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。     

利用CryoSat-2测高数据研究南极威德尔海海冰出水高度时空变化

为了提高南极海冰出水高度的估算精度,以威德尔海为例,基于CryoSat-2卫星测高数据,联合冰桥计划(IceBridge)机载测高数据和科考船走航观测数据,获取应用最低点高程法反演海冰出水高度的最佳估计参数,进而估算并分析了2011—2017年,每年5月—10月威德尔海海冰出水高度的时空变化。结果表明,最佳的出水高度估算方案为采用0.8倍标准差剔除高度计观测值粗差后,选择沿轨10 km数据段并取最小5%的样本点平均值作为局地海面高估算海冰出水高度;近7年来南极威德尔海月均海冰出水高度总体呈现略微变薄的趋势,变化范围在17.9~27.4 cm之间;威德尔海海冰出水高度的分布呈现东薄西厚的特征,较大值主要分布在西威德尔海以及南极半岛东部海域。上述结论可为进一步研究南极海冰厚度变化对气候变化的响应提供参考。     

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。     

基于Bootstrap算法的FY-3/MWRI北极海冰密集度反演

海冰作为全球气候系统的重要组成部分,不仅影响着大气与海洋环流,也是气候变化的重要指示器。海冰密集度是描述极地海冰极为重要的地球物理参数之一。本文基于风云三号卫星微波成像仪(MWRI)亮温数据开展北极海冰密集度反演研究,采用线性回归和阈值法确定了动态亮温系点值,利用天气滤波器和陆地污染修正法消除了天气和陆地对海冰密集度反演的影响,计算了2019年—2020年海冰范围和海冰面积并与同类产品进行了比对。结果表明,本研究获取的北极海冰密集度产品与NSIDC发布的海冰密集度产品有较高的相关性,海冰密集度的差异在冬季小于3%,夏季小于8%。利用SAR数据进行了不同产品的结果评估,结果表明本文算法的反演结果优于NASA Team算法,在冬季精度约有1%的提升,在夏季精度约有4%左右的提升。动态亮温系点值较好地反映了海冰辐射特性的季节变化。本研究为中国自主卫星的海冰密集度产品的业务化发布奠定了基础。     

CHAMP重力卫星结果在中国海及邻近海域的初步分析

利用世界上第一个采用高低卫_卫跟踪技术的CHAMP重力卫星计划导出的全新的高精度全球长波重力场模型EIGEN_1S结果 ,根据二维高斯滤波原理 ,基于相同空域尺度对卫星重力结果和由卫星测高解算的几种版本的海洋重力异常数据进行了长波部分的分析研究。结果表明 ,在中国海及其邻近海域卫星重力数据与卫星测高解算的海洋重力异常数据之间存在明显的偏差。     

美国NASA冰桥(IceBridge)科学计划:进展与展望

美国NASA于2009年启动的IceBridge“冰桥”科学计划利用航空平台搭载的多源遥感传感器已在极区获取了连续的、高质量的观测资料。本文从多源航空遥感传感器及其采集数据的角度, 对冰桥(IceBridge)科学计划做了详细介绍。其航空平台搭载的遥感传感器大致可以分为数字相机、激光雷达、雷达、重力以及辅助设备5类。本文又从冰雪3维立体制图、冰盖高程变化监测与物质平衡估算、海冰厚度与分布时空变化探测、卫星遥感校正与验证等4个方面对冰桥极地多源航空遥感数据的应用研究做了展望。冰桥科学计划将会大大促进人类对于气候变暖背景下两极所发生变化的理解。     

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...     

南极冰盖DEM机载测高验证与分析——以西南极Thwaites冰川为例

利用冰桥计划(IceBridge)在西南极Thwaites冰川的机载激光测高数据,对ICESat卫星测高数据和目前国际常用的4种南极DEM,包括Bamber 1km DEM、ICESat DEM、RAMPv2DEM和JLB97DEM的精度进行了验证和分析。结果表明,ICESat卫星测高数据和ICESat DEM有着较高的高程可靠性,其与冰桥计划机载测高数据的平均高程差小于5m,标准差小于15m。Bamber 1km DEM高程可靠性相比ICESat卫星测高数据和ICESat DEM低一些。JLB97DEM、RAMPv2DEM与冰桥计划机载测高数据之间的标准差超过30m,尤其在坡度较大的区域,高程可靠性低。     

美国NASA冰桥(IceBridge)科学计划:进展与展望

美国NASA于2009年启动的IceBridge"冰桥"科学计划利用航空平台搭载的多源遥感传感器已在极区获取了连续的、高质量的观测资料。本文从多源航空遥感传感器及其采集数据的角度,对冰桥(IceBridge)科学计划做了详细介绍。其航空平台搭载的遥感传感器大致可以分为数字相机、激光雷达、雷达、重力以及辅助设备5类。本文又从冰雪3维立体制图、冰盖高程变化监测与物质平衡估算、海冰厚度与分布时空变化探测、卫星遥感校正与验证等4个方面对冰桥极地多源航空遥感数据的应用研究做了展望。冰桥科学计划将会大大促进人类对于气候变暖背景下两极所发生变化的理解。     

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。     

北极一年海冰表面积雪深度遥感反演与时序分析

北极海冰表面的积雪深度是重要的地球物理变量, 是研究物质与能量平衡、计算海冰厚度的重要参数。为减小不同被动微波传感器观测数据的系统误差, 对国防气象卫星计划(Defense Meteorological Satellite Program, DMSP)F17-SSMIS与F13-SSM/I重叠期亮度温度数据进行交叉定标, 建立4个频段48个月尺度定标模型, 并与传统年尺度定标模型进行比较和优选, 在此基础上估算并分析2003-2014年北极一年海冰表面积雪深度变化。结果表明:19H、19V、22V、37V频段1~5月的月尺度模型决定系数高于传统年尺度拟合模型; 2003-2014年, 北极一年海冰表面积雪深度总体呈现下降趋势, 同时积雪深度存在明显的周期性变化, 每年7月积雪深度最小, 9月最大; 东西伯利亚海、拉普捷夫海和巴伦支海海冰表面积雪深度呈现减少的趋势。     

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。     

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%。     

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。     

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。     

三种国际主流的北极卫星遥感冰速产品评估和分析

冰速是海冰的重要参数，但是受资料长度限制，对卫星遥感冰速产品进行系统比较和评估的研究还较少。利用2009年—2017年国际北极浮标计划（IABP）浮标冰速数据，较系统地评估了不同时间间隔的遥感反演冰速产品在北冰洋内区和弗拉姆海峡附近海区的表现。结果显示，对北冰洋内区而言，1 d间隔的美国国家雪冰数据中心（NSIDC）遥感冰速冬季误差整体大于夏季，冬季高估了波弗特海南部海冰向西的运动，低估了从喀拉海流向格陵兰岛北部的穿极流。对于5种2 d间隔冰速产品而言，产品精度不完全取决于源数据空间分辨率的高低，反演算法的改进和数据融合均能提高冰速的精度，均方根误差大小的顺序是OSISAF-Merged <OSISAF-AMSR <Ifremer-AMSR <OSISAF-SSM < OSISAF-ASCAT。对于4种使用相同反演算法的3 d间隔的冰速产品，产品的均方根误差取决于源数据分辨率，空间分辨率最高的Ifremer-AMSR冰速均方根误差最小。比较不同种类、不同时间间隔冰速的月平均均方根误差后可知，采用3 d间隔反演的冰速由于能够忽略更多短时间尺度海冰运动，其冰速均方根误差低于2 d间隔的冰速。在弗拉姆海峡，除Ifremer-AMSR外，其余冰速产品均具有较大的经向偏差和均方根误差。在冰速较快弗拉姆海峡，冰速产品均方根误差取决于源数据的分辨率。     

FY-3B/MWRI和Aqua/AMSR-E海冰密集度比较及印证

本文对2011-07-01—2011-09-30风云三号B星(FY-3B)搭载的微波成像仪MWRI(Microwave Radiometer Imager)和Aqua卫星搭载的微波扫描辐射计AMSR-E(Advanced Microwave Scanning Radiometer for Earth Observing System)观测数据获取的海冰密集度产品进行比较及印证。首先,逐日比较FY-3B/MWRI和Aqua/AMSR-E区域平均海冰密集度;其次,逐月比较FY-3B/MWRI和Aqua/AMSR-E月平均海冰密集度;最后,使用Aqua卫星搭载的中等分辨率成像光谱辐射计MODIS数据进行印证。MWRI和AMSR-E比较结果为(1)MWRI与AMSR-E逐日区域平均海冰密集度变化趋势一致,MWRI海冰密集度均高于AMSR-E,7—9月MWRI与AMSR-E逐日平均偏差月平均值分别为8.55%、7.67%、2.58%,逐日标准差月平均值分别为12.16%、12.08%、10.43%,二者差异逐月减小。(2)MWRI与AMSR-E月平均海冰密集度差呈现逐月递减趋势,7—9月MWRI与AMSR-E逐月平均偏差分别为7.37%、6.53%、1.51%,逐月标准差分别为4.61%、4.36%、3.64%,MWRI与AMSR-E差异逐月减小的原因是二者在密集度较低的边缘区域差异较大,而夏季随着边缘区域海冰的融化,二者差异逐渐减小。MWRI和AMSRE海冰密集度与MODIS印证结果为:(1)密集度小于95%情况下,MWRI与AMSR-E海冰密集度均比MODIS偏高,AMSR-E更接近MODIS,MWRI高估,误差较大。(2)密集度大于等于95%情况下,MWRI与AMSR-E海冰密集度均比MODIS偏低,AMSR-E偏低更多,MWRI结果更好。