集成遥感数据的冰川消融模型研究

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近年来由全球气候变暖导致的冰川消融加剧已经引起了全世界的关注,研究结果表明,除帕米尔高原地区的冰川基本保持稳定之外,全球其他区域的绝大多数山地冰川都有着加速退缩的趋势。冰川的加速消融和退缩不仅导致了海平面上升、冰川水资源储量减少等资源环境问题,并且还加大了冰川灾害发生的频率和强度,由此,冰川消融量的变化及其影响已成为当今冰冻圈科学研究中重要的热点问题。然而,山地冰川往往位于遥远和难以到达的高海拔山地,受后勤补给的限制以及受其恶劣的自然环境的影响很难进行大面积和连续的观测,导致目前冰川消融的模拟研究往往局限在非常少的样本冰川上进行。尽管可以根据样本冰川的消融量来对无实测资料流域冰川进行估算进而得到大区域内的冰川消融量,但估算结果的误差难以界定。因此,如何改进目前的冰川消融模型使其具有可推广性,是正确评估流域尺度甚至更大尺度冰川消融量时空变化的关键问题。  本研究首次将遥感数据引入目前的冰川消融模型,在相对精度更高的Pellicciotti改进的温度指数模型的基础上,对反照率参数和云量参数用遥感的方法进行改进。其中,反照率的模拟不再依赖于实测的降雪数据,而是通过Landsat数据获得;云量因子不再依赖于不确定性较大的气温日较差资料,而是通过MOD06云量数据模拟得到。研究结果表明,遥感数据驱动的模型精度稍低于基于降水事件和气温日较差驱动的Pellicciotti模型模型(R2分别为0.914和0.933),但精度仍高于Hock改进的温度指数模型和前人提出的分布式能量-物质平衡模型。相对于基于降水事件和气温日较差驱动的Pellicciotti模型,遥感数据驱动的Pellicciotti模型输入仅仅需要气温数据(遥感数据可以大范围内获取),而不再需要其他观测,在兼顾精度和适用性,该模型在三者中最具备向无资料流域推广的潜力。基于本文的研究结果,主要得出以下几点结论:  (1)七一冰川表面消融的能量来源构成  净短波辐射通量是冰川表面最主要的能量来源,占总能量来源的89.52%;其次是感热通量,占冰川表面能量来源的10.35%;降雨带来的感热仅占0.13%,可以忽略不计。在能量消耗项方面,冰川消融是最重要的能量消耗项,其消耗的能量占总能量的41.88%;其次是净长波辐射和冰川表面下的热传输通量,分别占28.17%和20.63%;最小的是冰川表面蒸发或者升华消耗的热量,为9.33%。  (2)遥感数据驱动的Pellicciotti改进的冰川消融模型的分布式模拟及误差本文利用气象站单点参数最优化得到的遥感数据驱动的Pellicciotti改进的冰川消融模型的参数,对七一冰川存在花杆观测的其余象元(共19个)进行分布式模拟,并利用花杆观测的物质平衡数据进行验证。研究结果表明,在整个研究时段,大多数花杆点的模拟误差不超过0.12 m;通过对比每5天的花杆观测的物质平衡资料,遥感数据驱动的Pellicciotti改进的温度指数模型略优于已有的分布式能量-物质平衡模型的模拟结果。  (3)遥感数据驱动的Pellicciotti改进的冰川消融模型应用于无实测资料流域的限制因素  通过不同流域冰川消融能量的来源比较,以及不同冰川得到的Pellicciotti改进的冰川消融模型的温度因子和辐射因子参数的比较,本研究认识到该模型在向无实测资料流域应用时,须首先了解不同区域冰川表面消融的能量来源(太阳入射净辐射能量和感热通量)的比例和蒸发(升华)作用在消融量中所占的比例问题。根据冰川表面消融的能量来源比例和蒸发(升华)作用在消融量中所占的比例对冰川进行分区,是将遥感数据驱动的Pellicciotti改进的冰川消融模型应用于无实测资料流域冰川的前提。  (4)七一冰川表面温度反演  近地表气温是目前集成遥感数据的冰川消融模型需要输入的唯一气象要素,本研究提出了一种冰川表面温度反演的方法,基于Landsat卫星的热红外波段进行了七一冰川表面温度反演(30m空间分辨率),RMSE达到士1.5K。寄希望于将来在粗分辨率的近地表气温产品(≥0.25°)和高空间分辨率的冰川表面温度(30m)之间建立定量关系,最终达到在无野外实测资料流域进行冰川消融模拟的目的。
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