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青藏高原湖泊水量变化规律-原因-影响研究取得进展

  青藏高原被称作亚洲水塔和“第三极”,是气候变化的敏感区和脆弱区。高原湖群是水塔水循环的重要组成,连接水圈、大气圈、冰冻圈等重要圈层。在高原内陆区气候暖湿化背景下,内流区湖泊出现大规模急剧扩张,对水文过程和当地人居环境造成显著影响。遥感是目前大范围湖泊水文变化监测的主要手段,但是由于不同卫星传感器服役时段长短不一、空间覆盖及精度限制等问题,青藏高原湖泊水量变化的不同研究结果存在时空代表性有限和量化结果不一致等问题。目前对于高原内陆湖泊时空差异性扩张的主控因子缺乏准确理解和统一的认识,特别是冰川融水对湖泊水量平衡的贡献仍存在争议和不确定性。此外,近几十年的湖泊快速扩张对当地人居环境的影响评估是科学界、政府管理部门和公众热切关注的问题之一。 

  针对上述科学问题和技术难题,在中科院战略性先导科技专项、第二次青藏高原综合科学考察研究专项、国家自然科学基金委面上项目等资助下,中国科学院南京地理与湖泊研究所宋春桥研究员课题组联合河海大学、美国堪萨斯州立大学、加州大学洛杉矶分校、香港理工大学等机构的科研人员开展了一系列研究并取得进展,相关成果发表在Remote Sensing of EnvironmentJournal of HydrologyCatenaScience of The Total Environment等。 

  激光测高卫星ICESat/ICESat-2相比传统星载雷达高度计能提供更加精确的高程观测数据,在当前湖库水位监测系统中展现了尺度和精度上的优势。基于两代激光测高卫星资料,课题组量化了青藏高原湖泊(242个,占全区湖泊面积比例~65%)在本世纪初近20年的水位与水量变化(图1)。研究结果揭示了高原231个湖泊水位呈不同程度上涨,平均速率为0.22±0.04 m/y,其中有18个湖泊的水位上涨速度>0.5 m/yr,包括色林错、双湖及可可西里的多个湖泊;仅有11个湖泊水位变化速率下降,平均速度为-0.10±0.02 m/yr。在2003-2019年内观测湖泊水量变化速率约为8.21±1.21 Gt/yr,将观测湖泊水位变化速率推广到其他无观测湖泊,湖泊总水量变化速率超过11 Gt/yr。该研究极大地提高了高原湖泊水量平衡估算的空间覆盖度和时间延展度。 

图1. 基于ICESat/ICESat-2的青藏高原湖泊水位与水量变化监测结果 

  关于高原内陆区湖泊快速扩张的机制,存在“冰川融水主导”和“降水主导”两种争议。在气候变暖趋势下冰川融水的增加曾被推测为高原湖泊扩张的主要原因。然而,增长的冰川融水是否足够支撑湖泊水量如此快速的增长,在多大程度上贡献湖泊水量增长?回答这些问题成为理解青藏高原湖泊变化驱动机制和内流区水量平衡影响因素的关键点。针对这一问题,课题组联合河海大学柯灵红博士,基于多时相数字高程模型和遥感卫星影像,更新了以主要终端湖为中心的青藏高原内流区湖泊流域划分,并估算了21世纪初全流域的湖泊水量变化与冰川物质平衡及冰川-湖泊的水量变化关系(图2)。此项研究中发展了基于数字高程模型和多时相卫星影像的湖泊水量变化估算方法,对高原内流区内所有1平方公里以上(823个)湖泊水位与水量变化进行了估算;利用干涉雷达反演的数字高程模型TanDEM-XSRTM DEMs获取了全内流区(数据空间覆盖度98%)的冰川物质平衡。研究结果表明在2000-2014之间内流区湖泊增长速率为9.44 ±1.43 Gt/y 而冰川水储量损失速率为0.44 ± 0.80 Gt yr-1,整体上冰川物质平衡对湖泊水量增加的贡献约为4.7 ± 8.8%,表明冰川水储量的减少量远不足以支持湖泊的水量增加。从湖泊-冰川变化的关系上来看,研究区内20%的湖泊水储量增加与冰川作用无关(湖泊所在流域内无冰川分布),28%的水量增加所对应的湖泊流域内冰川物质平衡为正或无明显变化,剩下约52%的水量增长所对应的湖泊流域内冰川呈现不同程度消融但其对湖泊水量增加的贡献低于20%此外,团队研究还针对中国最大的内流湖泊青海湖近年来水位快速恢复特征及受冰川物质平衡影响贡献和主控因子等相关问题开展研究。 


2. 21世纪初青藏高原内流区湖泊-冰川水储量变化及其关系 

  青藏高原湖泊群大多分布在地势相对平坦的内流湖盆区,是藏区牧民生产生活的主要场所。21世纪初以来湖泊的快速扩张对周边人居环境的负面影响已逐渐凸显,影响了区域生态安全和可持续发展。课题组利用卫星遥感与实地无人机遥感和访谈等方式,开展湖泊扩张影响及未来变化对当地人居环境(居民点、道路和草场)的潜在影响监测与评估(图3)。研究结果显示羌塘湖盆区已有不少草场与居民设施被淹没。在未来20年青藏高原内流区湖泊保持现有扩张趋势情景下,预计湖泊扩张将淹没超过400个居民点、近500公里的主要路网。淹没风险较高的道路和居民点主要位于人口相对集中的羌塘高原东南部和青海湖流域。以昂孜错典型湖泊为例,课题组开展了该湖的扩张洪泛风险评估及临近村庄(果扎村)的搬迁选址方案空间优化。该研究有望为青藏高原湖泊现代演变对藏区人居环境的影响和未来风险提供科学参考,并在气候变化背景下为制定缓解灾害风险的预案提供科技支撑。 


3. 青藏高原羌塘湖盆区湖泊快速扩张对人居环境影响遥感评估 

    

  论文全文链接: 

  基于多源测高的青藏高原湖泊水位与水量的精细化估算 (CATENA, RS) 

  https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0341816221000369?via%3Dihub 

  https://www.mdpi.com/2072-4292/12/18/2986  

  21世纪初以来冰川物质平衡对青藏高原湖泊扩张贡献量化(RSE 

  https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0034425721004995?via%3Dihub  

  青海湖近年来水位快速恢复驱动机制探讨(JoH 

  https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0022169420313822?via%3Dihub  

  基于卫星与无人机遥感的青藏高原湖泊扩张洪泛淹没风险与居民点迁徙选址空间优化 STOTEN, EES 

  https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0048969721050038?via%3Dihub 

  https://link.springer.com/article/10.1007/s12665-021-09470-4 

  基于多源DEM与无人机Lidar数据的湖泊水位虚拟站重建方法 (IEEE GRSL) 

  https://ieeexplore.ieee.org/document/9459752