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用冰雪遥感监测技术看近40年来的冰川变化

时间:2017-05-22 来源:赛杰奥 点击:

首先对近年来有关冰雪变化遥感监测与研究方法进展进行系统梳理。除传统的冰雪分类与变化遥感监测方法之外,三维立体测量、雷达测高、重力测量、干涉测量等技术在冰川学中的应用得到了蓬勃发展,提升了区域冰川学的认识水平,这些技术的应用大大丰富了冰雪可监测参数,除冰川边界等之外,冰雪表面高程及其变化、运动速度、反照率、粉尘和其他吸光性物质分布与通量、区域冰川物质变化、积雪水当量等参数动态变化监测技术和方法快速发展,上述不同参数的数据产品在科研和生产领域都得到了广泛应用。

 

▲基于遥感和DEM 的冰川编目流程

 

利用Landsat TM 的波段比值阈值法对无表碛冰川边界的识别得到了广泛应用,辅以蓝色波段信息,可以提高阴影地区冰雪的识别效果;表碛覆盖区冰川边界提取是遥感冰川监测的难点,相继进行了大量试验,如神经网络方法、监督分类、决策树和纹理分析、表面温度差异、面向对象的地貌学分类、表面运动速度、合成孔径雷达相干系数、合成孔径雷达全极化分解等。这些方法应用于冰川边界识别,目前仍然需要大量的人工检查和修订。在GIS 技术和数字高程模型支持下,开发自动方法,已可有效进行单条冰川分割和冰川坡度、坡向、高程、主流线、长度等计算。

 

基于高分辨率遥感影像的冰川编目方法精度验证

(a)基于Landsat 影像提取的冰川边界;

(b)基于Google Earth TM 影像手工数字化

 

除传统的冰川物质平衡定位监测外,近期卫星技术发展使得基于高程变化进而计算冰川物质平衡的大地测量方法和基于重力场变化的重力测量法在区域冰川物质平衡监测中得到了广泛应用。基于不同时期数字高程模型(DEM)差值方法需要提高两期DEM的匹配精度,消除因两期DEM 分辨率差异和空间自相关性带来的误差、雷达对冰雪的穿透影响;冰川体积变化换算为水当量时采用的密度也是影响估算结果的因素之一。近年来,卫星激光测高技术在全球冰川物质平衡变化监测方面的快速发展,为新一代激光测高卫星发展奠定了基础。

 

可见光数据、SAR 影像或后向散射系数、SAR 干涉技术等在监测大范围冰川表面运动速度、雪线高度、反照率、表面温度等方面也得到了广泛应用,这些监测丰富了冰川参数,同时为各类模型分析提供了传统方法无法满足的数据。

 

冰川编目中国一级流域冰川规模分布

 

利用上述遥感和地理信息系统方法,完成了除念青唐古拉山东段部分地区冰川之外的第二次中国冰川编目(因无高质量遥感影像数据)和基于类似方法的中国第一次冰川数据修订。以修订后第一次冰川编目数据代替念青唐古拉山东段缺第二次冰川编目数据的冰川,则可知在大约2010 年前后时段,中国有冰川48571 条,面积为51766.08 km²,昆仑山山系的冰川数量最多(8922 条),面积最大(11524.13 km²),其数量和面积占全国冰川各自总量的18.4%和22.3%;天山山系冰川数量仅次于昆仑山而位居第二,但其总面积少于昆仑山和念青唐古拉山,位居第三。从水系看,东亚内流区(5Y)冰川数量最多,面积亦最大,分别占中国冰川总量的42.0%和43.3%;其次是中国境内的恒河—雅鲁藏布江流域(5O),其冰川条数和面积分别占中国冰川总量的26.0%和30.4%。

 

近40 年中国西部冰川面积年均变化率(%/a)

 

利用第一次冰川编目修订数据和第二次冰川编目(除念青唐古拉山东段外),从中挑选出数据质量较好、一致性较高的冰川,比较这些冰川的变化,总计有36209 条冰川符合要求,这些冰川自20 世纪50 年代末以来面积减少17.7%,冰川面积变化相对速率为5.22%/10a。阿尔泰山、冈底斯山和穆斯套岭冰川面积变化幅度最大,面积缩小比例均在30%以上;喜马拉雅山、天山、横断山、念青唐古拉山和祁连山冰川面积缩小比例介于20%~30%,帕米尔高原、唐古拉山、阿尔金山和喀喇昆仑山冰川面积减少比例介于10%~20%,昆仑山和羌塘高原冰川面积减少最少,低于10%。由冰川面积相对变化百分比可知,冈底斯山冰川退缩速率最快,为10.43%/10a;其次是穆斯套岭、喜马拉雅山、阿尔泰山、横断山、念青唐古拉山、天山和祁连山,介于8.83%/10a~5.68%/10a;位于青藏高原北部和腹地的唐古拉山,帕米尔高原、喀喇昆仑山、阿尔金山、昆仑山和羌塘高原的冰川面积萎缩速率较小,均在5%/10a 以上,其中,昆仑山和羌塘高原冰川面积萎缩速率不到-3%/10a。

 

本文摘编整理自《气候变化影响与风险. 气候变化对冰川影响与风险研究》(刘时银等著. 责任编辑:万峰 朱海燕. 北京:科学出版社, 2017.4)一书“第10章  结论与展望”,有删减,标题为编者所加。