2000—2015年北极夏季反照率变化及其与海冰密集度的关系

作为影响极区热平衡的关键因素,北极反照率会对北极气候与环境变化产生重要影响。采用CLARA-A2-SAL(The CM SAF Cloud,Albedo and Radiation)反照率产品分析2000—2015年北极夏季反照率月尺度和年尺度的时空变化,并探索北极反照率与海冰密集度的关系。结果表明,近15年间北极夏季反照率降幅达到12.20%,8月反照率下降趋势最显著,每10年减少0.040;随着海冰的融化,北极夏季反照率发生由高到低的变化;北极中央密集冰区与周边海域的反照率变化呈现出显著的空间差异性;北极反照率与海冰密集度呈稳定的正相关。研究北极反照率的时空变化及其影响因素可为解释海冰变化成因、预测北极海冰变化趋势提供参考。     

从航空数字影像提取北极海冰形态参数的方法研究

在 1999年 7月至 9月的中国首次北极科学考察中 ,对北极密集冰区进行了航空数字相机遥感观测 ,获得一批高分辨率的不同类型海冰数字影像。探讨了利用数字影像分析海冰形态参数的方法。利用这些方法不仅可以分析海冰边缘、密集度、冰水比例等常规参数 ,而且可以获得卫星遥感尚无法探测的一些海冰形态的新参数 ,这些参数将增加对不同类别海冰的认识 ,对于研究北极融冰过程和冰区的海气相互作用提供有价值的手段和分析方法。给出的方法可以应用到中国渤海海冰和其它海域海冰的研究。     

2002年——2011年北极海冰时空变化分析

基于2002年-2011年AMSR-E海冰密集度数据, 分析了北极海冰的时空变化特征及其原因。结果表明海冰外缘线面积每年减小8.28×10⁴ km², 下降趋势最快的季节为夏季, 下降速度是1979年-2006年的两倍多, 而且海冰密集度也在降低。2003年、2004年的冰情相对较重, 2007年海冰面积最小。长期冰在2002年-2010年间减少了近30%, 减少的区域主要在波弗特海、楚科奇海、东西伯利亚海、拉普贴夫海、喀拉海以及由这些边缘海向北极方向延伸的北冰洋的广大区域, 长期冰减少的地方大部分为季节性海冰增加的地方。海冰面积与年平均气温之间有显著的负相关关系, 随着全球气候变暖的加剧, 这种减小趋势将会持续。     

基于形态学的海冰外缘线自动提取

海冰外缘线是一个描述北极海冰快速变化的重要指示参数,对近岸冰区航行保障和海冰灾害预警具有实际意义。本文首先基于形态学中的方法分别识别数据中的主体冰域、主体水域和碎冰区。其次利用可变图像闭运算方法将较大碎冰与主体冰区合并,最后再利用连通域方法提取海冰外缘线。该方法可适用于任何冰水二值数据集,包括海冰密集度产品数据、卫星图像、航拍图像以及其他冰水混合数据。本文基于AMSR-E海冰密集度数据,利用此方法提取了北冰洋10个区域的海冰外缘线,与15%海冰密集度等值线比较表明,本文方法能够保留较大面积的碎冰区域,并将其与主体冰域合并处理,因此所提取的海冰外缘线在衡量大尺度海冰范围方面更为合理。     

2002年—2011年北极海冰时空变化分析

基于2002年—2011年AMSR-E海冰密集度数据,分析了北极海冰的时空变化特征及其原因。结果表明海冰外缘线面积每年减小8.28×104km2,下降趋势最快的季节为夏季,下降速度是1979年—2006年的两倍多,而且海冰密集度也在降低。2003年、2004年的冰情相对较重,2007年海冰面积最小。长期冰在2002年—2010年间减少了近30%,减少的区域主要在波弗特海、楚科奇海、东西伯利亚海、拉普贴夫海、喀拉海以及由这些边缘海向北极方向延伸的北冰洋的广大区域,长期冰减少的地方大部分为季节性海冰增加的地方。海冰面积与年平均气温之间有显著的负相关关系,随着全球气候变暖的加剧,这种减小趋势将会持续。     

北极海冰再次接近历史最低

日前,极地科学家分析完冰雪中心的数据后说。随着北半球秋季的即将落幕,北极的温度又开始降低,每年北极海冰面积的最小值通常都会在这时（9月中旬）出现。而今年的9月14日,北极海冰覆盖面积降到了全年最低,再一次非常接近了2007年创造的自1979年有纪录以来的历史最低。     

基于卫星测高后向散射系数的极区海冰分布特性研究

海冰对气候变化非常敏感,了解极地海冰分布范围和表面属性不仅对于极地环境非常重要,对全球温度趋势估计和建立全球气候模型非常关键。ENVISAT卫星可覆盖至南北纬81.4°,其携带的RA2雷达高度计为极地海冰研究提供了周期性的主动微波海冰探测途径。本文用ENVISAT雷达高度计探测的Ku波段后向散射系数对2011年南极和北极各月份的海冰覆盖特征（范围和海冰表面属性）进行了详细研究,利用海水和海冰的不同散射特征,设置后向散射系数阈值为13db可成功分离海冰和海水。除夏季外,雷达高度计和美国冰雪数据中心基于辐射计获取的极区海冰覆盖边界高度符合。因北极中央区域（81.4°N以北）没有轨迹覆盖,本文只估计了南极海冰的覆盖面积,夏季海冰的覆盖范围面积比辐射计探测结果偏大,这和雷达高度计对离散薄冰较强的观测能力关,在海冰密集分布的其他季节结果则有很好的符合,其中冬季面积平均差异为0.17 Mkm2。分析了南极和北极海冰的分布特征差异,和南极相比北极冬季海冰表面较粗糙干燥,而夏季海冰表面湿度较大。本文研究结果表明ENVISAT雷达高度计可准确的探测包括海冰覆盖和海冰表面属性变化在内的海冰季节性演变过程,可在海冰监测、极地科考等领域中发挥重要作用。     

极区海冰密集度AMSR-E数据反演算法的试验与验证

海冰密集度是极区海冰监测的重要参数,目前分辨率最高的微波海冰密集度产品为德国Bremen大学发布的针对AMSR-E 89 GHz频段数据利用ASI算法反演的网格数据。为实现中国极区遥感产品从无到有的战略步骤,本文针对AMSR-E 89GHz频段微波数据的ASI算法,进行了插值算法、系点值和天气滤波器一系列试验。针对北极海区,着重对影响反演结果的主要参数——纯冰和纯水的亮温极化差异阈值,即系点值(P₁和P₀)进行了2009年全年的统计分析。研究表明,2009年北极纯冰和纯水的代表区域P₁和P₀年平均值分别为10.0 K和46.67 K;2 K以上的系点值差异引起的海冰密集度差别较为显著;同样的系点值差异在不同极化差异P取值范围对海冰密集度的影响也不同。通过统计确定的系点值推算并修正了海冰密集度反演公式,对2009年全年北极海冰密集度进行了反演,并与Bremen大学产品进行了比较。继而对白令海和楚科奇海12个晴空下MODIS可见光样本数据进行反演,以验证AMSR-E冰密集度反演结果,并对误差原因进行了分析。本研究反演结果与MODIS样本比对的误差略小于Bremen大学的反演产品,空间平均误差为3.84%,空间平均绝对误差10.83%。     

CryoSat-2雷达高度计海冰波形优选特征分类

监测海冰的类型变化或厚度变化是较为有效的海冰监测方式,本文通过CryoSat-2雷达高度计对北极海冰类型开展研究。利用雷达高度计对北极海冰进行分类,一方面是难以挑选出最优特征参数,另一方面单一的雷达高度计数据难以实现海冰的相对精细化分类。针对以上问题,本文构建了一种利用卡方检验、互相关信息及Wrapper包装法组合的特征优选方法,利用该方法挑选出的特征子集（SSD+Sigma0+LTPP+PP+SK+LEW）结合随机森林分类法将北极地区的雷达高度计数据分为海水、一年薄冰、一年厚冰及多年冰。本文方法在训练集分类正确率为93.32%,验证集正确率为92.42%,Kappa系数为0.90,均优于其他特征组合,可以基本实现对北极地区海冰的有效分类,同时分类结果也有助于海冰厚度的反演。     

基于TerraSAR-X全极化数据的北极地区海冰信息提取

北极地区海冰既受全球气候变化的影响,同时也影响着全球气候的变化,因此,北极地区已成为研究全球气候变化的热点区域之一。然而,由于北极地区环境恶劣,传统的实地勘测方法成本高,且难度较大。遥感技术,特别是合成孔径雷达(SAR)和全极化SAR技术的迅速发展,为北极地区海冰信息的提取提供了更加有效的数据获取方法。以TerraSAR-X全极化数据为基础,采用SEATH(separability and thresholds)面向对象影像分析方法,评估各种极化特征用于提取北极地区海冰信息的能力,并通过分类实验对其结果进行验证。研究表明:|VV|,T11和SPAN等极化特征对海冰具有较好的区分度,这将为大范围的北极地区海冰信息提取以及海冰监测卫星的参数设计提供理论基础。     

NASA MODIS海冰产品评价分析——以辽东湾海冰监测为例

NASA开发的MODIS海冰产品可提供全球范围的海冰分布和冰表温度信息,但将其直接用于局地和区域海冰监测时,其精度还有待进一步验证.以辽东湾冬季海冰监测为例,对MODIS海冰产品进行了分析,发现该产品将区域内绝大部分海冰标识为云.根据NASA的海冰算法,利用反射率和冰表温度(Ice Surface Temperatur...     

联合卫星重力、卫星测高和海洋资料研究全球海平面变化

利用GRACE、卫星测高和海洋实测温盐数据,探讨了2003~2012年间全球海平面、比容海平面和海水质量等的变化特征,并讨论了南极冰盖和格陵兰冰盖消融对全球海平面变化的影响。全球海平面整体呈上升趋势,上升速度为2.72±0.07 mm/a,且存在显著的空间分布特征。全球海平面、比容海平面和海水质量等的变化还具有显著的季节性特征,其中全球海平面变化的年周期振幅为4.6±0.3 mm。使用经验正交函数分析(EOF)得到全球海平面和比容海平面的季节性变化在南北半球存在显著的差异,但海水质量季节性变化不存在这种差异。南极冰盖和格陵兰冰盖的消融速率分别为-75.7±12.3 Gt/a和-124.1±2.9 Gt/a,对海平面的长期趋势项贡献分别为0.21±0.03 mm/a和0.34±0.01 mm/a,仅占全球海水质量增加速度1.80±0.10 mm/a的12%和19%,总计占31%,因此,两极冰盖质量消融并不是2003-2012年间海水质量增加的最主要因素。     

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。     

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.     

海冰微波辐射传输模式和实验研究

海冰是影响地球热循环的重要因素。以海冰和海水的微波热辐射为源,并通过位于海面遥感海冰的３层分层介质系统的分析,取得中间介质厚度与所接收到的辐射亮温有如下模式：ＴＢ＝Ａ＋Ｂｅ－ＣＤ。其中Ａ,Ｂ,Ｃ与遥感系统的极化,使用角度和角频率有关,可以通过实际地面的海冰测试试验获得。该模式符合电磁场在有损介质中的传播特性,反映出被动微波遥感所接收到的能量与传播距离的关系。近几年来,根据该模式,使用４个频段微波辐射计在地面进行实测（入射角为０°）,在飞行中使用３个频段,结果空中和地面基本符合。实践证明其模式是正确的可行的。文中给出在辽东湾测得航线上的冰厚度分布和亮度温度与冰厚度的统计曲线。最后指出影响测量并限制对厚度识别的几种因素。     

Variations in the Ice Phenology and Water Level of Ayakekumu Lake,Tibetan Plateau,Derived from MODIS and Satellite Altimetry Data

The alpine lakes on the Tibetan Plateau (TP) are highly sensitive to variations in climate changes, and the lake ice phenology and water level are considered to be direct indicators of regional climate variability. In this study, we first used 14 years of moderate resolution imaging spectroradiometer snow cover products to analyse the freeze dates, ablation dates, and ice coverage durations. The lake level changes during 2002–2015 were estimated, derived from satellite altimetry and Hydroweb data. Unexpectedly, the freeze dates of lake ice greatly advanced, and the ablation dates were markedly delayed. The complete freezing duration lengthened by approximately 77 days. As a result of the warm-wet climate in the northern TP, the lake area expanded from 770 to 995 km² during 2002–2015, and the water levels rose by 4.2 m in total, at a rate of 0.3 m/year. The progressive expansion of Ayakekumu Lake profoundly affected the ice phenology. Larger water volume with larger thermal capacity likely led to the delaying of ablation dates, with the freezing point depression caused by decreasing salinity. Some new narrow and shallow bays located in southern and eastern Ayakekumu Lake were conducive to early freezing of ice. Additionally, the changes in air temperature, precipitation, potential evaporation, and sunshine duration may be related to the prolonged ice cover duration since 2002. In sum, accurate measurements of lake ice and water levels are critical for understanding the water resource balance and hydrologic cycle in arid or semi-arid regions of China.