基于多源遥感数据的青藏高原积雪信息重建

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积雪因其特有的表面高反照率、低导热率以及融雪水文效应,在全球辐射平衡、水能循环、气候变化中都扮演着极其重要的角色。积雪也是地球上重要的淡水资源,影响着社会、经济和人类生活的各个方面。有着地球第三极之称的青藏高原是我国积雪覆盖面积最大的地区之一。青藏高原的积雪融水是亚洲主要河流的水源源头,更是我国西北干旱与半干旱地区的重要水资源。因此,利用多源遥感数据来准确的监测青藏高原地区的积雪信息,对该地区水资源的利用和管理、气候变化、以及相关领域的科学研究都具有重要的意义。本文以青藏高原为研究区,结合MODIS积雪面积比例产品、被动微波雪深产品、以及积雪模型,经过MODIS积雪面积比例数据的去云处理、MODIS积雪面积比例数据和被动微波雪深数据的融合、以及利用同化方法重建雪深的尝试,以期生成更高质量的青藏高原积雪面积和雪深数据;并着重分析了青藏高原积雪面积、积雪日数、雪线高度的时空变化特征及其气温响应关系。主要研究内容包括:  ⑴青藏高原地区MODIS积雪面积比例产品的精度验证与去云研究。选用青藏高原典型积雪地区高分辨率的Landsat/ETM+数据作为“真值”影像,验证了无云条件下MODIS积雪面积比例产品的精度。发展了一种基于三次样条函数插值的MODIS积雪面积比例产品的去云方法,并分别采用基于“云假设”的精度检验和地面站积雪覆盖日数检验的两种方法来评价去云方法的精度。结果表明,MODIS积雪面积比例产品在本研究区具有较高的精度,与积雪面积比例“真值”相比,其平均绝对误差(MAE)、均方根误差(RMSE)及相关系数(R)分别为0.098、0.156和0.916。去云算法能有效的获取云覆盖像元的积雪面积信息(总体平均绝对误差为0.092);特别是在云持续时间较短(小于5天)的情况下,该去云算法的精度较高。由去云后的MODIS积雪面积比例产品提取的积雪日数与地面观测积雪日数之间具有较高的一致性(87.3%),其平均绝对误差为3.82天。去云后的逐日MODIS积雪面积比例产品具有较高的精度来监测研究区积雪面积。  ⑵基于多源数据的青藏高原雪深重建研究。利用地面观测站雪深数据和MODIS积雪面积比例产品构建了研究区的积雪衰减曲线。并在MODIS积雪面积比例产品的基础上,利用积雪衰减曲线以及经验的融合算法对被动微波雪深数据进行降尺度,生成空间分辨率为0.1°的MODIS/被动微波融合雪深数据。在积雪模型(SnowModel)和融合雪深数据的基础上,尝试通过数据同化的方法来生成更高质量雪深数据。并利用地面站实测雪深数据来验证雪深重建结果的精度。利用地面站观测雪深数据以及MODIS积雪面积比例数据较好的拟合出了研究区的积雪衰减曲线,研究区雪深与积雪面积比例之间的关系明显。基于数据同化方法的所得到雪深数据能较好接近地面观测雪深的“真值”,检验方法得到其在2000~2008年的总体均方根误差(RMSE)在0.002~0.008m,相关系数(R)在0.61~0.87之间;同化雪深结果要明显的优于MODIS/被动微波融合雪深结果。  ⑶利用2000~2011年研究区去云后的MODIS积雪面积比例产品,分析了研究区积雪面积、积雪日数、季节雪线高度的时空变化特征及其与气温的响应关系。首次利用遥感的手段监测了整个青藏高原的雪线高度;提出的基于MODIS积雪产品的雪线高度提取方法可以实用于其它地区雪线高度的提取与监测研究。青藏高原积雪的空间分布极不均匀。稳定性积雪区(积雪日数>60)面积占27.24%,主要分布在研究区四周的高山地区,包括喜马拉雅山、喀喇昆仑山、昆仑山、祁连山、唐古拉山以及横断山地区。而广阔的研究区中部积雪分布较少、持续时间较短。雪线高度的空间分布受地形的影响,高原内部的雪线高度高于周围山区。特别是在喜马拉雅山脉南坡雪线高度明显低于北坡。青藏高原积雪面积、雪线高度体现出强烈的年内波动特征。研究区积雪面积的年内波动区间在3%~30%,而平均雪线高度的年内变化范围在4600~5300m之间。积雪的累积和消融期在不同高程带略有差异,海拔越高的地区积雪的累积出现的较早,消融出现的较晚。特别是在海拔>5500m的地区,其积雪覆盖面积常年在30%以上,并且在春季和秋季呈现出明显的“双峰”特点。  ⑷青藏高原积雪分布呈现出显著的年际波动特征。34.14%的地区积雪日数呈下降的趋势(显著下降为5.56%),24.75%的地区积雪日数呈增长趋势(3.9%的地区显著增加),积雪日数在41.11%的地区基本保持不变。研究区的积雪面积、雪线高度均呈现出强烈的年际波动特征,但在近12年中并没有明显的增加或者降低的趋势。特别是青藏高原的东部和南部地区,夏季雪线高度的年际变化尤为强烈。气温是影响研究区积雪年际变化的重要因素。积雪面积与气温之间呈明显的负相关关系,部分月份和地区负相关性显著(P<0.01)。雪线高度的变化与气温之间则呈现出显著的正相关,特别是在融雪季节(4月~8月),相关系数可达到0.7以上。而在青藏高原东南部地区,其夏季雪线高度与气温相关性相对较小,该地区夏季西南季风带来的降水可能是影响该地区夏季雪线高度变化的主要原因。
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