联合多源数据研究长江源区冰川质量变化及其对水资源影响

The glaciers mass change of the Yangtze River’s source region (YRSR) is closely related to the regional climate and environment change, which has directly an influence on water resources supply in the Yangtze River basin (YRB), even affected the security of China water resources issues. Therefore, it has an important scientific and practical meaning of safeguard water security for research on the glaciers mass change in the YRSR and its effects on the water resource, reliable and accurate quantitative assessment and prediction on the future evolution of the Yangtze River water resources quantity. This project will be deeply researched on the new detected method to derive the glaciers mass change in the YRSR and water storage change in the YRB, combined with multi-source satellite observations data (included the European Space Agency earth explorer mission SWARM, Gravity Recovery and Climate Experiment mission GRACE, SAR Interferometric Radar Altimeter CryoSat-2, Laser Altimeter ICESat, Remote Sensing Images Landsat-7, and so on), in-situ hydrological and weather stations data, revealed the rate rule of the YRSR glaciers mass change and YRB water storage change during the recent 16 years, presented the quantitative analysis results of the statistical correlation and the long-term trends between the YRSR glaciers mass change and YRB water storage change, moreover, based on the wavelet artificial neural network model (WANN), deduced and early warning on the evolution of future water reserves in the YRB, and provided new techniques and integration for setting up three-dimensional monitoring system for glaciers in YRSR and water storage change in YRB in the future.

长江源区冰川质量变化与区域环境气候变化密切相关，直接影响长江流域水资源补给问题，甚至对中国水资源安全问题产生重大影响。因此，研究长江源区冰川质量变化及其对水资源影响，以及对长江流域水资源未来演变进行准确可靠的量化评估和预测，具有重要的科学意义和维护水资源安全的现实意义。本项目拟深入研究长江源区冰川质量变化及长江流域水储量变化的探测新方法，联合多源卫星观测数据（地球探测任务SWARM、重力探测卫星GRACE、合成孔径干涉雷达测高卫星CryoSat-2、激光测高卫星ICESat及遥感影像Landsat 7等），地面水文和气候观测站数据，揭示长江源区近16年冰川质量变化及长江流域水储量变化规律，给出其间统计相关性和中长期变化趋势的量化分析结果，并基于小波人工神经网络模型，对该地区未来水储量的演变作出推断和预警，为今后建立长江源区冰川及长江流域水储量变化立体监测系统提供有效的新技术集成。

本项目联合多源卫星观测数据，研究了长江源区冰川融化和长江流域的水储量变化，确定了长江源近16年冰川消融以及长江流域水储量年变化速率，给出了其间统计相关性和中长期变化趋势的量化分析结果，可为今后建立青藏高原地区冰川和长江流域水储量变化立体监测系统提供有效的技术手段和集成。本课题主要研究成果包括以下四个方面：1）为了提高GRACE确定流域水储量变化的精度，且针对现有信号恢复及信号泄漏误差改正，依赖于水文模型，存在很大的不确定性，本项目推导出完全不依赖于任何先验信息的信号恢复和信号泄漏改正的方法，并提出多核拉格朗日乘数法，确定长江流域及其主要支流水储量变化。结果表明，基于多核拉格朗日乘数法确定的长江流域水储量变化，相比于其它方法，可有效的减小卫星测量误差和信号泄漏误差，提高信噪比，且精度最高（RMSE：1.9cm），是一种有效的监测流域水储量变化方法。2）提出了联合遥感影像数据、CryoSat-2/ICESat与SRTM数据，监测长江源区冰川质量变化的方法，结果表明：该地区2003-2016年的冰川消融速率为−0.025± 0.013 m·yr−1，表明该地区冰川呈现消融的状态，进一步，其消融的原因为：温度升高导致了各拉丹东冰川消融减少，进而使得其周边河流的径流增加；3）研究了青藏高原东部和长江源区冰川消融对长江流域水储量的贡献，结果表明，长江源区冰川呈现快速消融，长江流域水储量呈现增加的趋势，两者表现出中度负相关性；整个青藏高原东部冰川消融对长江流域水储量的贡献接近20%，其中唐古拉山为15.35%；利用水文观测站获取的标准化融化因子-NMI接近0.25；长江上游（金沙江）屏山水文站和长江流域大通水文站降水变化基本吻合，其中2003~2010年间均有缓慢增加的趋势；4）利用小波神经网络，可将河流径流从基于GRACE确定的总的陆地水储量变化（GRACE-TWSA）中，有效准确的分离，且加入GRACE-TWSA进行预测时，可有效提高径流预测精度；提出长江流域河流表现为季节特性，其水储量变化主要来源于降水，其次为青藏高原冰雪融水的贡献。