基于CryoSat-2数据的海冰厚度估算算法比较

以北极为研究区,使用CryoSat-2数据,利用现有海冰厚度卫星测高研究中4种主流算法(Laxon03算法、Kurtz09算法、Yi11算法和Laxon13算法)分别对北冰洋海冰厚度进行估算,并将估算结果与研究区IceBridge机载激光测高冰厚数据进行了比较,探索各算法海冰厚度估算的差异,寻找最优的估算算法,为估算长时序海冰厚度提供基础和参考。结果表明,4种算法估算的海冰厚度空间分布较为一致,但不同算法估算的结果差异较大,可达0.476 m;4种算法估算结果大小依次为Laxon03算法、Yi11算法、Laxon13算法、Kurtz09算法;4种算法估算的平均海冰厚度差异,在北极波弗特海海域最大,其次是北极中心海域、格陵兰和挪威海;Laxon13算法估算结果相对于IceBridge观测结果与其他算法相比,具有最小的平均偏差和均方根误差,是卫星测高估算海冰厚度的最优算法。     

SSM/I极地亮温资料中的4个月振荡现象

SSM/I仪器采用圆锥扫描方式,避免了AMSU-A等跨轨迹横扫仪器观测资料中存在的临边效应,其观测资料更加适用于空间特征分析。因此,利用1998年—2008年SSM/I仪器极地观测亮温资料,经谱分析、小波分析以及经验正交函数(EOF)分析,验证了南、北极地区的4个月振荡(后简称FMO)现象,揭示了南、北极地区FMO现象的时空分布特征。结果显示:(1)SSM/I 19V/H,37V/H通道在南、北极的亮温观测中有显著的FMO现象,北极亮温值FMO峰值出现在3月、7月和11月上旬,南极FMO峰值出现在4月、8月和12月中旬;(2)北极的FMO增强年为1999年、2002年和2006年;南极为1998年、2001年、2005年和2008年;(3)从12月到次年5月,当海冰面积基本不变时,亮温值随表面温度变化而变化;6到10月,表面温度基本不变时,亮温值随海冰面积变化而变化。当海冰FMO和表面温度FMO均位于相对较大值时,亮温的FMO达到峰值;当海冰FMO和温度FMO都相对较小时,则亮温的FMO到达谷值,其中海冰的影响较大;(4)北极大部分地区呈现同位相的FMO现象;南极不同区域间有显著差异:威德尔海(Weddell Sea,20°W—60°W,60°S—75°S)与拉扎列夫海域(Lazarev sea,20°W—30°E,60°S—70°S)FMO位相相反;90°W到180°W的绕极海域内60°S到70°S纬度带与70°S到80°S纬度带的FMO位相相反。综上,SSM/I对极地的观测亮温中有显著的FMO现象,其振荡强度存在年际变化。地表亮温的FMO主要受到表面温度变化和海冰凝结融化过程的共同作用。在空间特征上,北极大部分地区呈现同位相的FMO现象;南极不同区域间有显著差异。     

南极威德尔海西北区域冬季海冰龙骨形态分析

极地海冰形态在风、流、浪等外界驱动力的作用下不断发生变化,观测极地海冰底面形态特征并分析其变化规律,有助于基于海冰粗糙度信息的冰厚遥感算法和海冰热动力学数值模拟参数化方案的优化,对深入理解极地海冰特征对气候变化的响应有重要意义。首先,基于机载电磁感应系统测得的南极威德尔海西北区域2006年冬季海冰底面起伏数据,建立以龙骨切断深度为辨识参数的非线性统计优化模型,从海冰底面形态中明确区分出局部起伏和龙骨;然后,利用统计方法分析龙骨形态参数,并对龙骨深度和频次的相关性进行分析;最后,通过构造的新参数T分析龙骨深度与脊帆高度之间的相关性。结果表明,威德尔海西北区域海冰的龙骨最优切断深度为3.8 m,龙骨间距是影响强度的主要因素;虽然不同类别海冰的变形程度差异显著,但龙骨形状变化却并不明显;龙骨深度与频次之间的对数相关关系能够很好地刻画龙骨的形态和分布特征;新参数T与龙骨深度之间存在较强的线性相关关系,相关系数为0.93。所提出的龙骨切断深度确定方法能够更精确地从海冰底面起伏中分离出龙骨,为海冰表面和底面形态相关性研究以及利用海冰表面高度反演底面深度和冰厚提供进一步的理论参考依据。     

利用ICESat数据确定北冰洋海冰出水高度——以2005—2006年为例

提出了在结合高程特征变化的基础上利用ICESat海冰观测数据波形参数确定北冰洋海冰出水高度的方法,并与目前常用的最低点法进行比较。结果表明,最低点法计算的海冰出水高度不仅在空间分布上存在系统性误差,并且容易受到粗差影响,而本文的方法则具有较高的可靠性。本文在最低点法中加入高程标准差限制,并与本文提出的方法结合,计算并分析了2005年至2006年6个ICESat任务期的北冰洋海冰出水高度的季节变化。结果表明,2005年夏天的异常气候对于北冰洋海冰具有深远的影响,不仅使当年秋季的海冰出水高度大大减小,而且海冰的组成比例也发生了巨大变化。     

利用FY-3B MWRI遥感数据反演南极海冰表面积雪厚度

海冰表面积雪厚度是冰冻圈和全球气候系统的重要组成部分,在海洋、海冰和大气的能量传输中起着关键的作用。针对目前缺乏南极海冰表面积雪厚度国产卫星遥感数据产品的问题,本文探索应用FY-3B MWRI被动微波亮温数据开展南极海冰表面积雪厚度的遥感反演研究。结果表明基于2016年FY-3B MWRI 18.7 GHz、36.5 GHz垂直极化亮温及海冰密集度数据,采用Comiso03模型反演的积雪厚度结果较Markus98更好,与AWI2016年部署在威德尔海的浮标(2016S31、2016S37、2016S40)观测的积雪厚度同日同像元对比的偏差为-1.72 cm。FY-3B MWRI反演的2016年南极海冰表面积雪厚度与美国雪冰数据中心发布的GCOM-W1 AMSR-2积雪厚度产品整体上具有较好的一致性(时空平均偏差为-0.11 cm、相关系数为0.90),积累期和稳定期(4—10月)两者差异较小(时空平均偏差为-0.81 cm,相关系数为0.93),消融期(11月—次年3月)差异较大(时空平均偏差为2.76 cm,相关系数为0.85),差异主要分布在威德尔海北部和东南极冰边缘区。开展FY-...     

南极威德尔海电离层异常的综合观测及分析

威德尔海异常是西南极沿海地区在夏季出现的电离层异常现象。本文用西南极地区的GPS跟踪站数据和测高卫星Jason-2数据,分别提取了陆地和海洋地区大范围的电离层TEC参数。GPS反演结果的优势是获取测站上空高精度的TEC时间序列,测高反演的结果整体与GPS的结果精度相当,虽然测高的时间分辨率较低,但其优势是获取海洋广大区域的TEC值。两种观测手段的研究区域互补,可以充分观测威德尔海异常在西南极的变化特征,从空间上来看,威德尔海异常出现在以别林斯高晋海为中心的广大区域,而威德尔海异常也是覆盖了西南极的别林斯高晋海、威德尔海以及可达80°S的西南极陆地区域。从时间上来看,出现时段在每年的10月底到次年3月初,夜晚电子密度增加,白天电子密度降低,随着太阳活动的增强,其异常程度也变大。     

基于多源数据的南极海冰变化研究

南极海冰范围变化与大气、海洋等环境变化直接相关,对人类的实践活动有重要的影响。而计算机和对地观测技术的发展,使得遥感技术已经成为研究南极海冰变化最重要的方式之一。本文通过对多源遥感数据进行交叉定标,获取连续15年的南极长时序被动微波遥感亮温数据。在此基础上,通过BST算法反演了海冰密集度,分析了南极海冰范围的变化情况,从而为更好地认识南极海冰变化与全球气候环境变化的关系提供依据和参考。     

利用ICESat/GLAS数据研究北极海冰干舷高度

北极海冰变化受全球气候变化影响明显,海冰的变化不仅体现在面积上,而且也体现在厚度上。利用海冰干舷高度可以反演海冰厚度,冰、云和陆地高程卫星/地球科学激光测高系统(ice,cloud and land elevation satellite/geoscience laser altimeter system,ICESat/GLAS)提供了高精度的海冰高程信息。利用ICESat/GLAS测高数据,提取了2003~2008年部分时间段北极区域海冰的干舷高度,分析了2003~2008年间北极海冰季节性以及年际变化特征。结果表明,北极海冰干舷高度呈下降趋势,并且在2007年夏季减少趋势最为明显。对北极海冰在2007年迅速减少的原因进行了探讨,并利用仰视声呐实测数据对干舷高提取算法存在的系统性偏差进行了讨论与分析。     

联合CryoSat-2测高数据和地面高程数据建立东南极拉斯曼丘陵地区DEM

拉斯曼丘陵地区位于东南极伊丽莎白公主地,中国南极中山站位于拉斯曼丘陵的东部,是中国南极科学考察的重要地区。数字高程模型（DEM）是南极冰盖变化研究的基础,卫星测高数据是南极地区构建DEM的主要数据来源。CryoSat-2是新一代用于极地冰盖和海冰监测的测高卫星,联合2013年和2014年南极冬季的CryoSat-2测高数据以及中国、澳大利亚、印度三个国家现场测量的60余个地面高程数据,利用克里金插值方法建立了拉斯曼丘陵地区200 m分辨率的DEM（简称LA-DEM）。利用未参与插值的地面高程数据对新建立的LA-DEM进行了验证,并与Bamber 1km DEM、ICESat DEM、RAMPv2 DEM以及BEDMAP 2等四种国际上常用的南极DEM进行比较,结果表明LA-DEM的高程精度约为19.7 m,优于其他4种南极DEM。     

验潮与GPS联合监测南极中山站附近海冰厚度变化

基于力学平衡原理,提出了一种联合验潮与GPS测量极区海冰厚度的新方法。由海冰上的GPS观测可得到海冰上表面高,验潮可提供海水面高,联合两种观测数据可计算得到海冰干弦高度,再结合海冰表面积雪厚度与冰雪密度数据,由力学平衡原理可构建海冰厚度的计算模型。根据这一原理,通过中国第28次南极科考队在中山站附近海冰上的实验,监测到了2012年9月22日至11月9日的海冰厚度变化。与钻孔实测冰厚相比,其总体精度达到了cm级,最大差异为8.9cm,差异的均方根为5.4cm。     

利用CryoSat-2卫星测高资料确定北极海冰干舷高

卫星测高技术的发展使得大空间尺度探测海冰成为可能，海冰干舷高是反演海冰厚度的关键参量，获取精确的海冰干舷高对海冰探测及了解全球气候变化均具有重要的作用。本文基于近3年获取的CryoSat-2卫星SAR模式测高资料，在60°N—88°N纬度带内的北极海域通过设定阈值筛选可用的观测数据，并在此基础上计算2015—2017年间月平均海冰干舷高，最后通过IceBridge航飞数据的时空匹配验证了本文获取的干舷高计算结果是可靠的。     

Simulation of the Ku-band Radar altimeter sea ice effective scattering surface

A radiative transfer model is used to simulate the sea ice radar altimeter effective scattering surface variability as a function of snow depth and density. Under dry snow conditions without layering these are the primary snow parameters affecting the scattering surface variability. The model is initialized with in situ data collected during the May 2004 GreenIce ice camp in the Lincoln Sea (73/spl deg/W; 85/spl deg/N). Our results show that the snow cover is important for the effective scattering surface depth in sea ice and thus for the range measurement, ice freeboard, and ice thickness estimation.     

基于CryoSat-2的北极海冰类型分类

海冰类型是北极海冰监测中的重要变量,详细的海冰类型信息对冰情评估、气候预测和冬季海上交通管理等具有重要意义.CryoSat-2卫星携带先进的合成孔径雷达高度计,具有观测尺度大、能够全天时全天候观测的优势,是研究两极海冰变化的一种方法.本文使用CryoSat-2卫星SAR模式下波形数据识别北极海冰类型,采用阈值法、K-N...     

Regional geoid of the Weddell Sea,Antarctica, from heterogeneous ground-based gravity data

We present a geoid solution for the Weddell Sea and adjacent continental Antarctic regions. There, a refined geoid is of interest, especially for oceanographic and glaciological applications. For example, to investigate the Weddell Gyre as a part of the Antarctic Circumpolar Current and, thus, of the global ocean circulation, the mean dynamic topography (MDT) is needed. These days, the marine gravity field can be inferred with high and homogeneous resolution from altimetric height profiles of the mean sea surface. However, in areas permanently covered by sea ice as well as in coastal regions, satellite altimetry features deficiencies. Focussing on the Weddell Sea, these aspects are investigated in detail. In these areas, ground-based data that have not been used for geoid computation so far provide additional information in comparison with the existing high-resolution global gravity field models such as EGM2008. The geoid computation is based on the remove–compute–restore approach making use of least-squares collocation. The residual geoid with respect to a release 4 GOCE model adds up to two meters and more in the near-coastal and continental areas of the Weddell Sea region, also in comparison with EGM2008. Consequently, the thus refined geoid serves to compute new estimates of the regional MDT and geostrophic currents.     

利用船测数据以及Landsat-7 ETM+影像评估南极海冰区AMSR-E海冰密集度

利用第26次中国南极科学考察期间收集的海冰密集度船基观测资料以及由Landsat-7 ETM+得到的海冰密集度来验证AMSR-E南极海冰区海冰密集度产品的精度。AMSR-E海冰密集度与船基目视观测的海冰密集度存在着一定的线性关系(R²=0.816), 但两者匹配得并不是很好。与ETM+海冰密集度相比,AMSR-E数据趋向于低估海冰密集度,在25景晴空条件下的ETM+影像中,平均海冰密集度偏差(AMSR-E海冰密集度-ETM+海冰密集度)从-5.33%到-21.5%,而相应的均方根误差RMSE (Root Mean Squared Errors)从13.7%到33.8%。依据Landsat-7 ETM+ 海冰分类,AMSR-E数据海冰密集度最大的误差产生于新冰区。     

近海多种卫星测高联合数据处理技术

海域海况复杂多变 ,潮汐不但受外海能量输入的控制 ,而且在复杂的海岸线、浅海海底和内陆河流运输的作用下变得异常复杂。卫星测高由于受复杂的海洋动力环境和陆地反射的影响 ,数据质量普遍较深海差。将多种卫星测高数据联合处理 ,可以大大提高近海海域平均海面高的精度与分辨率 ,增强测高卫星监测近海复杂动力现象与反演近海复杂动力机制的能力。本文讨论近海多种卫星联合数据处理的技术与方法 ,分别从提取海平面稳态和时变信息的角度较系统地研究了多种卫星测高联合数据处理方法 ,通过提取不同测高卫星海平面观测数据中与时间无关的系统偏差 ,建立多种卫星测高数据的海平面时变基准 ,从而将多种测高卫星海面监测数据融合到一个动力系统中。大大提高测高卫星海平面监测的时空分辨率 ,为联合多种卫星测高数据在大地测量与近海海洋动力学研究中的应用创造基本条件。     

3-Decadal Changes in Sea Ice Melting and Freezing Pattern in Antarctica Using SSM/I Data

The present study aims to estimate the long term changes in sea ice areal extent (SIAE) around Antarctica using Special Sensor Microwave Imager (SSM/I) satellite data (1988–2011). Daily, weekly and monthly brightness temperature (T_B) maps of Antarctica have been generated. Temporal variation in monthly averaged T_B values of sea ice have been analyzed and an increasing trend is observed in T_B. Sea ice concentration (SIC) values are estimated and the concentration class 0.85–0.95 is observed as the main contributor in sea ice areal extent during the Antarctic peak winter month i.e. September and October. SIC changes rapidly from October onwards and shows fast melting of sea ice, however, from April start of freezing has been observed. Continuous increase in SIAE is observed from February to September in all the analyzed years (1988–2011) data. In this observation period maximum SIAE is observed in September 1989 and minimum in February 1993. The Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) data is used for the validation of SIAE values. SSM/I and MODIS estimated SIAE values are compared (R²?=?0.98) and a relation between them is established by performing regression analysis. This relation is further used for the estimation of corrected SIAE values. The monthly average sea ice extent maps of last three decades have been analyzed and a shift in onset of freezing of sea ice has been observed. The period of frozen sea has also been observed as decreased.     

联合卫星测高和海洋物理数据计算近海稳态海面地形的可行性分析

在系统论的指导下 ,以测量平差中一个浅显的例子作对比 ,巧妙地阐述了联合卫星测高和海洋物理数据计算近海稳态海面地形的可行性 ,进而将可行的计算方案归结为具有本质联系的三类。