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冰川融水为中国西部地区生态经济的发展提供了宝贵的淡水资源。在全球气候变暖的背景下,中国西部冰川呈现出不同程度的退缩趋势,评估冰川变化对寒区水资源的影响成为当今冰冻圈科学研究中的热点。太阳辐射为冰川消融提供了主要的能量源,如何定量分析冰川表面能量收支过程是冰川水资源模拟研究的难点。冰川表面反照率是控制其表面能量收支过程的关键性参数,具有明显的时空变化特征,其数值精度成为制约分布式冰川能量-物质平衡模型发展的重要因素。中国是全球中低纬度带发育山地冰川最多、规模最大的国家,因而,有必要开展对中国西部典型冰川表面反照率的时空变化特征与参数化模拟研究,这对冰川物质平衡模拟、冰川区域的气候与水资源变化研究都有着重要的意义。卫星遥感能以一定的周期获取覆盖整个冰川表面的影像,且时间跨度较长,为冰川表面反照率的研究提供了方便有效的数据源。
本研究以Landsat TM/ETM+影像反照率反演结果、MOD10A1逐日反照率产品为主要数据源,首先对以上两种反照率遥感资料进行精度验证,而后根据这两种遥感数据资料对中国西部九条典型冰川表面反照率的时空变化特征进行分析,最后分别对唐古拉山冬克玛底冰川单点位置、面上的反照率数值进行参数化模拟。主要结论如下:
(一)反照率遥感产品在中国典型冰川区的精度评价
本文首先根据已有的冰川表面反照率实测资料直接对Landsat TM/ETM+影像反照率反演结果在中国典型冰川区的数据精度进行验证,结果表明,LandsatTM/ETM+影像反照率反演数值的绝对误差介于-0.11~0.07,均方根误差为0.048,与实测值的相关系数达到0.96,在数值精度上能够满足区域气候模型的需求,并能够适用于单一条冰川表面反照率的空间变化特征研究。
接着本文根据冰川表面反照率实测资料对Landsat TM/ETM+影像反照率反演结果进行率定,并将其上升尺度到MODIS像元尺度上,以此对MOD10A1反照率产品在中国典型冰川区的数据精度进行验证。结果表明,MOD10A1反照率产品在大陆型冰川区的数据精度(RMSE<0.068)要高于海洋型冰川区(RMSE=0.112),与同时期Landsat影像反照率反演结果的相关系数在不同类型的冰川区均能达到0.8以上,故该产品能够适用于中国多条典型冰川反照率的时空变化特征研究。
(二)中国单一条冰川表面反照率空间变化特征与粒雪线高度反演
本文根据夏季消融期成像的Landsat TM影像反照率反演结果分析单一条冰川表面反照率在夏季消融期的空间分布特征。结果表明,单一条冰川表面反照率具有明显的空间变化特征,其数值介于0.128~0.776,总体上随着海拔升高而增大,且在不同部位的增大速率并不相同。在冰川表面覆盖类型差别不大的情况下,冰川表面反照率随太阳入射角度的增大而增大。
而后根据夏季消融期冰川表面积雪与冰川冰反照率之间的数值差异,设定两者间的阈值为0.5,对Landsat TM影像反照率反演结果提取得到瞬时粒雪线位置,与目视解译得到的结果基本一致,且其高度与实测物质平衡线高度之间的绝对差异介于-36~66米。这说明该反演方法是行之有效的,且比目视解译方法更具有客观性,为冰川表面粒雪线高度反演提供了一种新的方法。
最后,根据在一个物质平衡年内不同时期成像的Landsat TM影像反照率反演结果分析同一条冰川表面反照率的空间分布在年内的变化特征。结果表明,同一条冰川表面反照率在非消融期的空间变化不明显,主要受到太阳入射角度差异的影响,而在消融期的空间变化较为显著,主要受到冰川表面状况差异的影响,同时地形对太阳入射角度的影响也是一个不可忽略的因素。
(三)中国西部典型冰川表面反照率时空变化特征
本文根据2000.3.1~2010.2.28期间的MOD10A1逐日反照率产品分析中国九条典型冰川表面反照率的时空变化特征,并结合各个冰川区的气侯因素(气温、降水与黑碳含量等)分析其对冰川表面反照率变化的影响。结果表明:
1)从空间分布格局上看,位于青藏高原腹地的冰川(如冬克玛底冰川和普若岗日冰原)表面反照率较大,位于青藏高原边缘地区的冰川(如帕隆藏布4号冰川、海螺沟冰川、老虎沟12号冰川)表面反照率次之,而位于青藏高原外部地区的冰川(如喀纳斯冰川、乌鲁木齐河源1号冰川)表面反照率较小。这是各冰川区域的气候条件(气温、降水)与大气中固体颗粒含量共同作用的结果。
2)从季节变化上看,大陆型冰川表面反照率在秋(冬)季最大,冬、春季逐渐减小,在夏季达到最小;海洋型冰川表面反照率的年内变化不同于大陆型冰川,在春季最大,秋、冬季次之,夏季达到最小。
3)从年际变化上看,在2000~2009年间,绝大多数冰川表面反照率呈现出不同程度的下降趋势,海洋型冰川反照率的下降趋势要比大陆型冰川更为明显,且不同类型冰川表面反照率的年际变化对气温、降水变化存在着不同的响应特征。其中,海洋型冰川表面反照率的年际变化受区域性气温变化的影响较大,亚大陆型冰川反照率的年际变化受区域性气温、降水变化共同作用的影响,而极大陆型冰川反照率的年际变化受区域性气温、降水变化的影响均不明显。
(四)冰川表面反照率参数化模拟
本文以冬克玛底冰川表面实测气象资料为数据源,以气温、雪龄、降水量、坡地太阳入射角、天空可见比例等变量为替代指标,通过统计回归方法分别建立逐日、逐时分辨率反照率参数化方案,并对单点位置的反照率进行参数化模拟。模拟结果表明,由逐日反照率参数化方案得到的模拟值与实测值之间的相关系数为0.673,平均绝对误差为0.050,均方根误差为0.065;由逐时反照率参数化方案得到的模拟结果能够很好的反映冰川表面反照率的日变化特征,且与实测值之间的相关系数可达到0.65以上。
而后以覆盖冬克玛底冰川的Landsat TM影像反射率反演结果和MOD09GA逐日反射率产品为数据源,利用改进后的时空自适应反射率融合模型(ESTARFM)将两者进行数据融合,模拟生成高空间分辨率的逐日反射(照)率数据。结果表明,通过现有的数据融合模型生成的高时空分辨率反射率数据基本能够反映冰川区不同覆盖类型在光谱特征上的空间差异,与遥感反演结果的相关系数能达到0.9以上,但在数值上还存在一定的偏差(RMSE<0.077),且在冰川表面上的反射(照)率模拟数值要比根据同时期Landsat TM影像的遥感反演值偏小。