植被组成差异性减小、整体趋于均质化,与花粉组合的对应关系逐渐提升;据此认为,考虑花粉组合贡献率和区域植被组成影响后的花粉-植被数量关系更能真实反映研究区花粉组合与区域植被组成的对应关系.此外,青藏高原灌丛草甸区湖泊表层花粉组合可能受区域外花粉或隐域性植被的影响较大,花粉组合中出现的大量蒿属和藜科花粉并不真实地代表区域植被组成,依据该区域湖泊沉积花粉组合变化推测区域植被演替及气候变化时应予以排除.     

青藏高原那曲地区夏季对流云结构及雨滴谱分布日变化特征

青藏高原对于我国大气水循环、生态环境、灾害天气产生及气候变化等均具有重要作用和影响.为进一步揭示青藏高原气象和大气物理过程,我国启动了第三次青藏高原科学试验-边界层与对流层观测(2014~2017年)重大研究项目,其中云降水物理观测试验采用了包括C波段连续波雷达、Ka波段毫米波云雷达、地面雨滴谱仪、激光云高仪等目前先进的观测仪器.本文利用2014年7月1日~8月31日期间在西藏那曲的观测数据,结合FY-2E卫星的TBB资料,分析研究了青藏高原夏季(7~8月)对流云及其降水过程和雨滴谱分布特征.研究结果表明,观测试验期间青藏高原对流活动主要集中在高原东南部和中部地区,其降水过程存在准两周的周期性;由于高原的加热效应,对流云和降水过程有着显著的日变化特征,对流活动在11:00(当地时间)由局地热对流发展,经合并增长在17:00~18:00达到最强,入夜后降水过程开始偏平流性并持续至6:00,之后逐渐消散,上午对流活动较少.高原对流云平均云顶高度为11.5 km左右(海拔高度),最大云顶高可超过19 km;平均云底高度6.88 km.降水过程主要表现为短时阵性降水,持续时间基本小于1 h,平均降水强度在1.2 mm/h左右.另外,研究发现高原雨滴谱分布相对于同纬度和季节的平原地区较宽,导致高原对流易产生降水.Γ分布相对于M-P分布更适用于对高原上的雨滴谱分布进行拟合.     

近期新疆东天山冰川退缩及其对水资源影响

新疆东疆盆地属于资源性缺水地区. 流域内大部分河流的补给依赖于东天山高山区丰富的降水与冰川融水. 1981 年中日联合考察和2009 年中国科学院天山冰川站对该区博格达峰3 条冰川考察表明, 夏季消融强烈, 并有加速退缩趋势. 基于1962/1972 年地形图及近期的ASTER和SPOT5 遥感影像资料, 研究了博格达山脉203 条冰川和哈尔里克山75 条冰川的进退情况. 结果表明: 在1962~2006 年间博格达峰地区冰川面积减小了21.6%(0.49% a^-1), 长度平均退缩181 m,冰储量减小了28%; 1972~2005 年间哈尔里克山冰川面积减小了10.5%(0.32% a^-1), 长度平均退缩166 m, 冰储量减小了14%. 南坡冰川退缩快于北坡, 其中博格达山脉南北坡冰川面积分别减小了25.3%和16.9%, 哈尔里克山脉分别减小了12.3%和6.6%. 小于0.5 km² 的冰川退缩最为强烈,而大于2 km² 的冰川将会成为未来径流的主要贡献者. 东疆盆地水系的冰川消融总体呈增强趋势, 水资源处在不断恶化之中. 该地区坎儿井数量及其水量的锐减, 以及有无冰川补给河流径流量的显著变化均与上游冰川退缩有关, 未来将会对下游的乌鲁木齐市和吐鲁番盆地的水资源产生影响.     

中国及其屏障区柯本气候分类的RegCM4集合预估

区域气候模式RegCM4分别在CSIRO-Mk3-6-0、EC-EARTH、HadGEM2-ES、MPI-ESM-MR和NorESM1-M五个全球气候模式驱动下,进行了水平分辨率为25 km的东亚区域气候变化试验.基于该试验的集合结果,在对结果进行误差订正的基础上,本文预估了RCP4.5温室气体排放路径下21世纪末期(2069～2098年)中国及其国家生态安全屏障区的柯本-特里瓦沙气候分类的变化.结果表明,相比当代(1981～2010年), 21世纪末期中国的气候型发生变化的面积比例为22%,其中青藏高原和秦岭-淮河一带变化明显,青藏高原地区苔原气候(FT)的范围大幅度收缩,中国半干旱(BS)和冬干温暖气候(Cw)的范围扩展,其中BS面积较当代扩张近20%;国家生态安全屏障区的气候型变化更明显一些,总面积的24%将发生改变,其中以青藏高原和川滇-黄土高原的变化最大(40%左右),东北森林带次之,气候变化将导致这些地区的生态脆弱性加大.     

基于DMSP/OLS夜间灯光数据和统计数据的中国大陆20世纪90年代城市化空间过程重建研究

中国大陆目前以行政单元为基础的城镇用地面积统计数据缺乏足够的空间信息, 难以满足大尺度城市化空间格局和变化过程研究的需要. 文中首先提出了一种以现有统计数据为基础, 借助DMSP/OLS夜间灯光遥感数据, 快速恢复和提取中国大陆城镇用地空间信息, 弥补现有统计资料不足的新方法. 进而以该方法为基础, 利用 1992, 1996和1998年的3期DMSP/OLS夜间灯光数据, 重建了中国大陆20世纪90年代的城市化空间过程. 利用统计数据对该方法提取结果的面积总量评估表明, 二者在全中国大陆尺度上的面积相对误差在1992年小于2%, 1996年和1998年则均小于1%, 在省级尺度, 相对误差最大的省份也没有超过10%, 大部分省份的相对误差小于3%. 同时利用高分辨率Landsat TM数据对该方法提取结果的城市空间格局特征分析也表明, 利用DMSP/OLS 提取的城市格局特征与Landsat TM提取的城市格局特征基本上是吻合的, 两者的相似程度在80%左右. 这说明利用该方法重建的中国大陆20世纪90年代城市空间过程, 基本上可以反映当时中国大陆城市发展的实际状况, 具有一定的可信性, 可以在一定程度上为中国大陆宏观城市空间格局和变化过程研究提供帮助.     

通过瑞利激光雷达观测研究武汉上空中层大气(30~60 km)的稳定性

利用WIPM瑞利激光雷达大约一年的观测数据, 对武汉上空30~60 km高度段的中层大气的稳定性进行了初步研究. 通过激光雷达探测的中层大气温度分布, 计算了表征大气稳定性的参数浮力频率N², 发现30~60 km高度段的N²均大于零值, 但呈现出有规则的近似半年振荡, 表明武汉上空中层大气在全年均处于基本稳定的状态, 但其稳定程度在一年中随季节呈现出周期变化: 夏季和冬季大气的稳定性较差, 而春季和秋季大气稳定性较好.