青藏高原北部冰川表面温度的遥感反演及其近30年变化研究

The land surface temperature (LST) on glacier is a sensitive indicator of climate change, which determines the thermal distribution and the ablation condition on glacier surface. In the context of global warming, due to the scarcity of sufficient in situ observations and the limitations of temporal and spatial resolution of remote sensing data, it remains unclear on the variation trends in LST on the mountain glaciers of the Qinghai-Tibetan Plateau. By employing the Landsat (5, 7, and 8), Terra/Aqua, NOAA (N09-N19) dataset, the present project focuses on four glaciers of northern Qinghai-Tibetan Plateau (from west to east: the Guliya, the Puruogangri, the Dunde and the Qiyi Glacier), which aims to establish an LST retrieving method that is applicable to mountain glaciers. Through integrating and normalizing the LST retrieval results with different temporal and spatial resolutions, an LST dataset of glaciers on northern Qinghai-Tibetan Plateau can be obtained, from which we can analyze the temporal and spatial variations in the LST on glaciers over the past 30 years and their indications of climate change over areas with higher altitude, thereby providing scientific support to the ablation trends on glaciers of northern Qinghai-Tibetan Plateau and to climate change research on glacial area of Qinghai-Tibetan Plateau.

冰川表面温度是气候变化灵敏的指示器，同时也是冰川表面热力分布和消融状态的决定因素。在全球变暖背景下，由于缺乏实地观测资料以及遥感资料时空分辨率的限制，目前青藏高原冰川表面温度的变化趋势仍不清楚。本研究选取青藏高原北部自西向东分布的古里雅、普若岗日、敦德和七一冰川为研究对象，综合利用Landsat (5、7和8)、Terra/Aqua和NOAA(N09-N19)卫星遥感数据，建立适用于山地冰川表面温度的遥感反演方法。通过集成和归一化处理不同时空分辨率的冰川表面温度反演结果，建立青藏高原北部30a时间序列的冰川表面温度数据集，并分析冰川表面温度30a来的时空变化及其对高海拔山区气候变化的指征意义。本研究的相关结果不仅可为了解青藏高原北部冰川的消融变化趋势提供数据支持，而且能为青藏高原冰川区气候变化研究提供参考。

山地冰川表面温度是定量化其对全球变暖响应程度的直接指标。通过本项目的实施，首次将周边地形热辐射分量加入目前Landsat冰川表面温度遥感反演算法，使消融季冰川地表温度反演不确定性减小了0.28K。受青藏高原强烈对流云存在的影响，基于热红外遥感数据在获取冰川表面温度长时间序列数据集时存在缺失数据，本研究基于过境时刻固定的MODIS数据，分析了日尺度数据计算月尺度数据时的误差，确定了月平均温度所需晴空天数≥6天的阈值。在利用NOAA系列卫星数据建立长时间序列冰面温度数据集时，考虑了起伏冰川地表发射率的出射角影响，并以七一冰川的实地冰面温度观测为基础，建立了恢复该日最大地表温度的归一化方程，进而解决了NOAA系列卫星过境时刻的偏移问题，最终建立了1981-2019年长时间序列的普若岗日、古里雅和敦德冰帽的冰面温度数据集。基于该数据集的趋势分析结果表明：在1981-2019年间，敦德冰帽对近年来的全球变暖最为敏感，其次为普若岗日冰原，受影响最小的为古里雅冰帽。三个研究区在夏季均存在较为显著的升温；古里雅冰帽秋末和冬季存在较为明显的降温趋势，普若岗日冰原仅在秋末存在轻微的降低趋势，而敦德冰帽秋末和冬季都没有明显的变化趋势；三者在春季只有敦德冰帽存在明显升温趋势，意味着消融季的提前；而三者在秋初都没有升温趋势，意味着消融季都没有延后。尽管本研究中冰面温度升温速率（十年尺度上升约1℃）要比全球近地表气温的升温速率（百年尺度上升约1℃）大一个量级，但考虑到遥感数据精度和缺失值带来的高估影响，其在升温速率绝对值上可能存在不确定性，但变化趋势的方向性仍较为可信。全球变暖背景下敦德冰帽的冰面温度变化最为剧烈，尤其是春季和夏季冰面温度的显著升高预示着消融季的提前和消融加剧，在其冰川水资源影响流域内，由冰面温度升高引起的冰川水储量变化及其水资源影响需要进行重点关注。