祁连山黑河流域高精度多年冻土活动层厚度时空变化评估研究

Global warming has resulted in worldwide permafrost degradation, highlighting in an increase in active layer thickness (ALT). The active layer is the carrier and transition zone of the underlying permafrost and the external climate factors. ALT changes are not only a performance of the energy balance process of permafrost, but playing directly or indirectly influences on regional eco-hydrological process, carbon cycle, and engineering construction and stability. The environmental conditions of the alpine permafrost are complex and the local factors have significant influence, which makes the mechanism of ALT changes more complex. In spite of its complicated, regional ecological restoration, evaluation and engineering construction all need high-accuracy ALT change dataset. In the other hand, how to accurately estimate the emission of greenhouse gases in permafrost degradation process also the accurate ALT dataset. Here, permafrost regions over Heihe River Basin in Qilian Mountain are the study area. Considering the effect interactions between climate factors and local environment factors, the project will conduct the necessary field works to study the impacting factors of ALT changes, coupled with empirical physical frozen ground model and land model to establish the ALT distribution model, combining with time series InSAR method, and map the spatial ALT variations. Meanwhile, it will estimate and predict the ALT changes under different projected climate scenarios through the dynamic downscale methods. These results will provide basic basis for ecological-hydrological-economic-society integrated research.

全球气候变暖背景下多年冻土退化明显，突出表现活动层厚度加深。活动层是下伏多年冻土与外界气候要素发生联系的载体和过渡带，其厚度变化不仅是多年冻土能量平衡过程的表现，进而直接或间接影响区域生态水文过程、碳循环乃至工程建设及其稳定性。山地环境条件复杂且局地因素影响显著，使得活动层厚度变化机制更为复杂。尽管如此，区域生态评估及工程建设都需要高精度活动层厚度数据；另一方面，准确估算冻土退化过程中的温室气体排放等，都离不开高精度活动层厚度。本研究选择祁连山黑河流域，通过必要的野外调查，考虑气候和局地因子复合作用，揭示活动层厚度变化的影响因素，耦合冻土经验物理模型和陆面模型，构建研究区活动层厚度分布模型，结合时序InSAR方法，编制高精度活动层厚度空间分布图；同时考虑不同气候变化情景下，结合动力降尺度方法，评估和预测活动层厚度的时间演化规律。研究结果可以为多年冻土区生态-水文-经济-社会综合研究提供基础

全球气候变暖背景下，活动层厚度的加深是多年冻土退化最主要表现特征之一，但其变化存在强烈的空间异质性，尤其是在复杂山地环境显得更为突出。本项目以黑河上游多年冻土区作为研究区，根据长期的野外监测数据、再分析资料和遥感影像等数据，借助数理统计、探地雷达、InSAR反演模型以及机器学习等方法探究研究区活动层厚度的影响因素、活动层厚度的高分辨率空间分布以及未来不同情景下预测变化趋势。得出以下结论：（1）该研究在样方尺度上采用钎探法探究了冻胀草丘和热融洼地两种微地貌下伏活动层厚度的差异性，同时使用多元回归方法量化海拔、泥炭和坡向对活动层厚度的影响程度。（2）基于活动层厚度的影响因素，利用探地雷达法、InSAR技术和机器学习方法研究活动层厚度的空间分布情况。发现研究区野牛沟和俄博岭地区活动层厚度平均值分别约为约为2.72±0.88 m和1.32±0.29 m；基于SBAS-InSAR技术，通过时间序列分解模型获取垂向年均形变速率和季节形变幅度，分析了形变与环境因子之间的关系。比较基于温度和土壤含水量两种模型在研究区的适用性，发现基于土壤含水量的活动层结果精度更高，最后获取高精度高分辨率活动层厚度制图。（3）鉴于活动层厚度影响因素，同时采用经验统计降尺度方法，获取高分辨（1km）率高精度的气候驱动数据；再基于CMIP6数据和机器学习方法探究了历史和未来时期各情景下的活动层厚度变化，整体上看，活动层厚度的加深趋势表现为西高东低，历史时期的活动层加深速率能够达到0.74cm/10年，在SSP1-2.6, SSP2-4.5, SSP3-7.0, SSP5-8.5四个未来情景下，活动层厚度增加速率依次递增，以SSP5-8.5最为明显，达到2.55cm/10年，约为历史时期增加速率的3.45倍。综上所述，山地多年冻土区活动层厚度影响因素复杂，充分利用数理统计、InSAR和机器学习等方法综合使用可以有效获取高精度活动层厚度制图，这为以后复杂地形多年冻土活动层厚度变化研究提供一定的科学依据。