利用被动微波探测青海湖湖冰物候变化特征

doi:10.7522/j.issn.1000-0240.2020.0528

冰川冻土 ›› 2021, Vol. 43 ›› Issue (1): 296-310.doi: 10.7522/j.issn.1000-0240.2020.0528

利用被动微波探测青海湖湖冰物候变化特征

汪关信¹(), 张廷军¹^,²(), 李晓东¹^,³, 何灼伦⁴, 李宇星¹

^1.兰州大学资源环境学院西部环境教育部重点实验室, 甘肃兰州 730000
^2.中国高校极地联合研究中心, 北京 100875
^3.青海省气象科学研究所, 青海西宁 810001
^4.青海省水文水资源勘测局, 青海西宁 810001

收稿日期:2019-03-26 修回日期:2019-09-20 出版日期:2021-02-28 发布日期:2021-04-06
通讯作者: 张廷军 E-mail:wanggx13@lzu.edu.cn;tjzhang@lzu.edu.cn
作者简介:汪关信，硕士研究生，主要从事湖冰遥感研究. E-mail： wanggx13@lzu.edu.cn
基金资助:
中国科学院战略性先导科技专项（A类）(XDA20100103);兰州大学中央高校基本科研业务费专项项目(lzujbky-2017-it95)

Detecting changes of ice phenology using satellite passive microwave remote sensing data in Qinghai Lake

Guanxin WANG¹(), Tingjun ZHANG¹^,²(), Xiaodong LI¹^,³, Zhuolun HE⁴, Yuxing LI¹

^1.College of Earth and Environmental Sciences, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China
^2.University Corporation for Polar Research, Beijing 100875, China
^3.Institute of Qinghai Meteorological Science Research, Xining 810001, China
^4.Hydrology and Water Resources Survey in Qinghai Province, Xining 810001, China

Received:2019-03-26 Revised:2019-09-20 Online:2021-02-28 Published:2021-04-06
Contact: Tingjun ZHANG E-mail:wanggx13@lzu.edu.cn;tjzhang@lzu.edu.cn

摘要/Abstract

摘要：

湖冰物候是气候变化的敏感因子，不仅能反映区域气候变化特征，还可以反映区域气候与湖泊相互作用。利用长时间序列（1978—2018年）被动微波遥感18 GHz和19 GHz亮度温度数据、MODIS数据（2000—2018年）、实测湖冰厚度数据（1983—2018年）和气温、风速、降水（雪）数据（1961—2018年），分析青海湖湖冰变化特征及其对气候变化的响应。结果表明：青海湖流域呈现显著的变暖趋势（1961—2018年），气温上升2.85 ℃，在这种气候条件下，青海湖湖冰封冻日推迟（0.23 d·a^-1），消融日呈现明显的提前趋势（0.33 d·a^-1），湖冰封冻期天数明显减少，减少速率为0.57 d·a^-1；同时，湖冰厚度以0.29 cm·a^-1的速率减薄。此外，总结归纳了青海湖冻结-融化空间特征，青海湖主要由东部海晏湾地区开始冻结，从西部黑马河等地区开始消融，冻结和消融过程存在空间差异。通过分析湖冰冻融特征和气候因子关系发现，青海湖流域冬季气温是影响青海湖湖冰物候变化的主要因素，同时风速和降水（雪）也是影响湖冰发育和消融的重要因素。

关键词: 青海湖, 湖冰物候, 湖冰厚度, 气候变化

Abstract:

Lake ice phenology is a sensitive factor of climate change，reflecting not only characteristics of regional climate change，but also interaction between regional climate and lake. In this study，long-term time series （1978—2017） of satellite passive microwave remote sensing data，MODIS data and ground-based measured lake ice data （1983—2017），air temperature precipitation/snowfall data （1961—2016） were used to analyze the phenology changes of Qinghai Lake ice and its climate control. Results showed that Qinghai Lake basin showed a significant warming trend （1961—2018） and temperature rises by 2.85 ℃. Under this climatic condition，Qinghai Lake ice on day was delayed （0.23 d·a^-1），and initial melt day illustrated an obvious advanced trend （0.33 d·a^-1），ice cover duration demonstrated significantly reduced trend，and reduction rate was 0.57 d·a^-1. Meanwhile，lake ice thickness was reduced at a rate of 0.29 cm·a^-1. In addition，the characteristics of freeze-thaw space of Qinghai Lake were summarized，Qinghai Lake was mainly frozen by eastern Haiyanwan area，ablation began from the western Heimahe area. There are spatial differences in freezing and ablation processes. By analyzing the relationship between freezing and thawing time characteristics of lake ice and climatic factors，winter temperature in Qinghai Lake Basin is the main factor affecting ice phenology. At the same time，wind speed and precipitation （snow） are also important factors affecting the formation and ablation of lake ice.

Key words: Qinghai Lake, ice phenology, ice thickness, climate change

中图分类号:

P467

汪关信, 张廷军, 李晓东, 何灼伦, 李宇星. 利用被动微波探测青海湖湖冰物候变化特征[J]. 冰川冻土, 2021, 43(1): 296-310.

Guanxin WANG, Tingjun ZHANG, Xiaodong LI, Zhuolun HE, Yuxing LI. Detecting changes of ice phenology using satellite passive microwave remote sensing data in Qinghai Lake[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2021, 43(1): 296-310.

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参考文献 52

1	Wetzel R G. Lake and river ecosystems［J］. Nature，2001，21（4）：1-9.
2	Magnuson J J， Benson B J， Kratz T K. Temporal coherence in the limnology of a suite of lakes in Wisconsin，USA［J］. Freshwater Biology，1990，23（1）：145-159.
3	Brown L C， Duguay C R. The response and role of ice cover in lake-climate interactions［J］. Progress in Physical Geography：Earth and Environment，2010，34（5）：671-704.
4	Kaleschke L， Tian-Kunze X， Maaß N，et al. Sea ice thickness retrieval from SMOS brightness temperatures during the Arctic freeze-up period［J］. Geophysical Research Letters，2012，39（5）：5501. DOI：10.1029/2012gl050916 .
5	Kang K K， Duguay C R， Lemmetyinen J，et al. Estimation of ice thickness on large northern lakes from AMSR-E brightness temperature measurements［J］. Remote Sensing of Environment，2014，150：1-19.
6	Wynne R H， Lillesand T M. Satellite observation of lake ice as a climate indicator - Initial results from statewide monitoring in Wisconsin［J］. Photogrammetric Engineering & Remote Sensing，1993，59：1023-1031.
7	Magnuson J J. Historical trends in lake and river ice cover in the Northern Hemisphere［J］. Science，2000，289（5485）：1743-1746.
8	Livingstone D M. Break-up dates of Alpine Lakes as proxy data for local and regional mean surface air temperatures［J］. Climatic Change，1997，37（2）：407-439. DOI：10.1023/A：1005371925924 .
9	Qu Bin， Kang Shichang， Chen Feng，et al. Lake ice and its effect factors in the Nam Co Basin，Tibetan Plateau［J］. Advances in Climate Change Research，2012，8（5）：327-333.
	曲斌，康世昌，陈锋，等. 2006—2011年西藏纳木错湖冰状况及其影响因素分析［J］. 气候变化研究进展，2012，8（5）：327-333.
10	Gou Peng， Ye Qinghua， Wei Qiufang. Lake ice change at the Nam Co Lake on the Tibetan Plateau during 2000—2013 and influencing factors ［J］. Progress in Geography，2015，34（10）：1241-1249.
	勾鹏，叶庆华，魏秋方. 2000—2013年西藏纳木错湖冰变化及其影响因素［J］. 地理科学进展，2015，34（10）：1241-1249.
11	Chen Xianzhang， Wang Guangyu， Li Wenjun，et al. Lake ice and its remote sensing monitoring in the Tibetan Plateau［J］. Journal of Glaciology and Geocryology，1995，17（3）：241-246.
	陈贤章，王光宇，李文君，等. 青藏高原湖冰及其遥感监测［J］. 冰川冻土，1995，17（3）：241-246.
12	Che Tao， Li Xin， Jin Rui. Monitoring the frozen duration of Qinghai Lake using satellite passive microwave remote sensing low frequency data［J］. Chinese Science Bulletin，2009，54（6）：787-791.
	车涛，李新，晋锐. 利用被动微波遥感低频亮温数据监测青海湖封冻与解冻期［J］. 科学通报，2009，54（6）：787-791.
13	Takács K， Kern Z， Pásztor L. Long-term ice phenology records from eastern-central Europe［J］. Earth System Science Data，2018，10（1）：391.
14	Gou Peng， Ye Qinghua， Che Tao，et al. Lake ice phenology of Nam Co，Central Tibetan Plateau，China，derived from multiple MODIS data products［J］. Journal of Great Lakes Research，2017，43（6）：989-998.
15	Benson B J， Magnuson J J， Jensen O P，et al. Extreme events，trends，and variability in Northern Hemisphere lake-ice phenology （1855—2005）［J］. Climatic Change，2012，112（2）：299-323.
16	Du Jinyang， Kimball J S， Duguay C，et al. Satellite microwave assessment of Northern Hemisphere lake ice phenology from 2002 to 2015［J］. Cryosphere，2017，11（1）：1-26.
17	Gatto L W. Monitoring river ice with landsat images［J］. Remote Sensing of Environment，1990，32（1）：1-16.
18	Vuyovich C M， Daly S F， Gagnon J J，et al. Monitoring river ice conditions using web-based cameras［J］. Journal of Cold Regions Engineering，2009，23（1）：1-17.
19	Latifovic R， Pouliot D. Analysis of climate change impacts on lake ice phenology in Canada using the historical satellite data record［J］. Remote Sensing of Environment，2007，106（4）：492-507.
20	Nonaka T， Matsunaga T， Hoyano A. Estimating ice breakup dates on Eurasian lakes using water temperature trends and threshold surface temperatures derived from MODIS data［J］. International Journal of Remote Sensing，2007，28（10）：2163-2179.
21	Tian Guoliang， Liu Qinhuo， Chen Liangfu. Thermal Infrared remote sensing［M］. Beijing：Publishing House of Electronics Industry，2006.
	田国良，柳钦火陈良富. 热红外遥感［M］. 北京：电子工业出版社，2006.
22	Hall D K， Riggs G A， Salomonson V V，et al. MODIS snow-cover products［J］. Remote Sensing of Environment，2002，83（1/2）：181-194.
23	Wei Qiufang， Ye Qinghua. Review of lake ice monitoring by remote sensing［J］. Progress in Geography，2010，29（7）：803-810.
	魏秋方，叶庆华. 湖冰遥感监测方法综述［J］. 地理科学进展，2010，29（7）：803-810.
24	Nakamura K， Wakabayashi H， Uto S，et al. Observation of sea-ice thickness using ENVISAT data from lützow-holm bay，east Antarctica［J］. IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters，2009，6（2）：277-281.
25	Pietroniro A， Leconte R. A review of Canadian remote sensing and hydrology，1999—2003［J］. Hydrological Processes，2005，19（1）：285-301.
26	Kouraev A V， Kostianoy A G， Lebedev S A. Ice cover and sea level of the Aral Sea from satellite altimetry and radiometry （1992—2006）［J］. Journal of Marine Systems，2009，76（3）：272-286.
27	Kouraev A V， Papa F， Mognard N M，et al. Sea ice cover in the Caspian and Aral Seas from historical and satellite data［J］. Journal of Marine Systems，2004，47（1/2/3/4）：89-100.
28	Ye Qinghua， Wei Qiufang， Hochschild V，et al. Integrated observations of lake ice at nam Co on the Tibetan Plateau from 2001 to 2009［C］//2011 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium，July 24—29，2011. ［Vancouver，BC，Canada. IEEE，2011.］
29	Tao Anqi. Research on the variation of namco lake ice by passive microwave remote sensing［D］. Nanjing：Nanjing University，2014.
	陶安琪. 被动微波遥感纳木错湖冰变化研究［D］. 南京：南京大学，2014.
30	Ke Changqing， Tao Anqi， Jin Xin. Variability in the ice phenology of Nam Co Lake in central Tibet from scanning multichannel microwave radiometer and special sensor microwave/imager：1978 to 2013［J］. Journal of Applied Remote Sensing，2013，7（1）：073477.
31	Xiong C， Shi J， Wang T. Snowmelt Pattern and Lake Ice Phenology around Tibetan Plateau Estimated from Enhanced Resolution Passive Microwave Data［C］//AGU Fall Meeting Abstracts. 2017.
32	Guo Linan， Wu Yanhong， Zheng Hongxing，et al. Uncertainty and variation of remotely sensed lake ice phenology across the Tibetan Plateau［J］. Remote Sensing，2018，10（10）：1534.
33	Li Xiaodong， Xiao Jianshe， Li Fengxia，et al. Remote sensing monitoring of the Qinghai lake based on EOS/MODIS data in recent 10 years［J］. Journal of Natural Resources，2012，27（11）：1962-1970.
	李晓东，肖建设，李凤霞，等. 基于EOS/MODIS数据的近10 a青海湖遥感监测［J］. 自然资源学报，2012，27（11）：1962-1970.
34	Li Xiangzhong， Liu Weiguo. Water salinity and productivity recorded by ostracod assemblages and their carbon isotopes since the early Holocene at Lake Qinghai on the northeastern Qinghai-Tibet Plateau，China［J］. Palaeogeography，Palaeoclimatology，Palaeoecology，2014，407：25-33.
35	Knowles K W， Njoku E G， Armstrong R L，et al. Nimbus-7 SMMR Pathfinder daily EASE-grid brightness temperature［J］. Nature，2002.
36	Semunegus H， Berg W， Bates J J，et al. An extended and improved special sensor microwave imager （SSM/I） period of record［J］. Journal of Applied Meteorology and Climatology，2010，49（3）：424-436.
37	Townshend J R G， Justice C O. Towards operational monitoring of terrestrial systems by moderate-resolution remote sensing［J］. Remote Sensing of Environment，2002，83（1/2）：351-359.
38	Pinheiro A C T， Descloitres J， Privette J L，et al. Near-real time retrievals of land surface temperature within the MODIS Rapid Response System［J］. Remote Sensing of Environment，2007，106（3）：326-336.
39	Reed B， Budde M， Spencer P，et al. Integration of MODIS-derived metrics to assess interannual variability in snowpack，lake ice，and NDVI in southwest Alaska［J］. Remote Sensing of Environment，2009，113（7）：1443-1452.
40	Ruan Yongjian. Passive microwave remote sensing of lake ice freeze-thaw monitoring over high Asia［D］. Ganzhou：Jiangxi University of Science and Technology，2017.
	阮永俭. 被动微波高亚洲湖冰冻融监测研究［D］. 赣州：江西理工大学，2017.
41	Qin Dahe. Glossary of cryospheric science［M］. Beijing：China Meteorological Press，2016.
	秦大河. 冰冻圈科学辞典［M］. 北京：气象出版社，2016.
42	Choiński A， Ptak M， Skowron R，et al. Changes in ice phenology on Polish lakes from 1961 to 2010 related to location and morphometry［J］. Limnologica，2015，53：42-49.
43	Qi Miaomiao， Yao Xiaojun， Li Xiaofeng，et al. Spatial-temporal characteristics of ice phenology of Qinghai Lake from 2000 to 2016［J］. Acta Geographica Sinica，2018，73（5）：932-944.
	祁苗苗，姚晓军，李晓锋，等. 2000—2016年青海湖湖冰物候特征变化［J］. 地理学报，2018，73（5）：932-944.
44	Fang Xing， Stefan H G. Long-term lake water temperature and ice cover simulations/measurements［J］. Cold Regions Science and Technology，1996，24（3）：289-304.
45	Leppäranta M. Proglacial lakes［M］//Freezing of Lakes and the Evolution of their Ice Cover. Berlin，Heidelberg：Springer Berlin Heidelberg，2014：179-201.
46	Mironov D. Radiatively driven convection in ice-covered lakes：Observations，scaling，and a mixed layer model［J］. Journal of Geophysical Research Atmospheres，2002，107（C4）：3032.
47	Leppäranta M， Reinart A， Erm A，et al. Investigation of ice and water properties and under-ice light fields in fresh and brackish water bodies［J］. Hydrology Research，2003，34（3）：245-266.
48	Kropáček J， Maussion F， Chen F，et al. Analysis of ice phenology of lakes on the Tibetan Plateau from MODIS data［J］. The Cryosphere，2013，7（1）：287-301.
49	Nonaka T， Matsunaga T， Hoyano A. Estimating ice breakup dates on Eurasian lakes using water temperature trends and threshold surface temperatures derived from MODIS data［J］. International Journal of Remote Sensing，2007，28（10）：2163-2179.
50	Nonaka T， Matsunaga T， Hoyano A. Relationships between ice breakup dates of lakes and local air temperature on the Eurasian continent［J］. International Journal of Remote Sensing，2007，28（24）：5535-5550.
51	Dibike Y， Prowse T， Saloranta T，et al. Response of Northern Hemisphere lake-ice cover and lake-water thermal structure patterns to a changing climate［J］. Hydrological Processes，2011，25（19）：2942-2953.
52	Yao Xiaojun， Li Long， Zhao Jun，et al. Spatial-temporal variations of lake ice phenology in the Hoh Xil region from 2000 to 2011［J］. Journal of Geographical Sciences，2016，26（1）：70-82.

误差	封冻日	消融日	封冻期
最大绝对误差（AE）	-5 d	±2 d	+5 d
最大相对误差（AR）	-	-	+6%
平均绝对误差（MAE）	-2.5 d	±2 d	-2.8 d
平均相对误差（MRE）	-	-	+3.4%
均方根误差（RMSE）	2.8 d	1.2d	3.1 d

[1]	陈龙飞, 张万昌, 高会然. 三江源地区1980—2019年积雪时空动态特征及其对气候变化的响应[J]. 冰川冻土, 2022, 44(1): 133-146.
[2]	李艳, 金会军, 温智, 赵子龙, 金晓颖. 多年冻土区斜坡稳定性研究综述[J]. 冰川冻土, 2022, 44(1): 203-216.
[3]	刘金平, 任艳群, 张万昌, 陶辉, 易路. 雅鲁藏布江流域气候和下垫面变化对径流的影响研究[J]. 冰川冻土, 2022, 44(1): 275-287.
[4]	达伟, 王书峰, 沈永平, 陈安安, 毛炜峄, 张伟. 1957—2019年昆仑山北麓车尔臣河流域水文情势及其对气候变化的响应[J]. 冰川冻土, 2022, 44(1): 46-55.
[5]	高文德,王昱,李宗省,王文胜,杨盛梅. 高寒内流区极端降水的气候变化特征分析[J]. 冰川冻土, 2021, 43(6): 1693-1703.
[6]	唐志光,邓刚,胡国杰,王欣,蒋宗立,桑国庆. 亚洲高山区积雪物候时空动态及其对气候变化的响应[J]. 冰川冻土, 2021, 43(5): 1400-1411.
[7]	姚俊强,陈静,迪丽努尔·托列吾别克null,韩雪云,毛炜峄. 新疆气候水文变化趋势及面临问题思考[J]. 冰川冻土, 2021, 43(5): 1498-1511.
[8]	罗谨,王军邦,杨永胜,张光茹,祝景彬,贺慧丹,李英年. 1991—2015年三江源河曲高寒草甸干湿状况及牧草产量变化的气候归因研究[J]. 冰川冻土, 2021, 43(5): 1542-1550.
[9]	张齐民,闫世勇,吕明阳,张露,刘广. 高分三号山地冰川表面运动提取与分析[J]. 冰川冻土, 2021, 43(5): 1594-1605.
[10]	韩婷, 雷向杰, 李亚丽, 王毅勇. 秦岭区域性高山积雪事件变化特征分析[J]. 冰川冻土, 2021, 43(4): 1040-1048.
[11]	游庆龙,康世昌,李剑东,陈德亮,翟盘茂,吉振明. 青藏高原气候变化若干前沿科学问题[J]. 冰川冻土, 2021, 43(3): 885-901.
[12]	张玉兰, 康世昌, 史贵涛, 杜文涛. 青藏高原冰川氮记录研究进展[J]. 冰川冻土, 2021, 43(1): 135-144.
[13]	欧健滨,许刘兵,蒲焘. 1987—2016年雀儿山冰川变化及其对气候变化的响应[J]. 冰川冻土, 2021, 43(1): 36-48.
[14]	张聪,姚晓军,刘时银,张大弘,许君利. 1970—2016年阿尔金山冰川长度变化[J]. 冰川冻土, 2021, 43(1): 49-60.
[15]	孙皓,李传华,姚晓军. 基于NPP-VIIRS数据的喜马拉雅山北坡典型湖泊湖冰提取分析[J]. 冰川冻土, 2021, 43(1): 70-79.

利用被动微波探测青海湖湖冰物候变化特征

Detecting changes of ice phenology using satellite passive microwave remote sensing data in Qinghai Lake

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