北极海冰薄冰厚度遥感反演模型的船测验证

利用美国科考船Sikuliaq在2015年10月至11月初在北极波弗特海区域获得的512处船测海冰数据,分别对三种不同雪厚参数的MODIS (Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer)热力学反演冰厚模型、德国汉堡大学和不莱梅大学发布的SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity mission)海冰厚度产品进行精度验证。结果表明,将船测雪厚作为反演模型中的雪厚参数,得到薄冰厚度与船测薄冰厚度的平均偏差为0.02m,均方根误差为0.12 m,两者均为三种模型中最低而被认为是最优模型。不考虑雪厚的裸冰冰厚模型得到的薄冰厚度与船测薄冰厚度的相关系数为0.72,相关性最高但只适用于冰上无雪盖的情况。以经验雪厚关系推算出的雪厚参数加入反演模型中,得到的冰厚结果在研究验证中精度最不理想。另外,两种SMOS产品与船测冰厚的相关性与均方根误差结果优于MODIS反演结果,且不莱梅大学的SMOS冰厚产品精度更优。因此研究认为现有的MODIS薄冰厚度反演算法的反演精度有待提高,暂不适合作为评定其他薄冰厚度产品精度的标准,只能作为比较数据。     

北极海冰密度变化分析及其对海冰厚度估算的影响

海冰密度是海冰和气候模型的重要物理变量,也是利用卫星测高数据估算海冰厚度的关键参数。目前各国北极科学考察虽开展了海冰物理观测,但对近期北极海冰密度现场观测资料的综合分析和挖掘应用不足。在此背景下,收集了近15年来北极海冰密度现场观测资料,分析北极海冰密度的变化特征;对海冰密度实测数据进行克里金插值,将插值结果输入静力平衡方程模型计算海冰厚度,探讨海冰密度对海冰厚度卫星测高反演的影响。结果表明, 2000—2015年北极海冰密度变化范围为750—950 kg·m–3,1—9月海冰密度总体上随月份变化呈减小的趋势;6—9月北极海冰密度随着纬度的增加而减少(75°N—90°N);通过对比分析表明,相较于使用海冰密度固定值参与估算海冰厚度,采用经现场观测数据空间插值后的海冰密度估算海冰厚度的结果更为准确。北极海冰密度现场观测资料的整理分析可为海冰与气候变化等进一步研究提供参考。     

基于北极多源卫星数据的海冰厚度时空变化对比与评估

海冰厚度作为海冰的重要变量之一,相较于海冰密集度、海冰漂移速度、海冰范围等,数据时空完整性仍然不足。当前获取北极海冰厚度的主要手段为卫星遥感,除之前的CryoSat-2、SMOS等卫星,2018年11月又新增了ICESat-2卫星。目前,针对北极多源卫星海冰厚度的时空变化差异性对比以及数据精度评估的工作较少,因此,本研究通过选取最近的完整两年(2019—2020年)内的ICESat-2、CryoSat-2以及CS2SMOS(CryoSat-2和SMOS融合产品)海冰厚度数据进行对比分析,量化其时空差异。结果显示,整体上CryoSat-2卫星数据的平均海冰厚度最大, ICESat-2其次, CS2SMOS最小。三种卫星数据间的差异具有明显的时空变化特征,在海冰厚度高值区ICESat-2数据的厚度最大, CryoSat-2与CS2SMOS数据的厚度相近,而在海冰边缘区CryoSat-2数据的厚度最大, CS2SMOS最小。从区域来看,不同卫星数据反演的海冰厚度在东西伯利亚海和波弗特海区域差异较小,在巴伦支海区域差异较大。在此基础上,利用研究时段内的“冰桥行动”实地观测数据对多源卫星数据进行...     

基于船侧图像的北极太平洋扇区夏季海冰厚度时空变化研究

基于2003—2018年中国第二次至第九次北极科考中获取的走航船基图像数据对北极夏季太平洋扇区沿航线平整冰厚度的时空变化进行了统计分析。结果显示太平洋扇区在夏季融冰期沿航线海冰厚度主要分布在10～280 cm区间,各航次存在一定差异但海冰厚度均近似呈正态分布。8月上旬和中旬沿航线平均冰厚均以-2 cm·a-1的梯度逐年减少。楚科奇海、波弗特海和北冰洋中央海域等各个子区域沿航线平均冰厚随年份线性减少的趋势均不显著。2°为间隔的不同纬度区间沿航线海冰厚度也近似呈正态分布,但集中分布范围存在差异。8月上旬和下旬的沿航线平均冰厚分别以2 cm·deg-1和5 cm·deg-1的梯度随纬度线性增加,北冰洋中央海域沿航线平均冰厚随纬度线性增加的趋势在各子区域中最为显著。     

中国第四次北极科学考察EM31-ICE走航海冰厚度数据分析

利用ＥＭ３１-ＩＣＥ电磁感应仪与激光测距仪、声纳等设备在中国第四次北极科学考察过程对海冰厚度进行走航观测,通过对数据预处理获得了海冰厚度数据,结合长期冰站上采集的多组冰厚样本,获得ＥＭ３１-ＩＣＥ的各项校正参数。同时通过对异常数据的分析以及小波去噪、统计处理等方法,得出最终的解释结果：在去程时海冰厚度主要分布在０．５-２．５ｍ之间,而返程时的海冰厚度有明显变薄的倾向,主要分布在０．５-２．０ｍ之间。在高纬度地区海冰厚度明显大于低纬度地区,并且在高纬度地区海冰厚度统计图中常出现两个波峰,而低纬度地区常是一个波峰。在整个去程与返程过程中,超过４ｍ厚的海冰不到１％。     

北极海冰厚度的热力学和动力学影响因素研究评述

全球变化背景下,在过去的40年中,北极海冰范围快速减少,厚度显著变薄,同时多年冰向一年冰转化,这对区域乃至全球气候系统具有重要影响。海冰厚度作为气候变化的指示器,在大气-海冰-海洋之间的物质和能量交换过程中起着重要作用。本文通过综述国内外北极海冰厚度影响因子的研究进展,对影响北极海冰厚度的热力学和动力学过程进行了梳理和总结。在热力学方面,海冰厚度会受到大气-海冰和海冰-海洋两个界面处的热通量影响,其中,大气-海冰热力学过程的影响因素包括冰面特征、气温、水汽、降雨/降雪和云量等,主要通过海冰表面辐射收支和湍流热交换(感热和潜热)产生影响;而海冰-海洋界面处的热通量作为海冰厚度的重要影响因素,主要受太阳辐射对上层海洋的加热、风应力导致的垂向混合以及中低纬暖流输送的影响。在动力学方面,海冰厚度变化主要通过风和海流的共同驱动引起海冰输运和海冰的形变。大尺度环流异常也会通过大气-海冰-海洋相互作用对北极冰厚的热力学和动力学过程产生显著影响。     

基于AMSR-E遥感数据的北极冰间湖面积变化分析

利用4种遥感数据:AMSR-E(Advanced Microwave Scanning Radiometer-Earth Observing System)36GHz与89GHz亮温数据反演的海冰厚度以及相应波段的海冰密集度数据,结合海冰密集度和厚度两种方法提取北极冰间湖面积,分析东西伯利亚沿岸和阿拉斯加沿岸在2003—2011年期间1—4月冰间湖面积变化,并比较不同数据和算法之间的差异。结果表明:(1)1—4月份冰间湖面积变化形态相似,但数值不同,从长期看,基于AMSR-E 89 GHz亮温数据反演的海冰厚度数据计算的冰间湖面积呈上升趋势,变化率为273.33 km~2·mon~(-1),而AMSR-E 89 GHz和36 GHz波段的海冰密集度及基于AMSR-E 36 GHz亮温数据反演的海冰厚度数据计算的结果呈下降趋势,分别为-68.91km~2·mon~(-1)、-42.74 km~2·mon~(-1)和-41.91 km~2·mon~(-1);(2)数据分辨率高能够更精细分辨冰间湖,得到的面积大,反之则小;(3)由于基于海冰密集度和基于海冰厚度两种方法对冰间湖的定义不同,海冰厚度方法计算结果要大于海冰密集度结果;(4)冰间湖面积变化存在地域差别,白令海峡以西海域冰间湖统计差异较为明显,而以东海域则较弱。     

利用HY-2微波辐射计数据反演北极区域海冰密集度方法研究

HY-2是中国自主研发的海洋卫星。 本文研究了利用HY-2卫星扫描微波辐射计亮温数据反演北极海冰密集度的方法。参考NASA TEAM方法,我们对典型海区光谱梯度率和极化梯度率进行了统计分析,确定了计算海冰密集度所需的亮温特征值;利用天气滤波器有效去除了开阔海域由于大气中水蒸气、云中液态水、降雨等现象引起的海冰密集度计算错误。本文计算了2012年全年的北极海冰密集度产品并对产品精度进行了初步验证,验证结果表明：三个海冰类型已知区域的海冰密集度结果与理想值比较接近,多年冰密集度的反演精度需要进一步提高;本文结果与美国冰雪数据中心和德国不来梅大学提供的两种业务化海冰密集度产品一致。本研究为利用HY-2卫星监测极区海冰密集度变化,发布实时产品奠定了基础。     

利用海洋(HY-2)卫星微波辐射计数据反演北极区域海冰密集度

HY-2是中国自主研发的海洋卫星。本文研究了利用HY-2卫星微波扫描辐射计亮温数据反演北极海冰密集度的方法。参考NASA TEAM方法,我们对典型海区光谱梯度率和极化梯度率进行了统计分析,确定了计算海冰密集度所需的亮温特征值;利用天气滤波器有效去除了开阔海域由于大气中水蒸气、云中液态水、降雨等现象引起的海冰密集度计算错误。本文计算了2012年全年的北极海冰密集度产品,并对产品精度进行了初步验证,验证结果表明:三个海冰类型已知区域的海冰密集度结果与理想值比较接近,多年冰密集度的反演精度需要进一步提高。本文结果与美国冰雪数据中心和德国不来梅大学提供的两种业务化海冰密集度产品一致。本研究为利用HY-2卫星监测极区海冰密集度变化,发布实时产品奠定了基础。     

电磁感应技术在波罗的海海冰厚度探测中的应用研究

海冰作为冰雪圈的重要组成部分,对气候变化十分敏感,海冰物理过程研究需要得到精确的海冰厚度。本文介绍一种能够高效探测海冰厚度的电磁感应方法及其在波罗的海(Baltic Sea)的成功应用。该技术方法针对海冰和海水的电特性,利用电磁感应原理精确探测仪器至冰水交界面的距离,以实现海冰厚度的测定。通过电磁感应(EM)仪直接观测的视电导率与同点位钻孔测量数据对比分析,获得视电导率与海冰厚度的转换关系式,并对通过该关系式计算出的海冰厚度进行验证,表明电磁感应技术能够获得可靠的海冰厚度数据,平均相对误差仅为12%。对波西尼亚海湾(Bothnian Bay)海冰厚度探测剖面的统计结果表明,2007年春季该区域平整冰厚度范围在0.4-0.6m之间。     

2009年春夏季北极海冰运动及其变化监测

极地海冰对全球气候变化具有指示作用,北极海冰监测对全球气候环境变化研究意义重大。利用中国第3次北极科学考察（CHINARE-2008）长期冰站获取的海冰物质平衡浮标数据和MODIS影像对北极海冰运动及其变化进行监测。结果表明MODIS影像分类得到的海冰密集度效果较好,海冰与海水之间界线清晰。4月16日至30日长期冰站在自西北向东南的漂移过程中,海冰逐渐分裂,密集度下降,速度总体上不断减小。4月30日至5月19日期间海冰密集度变化比较大,尤其是5月8日,海冰密集度突然升高。结合对漂移轨迹的分析发现,这可能是受大风、洋流等因素影响,海冰产生回旋运动导致的。5月19日至7月6日海冰密集度上升,在格陵兰岛附近海冰运动受地形影响产生聚集现象,因此在该区域海冰密集度呈现上升趋势。     

极地海冰浮标的现状与应用综述

海冰是气候系统的一个重要组成要素,原位观测是获取海冰特征参数以及开展海冰变化研究的重要手段.本文主要对以海冰为目标和平台的极地浮标的发展与应用进行综合阐述,简述了国际北极浮标计划和国际南极浮标计划的发展情况,以七种常用的浮标对极区海冰、大气和上层海洋等物理参数的监测为例归纳总结了海冰浮标的系统特性和技术特点,最后结合近...     

Glacier extraction based on ASAR, DEM and texture feature of ASAR using SVM in the Western Qilian Mountains, Northwest China

This paper is focused on the method for extracting glacier area based on ENVISAT ASAR Wide Swath Modes (WSM) data and digital elevation model (DEM) data, using support vector machines (SVM) classification method. The digitized result of the glacier coverage area in the western Qilian Mountains was extracted based on Enhanced LandSat Thematic Mapper (ETM+) imagery, which was used to validate the precision of glacier extraction result. Because of similar backscattering of glacier, shadow and water, precision of the glacier coverage area extracted from single-polarization WSM data using SVM was only 35.4%. Then, texture features were extracted by the grey level co-occurrence matrix (GLCM), with extracted glacier coverage area based on WSM data and texture feature information. Compared with the result extracted from WSM data, the precision improved 13.2%. However, the glacier was still seriously confused with shadow and water. Finally, DEM data was introduced to extract the glacier coverage area. Water and glacier can be differentiated because their distribution area has different elevations; shadow can be removed from the classification result based on simulated shadow imagery created by DEM data and SAR imaging parameters; finally, the glacier coverage area was extracted and the precision reached to 90.2%. Thus, it can be demonstrated that the glacier can be accurately semi-automatically extracted from SAR with this method. The method is suitable not only for ENVISAT ASAR WSM imagery, but also for other satellite SAR imagery, especially for SAR imagery covering mountainous areas.     

基于光谱和纹理特征的ALOS影像土地利用信息提取

针对高分辨率遥感影像易于反映地物纹理特征的特点,综合利用地物的光谱和纹理特征进行分类,探讨适用于ALOS影像的土地利用信息提取方法。以川东丘陵地区影像为例,基于GLCM提取纹理信息,将提取的纹理特征向量采用赋权值法融合为一个综合纹理信息波段,然后采用面向对象法将其与光谱特征信息共同参与分类。与最大似然法的提取结果对比表明,考虑了纹理特征的面向对象分类方法能明显提高分类精度,Kappa精度提高了0.12;避免了椒盐现象,分割的地类边界具有更好的语义表达,更贴合地物实际分布特征;建筑用地和林地具有明显的纹理特征,而旱地纹理特征不明显。该方法不仅分出了6个基本地物类型,而且对于林地、建筑用地等类型还能进一步细分。     

冬春季北极海冰的变化特征及其与西北太平洋热带气旋活动的关系探讨

采用Hadley中心1953—2012年海冰密集度资料、NCEP/NCAR逐月再分析资料和1977—2011年日本气象厅台风资料,对冬春季北极海冰变化的主要特征进行了分析,并对冬春季北极海冰变化与西北太平洋台风活动之间的关系进行了初步探讨。结果表明,冬春季北极海冰表现为明显的年代际变化,且在1965—2004年间具有3—4 a的低频振荡周期。在20世纪60年代后期和70年代初期,海冰变化最为显著。冬春季海冰变化与西北太平洋热带气旋生成频次、强度频次的相关性在9月份明显高于其他月份,且为正相关,而与热带气旋强度等级有较显著的负相关性。冬春季北极海冰变化与夏季西太平洋副高强度、副高面积均有很好的负相关关系。冬春季海冰面积偏多(少)时,夏季北美东部、冰岛附近地区、北太平洋以及中低纬度大部地区500 h Pa高度场为负(正)距平分布。冬春季北极海冰面积异常对北半球大气环流的持续性影响,在随后到来的台风盛期有较明显的体现。     

A coupled multi-category sea ice model and POM for Baffin Bay and the Labrador Sea

An overview of the seasonal variation of sea-ice cover in Baffin Bay and the Labrador Sea is given.A coupled ice-ocean model,CECOM,has been developed to study the seasonal variation and associated ice-ocean processes.The sea-ice component of the model is a multi-category ice model in which mean concentration and thickness are expressed in terms of a thickness distribution function.Ten categories of ice thickness are specified in the model.Sea ice is coupled dynamically and thermo-dynamically to the Princeton Ocean Model.Selected results from the model including the seasonal variation of sea ice in Baffin Bay,the North Water polynya and ice growth and melt over the Labrador Shelf are presented.     

国际南北极地区文献数据库的检索方法与极地文献统计分析

通过分析南北极地区文献数据库 ( AAR CD- ROM) ,极地文献数量、极地主要学科文献数量、极地冰川学科及其分支的文献数量在不同时期的发展变化情况 ,得出的主要结论有 :自 1 70 3年有第一篇极地文献到 1 90 0年间 ,极地文献数量不多 ,1 90 0年左右时间的文献量有一个增量 ,从1 957～ 1 958年的国际地球物理年以来 ,南极研究得到很大发展 ,北极研究则是在 1 970年以来有更大的发展 ,这样的发展势头继续保持着 ;极地研究的有大量的极地冰川文献 ,其次是极地海洋、极地地质、极地生物等学科文献 ;南极地区学科侧重点有天文、大气、地质、生物等学科 ,北极地区侧重在海洋、资源、环境等学科 ;南极研究中发展最快的学科有环境科学、信息科学 ,在北极地区 ,环境科学、生物科学、信息科学和医学的发展较为迅速 ;极地冰川学科与其它学科产生交叉研究 ,出现了一些新的分支 ,学科交叉发展和分支现象在极地的其它极地学科领域也普遍存在 ,也是极地学科发展变化的趋势之一。     

Contrasting climate change in the two polar regions

The two polar regions have experienced remarkably different climatic changes in recent decades. The Arctic has seen a marked reduction in sea-ice extent throughout the year, with a peak during the autumn. A new record minimum extent occurred in 2007, which was 40% below the long-term climatological mean. In contrast, the extent of Antarctic sea ice has increased, with the greatest growth being in the autumn. There has been a large-scale warming across much of the Arctic, with a resultant loss of permafrost and a reduction in snow cover. The bulk of the Antarctic has experienced little change in surface temperature over the last 50 years, although a slight cooling has been evident around the coast of East Antarctica since about 1980, and recent research has pointed to a warming across West Antarctica. The exception is the Antarctic Peninsula, where there has been a winter (summer) season warming on the western (eastern) side. Many of the different changes observed between the two polar regions can be attributed to topographic factors and land/sea distribution. The location of the Arctic Ocean at high latitude, with the consequently high level of solar radiation received in summer, allows the ice-albedo feedback mechanism to operate effectively. The Antarctic ozone hole has had a profound effect on the circulations of the high latitude ocean and atmosphere, isolating the continent and increasing the westerly winds over the Southern Ocean, especially during the summer and winter.     

Ice-rafted detritus events in the Arctic during the last glacial interval, and the timing of the Innuitian and Laurentide ice sheet calving events

Ice-rafted detritus (IRD) layers in the Arctic Ocean not only indicate the source of this detrital sediment, but give insights into the ice drift and ice sheet history. Detrital sand-sized Fe oxide mineral grains that are matched to precise sources using the microprobe chemical fingerprint of each grain, along with elevated coarse IRD abundance and radiocarbon ages, are used to define IRD peaks from the Innuitian and Arctic portions of the Laurentide ice sheets. Because grains from these two areas can be entrained by sea ice from the shelves just offshore of the calving areas, peaks in these grains must be correlated to coarse IRD to identify iceberg calving events, and to distinguish them from sea-ice rafting. The sequence of IRD peaks deposited by icebergs from these two ice sheets indicate that both ice sheets calved bergs at accelerated numbers, six or seven times, from 11 to 36 Kya. The relatively short times between most of these IRD events suggest that the ice sheets did not completely collapse with each IRD event, except the last event. Although there is some indication that one ice sheet may have begun calving bergs before the other, the resolution of the Arctic cores does not allow definitive determination of this. This emphasizes the need for higher resolution cores from the central Arctic, as well as from near the terminus of large Pleistocene ice sheets. Sea-ice rafting occurs throughout the last glacial stage, even during some glacial IRD events, as indicated by Fe grains from non-glacial sources.