基于机载测冰雷达的青海湖湖冰厚度监测及模拟研究

As an important component of the cryosphere, lake ice not only plays a vital role in the annual balance of heat and energy budget around the lake, but also has significant ecological and economic values. Meanwhile, the timing of lake ice freeze-up and break-up events, as well as ice-cover thickness are regarded as sensitive indicators of regional climate change. Based on multi-source remote sensing images including Terra/Aqua MODIS, Landsat OLI and HJ1A/1B CCD, the ice phenology of the Qinghai Lake will be firstly extracted by using RS and GIS technology. During the freezing period, airborne ice-penetrating radar will be adopted to measure the variations and spatial-temporal distribution of ice-cover thickness of the Qinghai Lake. Then the dataset of ice-cover thickness of the Qinghai Lake will be built. Forced with air temperature, relative humidity, cloud amount, wind speed and snowfall from the automatic weather stations around the Qinghai Lake or in situ observations, the Canadian Lake Ice Model (CLIMo), a one-dimensional thermodynamic model will be used to simulate the ice thickness evolution of the Qinghai Lake, so as to reveal the physical mechanism of lake ice formation and thawing and the response of lake ice to climate change.

湖冰作为冰冻圈的重要组成部分，其时空变化不仅影响区域年内热量和能量收支平衡，而且具有重要的生态价值和经济价值，同时湖冰冻结时间、消融时间和冰厚被视作区域气候变化的良好指示器。本项目以青海湖为研究对象，基于Terra/Aqua MODIS、Landsat OLI和HJ1A/1B CCD遥感影像，利用RS和GIS技术提取该湖泊湖冰物候特征信息，并在湖泊封冻期利用无人机机载测冰雷达监测青海湖封冻期湖冰厚度变化及时空分布，建立青海湖湖冰厚度数据集。在此基础上结合热力学湖冰模型——CLIMo模型对青海湖湖冰厚度及演化进行模拟，从而揭示湖冰生消物理机制和湖冰对气候变化的响应机理。

湖冰作为冰冻圈的重要组成部分，其时空变化不仅影响区域年内热量和能量收支平衡，而且具有重要的生态价值和经济价值，同时湖冰冻结时间、消融时间和冰厚被视作区域气候变化的良好指示器。本项目旨在利用无人机机载测冰雷达监测青海湖封冻期湖冰厚度变化及时空分布，获取青海湖大范围湖冰厚度数据，并结合热力学湖冰模型明晰湖冰生消物理机制，探讨湖冰演化对气候变化的响应机理。研究内容包括青海湖湖冰物候特征遥感监测、青海湖湖冰厚度无人机监测与精度验证和青海湖湖冰厚度模拟及影响因素分析。按照研究计划，本项目顺利开展，并取得以下成果：.（1）提出的湖冰指数方法具有最高的湖冰范围监测精度。在NDSI方法基础引入红光波段构建了湖冰指数方法，通过与SBT、RDT、NDSI、MNDSI等方法比较，湖冰指数方法在提取青海湖冻结期和消融期提取的湖冰范围准确度、精度、召回率和MIoU等指标表现最优。.（2）构建了2000-2022年青海湖湖冰物候数据集。青海湖开始冻结、完全冻结、开始消融和完全消融的时间一般出现在12月中旬、翌年1月上旬、3月中下旬和3月下旬至4月上旬，其中2019-2020年青海湖开始消融和完全消融日期明显滞后。形成的2000-2022年青海湖湖冰物候特征数据集为今后开展青海湖及青藏高原湖冰物候研究奠定了数据基础。.（3）取得应用无人机机载测冰雷达开展湖冰厚度调查的经验和新认识。通过在青海湖开展多区域、多路径、多架次无人机机载测冰雷达冰厚试验和现场测量，确定了青海湖不同区域湖冰介电常数和雷达波传播速度，并积累了较丰富的机载测冰雷达进行湖冰厚度测量经验，为今后开展青藏高原湖泊冰厚观测提供了技术积累。.（4）明确了2000-2020年青海湖湖冰厚度时空变化特征。应用度日法湖冰生长模型和CLIMo模型重建了2000-2020年青海湖冰厚数据集，结果表明青海湖湖冰平均厚度在空间上存在显著差异，整体表现为北厚南薄、东厚西薄的空间格局，研究时段内青海湖多年平均冰厚在空间上分布不均，总体上介于21-39 cm之间，空间最大冰厚介于31-58 cm之间。