基于多源卫星数据的中亚地区湖泊水量变化监测研究
发布时间：2020-08-20 22:56
【摘要】：水是人类赖以生存和社会经济发展不可或缺的物质基础。湖泊是地表水的重要存在形式,占地球表面液态淡水资源的90%以上,其空间分布一定程度上反映了陆地表面水资源的区域差异和利用状况。而另一方面,水资源的时空变化也体现了气候变化,地表过程和人类活动对水循环、物质迁移及生态系统变化的影响。全球气候变暖加之近年来强烈的人类经济活动干扰,导致了许多湖泊面积萎缩、水位下降、水体富营养化加剧、生物多样性降低、污染严重、生态系统功能退化,甚至濒临消亡。中亚地区地处北半球中纬度欧亚大陆腹地,自然降水量稀少、蒸发量大,是全球典型的干旱半干旱地区,湖泊对于维持生态系统平衡,促进区域经济发展起着至关重要的作用。在全球气候变暖背景下,随着中亚地区国家工业化和城镇化步伐的加快,人类高强度的水土资源开发,导致生态环境发生了巨大变化,如河流水位下降,湖泊萎缩甚至消失。而由于水资源的一系列纷争,导致周边国家地区之间产生摩擦,也给区域间的稳定和安全带来威胁。因此,研究中亚地区湖泊水资源的变化规律,正确评估气候变化和人类活动对湖泊的影响,可以为水资源保护和干旱区生态环境的可持续发展提供科学依据。本文重点选取了中亚地区面积较大的30个湖泊(面积大于100 km2),针对其较长时间序列的湖泊水位、面积以及水量的监测数据进行系统性研究,在此基础上结合气温和降水量等相关数据分析了单个湖泊水位、面积、水量以及整个中亚地区陆地水储量对气候变化的响应。主要研究内容和结论如下:(1)采用Tope×/Poseidon、Envisat/RA-2,Jason-2三种雷达卫星测高数据监测了 1992-2015年中亚地区30个湖泊的水位变化。从总体上看,1992-2015年中亚地区的湖泊水位变化各异,其中有17个(约占57%)湖泊水位出现了不同程度的下降,下降趋势最大的湖泊是南咸海(-0.447 m/a)。另外有13个(约占43%)湖泊水位出现了不同程度的上升,上升趋势最大的湖泊是阿牙克库木湖(0.281 m/a)。位于平原地区的9个尾闾湖的水位表现出有的持续下降、有的持续上升、多数保持平稳的特点。高山高原地区的8个封闭湖泊水位变化的季节性明显,年内变化很大,而年际变化较小。13个外流湖的水位表现出普遍下降的特点,年内变化和年际变化都十分显著,每个湖泊下降的程度也是各不相同。中亚地区的湖泊水位变化有明显的由西向东从大变小的趋势。中部地区的湖泊水位多数升高,东部和西部地区的湖泊水位多数下降。(2)以光学卫星Landsat TM/ETM+/OLI影像为数据源监测了 1992-2015年中亚地区30个湖泊的面积变化。从总体上看,湖泊的总面积也是呈缩小的趋势,总共减少了 27494.872 km2,和1992年的面积相比减少了 5.868%。30个湖泊中有15个湖泊的面积出现不同程度的缩减,缩减最厉害的是南咸海,另外15个湖泊面积呈现增长趋势,增长最多的湖泊是北咸海。位于平原地区的尾闾湖面积变化显著,北咸海面积增大的比例最多(17.368%),南咸海面积缩减的比例最多(-81.069%);高山高原地区的封闭湖泊的面积变化幅度都不大,比较稳定;外流湖的面积变化没有一致的规律性,多数湖泊的面积呈现出萎缩趋势,面积增大的湖泊数量较少而且增大幅度也较小。中部地区的湖泊面积大多是升高的,东部和西部地区的湖泊面积大多是下降的。(3)根据各湖泊的水位变化和面积变化,基于经验公式计算了 1992-2015年中亚地区30个湖泊水量的整体变化,并结合气象台站数据和人类活动因素分析了湖泊水量变化的原因。1992-2015年中亚地区湖泊的总水量呈减少的趋势,总体水量减少了 499.846 km3,平均每年减少21.732 km3。湖泊水量的减少逐年递增,越来越严重。尾闾湖的水量变化都比较大,其中萨雷卡梅什湖水量增加最多(24.273 km3)。封闭湖的水量变化的幅度都不大,除了阿牙克库木湖水量增加最多(10.479 km3),其他的湖泊保持相对稳定的状态。外流湖中水量下降的湖泊占多数,但是整体幅度不大。从空间分布看,中部的湖泊水量增加,东部和西部的湖泊水量减少。(4)利用2002-2015年GRACE地球重力场数据估算了中亚地区陆地水储量变化,并与湖泊水量变化的结果进行对比分析验证。整体上来看,中亚地区陆地水储量的变化是下降的,下降速率为-0.318 cm/a。呈现出由东向西逐渐增大的趋势,并且具有明显的季节性变化规律。水储量变化增速较大的区域主要集中在新疆塔里木盆地南部与青藏高原交界处。而陆地水储量变化减少的区域主要包括阿尔泰山西南部准噶尔盆地的部分地区以及整个咸海流域,下降速率最大达到-5.271 cm/a。(5)中亚地区湖泊水量变化与气候变化和人类活动均有关系。气温的升高会造成流域内有冰川分布的湖泊水量增加,如天山山脉附近的巴尔喀什湖等。而流域内没有冰川分布的湖泊,会因为气温的升高,导致蒸散量加大,加上降水量的减少,造成水量减少,如蒙古高原上的湖泊等。同时在流域内建有水坝和水电站的湖泊水量受到人类活动的影响较大,如吉尔吉斯湖、博斯腾湖等。中亚地区的陆地水储量与气温呈现负相关关系,与降水量呈现正相关关系。气温的升高造成了青藏高原北部地区冰川的融化,加上此处降水量的增多,最终导致周边区域的陆地水储量增加。天山山脉区域的陆地水储量减少是由于气温的升高和降水量的减少。咸海流域的陆地水储量减少是流域内大规模的农业开发对水资源的过度利用造成的。(6)1992-2015年巴尔喀什湖主要经历了水位持续上涨和水位波动下降的过程,2006年之前的上升幅度大于之后下降的幅度,因此水位总体呈上升趋势,24年里共计上升1.290 m。巴尔喀什湖水位变化的原因与气候变化和人类活动均有关系,气候变化的贡献量要大于人类活动的贡献量。1992-2015年博斯腾湖主要经历了水位持续上涨和水位持续下降两个阶段,水位下降幅度大于水位上升的幅度,24年里共计下降了 1.912 m。博斯腾水位变化的原因与气候变化和人类活动均有关系,水位的升高和水量的增加与气候变化的关系更大,水位下降和水量的持续减少与人类对水资源的过度利用密不可分。
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：P343.3
【图文】：
拉雅山的区域｜１７１］。本文研宄区域主耍包括中国新疆、中亚五Ｗ邋（哈萨克斯圯、逡逑乌兹别克斯坦、吉尔吉斯共和国、塔吉克斯坦和土库曼斯坦）、蒙Ａ和俄罗斯部逡逑分地区（图２－１）。总面积约为４００．４９万平方公里，东西长约３０００ｋｍ，南北宽约逡逑２４００ｋｍ，位于４６°２９＇－８７°ｌＫＥ，３５°０７＇－５５°２６＇Ｎ之间。中亚五国的东部以西天山逡逑的南脉为界，南部以科毕答山脉和阿姆河的中游及其上源喷赤河为界，北部越过逡逑哈萨克草原，深入到西西伯利亚南缘的额尔齐斯河流域，西界是里海的东岸逡逑从总体上看，中亚五国的地势东南高耸，西北低下，其中塔吉克斯坦境内的帕米逡逑尔高原海拔４０００－７０００ｍ，是中亚地区制高点。在哈萨克斯坦西部里海附近的卡逡逑拉吉耶洼地是低于海平面１３２ｍ的最低点。帕米尔高原与分布在吉尔吉斯斯坦和逡逑哈萨克斯坦东部的天山山脉相连接，犹如一条高大而又十分宽厚的“山墙”，绵延逡逑在中亚五国的东部边缘［１（）］。逡逑１７逡逑
气象数据［２ｎ］。其中中亚地区有３９４个站点，但是由于数据缺失严重，导致可用逡逑的站点数量不多，最终选择５５个气象站的气温和降水数据进行计算，用来分析逡逑中亚地区各湖泊水量变化与气候变化之间的关系（图２－２）。逡逑５０°邋Ｅ逦６０°邋Ｅ逦７０＾邋Ｅ逦８０°邋Ｅ逦９０°邋Ｅ逦１００°邋Ｅ逡逑ｆ－逦Ｘ，逦Ｎ逦－ｆ逡逑Ｒ逦Ａ邋Ｒ逡逑Ｖ－ｖ逦Ｂａｌｋｈａｓｈ邋ｓ．ｓｖｋｋｏｌ逦ｕ，ｕｎＷ？ｒ邋Ｈａｒ＾＼Ｈａｒ逡逑ｌ－邋４＂邋，管一逦—邋－Ｉ逡逑么逦＾ｌ－ｓｏｕｉｈ逦Ｋａｐｃｈａ（￡ａｙ逦Ｓａｉ邋Ｉｆ邋ｍｕ逡逑▲逦Ｃｈａｉｄａｒｙａ逦．逦＇＂邋＊－ｕｒ逦Ｂｏｓｔｃｎ逦ｆ一逦、逡逑ｚ逦Ｓａｋｓ＾ａｍｙｓｈ逦於严邋ｏｇｕｌ邋Ｉｓｓｙｋ－ｋｕｌ逦Ｘ逦＾逡逑ｒ邋＾逡逑＾逦逦Ａｙａｋｌｃｕｍ逦＊■气象站点逡逑ｆ＿逦一Ｊ逦W灥邋々逡逑０逦２５０逦５００逦１０００，逡逑■■■■■■■＝＝■■■■■■■■■■■■■■邋ｋｍ逡逑５０ｒＥ逦６０ｃ邋Ｅ逦７０°邋Ｅ逦８０°邋Ｅ逦ＷＥ逦１００°邋Ｅ逡逑图２－２中亚地区气象站点逡逑Ｆｉｇ．邋２－２邋Ｔｈｅ邋ｗｅａｔｈｅｒ邋ｓｔａｔｉｏｎｓ邋ｉｎ邋Ｃｅｎｔｒａｌ邋Ａｓｉａ逡逑为了满足科研和长时间序列气候变化监测的需要，美国国家环境预报中心逡逑（Ｎａｔｉｏｎａｌ邋Ｃｅｎｔｅｒｓ邋ｆｏｒ邋Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ邋Ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ，ＮＣＥＰ）和国家大气研宄中心逡逑（Ｎａｔｉｏｎａｌ邋Ｃｅｎｔｅｒ邋ｆｏｒ邋Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ邋Ｒｅｓｅａｒｃｈ，ＮＣＡＲ邋）联合发起的再分析逡逑（Ｒｅａｎａｌｙｓｉｓ）计划
湖泊水位是指湖泊自由水面高出固定基准面以上的高程。利用卫星测高测量逡逑湖泊水位的方法和测量海平面高度的原理是一样的。星载的微波雷达测高仪，并逡逑非成像装置，而是一种指向星下的主动式雷达。根据卫星测高基本原理（图３－１，逡逑公式（３－１））邋［２１５］：卫星传感器（雷达高度计）首先利用一定频率的微波脉冲信逡逑号测量出卫星轨道高度（Ａｌｔｉｔｕｄｅ），即卫星高度计相对于参考椭球面的高度，然逡逑后利用卫星轨道高度减去卫星距地面的距离（Ｒａｎｇｅ），最终经过计算得到基于参逡逑考椭球面的地表高程（Ｈｅｉｇｈｔ）。由于卫星高度计在运行和工作的过程中会受到逡逑许多客观因素的影响，造成了获取的原始测高数据不可避免的存在一些误差，这逡逑些误差改正主要包括卫星质心改正、海况改正、干对流层改正、湿对流层改正、逡逑电离层改正、固体潮改正、极潮改正等，这些数据记录都可以从ＧＤＲ数据文件逡逑中获取［６３，２１＆２１８］。因此，为了得到精确的测量结果，必须要对原始观测数据进行逡逑相应的分析与误差改正。只有去除了这些误差之后得到的距离才具有实际意义，逡逑最终得到可用的高精度卫星测高数据。逡逑Ｈｅｉｇｈｔ＝Ａｌｔｉｔｕｄｅ－Ｒａｎｇｅ逡逑卫星轨道高度逦卫星距地面距离逡逑Ａｌｔｉｔｕｄｅ逦Ｒａｎｇｅ逡逑地球表面逡逑大地水准面邋Ｇｅｏｉｄ逦＂Ｉ：－＂－－；＇；，逡逑”＂T汲碳矍邪珏义贤迹常蔽佬遣飧咴礤义希疲椋纾澹常卞澹裕瑁邋澹穑颍椋
本文编号：2798545
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：P343.3
【图文】：
拉雅山的区域｜１７１］。本文研宄区域主耍包括中国新疆、中亚五Ｗ邋（哈萨克斯圯、逡逑乌兹别克斯坦、吉尔吉斯共和国、塔吉克斯坦和土库曼斯坦）、蒙Ａ和俄罗斯部逡逑分地区（图２－１）。总面积约为４００．４９万平方公里，东西长约３０００ｋｍ，南北宽约逡逑２４００ｋｍ，位于４６°２９＇－８７°ｌＫＥ，３５°０７＇－５５°２６＇Ｎ之间。中亚五国的东部以西天山逡逑的南脉为界，南部以科毕答山脉和阿姆河的中游及其上源喷赤河为界，北部越过逡逑哈萨克草原，深入到西西伯利亚南缘的额尔齐斯河流域，西界是里海的东岸逡逑从总体上看，中亚五国的地势东南高耸，西北低下，其中塔吉克斯坦境内的帕米逡逑尔高原海拔４０００－７０００ｍ，是中亚地区制高点。在哈萨克斯坦西部里海附近的卡逡逑拉吉耶洼地是低于海平面１３２ｍ的最低点。帕米尔高原与分布在吉尔吉斯斯坦和逡逑哈萨克斯坦东部的天山山脉相连接，犹如一条高大而又十分宽厚的“山墙”，绵延逡逑在中亚五国的东部边缘［１（）］。逡逑１７逡逑
气象数据［２ｎ］。其中中亚地区有３９４个站点，但是由于数据缺失严重，导致可用逡逑的站点数量不多，最终选择５５个气象站的气温和降水数据进行计算，用来分析逡逑中亚地区各湖泊水量变化与气候变化之间的关系（图２－２）。逡逑５０°邋Ｅ逦６０°邋Ｅ逦７０＾邋Ｅ逦８０°邋Ｅ逦９０°邋Ｅ逦１００°邋Ｅ逡逑ｆ－逦Ｘ，逦Ｎ逦－ｆ逡逑Ｒ逦Ａ邋Ｒ逡逑Ｖ－ｖ逦Ｂａｌｋｈａｓｈ邋ｓ．ｓｖｋｋｏｌ逦ｕ，ｕｎＷ？ｒ邋Ｈａｒ＾＼Ｈａｒ逡逑ｌ－邋４＂邋，管一逦—邋－Ｉ逡逑么逦＾ｌ－ｓｏｕｉｈ逦Ｋａｐｃｈａ（￡ａｙ逦Ｓａｉ邋Ｉｆ邋ｍｕ逡逑▲逦Ｃｈａｉｄａｒｙａ逦．逦＇＂邋＊－ｕｒ逦Ｂｏｓｔｃｎ逦ｆ一逦、逡逑ｚ逦Ｓａｋｓ＾ａｍｙｓｈ逦於严邋ｏｇｕｌ邋Ｉｓｓｙｋ－ｋｕｌ逦Ｘ逦＾逡逑ｒ邋＾逡逑＾逦逦Ａｙａｋｌｃｕｍ逦＊■气象站点逡逑ｆ＿逦一Ｊ逦W灥邋々逡逑０逦２５０逦５００逦１０００，逡逑■■■■■■■＝＝■■■■■■■■■■■■■■邋ｋｍ逡逑５０ｒＥ逦６０ｃ邋Ｅ逦７０°邋Ｅ逦８０°邋Ｅ逦ＷＥ逦１００°邋Ｅ逡逑图２－２中亚地区气象站点逡逑Ｆｉｇ．邋２－２邋Ｔｈｅ邋ｗｅａｔｈｅｒ邋ｓｔａｔｉｏｎｓ邋ｉｎ邋Ｃｅｎｔｒａｌ邋Ａｓｉａ逡逑为了满足科研和长时间序列气候变化监测的需要，美国国家环境预报中心逡逑（Ｎａｔｉｏｎａｌ邋Ｃｅｎｔｅｒｓ邋ｆｏｒ邋Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ邋Ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ，ＮＣＥＰ）和国家大气研宄中心逡逑（Ｎａｔｉｏｎａｌ邋Ｃｅｎｔｅｒ邋ｆｏｒ邋Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ邋Ｒｅｓｅａｒｃｈ，ＮＣＡＲ邋）联合发起的再分析逡逑（Ｒｅａｎａｌｙｓｉｓ）计划
湖泊水位是指湖泊自由水面高出固定基准面以上的高程。利用卫星测高测量逡逑湖泊水位的方法和测量海平面高度的原理是一样的。星载的微波雷达测高仪，并逡逑非成像装置，而是一种指向星下的主动式雷达。根据卫星测高基本原理（图３－１，逡逑公式（３－１））邋［２１５］：卫星传感器（雷达高度计）首先利用一定频率的微波脉冲信逡逑号测量出卫星轨道高度（Ａｌｔｉｔｕｄｅ），即卫星高度计相对于参考椭球面的高度，然逡逑后利用卫星轨道高度减去卫星距地面的距离（Ｒａｎｇｅ），最终经过计算得到基于参逡逑考椭球面的地表高程（Ｈｅｉｇｈｔ）。由于卫星高度计在运行和工作的过程中会受到逡逑许多客观因素的影响，造成了获取的原始测高数据不可避免的存在一些误差，这逡逑些误差改正主要包括卫星质心改正、海况改正、干对流层改正、湿对流层改正、逡逑电离层改正、固体潮改正、极潮改正等，这些数据记录都可以从ＧＤＲ数据文件逡逑中获取［６３，２１＆２１８］。因此，为了得到精确的测量结果，必须要对原始观测数据进行逡逑相应的分析与误差改正。只有去除了这些误差之后得到的距离才具有实际意义，逡逑最终得到可用的高精度卫星测高数据。逡逑Ｈｅｉｇｈｔ＝Ａｌｔｉｔｕｄｅ－Ｒａｎｇｅ逡逑卫星轨道高度逦卫星距地面距离逡逑Ａｌｔｉｔｕｄｅ逦Ｒａｎｇｅ逡逑地球表面逡逑大地水准面邋Ｇｅｏｉｄ逦＂Ｉ：－＂－－；＇；，逡逑”＂T汲碳矍邪珏义贤迹常蔽佬遣飧咴礤义希疲椋纾澹常卞澹裕瑁邋澹穑颍椋
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