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。     

基于Radarsat-2 SAR图像分类与HY-2微波辐射计反演获取北极海冰密集度的比较研究

在北极东北航道东西伯利亚海和楚科奇海交汇的关键区域,利用四景2012年北极夏季Radarsat-2 SAR海冰图像,通过图像分类提取了海冰密集度;同时采用NASA TEAM算法,基于海洋二号(HY-2)卫星扫描微波辐射计亮温数据反演了对应区域的海冰密集度;并引入美国冰雪数据中心(NSIDC)发布的SSMIS海冰密集度产品进行了对比研究。通过不同来源海冰密集度数据的分析发现HY-2、SAR和SSMIS的结果在4个研究区域上的分布趋势基本吻合;但在海冰边缘区,由SAR图像分类得到的海冰密集度高于HY-2和SSMIS的反演结果,说明了高分辨率的SAR图像在监测边缘区小尺寸浮冰上有优势。三种数据中,原始分辨率相同(25 km)的HY-2与SSMIS的结果最为相近,而HY-2同SAR的相关性与SAR同SSMIS的相关性一致。在冰边缘,HY-2的反演值偏低于SAR和SSMIS的结果,这是受该处较高水汽含量影响的结果,也是未来发展HY-2微波辐射计反演算法需要重点改进的地方。     

基于改进FCLS算法的南极海冰密集度估算及算法比较

海冰具有良好的热力隔绝效应,它通过影响海洋和大气的热交换进而影响全球的气候变化。海冰密集度是极区海冰研究的重要指标之一。为实现高空间分辨率多类型海冰密集度的估算,本文将亮温极化梯度率和光谱梯度率引入基于全约束最小二乘法(fully constrained least squares,FCLS)的海冰密集度估算方法,并利用南极海冰过程与气候计划(Antarctic Sea Ice Processes and Climate,ASPe Ct)对改进方法的精度进行验证,然后与NASA Team2(NT2)算法和ARTIST Sea Ice(ASI)算法获得的海冰密集度结果进行了对比分析。结果显示,3种算法中本研究的方法精度最高,全年均方差13.8%,偏差为-0.7%;改进的方法对多年冰的估算精度优于一年冰。     

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。     

应用AMSR-E 89GHz遥感数据反演北极多年冰密集度

被动微波辐射计AMSR-E在89GHz频段的空间分辨率几乎是其它低频段的2倍。到目前为止,已经有成熟的算法采用AMSR-E 89GHz频段的数据来反演整体海冰的密集度,而本文根据89GHz频段亮温数据针对一年冰、多年冰以及无冰水面的不同特性,提出了一种反演多年冰密集度的方法(AC)。计算了2007年北极的整体海冰和多年冰密集度,并与NASA TEAM算法(NT)的结果作了比较。对于整体海冰密集度,两种算法反演的结果基本一致。从日平均上来看,AC算法得到的整体海冰覆盖面积只比NT算法多25万km2。但是对于多年冰的反演结果,AC算法得到的结果比NT的结果要多出146万km2,冬季差别尤其大。造成这种差别的原因可能是AC算法对于北极表面气温的变化比较敏感。另外,AC算法计算得到2007年最大海冰覆盖面积为1400万km2,最小海冰覆盖面积为400万km2,这与其它研究结果一致。     

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...     

面向航运服务的海冰密集度遥感产品对比研究

北极快速升温为北极通航窗口期延长提供了重大机遇,为北极航运和极区科考船只的空间信息提供服务,海冰边缘区浮冰遥感信息产品的可靠性非常关键.对比和分析了9种海冰密集度数据产品,并采用高分雷达数据开展面向海冰边缘区精度评估.结果表明,北极地区的9种海冰密集度产品相对其平均值的最大日偏差出现在夏季6—8月航道窗口期,其中采用被...     

基于SAR图像纹理的北极海冰厚度的反演研究

基于七景北极Radarsat-2 SAR图像以及中国第六次北极科学考察走航期间利用船侧录像观测获得的平整冰厚度数据,通过灰度共生矩阵计算纹理,确定了最适合反演海冰厚度的纹理参数。并分析了海冰厚度与纹理之间的相关关系,探讨了纹理反演海冰厚度的可能性。选取了最合适的纹理特征进行拟合,并利用所得经验方程进行反演验证,结果与实测数据吻合较好,平均相对误差13.7%。与传统的仅依靠后向散射系数反演海冰厚度进行对比,新方法的误差更小,证明了纹理特征反演冰厚的优势。     

应用风云三号D星微波数据估算北极海冰面积和边缘线的精度评估

风云三号D星搭载的微波成像仪(microwave radiation imager,MWRI)可提供被动微波数据以实现全北极尺度的海冰面积和海冰边缘线研究。基于MWRI数据获取北极海冰面积和海冰边缘线的相关研究较少,且精度验证工作不足。使用基于6种算法的MWRI数据的海冰密集度结果,提取北极的海冰面积和海冰边缘线,将专用传感器微波成像仪/探测仪(special sensor microwave imager/sounder, SSMIS)和先进微波扫描辐射计(advanced microwave scanning radiometer2,AMSR2)数据作为对比,使用中分辨率成像光谱仪(Moderate-Resolution Imaging Spectroradiometer, MODIS)融合产品(2019年8月26日—12月31日)评估精度。结果表明, MWRI数据的海冰面积随时间变化的趋势与MODIS融合产品基本保持一致。MWRI提取的海冰边缘线相比SSMIS更接近MODIS融合产品获得的结果,均方根误差约为20～30 km。这些差异主要和数据间时空分辨率有关。总之, MWRI具...     

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AMSR-E遥感数据应用强度比参数确定多年冰的方法探讨

研究发现,AMSR-E的垂直极化的18.7 GHz(V18.7)和36.5 GHz(V36.5)的亮温比值在一年冰覆盖区域主要是相应频段的海冰微波发射率之比,而在多年冰覆盖区域受海冰微波发射率和海冰温度共同影响,并且海冰年龄越大亮温比值也越大。应用强度比参数可以比较好地确定冬季一年冰与多年冰之间的阈值,其中,在该阈值处,强度比梯度达到最大。该阈值呈现明显的季节性变化规律,在冬季阈值比较稳定,而在夏季受海水的影响变化范围比较大。应用强度比方法确定的多年冰范围,与NASA Team2(NT2)方法相比在大西洋扇区差异非常小;而在太平洋扇区出现比较大的差异。对比发现强度比法确定的多年冰范围一般大于NT2法。     

北冰洋78°N冰站近地层参数的观测研究

利用2003年8月22日-9月3日中国北极科学考察队在北冰洋78°N浮冰站获得的近地层观测资料,采用整体输送法对北冰洋浮冰近地层特征参数进行了分析研究。结果表明,在考察期间,雪面吸收的净辐射仅为3.6 W/m2,其中以感热和潜热向大气输送的能量分别占52%和31%,向海冰深层传导的热量很少;近中性层结条件下的平均拖曳系数Cdn为1.16×10-3,略小于75°N北冰洋浮冰上近中性层结的Cdn。与1999年75°N附近冰站观测结果的对比表明,当海冰密度及冰站所在浮冰的尺度不同时,海冰与大气相互作用的热力学和动力学过程的差异显著,在研究北冰洋地区海/冰/气相互作用对气候过程影响时,应考虑这一问题。     

影响北极地区迅速变化的一些关键过程研究

最近研究证明 ,近半个世纪来 ,北极地区正在发生迅速变化。部分地区温度上升了 2- 3°C ,北冰洋海冰退缩 5 %,中心地区海冰厚度变薄 ,海面压力降低 ,中上层水淡化和变暖 ,吸收CO2 能力增加 ,臭氧耗损和紫外线辐射增强。中国于 1 999年开展了“中国首次北极科学考察” ,在楚科奇海、加拿大海盆、白令海以及临近海域开展了海冰气相互作用的多学科综合考察 ,对北极的区域特征及其在全球变化中的作用研究获得一些新的认识。观测到加拿大海盆中层水持续增暖的现象 ,揭示了西北冰洋与白令海水体交换的途径和次表层暖水结构 ,发现了加拿大海盆是北冰洋河水的主要储存区。利用联合冰站观测数据 ,模拟了北冰洋夏季大气边界层结构和下垫面能量平衡的变化特征 ,定量给出了北冰洋夏季海 /气和冰 /气之间湍流通量和边界层参数的差异。海 /气CO2 的通量观测表明 ,考察区的大部分海域均为大气CO2 汇区 ;西北冰洋海冰区具有较高的生物泵运转效率 ,楚科奇海陆架是一个高效的有机碳“汇”区 ,寒冷水体中微生物活动并未受到明显抑制。沉积物的地球化学过程研究表明 ,海底表层沉积物中碘含量存在着由低纬度到高纬度增加趋势 ,北极地区可能是碘的汇区 ,碘可作为极区古海洋中的地球化学元素变化的重要指标。楚科奇海、白令海     

2010年夏季北极海冰数值预报试验

为保障我国第四次北极科学考察的顺利开展,于2010年6～8月开展了北极海冰预报预测服务。预报试验基于MITgcm （麻省理工学院通用环流模式）,以NCEP GFS（美国国家环境预测中心全球预报系统）资料为大气强迫,初始化分别使用美国冰雪中心SSM/I（专用微波成像仪）或德国不莱梅大学AMSR-E（地球观测系统先进微波扫描辐射计）北极海冰密集度卫星资料。对2010年6～8月预报结果的初步评估表明,预报结果同卫星观测资料比较一致。在发生快速海冰变化的太平洋扇区,预报结果优于惯性预报,表明模式具有较好的局地海冰数值预报能力。     

南北极海冰变化及其影响因素的对比分析

海冰是海洋-大气交互系统的重要组成部分,与全球气候系统间存在灵敏的响应和反馈机制。本文选用欧洲空间局发布的1992—2008年海冰密集度数据分析了南北极海冰在时间和空间上的变化规律与趋势,并结合由美国环境预报中心(National Centers for Environmental Prediction,NCEP)和美国大气研究中心(National Center for Atmospheric Research, NCAR)联合制作的NCEP/NCAR气温数据和ENSO指数探讨了南北极海冰变化的影响因素。结果表明,北极海冰面积呈明显的减少趋势,其中夏季海冰最小月的减少更快。北冰洋中央海盆区、巴伦支海、喀拉海、巴芬湾和拉布拉多海的减少最明显。南极海冰面积呈微弱增加趋势,罗斯海、太平洋扇区和大西洋扇区的海冰增加。北极海冰面积与气温有显著的滞后1个月的负相关关系(P0.01)。北极升温显著,北冰洋中央海盆区、喀拉海、巴伦支海、巴芬湾和楚科奇海升温趋势最大,海冰减少很明显。南极在南大西洋、南太平洋呈降温趋势,海冰增加。北极海冰减少与39个月之后ONI的下降、40个月之后SOI的上升密切相关;南极海冰增加与7个月之后ONI的下降、6个月之后SOI的上升存在很好的响应关系。南北极海冰变化与三次ENSO的强暖与强冷事件有很好的对应关系。     

Experiment of near surface layer parameters in ice camp over Arctic Ocean

Estimates of near surface layer parameters over 78°N drifting ice in ice camp over the Arctic ocean are made using bulk transfer methods with the data from the experiments operated by the Chinese Arctic Scientific Expedition in August 22-September 3,2003.The results show that the net radiation received by the snow surface is only 3.6 W/m2,among which the main part transported into atmosphere in term of sensible heat and latent heat,which account for 52% and 31% respectively,and less part being transported to deep ice in the conductive process.The bulk transfer coefficient of momentum is about 1.16×10-3 in the near neutral layer,which is a little smaller than that obtained over 75°N drifting ice.However,to compare with the results observed over 75°N drifting ice over the Arctic Ocean in 1999,it can be found that the thermodynamic and momentum of interactions between sea and air are significant different with latitudes,concentration and the scale of sea ice.It is very important on considering the effect of sea-air-ice interaction over the Arctic Ocean when studying climate modeling.     

海冰在海气交换中的作用及其与海雾的关系

本文用了 1 999年夏季中国首次北极科学考察队对海冰、大气和海洋进行的同步和准同步的综合立体观测所获取的资料 ,研究海冰在海 气相互作用中扮演的角色。发现海冰的种类、分布、冰厚等变化对海气热交换都有重要影响。在浮冰区海洋以潜热的形式向大气输送热量 ,潜热通量与浮冰密集度的大小密切有关 ,浮冰越少潜热通量越大 ,潜热通量约为2 1～ 2 3 .6W /m2 ,潜热通量大于感热通量 ;在冰盖和大浮冰块上 ,大气以感热的形式向冰雪面上输送热量。新生的浮冰区或冰间湖是海气热交换最激烈的地方 ,是气候最敏感的区域 ,是北冰洋蒸汽雾生成的重要条件。用层结大气整体动力学输送法 ,计算了一次大范围的蒸汽雾过程的海气热交换 ,海洋向大气输送的热量总功率约为 1 4 8亿千瓦 ,相当于中国发电能力的 69倍 ,相当于大西洋向北冰洋输送热量平均功率的 1 / 2 0。北冰洋的夏季能够形成各种类型的海雾 :辐射雾、蒸汽雾和平流雾 ,其重要原因就是因为海冰的存在 ,使下垫面的性质复杂化 ,海气交换复杂化。     

Climate states and variability of Arctic ice and water dynamics during 1946–1997

Recently observed changes in the Arctic have highlighted the need for a better understanding of Arctic dynamics. This research addresses that need and is also motivated by the recent finding of two regimes of Arctic ice - ocean wind-driven circulation. In this paper, we demonstrate that during 1946-1997 the Arctic environmental parameters have oscillated with a period of 10-15 years. Our results reveal significant differences among atmosphere, ice, and ocean processes during the anticyclonic and cyclonic regimes in the Arctic Ocean and its marginal seas. The oscillating behaviour of the Arctic Ocean we call the Arctic Ocean Oscillation (AOO). Based on existing data and results of numerical experiments, we conclude that during the anticyclonic circulation regime the prevailing processes lead to increases in atmospheric pressure, in ice concentration and ice thickness, river runoff, and surface water salinity - as well as to decreases in air temperature, wind speed, number of storms, precipitation, permafrost temperatures, coastal sea level, and surface water temperature. During the cyclonic circulation regime the prevailing processes lead to increased air and water temperatures, wind speed, number of storms,open water periods, and to decreases in ice thickness and ice concentration, river runoff, atmospheric pressure, and water salinity. The two-climate regime theory may help answer questions related to observed decadal variability of the Arctic Ocean and to reconcile the different conclusions among scientists who have analysed Arctic data obtained during different climate states.     

2010年夏季北极冰情变化及大气环流场演变

利用美国冰雪中心(NSIDC)资料分析2010年夏季中国第4次北极科学考察期间北极海冰的冰情变化,并通过NCEP再分析资料对同时期的大气环流演变进行分析,发现6月与8月环流形势为偶极子正异常,加速了海冰的融化,其中2010年6月的海冰覆盖范围达到有历史记录以来的6月最低值;7月为低压控制,减缓了海冰覆盖范围的进一步减少...