佳文赏析 | 《Remote Sensing of Environment》：卫星显示近20年中国大型湖库透明度整体上升

前言

近几十年来，在全球变暖、中国经济高速发展和迅速城镇化的背景下，中国湖库水环境受到了来自气候变化与人类经济活动的双重压力。与此同时，尤其是2000年以来，国内各级政府和环保部门制定了一系列有关水环境污染防治和水资源保护的措施。在多方面影响下，作为环境变化敏感因子，中国大型湖库水环境在近些年发生了怎样的变化？

在国家重点研发计划、国家自然科学基金和中国博士后基金等项目共同资助下，中国科学院空天信息创新研究院张兵研究员带领的内陆水环境遥感团队联合国内外相关研究团队，面向大范围不同光学类型湖库，发展了基于水色指数和色度角的湖库透明度遥感反演算法，首次利用遥感数据对2000-2017年全国大型湖库透明度进行了长时序时空变化监测和气候人为影响因子讨论分析。相关研究成果发表在遥感领域顶级期刊Remote Sensing of Environment上，论文第一作者王胜蕾博士，通讯作者张兵研究员  (Wang, S., Li, J., Zhang, B.*, Lee, Z. et al. 2020. Changes of water clarity in large lakes and reservoirs across China observed from long-term MODIS. Remote Sensing of Environment, 247. 

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0034425720303199)。

PART ONE

背景

相比大洋清洁水体，湖库水体组分独立多变、光学特性复杂，且呈破碎性分布，这为利用遥感技术监测大范围长时序湖库水质变化带来了很大困难。湖库透明度是描述湖库水质和水下光场的重要参数，对湖库初级生产力和水生生态系统具有重要影响。水体颜色是太阳光与水中物质相互作用的结果，受水体组分变化直接影响。近年来，相关研究利用卫星影像提取水体颜色参量，通过影像的水体离水反射率获得水色指数Forel-Ule Index (简称为FUI)和色度角α，研究同时发现FUI水色指数和色度角与水体营养状态和水体透明度有较好相关性，通过FUI水色指数和色度角能够指示水体透明度变化。

PART TWO

数据

• MODIS数据—以MODIS地表反射率产品MOD09数据为遥感数据源，数据下载自NASA GSFC中心。

• 湖库野外实测数据—通过湖库野外实测实验采集了来自全国5个湖区27个湖库的476个透明度点位数据，透明度范围0.1 ~13.1 m。

• 水体光学模拟数据—IOCCG(International Ocean Color Coordinated Group)发布的Hydrolight水体光学模拟数据集。

• 环境因子数据—湖库地理环境因子数据：湖库高程、湖库面积和湖库平均深度数据；流域气象和植被因子数据：气温、降水、风速和NDVI数据；人类经济活动数据：省际GDP和人口数据。

PART THREE

研究方法

  针对内陆水体光学特性复杂、随区域和季节变化差异大的特点，本研究利用水体颜色参量—FUI水色指数和色度角，与水体透明度之间的相关关系，构建了基于FUI水色指数和色度角的湖库透明度反演算法。其中，在FUI小于8的较清洁水体中，利用色度角估算水体透明度；在FUI大于等于8的较浑浊水体中，利用FUI水色指数估算水体透明度。反演算法公式如下：          

PART FOUR

主要发现

• 中国大型湖库透明度呈“西高东低”空间分布格局

从全国空间分布来看，以胡焕庸线为界，中国大型湖库透明度呈现明显的“西高东低”分布格局，即西部湖库透明度普遍偏高，东部湖库透明度普遍偏低。

• 2000-2017年中国大型湖库透明度总体上升，西部水体上升明显

从2000-2017年长时序变化来看，全国大型湖库透明度有整体上升趋势，平均上升3.3 厘米/年，胡焕庸线以西湖库平均上升4.1 厘米/年，而胡焕庸线以东湖库平均上升0.2 厘米/年。这表明，近20年来中国西部湖库经历了较为剧烈的透明度变化，湖库透明度上升趋势明显；相比西部湖库，东部湖库透明度变化较为平稳，整体有微弱上升趋势。                                               

• 全国大型湖库透明度年际变化受气候变化和人为因素共同影响

中国湖库透明度“西高东低”的空间格局主要与东西部湖库水深和海拔高度差异有关；近20年来西部湖库透明度上升明显的直接相关因素为湖库面积增大，间接相关因素为气温升高导致的青藏高原冰川冻土融化和进一步的湖库水位上升；东部湖库透明度的微弱上升与湖库水环境污染防治和水资源保护措施有关，这表明近20年我国东部地区在经济发展与水环境治理保护的平衡中取得了一定成效。

转载自：水环境遥感

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原文标题：海陆地形数据GEBCO

排版：吴炜责任编辑：李倩审编：鲁嘉颐 终审：顾伟男   田巍   梁龙武

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