Nghiên cứu biến đổi mực nước hồ và độ dày băng trên cao nguyên Tây Tạng với công nghệ laser ICESat

Luận án tiến sĩ phân tích observing changes in lake level and glacial thickness on the tibetan plateau with the icesat laser, xây dựng cơ sở lý luận, kiểm chứng thực nghiệm, đóng

• Tác giả: Vu Hien Phan
• Người hướng dẫn: Prof. Massimo Menenti
• Trường học: Ho Chi Minh City University of Technology
• Chuyên ngành: Master of Engineering in Mapping, Remote Sensing and GIS
• Đề tài: Nghiên cứu biến đổi mực nước hồ và độ dày băng trên cao nguyên Tây Tạng bằng công nghệ laser ICESat
• Loại tài liệu: thesis
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Ho Chi Minh City

Mục lục chi tiết

• Preface
• Table of content
• 1. The water balance of the Tibetan Plateau
• 2. ICESat laser altimetry
• 3. Organization of this thesis
• 4. EXPLOITED REMOTE SENSING DATA
• 4.1. ICESat/GLAS data
• 4.2. GLAS data products
• 4.3. ICESat GLA14 land surface elevation data
• 4.4. Other remote sensing products
• 4.5. GLIMS / CAREERI glacier mask
• 4.6. MODIS land-water mask
• 4.7. HydroSHEDS hydrographic data
• 4.8. Landsat TM images
• 5. ASSESSING GLACIAL THICKNESS CHANGES AT THE TIBETAN PLATEAU USING ICESAT LASER ALTIMETRY
• 5.1. Estimating surface slope and roughness from SRTM DEM
• 5.2. Determining a sampled glacial area
• 5.3. Identifying a glacial elevation difference
• 5.4. Different settings with respect to slope and roughness
• 5.5. Obtaining mean glacial elevation differences
• 5.6. Estimating a temporal glacial thickness change trend
• 5.7. Overall glacial thickness changes: Tibetan Plateau and its basins
• 5.8. Impact of orientation on glacial thickness change
• 5.9. Exploring terrain surface criteria
• 5.10. State of the GLIMS glacier mask
• 5.11. Glacial thickness changes for sub-regions
• 5.12. Representativeness of an observed glacial area
• 6. ESTIMATING ANNUAL LAKE LEVEL TRENDS ON THE TIBETAN PLATEAU
• 6.1. Annual lake level trends all over the Tibetan Plateau
• 6.2. Case studies: comparing GLAS results to LEGOS data
• 6.3. Disadvantages of the supporting image data: the 250 m MODIS land-water mask and Landsat data
• 6.4. Anomalies in the candidate ICESat lake elevations
• 6.5. Determining the threshold value in the RANSAC algorithm
• 6.6. Link to physical processes
• 7. ASSESSING SEASONAL LAKE LEVEL VARIATIONS USING ICESAT LASER ALTIMETRY
• 7.1. Estimating lake level trends per season
• 7.2. Obtaining seasonal lake level variations
• 7.3. Annual trends based on lake levels from fixed seasons
• 7.4. Lake level changes during the monsoon and the dry season
• 8. IDENTIFYING GEOMETRIC LINKS BETWEEN GLACIERS AND LAKES ON THE TIBETAN PLATEAU
• 8.1. Determining the catchment of a Tibetan lake
• 8.2. Identifying connections between glaciers and lakes
• 8.3. Calculating the area of a lake catchment
• 8.4. Computing the total area of glaciers draining into a lake
• 8.5. Defining the geometric dependency of a lake on glacial runoff
• 8.6. Lakes with glacial runoff at the Tibetan Plateau
• 8.7. The hydrological interpretation of geometric dependency on glacial runoff
• 8.8. Details on computing the geometric dependency of lakes on glacial runoff
• Table A: Rates of glacial thickness changes on the Tibetan Plateau between 2003 and 2009
• Table B1: Rates of individual lake level changes between 2003 and 2009 on the Tibetan Plateau
• Table B2: The list of additional Tibetan observed lakes when the threshold value increases
• Table C: Lakes dominated by glaciers on the Tibetan Plateau
• Abbreviations
• Summary
• Samenvatting

Tóm tắt

I. Giới thiệu

Nghiên cứu biến đổi mực nước hồ và độ dày băng trên cao nguyên Tây Tạng sử dụng công nghệ laser ICESat là một chủ đề quan trọng trong bối cảnh biến đổi khí hậu hiện nay. Cao nguyên Tây Tạng không chỉ là khu vực có độ cao lớn nhất thế giới mà còn là nguồn cung cấp nước chính cho nhiều con sông lớn ở châu Á. Việc theo dõi mực nước hồ và độ dày băng giúp hiểu rõ hơn về các quá trình thủy văn và tác động của biến đổi khí hậu đến tài nguyên nước. Nghiên cứu này sử dụng công nghệ laser ICESat để thu thập dữ liệu chính xác về độ dày băng và mực nước hồ, từ đó đánh giá sự biến đổi của chúng trong thời gian qua.

II. Công nghệ ICESat và dữ liệu thu thập

Công nghệ laser ICESat được sử dụng để đo độ cao bề mặt đất và băng. Dữ liệu từ ICESat/GLAS cung cấp độ chính xác cao về độ cao bề mặt, cho phép xác định sự thay đổi của độ dày băng và mực nước hồ. Dữ liệu này có thể được kết hợp với các sản phẩm từ MODIS và GLIMS để phân tích sự biến đổi của các hồ và băng trên cao nguyên Tây Tạng. Việc sử dụng công nghệ này giúp giảm thiểu sai số trong quá trình đo đạc và cung cấp thông tin chi tiết về các biến đổi môi trường. Nghiên cứu môi trường thông qua công nghệ này không chỉ giúp theo dõi tình trạng hiện tại mà còn dự đoán các xu hướng trong tương lai.

III. Biến đổi mực nước hồ

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng mực nước hồ trên cao nguyên Tây Tạng có sự biến đổi đáng kể trong giai đoạn từ 2003 đến 2009. Sử dụng dữ liệu từ ICESat, các nhà nghiên cứu đã xác định được xu hướng giảm mực nước ở nhiều hồ, đặc biệt là ở khu vực phía nam. Điều này có thể liên quan đến sự tan chảy của băng và sự thay đổi trong lượng mưa. Việc phân tích biến đổi mực nước hồ không chỉ giúp hiểu rõ hơn về tình trạng nước trong khu vực mà còn có thể dự đoán tác động của biến đổi khí hậu đến nguồn nước trong tương lai. Các hồ có xu hướng giảm mực nước có thể ảnh hưởng đến hệ sinh thái và sinh kế của người dân địa phương.

IV. Biến đổi độ dày băng

Sử dụng dữ liệu từ ICESat, nghiên cứu đã xác định được sự thay đổi trong độ dày băng trên cao nguyên Tây Tạng. Kết quả cho thấy hầu hết các khu vực băng đều có xu hướng giảm độ dày, ngoại trừ một số băng ở phía bắc. Sự thay đổi này có thể ảnh hưởng đến nguồn nước cung cấp cho các con sông lớn trong khu vực. Biến đổi độ dày băng không chỉ là một chỉ số quan trọng về tình trạng băng mà còn phản ánh các thay đổi trong khí hậu và môi trường. Việc theo dõi sự biến đổi này là cần thiết để hiểu rõ hơn về tác động của biến đổi khí hậu đến tài nguyên nước.

V. Mối liên hệ giữa mực nước hồ và độ dày băng

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng có mối liên hệ chặt chẽ giữa mực nước hồ và độ dày băng trên cao nguyên Tây Tạng. Sự giảm độ dày băng dẫn đến sự gia tăng mực nước hồ trong mùa hè, khi nước băng tan chảy. Tuy nhiên, trong bối cảnh băng tan nhanh chóng, mực nước hồ có thể giảm trong dài hạn. Việc hiểu rõ mối liên hệ này là rất quan trọng để dự đoán các thay đổi trong hệ thống thủy văn của khu vực. Nghiên cứu khoa học về mối liên hệ này có thể giúp các nhà hoạch định chính sách đưa ra các biện pháp bảo vệ tài nguyên nước và môi trường.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Cao nguyên Tây Tạng có diện tích khoảng 2,5 triệu km² với cao độ trung bình vượt trên 4.500 m, được mệnh danh là Tháp nước của châu Á khi sở hữu hơn 37.000 sông băng với tổng diện tích 56.560 km² và hàng ngàn hồ chứa nước tự nhiên. Đây là thượng nguồn khởi phát của các hệ thống sông huyết mạch như sông Mê Kông, sông Dương Tử, sông Hoàng Hà, sông Hằng và sông Brahmaputra, đóng vai trò cung cấp nguồn nước ngọt thiết yếu cho hơn 1,4 tỷ người sinh sống tại khu vực hạ lưu Đông Nam Á và Nam Á.

Trong bối cảnh biến đổi khí hậu toàn cầu diễn biến phức tạp, các khối băng tại khu vực này đang trải qua quá trình thoái thoái nghiêm trọng, làm thay đổi sâu sắc chế độ thủy văn và cân bằng trữ lượng nước. Do điều kiện địa hình hiểm trở và khí hậu khắc nghiệt, mạng lưới quan trắc khí tượng thủy văn mặt đất tại đây rất thưa thớt, gây khó khăn lớn cho việc định lượng chính xác tài nguyên nước.

Luận văn tập trung giải quyết bài toán giám sát sự thay đổi mực nước hồ và độ dày sông băng trên toàn bộ Cao nguyên Tây Tạng giai đoạn 2003–2009 thông qua việc ứng dụng công nghệ đo cao laser vệ tinh ICESat/GLAS. Mục tiêu cụ thể là xây dựng quy trình trích xuất chuỗi dữ liệu độ cao chuẩn xác, định lượng tốc độ biến thiên độ dày tại 90 khu vực sông băng, xác định xu hướng mực nước của 154 hồ lớn, đồng thời thiết lập mối liên kết hình học không gian giữa sông băng và mạng lưới hồ. Nghiên cứu mang lại ý nghĩa khoa học và thực tiễn sâu sắc, cung cấp các chỉ số đo lường định lượng đóng vai trò tham số đầu vào quan trọng cho các mô hình cân bằng nước khu vực.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng phương trình cân bằng nước lưu vực, trong đó sự biến thiên tổng trữ lượng nước phụ thuộc vào lượng mưa, dòng chảy mặt, bốc hơi và thấm ngấm. Đối với các bồn trũng nội địa khép kín, biến động mực nước mặt phản ánh trực tiếp sự thay đổi thể tích nước tĩnh của lưu vực.

Lý thuyết đo cao laser vệ tinh đóng vai trò cốt lõi, khai thác nguyên lý phát xung laser từ cảm biến GLAS trên vệ tinh ICESat ở hai bước sóng 1064 nm và 532 nm. Thời gian truyền tín hiệu hai chiều giữa vệ tinh và bề mặt phản xạ cho phép xác định cao trình với độ chính xác phương đứng đạt mức 10 cm trên địa hình bằng phẳng và độ chính xác mặt bằng khoảng 5 m. Đường kính vết quét laser đạt xấp xỉ 70 m với khoảng cách dọc quỹ đạo 170 m, mang lại ưu thế vượt trội so với vết quét hàng kilômét của cảm biến radar truyền thống.

Bên cạnh đó, nghiên cứu phát triển khái niệm Chỉ số phụ thuộc hình học, xác định bằng tỷ số giữa tổng diện tích các sông băng xả nước tan vào hồ trên tổng diện tích lưu vực thu nước. Mọi dữ liệu không gian đều được quy chiếu đồng nhất về hệ tọa độ trắc địa WGS84 và mô hình trọng trường toàn cầu EGM2008 nhằm triệt tiêu các sai số hình học elipsoid lên tới 70 cm.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu sơ cấp bao gồm tập cao độ bề mặt đất ICESat GLA14 từ 18 chiến dịch đo kéo dài từ năm 2003 đến năm 2009 do Trung tâm Dữ liệu Băng Tuyết Quốc gia Hoa Kỳ cung cấp. Dữ liệu bổ trợ gồm mô hình số độ cao SRTM 90 m ghép từ 21 mảnh kích thước 5x5 độ, mặt nạ phân loại nước MODIS độ phân giải 250 m, cơ sở dữ liệu ranh giới sông băng GLIMS và hệ thống mạng dòng chảy lưu vực HydroSHEDS độ phân giải 15 arc-giây (khoảng 410 m).

Về quy mô chọn mẫu, nghiên cứu chọn lọc 154 hồ có diện tích bề mặt lớn hơn 1 km² phân bố đồng đều trên cao nguyên và phân nhóm các điểm đo trên 90 khu vực sông băng có sự tương đồng về phương vị và sườn dốc. Phương pháp chọn mẫu có chủ đích này đảm bảo đại diện đầy đủ cho các tiểu vùng khí hậu khác nhau.

Lý do lựa chọn thuật toán RANSAC trong phân tích là nhằm tự động phát hiện và loại bỏ triệt để các giá trị dị thường cao trình do hiện tượng mây che phủ gây sai lệch hàng ngàn mét hoặc hiện tượng bão hòa tín hiệu quang phổ gây nhiễu biên độ 10 m. Mô hình hồi quy tuyến tính được ứng dụng để ước tính tốc độ thay đổi mực nước và độ dày băng hàng năm. Phương pháp phân tích mạng dòng chảy mặt trên nền tảng HydroSHEDS được lựa chọn để xác lập chính xác các tuyến thoát nước từ sông băng về từng bồn trũng hồ.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Nghiên cứu đã ghi nhận xu thế suy giảm độ dày băng trên diện rộng với tốc độ giảm trung bình toàn Cao nguyên Tây Tạng là -0,47 m/năm trong giai đoạn 2003–2009 trên 90 khu vực khảo sát. Tuy nhiên, hiện tượng này có sự phân hóa mạnh mẽ theo vị trí địa hình: hầu hết các sông băng hướng Nam và Đông Nam bị mỏng đi rõ rệt, trong khi các sông băng hướng Bắc thuộc dãy Tây Côn Luân lại ghi nhận xu hướng gia tăng độ dày nhẹ hoặc suy giảm với tốc độ rất thấp.

Đối với hệ thống thủy văn hồ, mực nước của 154 hồ quan sát thể hiện hai bức tranh đối lập sâu sắc. Các hồ nằm ở phía Nam và dọc theo dãy Himalaya sụt giảm mực nước nghiêm trọng, trong khi phần lớn các hồ nằm sâu trong nội địa cao nguyên lại ghi nhận xu hướng dâng cao liên tục từ năm 2003 đến 2009. Phân tích theo 3 chu kỳ mùa trong năm cho thấy biên độ dao động mực nước chịu tác động mạnh của gió mùa ở khu vực Đông Nam và giảm dần đều khi tiến về phía Tây Bắc.

Về liên kết thủy văn, phân tích mạng dòng chảy chứng minh có 25,3% tổng diện tích sông băng trên toàn cao nguyên trực tiếp xả nguồn nước tan chảy vào 244 hồ lân cận. Tỷ số diện tích sông băng trên diện tích lưu vực dao động mạnh, giúp phân loại rõ ràng mức độ nhạy cảm của từng hồ chứa trước nguy cơ co hẹp diện tích băng tuyết.

Thảo luận kết quả

Sự suy thoái không đồng nhất của các khối băng xuất phát từ tác động đan xen giữa bức xạ mặt trời theo hướng sườn và các hoàn lưu khí quyển quy mô lớn. Khu vực phía Nam chịu ảnh hưởng trực tiếp từ gió mùa mùa hè Ấn Độ Dương với nền nhiệt ẩm cao, thúc đẩy quá trình tan chảy mạnh mẽ. Ngược lại, sườn Bắc dãy Côn Luân được che chắn bức xạ nhiệt và tiếp nhận lượng ẩm từ hoàn lưu gió tây, tạo điều kiện tích tụ khối lượng băng ổn định.

Mực nước các hồ nội địa gia tăng tương thích với lượng nước băng tan bổ cập và xu thế gia tăng lượng mưa cục bộ được ghi nhận trong các báo cáo khí hậu gần đây. Các phát hiện này hoàn toàn tương đồng với các công bố khoa học của một nhóm nghiên cứu quốc tế năm 2012 về sự thâm hụt khối lượng băng vùng núi cao châu Á.

Về mặt biểu diễn dữ liệu, các kết quả này có thể được trình bày trực quan thông qua bản đồ phân bố không gian đa lớp trong hệ thống GIS, kết hợp biểu đồ phân tán thể hiện tương quan tuyến tính giữa tốc độ nâng hạ mực nước hồ và chỉ số phụ thuộc dòng chảy mặt, đi kèm bảng thống kê chi tiết tỷ lệ suy giảm thể tích băng theo từng lưu vực sông chính.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Nâng cấp hệ thống giám sát viễn thám: Cục Khảo sát Địa chất và Cơ quan Quản lý Tài nguyên Nước cần triển khai tích hợp chuỗi dữ liệu đo cao laser thế hệ mới ICESat-2/ATLAS với bước sóng 532 nm và tần suất quét 91 ngày/lần. Mục tiêu nâng cao độ phân giải không gian và giảm sai số đo đạc trên sườn dốc hiểm trở xuống dưới 5 cm trong lộ trình 2026–2028.
2. Xây dựng mạng lưới cảnh báo sớm thiên tai vỡ hồ băng: Cơ quan Ứng phó Khẩn cấp và Khí tượng Thủy văn cần ưu tiên thiết lập trạm quan trắc tự động tại 244 hồ có chỉ số phụ thuộc sông băng cao. Mục tiêu hoàn thiện bản đồ rủi ro lũ quét do vỡ hồ băng trước năm 2027 nhằm bảo vệ an toàn tính mạng cho các cộng đồng dân cư vùng thung lũng.
3. Chuẩn hóa cơ sở dữ liệu liên kết thủy văn xuyên biên giới: Ủy ban Quản lý Lưu vực Sông quốc tế cần ứng dụng phương pháp phân tích mạng dòng chảy HydroSHEDS để số hóa chi tiết ranh giới lưu vực của 8 hệ thống sông lớn. Lộ trình thực hiện từ năm 2026 đến 2030 nhằm cung cấp số liệu dòng chảy kiệt chính xác cho các quốc gia hạ du.
4. Tích hợp chỉ số biến động thể tích nước vào quy hoạch tài nguyên: Bộ Tài nguyên và Môi trường tại các quốc gia liên quan cần đưa các chỉ số đo cao laser vào mô hình dự báo hạn hán và vận hành hồ chứa thủy điện định kỳ hàng năm. Target cụ thể là giảm thiểu 20% sai số dự báo lưu lượng dòng chảy mùa khô cho vùng đồng bằng hạ lưu.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

• Nhà nghiên cứu và Kỹ sư Trắc địa – Viễn thám: Tiếp cận quy trình xử lý dữ liệu đo cao laser vệ tinh, thuật toán lọc nhiễu RANSAC và kỹ thuật hiệu chỉnh hệ quy chiếu trắc địa WGS84/EGM2008 ứng dụng cho địa hình phức tạp.
• Chuyên gia Khí tượng Thủy văn và Mô hình hóa Môi trường: Khai thác bộ số liệu thực nghiệm về tốc độ biến thiên mực nước của 154 hồ và 90 khu vực băng để hiệu chỉnh các mô hình cân bằng nước khu vực.
• Cơ quan Hoạch định Chính sách Tài nguyên Nước và Biến đổi Khí hậu: Ứng dụng các đánh giá về sự phân hóa dòng chảy băng tan để xây dựng chiến lược an ninh nguồn nước quốc gia và hợp tác quản lý nguồn nước quốc tế.
• Giảng viên, Nghiên cứu sinh và Học viên Cao học ngành Khoa học Trái đất: Sử dụng luận văn như tài liệu tham khảo mẫu mực về cấu trúc nghiên cứu, phương pháp luận kết hợp dữ liệu đa nguồn và kỹ thuật viết báo cáo học thuật chuẩn mực quốc tế.

Câu hỏi thường gặp

1. Công nghệ đo cao laser ICESat/GLAS có ưu điểm gì vượt trội so với cảm biến radar trong nghiên cứu vùng núi? Cảm biến laser GLAS có đường kính vết quét nhỏ chỉ khoảng 70 m và khoảng cách điểm đo 170 m, giúp hạn chế tối đa hiện tượng nhiễu địa hình phức tạp. Trong khi đó, cảm biến radar có vết quét rộng hàng kilômét, dễ gây sai số lớn khi đo đạc các hồ nhỏ và sông băng hẹp tại sườn núi dốc.

2. Thuật toán RANSAC xử lý các dị thường trong tập dữ liệu cao trình như thế nào? RANSAC đóng vai trò loại bỏ các điểm đo sai lệch do khúc xạ mây dày lên tới 1.000 m hoặc tín hiệu phản hồi bị bão hòa có biên độ sai số 10 m. Thuật toán tìm kiếm tập hợp điểm đồng thuận nhất để xác định chính xác cao trình mặt nước trung bình tại thời điểm vệ tinh bay qua.

3. Tại sao các sông băng sườn Bắc dãy Tây Côn Luân lại có hiện tượng tăng độ dày trái ngược với xu thế chung? Hiện tượng bất thường này xuất phát từ yếu tố địa hình khuất nắng giúp hạn chế bức xạ nhiệt mặt trời, kết hợp với luồng ẩm bổ sung từ hoàn lưu gió tây tạo lượng tuyết rơi tích tụ lớn, bù đắp và vượt qua lượng băng tan chảy trong giai đoạn quan sát 2003–2009.

4. Mối liên kết hình học giữa sông băng và hồ nước được xác định dựa trên cơ sở nào? Nghiên cứu ứng dụng phân tích hướng dòng chảy mặt trên mô hình độ cao HydroSHEDS độ phân giải 15 arc-giây. Mối liên kết được định lượng bằng chỉ số tỷ lệ giữa tổng diện tích các sông băng xả nước tan vào hồ chia cho toàn bộ diện tích lưu vực thu nước của hồ đó.

5. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa gì đối với các quốc gia hạ lưu sông Mê Kông? Nghiên cứu cung cấp dữ liệu định lượng về tốc độ suy giảm nguồn nước dự trữ thể rắn tại thượng nguồn. Đây là cơ sở khoa học tối quan trọng giúp các quốc gia hạ lưu dự báo chính xác dòng chảy mùa khô, chủ động xây dựng kế hoạch ứng phó xâm nhập mặn và bảo đảm an ninh lương thực.

Kết luận

• Luận văn đã thiết lập thành công quy trình xử lý dữ liệu đo cao laser vệ tinh ICESat/GLAS kết hợp mô hình số độ cao SRTM để giám sát biến động tài nguyên nước trên diện rộng.
• Xác định tốc độ mỏng đi trung bình của 90 khu vực sông băng trên Cao nguyên Tây Tạng là -0,47 m/năm giai đoạn 2003–2009, với sự phân hóa mạnh mẽ theo hướng sườn đón và khuất bức xạ mặt trời.
• Định lượng chi tiết xu hướng biến đổi mực nước của 154 hồ lớn, chỉ ra sự suy giảm tại sườn Nam Himalaya và xu thế dâng cao của các bồn trũng nội địa phía Bắc.
• Phát hiện 25,3% diện tích sông băng kết nối trực tiếp với 244 hồ mặt nước, cung cấp chỉ số phụ thuộc hình học đóng vai trò then chốt cho các mô hình thủy văn.
• Kế hoạch tiếp theo giai đoạn 2026–2030 là mở rộng chuỗi dữ liệu với vệ tinh ICESat-2 nhằm hoàn thiện bức tranh động lực học băng tuyết toàn diện.

Các nhà khoa học, cơ quan quản lý và chuyên gia phân tích dữ liệu không gian hãy ứng dụng ngay bộ công cụ và phương pháp luận đo cao laser này vào các đề án quan trắc môi trường thực tế để tối ưu hóa công tác quản trị tài nguyên nước bền vững.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Observing changes in lake level and glacial thickness on the Tibetan Plateau with the ICESat laser altimeter Vu Hien Phan Observing changes in lake level and glacial thickness on the Tibetan Plateau with the ICESat laser altimeter Proefschrift ter verkrijging van de graad van doctor aan de Technische Universiteit Delft, op gezag van de Rector Magnificus prof. Luyben, voorzitter van het College voor Promoties, in het openbaar te verdedigen op Maandag 26 January 2015 om 15:00 uur door Vu Hien PHAN Master of Engineering in Mapping, Remote Sensing and GIS Ho Chi Minh City University of Technology, Vietnam geboren te Sa Dec, Vietnam. -i- Dit proefschrift is goedgekeurd door de promotor: Prof. Menenti Copromotor: Dr.

Lindenbergh Samenstelling promotiecommissie: Rector Magnificus, voorzitter Prof. Menenti Technische Universiteit Delft, promotor Dr. Lindenbergh Technische Universiteit Delft, copromotor Prof. Scaloni Tongji University Prof.

Su Universiteit Twente Prof. van de Giesen Technische Universiteit Delft Dr. Kropacek Universität Tübingen Dr. Gourmelen The University of Edinburgh Prof.

Bastiaanssen Technische Universiteit Delft, reservelid Copyright 2015 by Vu Hien Phan. All rights reserved. No part of the material protected by this copyright notice may be reproduced or utilized in any form or by any means, electronic, mechanical, including photocopying, recording or by any information storage and retrieval system, without the prior permission of the author. ISBN 978-94-6186-426-0 Author email: v.nl or [e-mail] - ii - Preface Many people contributed to the successful completion of this thesis in different ways.

I wish to express my sincere gratitude to all of them. Firstly, I am extremely grateful to my co-promoter Dr. You were always there to help and support me whenever I ran into a problem. I think your support and commitment during my study made other PhDs jealous in our section.

In our weekly meetings, you always had excellent advice to give on my technical problems. I really appreciate your patience in correcting my English writing and the constructive feedback on how to write an effective article. Thank you for all your help and support to extend my knowledge and experiences in research. Secondly, I would like to thank Prof.

Massimo Menenti, for providing me with the opportunity to carry out my research and for your continuous support. With the extensive knowledge, you always gave me helpful ideas and provided me with clear and in-depth answers to my scientific and technical problems. Also, I would like to thank you for the constructive criticisms and relevant comments on the content of this dissertation. I want to thank the Vietnam Ministry of Education and Training and the CEOP- AEGIS project on the Hydrology and Climatology of the Tibetan Plateau, project no.

212921 of the European Commission FP7 program for funding this research. Furthermore, I wish to thank my friends at the OLRS section: Ali Mousivand, Hamid Reza Ghafarian Malamiri, and Seyed Enayat Hosseini Aria for sharing knowledge and experiences in studying and living in Delft and contributed to a nice and enjoyable life at TUDelft. I am thankful to Lidwien De Jong, for all the support to process a lot of documents in regularization enthusiastically. I am also very grateful to Vietnamese students and all other colleagues here at TU Delft.

I am indebted to my mother in law for having taken care of my daughter in Vietnam, to my lovely wife for being sympathetic and encouraging to me, and to my beautiful daughter for still recognizing and loving me. Last but not least, I wish to thank my lovely family and friends for their support and encouragement. - iii - Table of content Preface. iii Table of content.

The water balance of the Tibetan Plateau. ICESat laser altimetry. Organization of this thesis. EXPLOITED REMOTE SENSING DATA.

ICESat/GLAS data. GLAS data products. ICESat GLA14 land surface elevation data. Other remote sensing products.

GLIMS / CAREERI glacier mask. MODIS land-water mask. HydroSHEDS hydrographic data. Landsat TM images.

ASSESSING GLACIAL THICKNESS CHANGES AT THE TIBETAN PLATEAU USING ICESAT LASER ALTIMETRY. Estimating surface slope and roughness from SRTM DEM. Determining a sampled glacial area. Identifying a glacial elevation difference.

Different settings with respect to slope and roughness. Obtaining mean glacial elevation differences. Estimating a temporal glacial thickness change trend. Overall glacial thickness changes: Tibetan Plateau and its basins.

Impact of orientation on glacial thickness change. Exploring terrain surface criteria. State of the GLIMS glacier mask. Glacial thickness changes for sub-regions.

Representativeness of an observed glacial area. ESTIMATING ANNUAL LAKE LEVEL TRENDS ON THE TIBETAN PLATEAU. Annual lake level trends all over the Tibetan Plateau. Case studies: comparing GLAS results to LEGOS data.

Disadvantages of the supporting image data: the 250 m MODIS land-water mask and Landsat data. Anomalies in the candidate ICESat lake elevations. Determining the threshold value in the RANSAC algorithm. Link to physical processes.

ASSESSING SEASONAL LAKE LEVEL VARIATIONS USING ICESAT LASER ALTIMETRY 69 5. Estimating lake level trends per season. Obtaining seasonal lake level variations. Annual trends based on lake levels from fixed seasons.

Lake level changes during the monsoon and the dry season. IDENTIFYING GEOMETRIC LINKS BETWEEN GLACIERS AND LAKES ON THE TIBETAN PLATEAU. Determining the catchment of a Tibetan lake. Identifying connections between glaciers and lakes.

Calculating the area of a lake catchment. Computing the total area of glaciers draining into a lake. Defining the geometric dependency of a lake on glacial runoff. Lakes with glacial runoff at the Tibetan Plateau.

The hydrological interpretation of geometric dependency on glacial runoff. Details on computing the geometric dependency of lakes on glacial runoff. 129 Table A: Rates of glacial thickness changes on the Tibetan Plateau between 2003 and 2009. 135 Table B1: Rates of individual lake level changes between 2003 and 2009 on the Tibetan Plateau.

135 Table B2: The list of additional Tibetan observed lakes when the threshold value increases. 145 Table C: Lakes dominated by glaciers on the Tibetan Plateau. 145 - viii - Abbreviations ASCII American Standard Code for Information Interchange CAREERI Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute DEM Digital Elevation Model EMG96 Earth Gravitational Model 1996 EMG2008 Earth Gravitational Model 2008 FWHM Full Width at Half Maximum pulse GLAS Geoscience Laser Altimeter System GLIMS Global Land Ice Measurements from Space GRACE Gravity Recovery And Climate Experiment HDF Hierarchical Data Format HydroSHEDS Hydrological data and maps based on SHuttle Elevation Derivatives at multiple Scales ICESat Ice, Cloud, and Land Elevation Satellite MODIS Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer NASA National Aeronautics and Space Administration NSIDC National Snow and Ice Data Centre SRTM Shuttle Radar Topography Mission TOPEX/Poseidon Topography Experiment/Poseidon UTC Universal Coordinated Time WGS84 World Geodetic System 1984 - ix - Summary Observing changes in lake level and glacial thickness on the Tibetan Plateau with the ICESat laser altimeter The Tibetan Plateau is a vast, elevated plateau in Central Asia. It occupies an area of ~2.5 million km2 and has an average elevation of over 4,500 m.

The Tibetan Plateau is not only the highest and largest plateau of the world, but also contains a large amount of glaciers. In addition, there are thousands of lakes in this region. Most of them supply fresh water for people, livestock and agriculture while some are salt water lakes. The Tibetan Plateau is also the origin of Asia’s big rivers such as Brahmaputra, Ganges, Indus, Mekong, Salween, Yellow River, and Yangtze.

Glacial melt water supplies large inflow for the rivers during the summer monsoon and is a primary water source in the dry season. It means that the Tibetan Plateau keeps the water resources under control for Southeast Asia, the most densely populated region on Earth. However, recent research reported that the glaciers have been retreating significantly in the last decades. That is expected to affect the water storage of this region.

Therefore, understanding hydrologic processes and quantifying the water storage of the Tibetan Plateau is essential. In general, the water storage of the Tibetan Plateau is determined by precipitation, surface runoff, evaporation and infiltration. Due to the vastness, high relief and the complicated climate, only a limited number of hydrometeorologic gauge measurements are available in this region. Thus it is difficult to quantify this water storage.

However, the net annual water storage of a lake or river basin, considered as a simple water balance model, is one component of the total water storage of the Tibetan Plateau. Changes in water storage of open water bodies can be assessed by analyzing changes in their water levels. Moreover, one of the variables directly affecting water levels of lakes and rivers on the Tibetan Plateau is glacial melt water. Therefore, monitoring changes in glacial thickness and water level is a potential useful contribution to the understanding of the hydrologic processes and the water balance of the Tibetan Plateau.

In January 2003, the ICESat satellite was launched for measuring ice sheet mass balance, cloud and aerosol heights, as well as land topography and vegetation structure. The available ICESat/GLAS-derived land surface elevations have a vertical accuracy at the decimeter level over flat terrain and a horizontal accuracy in the order of meters. Each GLAS waveform was the result of the interaction of the emitted Gaussian pulse with the terrain surface within a ~70 m diameter footprint, much smaller than for example radar footprints. In addition, ICESat only obtained measurements along track with an along track distance between - xi - Summary consecutive footprints of 170 m.

This small footprint makes the ICESat/GLAS laser altimeter more advantageous in monitoring changes in lake level and glacial thickness on the Tibetan Plateau than other remote sensing techniques. The changes in lake level and glacial thickness can be converted to water volumes that can be used as input of water balance models. These contribute to improve the understanding of changes in the water storage of the Tibetan Plateau. That is why observing changes in lake level and glacial thickness on the Tibetan Plateau with the ICESat laser altimeter is reasonable.

The research consists of three main parts: i) monitoring lake level changes, ii) monitoring glacial thickness changes and iii) assessing relationships between changes in lake level and glacial thickness. Monitoring changes in lake levels: the ICESat GLA14 land surface elevation data in combination with the MODIS land-water mask was used to obtain water level variations of Tibetan lakes. The GLA14 elevations representing lake surface elevations were basically selected by using the lake outlines, derived from the MODIS land-water mask. For each ICESat sampled lake, anomalies in observed surface elevations due to e.

clouds, saturation or surface characteristics, were removed using the RANSAC algorithm. Then the mean elevations corresponding to the ICESat acquisition times were determined. They were representative for lake levels during the observed period. Subsequently, a temporal lake level trend was estimated by linear regression.

The results indicated that water level variations of 154 lakes spread all over the Tibetan Plateau between 2003 and 2009 could be obtained. Moreover, most of the lakes with a serious downwards trend are in the southern Tibetan Plateau and along the Himalaya mountain range and, vice versa, most of the lakes with a positive water level trend are in the inner Tibetan Plateau. In addition, GLA14 elevations were grouped into three seasonal datasets following to the ICESat acquisition schedule: late dry season, wet season, and early dry season. Yearly trends were estimated using lake levels in the same season and different years.

The results indicated that seasonal influences were more obvious in the South of the Tibetan Plateau than those in the Northwest. The seasonal influence on lake level gradually decreased from the Southeast to the Northwest of the Tibetan Plateau. These results correspond to trends in precipitation, temperature and humidity as documented in recent research on climate change at the Tibetan Plateau.