基于时序InSAR技术的青藏高原冻土形变时空特征及影响因素研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 赵艳慧 |
| 答辩日期 | 2024-06 |
| 文献子类 | 学术型学位 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 中国科学院地理科学与资源研究所 |
| 导师 | 汤秋鸿 |
| 关键词 | 青藏高原 多年冻土 MT-InSAR 形变 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 自然地理学 |
| 英文摘要 | 在全球变暖的大背景下，青藏高原作为地球上面积最大、海拔最高的低纬 度多年冻土分布区，其广泛分布的多年冻土出现了面积减小、下限升高以及活 动层厚度增加等退化现象。多年冻土的退化在局部可引起地表形变，进而导致 热融滑塌等地质灾害、青藏铁路等工程设施失稳等一系列问题，不仅危害人类 生命和财产安全，还会影响青藏高原生态环境的稳定。对青藏高原的冻土进行 大范围、高精度的形变监测，对深入理解气候变暖背景下冻土的退化特征具有 重要意义。但目前对青藏高原大范围冻土形变特征及其与环境因子之间的关系 的认识仍不充分。 因此，本文借助时序合成孔径雷达干涉测量（Multi-temporal Interferometric Synthetic Aperture Radar，MT-InSAR，简称时序 InSAR）技术对青藏高原的冻 土形变进行监测，分别分析了季节形变和形变速率的时空特征，探索了冻土形 变与影响因素之间的关系。具体来说，本文的研究内容和主要结论如下： （1）借助时序 InSAR 技术，对青藏高原的冻土形变进行监测，揭示了青 藏高原冻土季节形变及其幅度、形变速率的空间差异。本文对青藏高原内流区 2017 年至 2021 年的冻土形变进行监测，采用数据驱动的方法，分别对青藏高 原冻土的形变速率和季节形变的时空特征进行分析，得出的主要结论如下：① 相较于季节冻土区，多年冻土区的形变速率波动范围更大；②季节形变特征在 空间分布上呈现簇状，相较于季节冻土区，多年冻土区的季节形变更为明显； ③多年冻土的季节形变通常在每年的 3 至 4 月份达到抬升的最大值，在每年的 10 至 11 月份会达到沉降的最大值；④关于季节形变幅度，多年冻土与季节冻 土交界处的季节变形幅度出现增大的现象，但增大的速率略有不同；在中部稳 定的多年冻土区，季节形变幅度则几乎保持不变，在季节冻土覆盖较多的区域， 没有监测到典型的季节形变。 （2）借助多源环境因子数据和可解释的机器学习方法，建立冻土形变速率 与环境因子之间的关系模型，并将其应用于失相干导致的数据缺失。在影响形 变速率的地形特征、土壤特征、降水特征、地表特征和冻土特征 5 类环境因子， 本文结合在模型训练时的相对重要性排序筛选出了 7 个互相独立的环境因子： 坡向、研究时段内的最小日降雨量、高程、研究时段内的最大日归一化植被指 数（Normalized Differential Vegetation Index，NDVI）、研究时段内的最小日雪 水当量、研究时段内的 1m 处最大日土壤湿度和土壤类型，用于分析青藏高原 冻土形变速率与环境因子之间的关系。使用筛选后的环境因子与形变速率再次 训练机器学习模型，计算筛选后环境因子的相对重要性。对该相对重要性进行 排序，发现高程和植被的重要性相对较高，相对重要性分别为 0.21 和 0.22。基 于训练后的机器学习模型，利用部分依赖图的方法对形变速率与高程、植被之 间的关系进行分析。得出的主要结论如下：①关于高程与形变速率之间的关系， 超过 70%的数据表明，随着高程的增加，地表温度降低，沉降的速率会逐渐减 小，但是减小的速率有所不同；②关于植被与形变速率之间的关系：当 NDVI 较小时，地表几乎没有植被，因此其不影响形变速率的变化，当 NDVI 在 0.09 至 0.22 之间时，随着 NDVI 的增大，沉降速率会先减小后增大，当 NDVI 大于 0.22 后，植被较多，沉降速率便不再随 NDVI 的变化而变化。通过冻土形变速 率与环境因子之间的关系模型，对研究区的形变速率进行模拟，帮助填补了占 整个研究区约 40%的由失相干导致的缺失数据。 （3）借助基于过程的冻土模型，从点尺度对青藏高原多年冻土的冻融特征 进行模拟，分析了多年冻土季节形变对冻融特征变化之间的响应规律，并量化 了土壤参数不确定性对冻融特征长时序模拟的影响。本文借助基于过程的冻土 模型 Geophysical Institute Permafrost Laboratory Version 2 （GIPL2.0），从点尺度 对青藏高原多年冻土的冻融特征进行了模拟。在使用基于过程的冻土模型时， 钻孔测量的土壤温度通常用于校准模型的土壤参数。但在大范围模型模拟中， 实测数据难以获取。一种可行的替代方案是使用相对容易获取的地表温度。因 此本文设计了对比实验来量化土壤参数不确定性带来的影响，得出的主要结论 如下：①无论在冻季还是融季，季节形变达到峰值的时间总是晚于不同深度的 土壤温度达到峰值的时间，且随着深度的增加，该延迟的时间会有一定的缩短； ②季节形变与土壤温度到达峰值的时间差不同，冻季的时间差约为 2.5 个月， 融季的时间差约为 1.5 个月；③相比于土壤温度，多年冻土季节形变与冻结指 数和融化指数的年变化则较为同步，且冻结指数和融化指数变化最快的同时， 地表形变的变化速率也较快；④基于 GIPL2.0 的模拟结果，土壤参数不确定性 将导致多年冻土长期模拟结果相当大的差异，但对于季节形变对冻融过程的响 应规律影响较小。 |
| 学科主题 | 自然地理学 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 135 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/209338]  |
| 专题 | 地理科学与资源研究所_研究生部 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 赵艳慧. 基于时序InSAR技术的青藏高原冻土形变时空特征及影响因素研究[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院大学. 2024. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
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