文献总结 | WR：过去二十年中国大型湖库水色演变特征

文摘 2024-06-03 17:10 北京

点击上方湖泊遥感与智慧流域关注我们

研究背景

RESEARCH BACKGROUND

湖泊和水库作为内陆水体的重要组成部分，不仅为各种生物提供了多样化的水资源，还在全球碳循环和气候调节中发挥着关键作用。水色作为反映水质综合特征的重要指标之一，其监测对于理解水体变化和制定相关政策至关重要。经济快速增长和气候变化等因素给内陆水域的生态环境带来了重大挑战，尤其是中国东部湖区面临着富营养化等诸多问题。为了更好地管理和改善湖泊水质，迫切需要对全国水色进行评估和监测。遥感技术的快速发展为水色监测提供了新的机会。

研究方法

（1）开发一个适用于MODIS-500 m的高性能FUI（Fused Chlorophyll Index）反演模型，解决现有模型在水色计算上的不准确性；

（2）利用MODIS-500 m数据分析2000年至2022年中国大型湖泊的水色时空变化及其长期趋势；

（3）明确中国大型湖泊水色的季节变化和不同地区的主导水色类型；

（4）量化影响中国大型湖泊水色变化的驱动因素。

研究过程：研究过程主要分为三个部分。第一部分是FUI反演的步骤；第二部分是FUI反演模型的改进;第三部分是改进的FUI反演模型在2000 - 2022年中国大型湖泊水色中的应用（图1）。

图1 FUI反演模型改进与中国大型湖泊水色揭示的流程

研究结果

1. 改进模型的性能

图2展示了基于IOCCG数据集的三种模型的性能评估，改进后的模型相较于地物光谱反射率模型和插值模型，其平均误差和均方根误差显著降低，展示了优越的性能。

图2 基于IOCCG数据集的各个模型评估

2. 中国大型湖泊水色空间分布特征

不同地理位置的湖泊显示出不同的水色等级，从低到高依次为青藏高原、玉树高原、额济纳盆地、内蒙古高原。根据FUI值的范围，将水体颜色分为蓝色、青色、绿色和黄色四个区间。整体上，蓝色和绿色湖泊比例较高。西部湖泊以蓝色和青色为主，而东部湖泊则以绿色和黄色为主，形成了“西部蓝色、东部绿色”的空间格局。

图3 2000-2022年中国大型湖泊长期平均FUI分布(a:平均FUI空间分布；b:各湖区FUI比例统计;c:各湖区FUI的箱形图)

图4 2000-2022年各湖区几个典型湖泊的平均FUI(按地理位置排序)

3. 中国大型湖泊水色的长期演变

在NMP（东北山地平原）、QTP（青藏高原）和EP（东部平原）等湖区中，色度角（α值）普遍呈下降趋势，其中一些湖泊的变化率显著，如查干湖和大庆水库。在QTP（青藏高原）区域，蓬岩湖和洞窟湖的α值变化也尤为显著。然而，在YGP（云贵高原）和MXP（蒙新高原）区域，α值则整体呈上升趋势，其中一些湖泊的变化率甚至超过了0.200°/yr。此外，水库的α值下降率较高，其中博山水库、漳河水库、板桥水库等表现尤为突出

图5 2000 - 2022年中国大型湖泊α变化趋势(a:变化趋势的空间分布，其中正变化率表示水体颜色从蓝色到绿色再到黄色到棕色的转变，负变化率表示相反方向的变化;b:各湖区变化趋势统计，变化率大于0.1和小于0.1分别被归类为增加和减少，介于0.1和0.1之间的归类为稳定;c:各湖区变化率箱线图)

4. 全国大型湖泊水色的季节变化类型

西部湖区和东部湖区显示出不同的季节性水色变化模式，反映出了地形特征和季节性气候变化对湖泊水色的显著影响。湖泊水色季节性类型主要分为单峰型T_A和多峰型T_B两大类，T_A类别分为T_A1和T_A2，主要在6至8月达到最大值和最小值，而T_B类别分为T_B1和T_B2，呈相反的季节变化模式。西部湖区主要显示单峰型(T_A)和夏季下降型，而东部湖区则表现为夏季上升型和多峰型(T_B)。

图6 中国大型湖泊水色的季节类型(a:季节类型的空间分布)b-c:季节性总体统计和区域统计;d:季节型曲线，红黑线分别代表5-10月和1-12月)

5. 环境因素的影响分析

使用多元通用线性模型（GLM）量化了环境因素对湖泊水色变化的影响。主要驱动因素包括植被覆盖度（NDVI)、湖泊表面积(SA)和人口(POP）（表1）。西部湖泊地区主要受SA影响，而东部湖泊地区则主要受POP影响。此外，NMP、EP和MXP地区的水色变化与NDVI关联密切。气象因素在各地区也发挥了次要作用，其中降水量PRE（PRE）对EP、NMP和QTP影响较大，而地表温度（ST）对YGP和NMP影响较为显著。

表1 各湖区环境因子对水色变化的平均相对贡献

总结讨论

这项研究开发了一种改进的水色反演模型算法-Forel-Ule，解决了现有模型在水色计算精确度上的缺陷。与现有模型相比，它具有更好的性能，并在大范围的时间和空间尺度上具有强大的适用性。研究发现全国湖泊呈现出“西蓝东绿”的空间分布模式，长期的湖泊水色变化与植被指数（NDVI）、湖泊表面积（SA）和人口（POP）之间存在显著相关性。此外，在西部和东部湖区观察到相反的季节性水色类型，反映了地形特征和季节气候变化对湖泊水色变化的显著影响。该研究获得的全国大型湖泊水色结果为未来的水质监测和管理提供了重要的基础数据。

✎ 编者注

以上总结仅代表个人对论文的理解，仅供研究参考所用，不用于商业用途。若上述理解内容有误，请以论文原文为主。未经同意，禁止转载。

原文链接 ↓

https://doi.org/10.1016/j.watres.2024.121560

点击左下方 “阅读原文” 可下载论文原文。

团队介绍

湖泊遥感与智慧流域创新团队，主要围绕湖泊开展历史重构、现状观测和未来变化模拟等模型研制和应用实践工作，并在流域尺度开展大数据智慧管理平台研究，保障湖泊水质安全。团队拥有博士和硕士导师4人（段洪涛，罗菊花，刘东，谭振宇），可分别在中国科学院南京地理与湖泊研究所、西北大学以及南京信息工程大学（国科大南京学院联合培养）等招收博、硕士研究生，欢迎报考！同时，长期招收联合培养研究生，欢迎咨询！

联系人：段洪涛研究员，htduan@niglas.ac.cn。

点击下方链接直接关注我们

科学前沿丨文献总结 | Journal of Hydrology：松花江水体表层二氧化碳分压和水气交换通量遥感研究

科学前沿丨文献总结 | Nature Communications：湖泊变化的季节特征

科学前沿丨文献总结 | WR：近海区域微塑料季节性迁移变化模拟研究

科学前沿丨文献总结 | RSE：使用地球同步卫星GOES-16 ABI 影像自动提取美洲大陆水体

团队成果 | L&O高被引论文：湖泊CO2排放对全球变化的响应

团队成果 | RSE：黄河悬浮泥沙遥感研究取得进展

团队动态 | 段洪涛研究员连续4年入选全球前2％科学家榜单

团队动态丨段洪涛研究员荣获朱李月华优秀教师奖

http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzA3NTg4NDcwMQ==&mid=2247541776&idx=1&sn=17b6d8a70f0d8ac7c633d49369c4837f

湖泊遥感与智慧流域

最新文章

文献总结 | WR：太阳紫外线辐射促进全球湖泊蓝藻水华的周期性扩展

文献总结 | RSE：充分挖掘Sentinel-1在干旱地区洪水监测的应用潜力

团队成果 | 湖泊蓝藻水华天空地协同监测和多尺度模拟预测研究取得进展

团队成果 | 1980年代以来黄河干流水域时空变化遥感研究

文献总结 | Scientific Reports：黄土高原小流域典型暴雨条件下脉冲径流侵蚀事件特征

文献总结 | WR：珠江口及邻近海岸带水体夏季温室气体（CO2、CH4、N2O）的内外源汇特征

文献总结 | WR: 富营养化湖泊蓝藻水华的多变量综合风险评估及其时空特征

文献总结 | WR：水质评估中参数应该如何选择？

文献总结 | nature communications：植被增强了蜿蜒河流中的曲率驱动力

团队成果 | JAG：Sentinel-2助力黄河干支流泥沙精细化遥感监测

文献总结 | RSE：基于物理模型与机器学习方法的云下海表温度重建

文献总结 | RSE：美国湖泊监测卫星：MERIS时间序列及其叶绿素a应用

文献总结 | WR：利用分类和回归模型对伊利湖藻华进行短期预测

【团队成果】Nature Communications：中国湖泊有机碳总储量大幅增加

团队动态 | 环太湖考察调研

文献总结 | Nature Sustainability：城市河流污染导致全球温室气体排放量上升

团队成果 | Sci. Total Environ：遥感视角的区域湖泊碳排放估算不确定性与采样优化

文献总结 | RSE：间歇性地表水体动态变化遥感研究框架

文献总结 | RSE：多种语义分割模型在地表水体信息提取性能评价

文献总结 | RSE：基于中等分辨率水色传感器的湖泊反射率和叶绿素浓度反演

文献总结 | Global Change Biology：中国沿海湿地开垦和恢复对碳通量的影响研究

文献总结 | WR：美国中西部和东北部暴发季藻类指标的大规模预测

文献总结 | Nature Communications：全球河口三角洲悬浮沉积物呈现增加趋势

文献总结 | RSE：全球140万个湖泊的表面水温观测和湖冰物候估算

文献总结 | ISPRS ：用于珊瑚礁识别的高分辨率无人机RGB影像的太阳耀光校正

文献总结 | WR：过去二十年中国大型湖库水色演变特征

文献总结 | Journal of Hydrology：松花江水体表层二氧化碳分压和水气交换通量遥感研究

专家报告会 | 地理与遥感前沿论坛

团队成果 | L&O高被引论文：湖泊CO2排放对全球变化的响应

文献总结 | ISPRS：基于Landsat的 Simcoe湖水质监测深度学习方法性能研究

文献总结 | Nature Communications：湖泊变化的季节特征

文献总结 | WR：中国西南地区湖泊水文特征对表层二氧化碳和甲烷浓度的影响研究

文献总结 | WR：近海区域微塑料季节性迁移变化模拟研究

文献总结 | RSE：使用地球同步卫星GOES-16 ABI 影像自动提取美洲大陆水体

文献总结 | WR：浑浊河流细泥沙驱动硅向河口输移和沉积

文献总结 | WR：气候变化对藻华物候影响的预测

文献总结 | ISPRS：基于深度学习的浅海水域高分辨率航空影像太阳耀光的检测算法

团队成果 | RSE：黄河悬浮泥沙遥感研究取得进展

团队成果 | 我国湖泊二氧化碳从大气的源向汇转变

文献总结 | Science：卫星揭示全球湖泊蓄水量普遍下降

文献总结 | 基于机载LiDAR测深技术的浅水区水底地形绘制研究

文献总结 | RSE：基于深度学习算法的大西洋马尾藻分布及量化研究

文献总结 | WR：气候对湖泊中叶绿素a和浮游植物生物量的相对贡献分析

文献总结 | WR：浅水湖泊溶解二氧化碳和甲烷浓度对变暖的响应

文献总结 | RSE：2022年巴基斯坦洪水Sentinel-1 SAR 观测分析

文献总结 | WR：受养分输入控制的农业沟渠是温室气体排放热点

文献总结 | RSE：考虑近红外非零反射的高光谱太阳耀光校正算法

文献总结 | ES&T：美国艾荷华州湖泊有害蓝藻水华短期预测（提前一周）

文献总结 | Science：机器学习助力预测美国《清洁水法案》监管范围

段洪涛研究员荣获朱李月华优秀教师奖

分类

时事

民生

政务

教育

文化

科技

财富

体娱

健康

情感

旅行

百科

职场

楼市

企业

乐活

学术

汽车

时尚

创业

美食

幽默

美体

文摘

原创标签

时事社会财经军事教育体育科技汽车科学房产搞笑综艺明星音乐动漫游戏时尚健康旅游美食生活摄影宠物职场育儿情感小说曲艺文化历史三农文学娱乐电影视频图片新闻宗教电视剧纪录片广告创意壁纸头像心灵鸡汤星座命理教育培训艺术文化金融财经健康医疗美妆时尚餐饮美食母婴育儿社会新闻工业农业时事政治星座占卜幽默笑话独立短篇连载作品文化历史科技互联网

发布位置

广东北京山东江苏河南浙江山西福建河北上海四川陕西湖南安徽湖北内蒙古江西云南广西甘肃辽宁黑龙江贵州新疆重庆吉林天津海南青海宁夏西藏香港澳门台湾美国加拿大澳大利亚日本新加坡英国西班牙新西兰韩国泰国法国德国意大利缅甸菲律宾马来西亚越南荷兰柬埔寨俄罗斯巴西智利卢森堡芬兰瑞典比利时瑞士土耳其斐济挪威朝鲜尼日利亚阿根廷匈牙利爱尔兰印度老挝葡萄牙乌克兰印度尼西亚哈萨克斯坦塔吉克斯坦希腊南非蒙古奥地利肯尼亚加纳丹麦津巴布韦埃及坦桑尼亚捷克阿联酋安哥拉