基于遥感与GIS的中国多年冻土分布制图研究

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冻土制图是普通冻土学研究的重要内容和热点方向,也是冻土区工程规划建设和环境保护的基础。遥感与GIS的发展及过去几十年来各类观测数据的积累为新一代的冻土制图带来了契机。本文核心目标在对中国冻土图进行系统总结与回顾的基础上,针对已有冻土图中存在的问题,发展多年冻土制图的遥感应用方法,融合多指标遥感数据和大量的地面观测数据,估计中国和青藏高原地区的多年冻土稳定型分布,为工程规划、环境保护等各类应用提供新的多年冻土分布图。  对中国冻土图的总结发现,上世纪60年代开始中国出版的一系列冻土图代表了中国在过去半个世纪中对多年冻土分布的阶段认识,这些图件在分类系统、数据源、制图方法等方面存在较大的不同,主要存在两方面的问题。第一个问题是数据问题,受不同时期数据积累所限,这些图件所依赖的是稀少的气温观测数据,存在较大的不确定性。第二个问题是分类系统问题,受前苏联和北美多年冻土制图所用分类系统的影响,这些图件的分类系统都基于连续性但又各自采用不同的连续性定义,连续性标准严重依赖于制图尺度,且基于连续性标准的多年冻土图与冻土工程规划等现实需要存在距离。  为解决第一个问题,本文尝试利用新的再分析资料和遥感数据,为解决第二个问题,采用了高海拔多年冻土分带方案,即多年冻土稳定型分类系统。利用中科院青藏所发展的新的气温再分析资料,评价了1980到2010年中国多年冻土稳定型的退化情况。结果显示,过去30年间,全国发生稳定性退化的多年冻土区域达到101.21×104km2,其中多年冻土区面积减少了约12.68×104km2,其不仅发生在多年冻土与季节冻土过渡带,同时也发生在多年冻土区内部。在利用遥感数据时存在两大因素,一是遥感地表温度受云和观测时间分辨率等因素的影响,已有的遥感地表温度产品并不能直接转换为多年冻土制图的常用指标(如年平均地表温度和冻结数),二是多年冻土稳定型划分中缺乏遥感年平均地表温度和冻结数的具体标准。因此,如何充分的利用遥感观测数据,需要发展新的方法,本文具体在以下几方面发展了遥感冻土稳定型制图方法。  首先,发展了一个实用的年平均地表温度和冻结数遥感估计方法。该方法假设日地表温度变幅的空间异质性比地表温度本身的时空异质性要弱,从而通过地表温度变幅的插补,实现了对MODIS卫星一天只有一次地表温度观测数据的充分利用。缺失数据插补算法基于最新发展的基于离散余弦变换(Discrete Cosine Transforms,DCT)的惩罚最小二乘回归算法。该估计方法可充分利用每一次每一个像元的有效观测、不需要其他观测信息、易操作、精度高,精度主要取决于MODIS地表温度产品的精度。  其次,建立了青藏高原多年冻土综合数据库,该数据库收集了2010年左右青藏高原142个钻孔年平均地温数据、过去50年青藏高原及周边152个气象站的年平均气温观测数据和一系列时间序列不等的相关遥感数据产品,包括GLASS(Global LAnd Surface Satellite)叶面积指数产品、逐日无云MODIS积雪面积比例数据产品、SoilGrids250m的土壤沙粒含量、土壤粘粒含量、土壤粉粒含量、土壤有机质和土壤体密度数据产品、中国气象局陆面数据同化系统(CLDAS)输出的二版土壤湿度产品和融合了近4万区域自动气象站和FY2/EMSIP降水产品的融合产品,同时利用本文发展的年平均地表温度和冻结数遥感估计方法,生产了2004年至2016年青藏高原1公里空间分辨率遥感年平均地表温度和冻结数产品。  第三,基于青藏高原多年冻土综合数据库,利用地理加权回归方法,融合年平均地温地面钻孔观测和多种遥感与非遥感数据,估计得到了代表2010年代的青藏高原1km分辨率年平均地温分布图及多年冻土稳定型分布图,该图显示,青藏高原多年冻土面积在111.13×104km2至127.97×104km2之间,并提供了冻土工程极为重要的稳定型分布信息。同时首次提出了多年冻土稳定型监测的遥感年平均地表温度和冻结数划分指标,为未来利用遥感直接监测多年冻土稳定型提供了标准。  第四,融合年平均气温台站观测和遥感年平均地表温度、平均叶面积指数和积雪面积比例等,估计得到了过去50年每十年的青藏高原1km年平均气温数据,分析了其变化趋势,发现青藏高原的年平均气温在过去半个世纪以每年0.04℃的速率持续升高。高原西部的升温速率高于东部并与海拔相关,升温速率从4000米的每十年升高约0.33℃升高到5000米的每十年升高约0.48℃,然后又随着海拔的升高而降低,这种变暖特征对多年冻土造成更大影响。  第五,利用融合了地面与遥感观测的高空间分辨率气温数据,评价了过去五个十年青藏高原多年冻土稳定型退化情况,分析了其变化的时间、空间和海拔特征。研究发现,过去50年,青藏高原发生稳定性退化的多年冻土面积达到153.76×104km2,占1960s年代多年冻土面积的87.98%。75.24%的极稳定型多年冻土、89.56%的稳定型多年冻土、90.3%的亚稳定型多年冻土、92.31%过渡型多年冻土和32.8%的不稳定型多年冻土退化为更低级别稳定性的多年冻土。多年冻土总面积从1960s年代174.76×104km2减少到2000s年代的133.1×104km2,以每10年9.52×104km2(5.46%)的速率减少,主要是由于下带多个冻土的退化,49.4%的不稳定型多年冻土和95.95%的极不稳定型多年冻土退化为季节冻土。其中,1960s至1970s和1990s至2000s年是两个关键的退化时段。从空间分布来看,极稳定型、稳定型和亚稳定型的分布从南向北退缩,相应的,过渡型、不稳定型和极不稳定型多年冻土的分布区向北扩展。从海拔分布变化来看,极稳定型、稳定型、亚稳定型、过渡型、不稳定型和极不稳定型多年冻土分布的平均海拔分别升高了88米、97米、155米、185米、161米和250米。  总之,在前人大量卓有成效的研究工作的基础上,本文从中国冻土图的总结、多源数据集成(特别是遥感应用方法)、新的分类系统应用、新的冻土图及多年冻土稳定性退化评价等方面进一步促进了中国多年冻土制图研究。新的多年冻土稳定性分布图可更好的支撑冻土工程和环境保护应用,总结的制图经验可进一步促进相关的冻土制图研究。
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