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-...     

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。     

基于微波辐射计的南极冰盖冻融时空变化分析

基于改进的小波冻融探测算法,利用SMMR和SSM/I数据对南极冰盖1978年—2010年期间的冻融状况进行监测,分析了南极冰盖近31年(1978—2010)和近10年(2000—2010)的整体和区域冻融时空变化特征,结果表明:南极冰盖冻融变化受南极地区温度变化影响比较明显,两者之间具有一定程度的正相关关系,而且南极冰盖冻融具有南极东部和南极西部两种不同的冻融变化特征,南极西部冰盖冻融变化剧烈,南极东部冰盖冻融变化相对稳定,甚至有减弱趋势。     

SSM／I微波辐射计数据陆面温度反演

利用美国防卫气象卫星计划（OMSP）特别微波辐射／成像计（SSM／I）的多通道微波辐射亮温数据，开展中国陆地区域陆地表面温度反演研究，选择1997年7月20／24日的SSM／I数据，先对中国陆地区域的数据进行处理与成像，然后基于Holliger算法利用七个通道数据进行地表类型分类，最后利用SSM／I数据的统计算法进行中国区域内的陆面温度反演研究，并用NOAA－AVHRR反演的温度数据进行分析比较，其结果与实际情况基本一致，研究结果表明，SSM／I微波辐射计数据可以为大面积的陆面温度反演提供快速的研究方法，为全球变化研究提供一种新资料。     

1978~2014南极海冰边缘线长度时间序列变化

基于SMMR和SSM/I海冰索引数据集,建立并分析了1978-11至2014-12月36a的南极海冰边缘线长度时间序列。南极冰缘线长度增长速度为19.54±16.31km/a(p0.05)。每年海冰范围从3月开始增长,9月达到峰值然后下降;冰缘线长度也呈现稳定的周期性变化,在3~8月缓慢增长,继而略微下降,11月开始迅速增长,12月到达峰值后迅速下降。通常冰缘线长度最大值出现在12月,最小值在3月。冰缘线长度的变化与海冰范围和海冰形状FRAC指数相关,在3月、11月、12月,冰缘线长度的变化趋势与海冰形状FRAC指数一致,与海冰范围相反。在其他月份冰缘线长度的变化趋势则与海冰范围相同,与海冰形状FRAC指数相反。在5个地理分区中,印度洋区、罗斯海区冰缘线长度呈正增长趋势,别林斯高晋海区呈明显负增长趋势,西太平洋区、威德尔海区变化趋势不明显。5个地理分区的冰缘线长度都只在个别月份呈现明显的趋势变化,大部分时间没有明显趋势。     

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。     

玉米地组分亮度温度分类变化研究

以玉米整个生长期野外热红外辐射观测数据为基础,对两种组分亮温分类方法作了比较,并对玉米地组分亮温的变化特征展开了分析。结果表明,农田亮温组分的数目和数值随测量时间和日期改变。在整个测量期间,在当地时间中午前后,农田呈现出3个亮温组分植被、被阳光照到的亮土和植被阴影下的暗土。观测早期,植被亮温分布相对集中;随着农田植被覆盖率的增高,植被亮温分布逐步分散,组分间温差缩小,部分亮温值相互重叠。产生这些现象的原因将在以后的研究中加以探讨。     

FY-3B/MWRI与GCOM-W1/AMSR-2亮温数据在北极地区的交叉定标

为了使搭载在风云三号B星上的微波成像仪MWRI（Microwave Radiation Imager）与搭载在GCOM-W1(Global Change Observation Mission 1st-Water)卫星上的AMSR-2（Advanced Microwave Scanning Radiometer 2）的数据可以衔接使用,并为以后FY-3B/MWRI北极地区遥感参数反演研究提供基础,以GCOM-W1/AMSR-2数据为对比数据,北极海洋区域为研究区域,对两传感器对应的10个通道的升、降轨亮温数据进行交叉定标。首先,对MWRI和AMSR-2各通道逐月在研究区域进行偏差分析;其次,对MWRI和AMSR-2各通道逐月在海冰区域和开阔水域进行偏差分析;最后,对MWRI和AMSR-2各通道逐月在研究区域进行交叉定标,并对定标结果进行评价。研究结果表明：（1）MWRI各通道亮温数据小于AMSR-2,且相同频率下,垂直极化各通道逐月平均偏差的绝对值大于水平极化各通道,升、降轨数据在各通道的差异较小,逐月平均偏差的差值小于1 K;（2）在海冰区域,升、降轨各通道逐月平均偏差相差小于1 K,在开阔水域则介于0—1.5 K;（3）通过进行线性回归分析,MWRI和AMSR-2各通道相关系数大于0.99,具有强相关性,并得到升、降轨各通道各月份交叉定标的斜率和截距;（4）定标后MWRI的亮温值与AMSR-2的亮温值一致性较好,说明交叉定标的效果较好。     

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。     

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.     

Recent Trends of Arctic and Antarctic Summer Sea-Ice Cover Observed from Space-Borne Scatterometer

Long term variations in Sea ice distribution strongly influence the atmosphere and ocean in the polar regions. In the recent period significant variations in sea ice cover have been observed in both the hemispheres. In the past, studies have been carried out that report the trends either at the Arctic/Antarctic level or at sector level. However, only a few studies have concentrated on the investigation of trends at grid level using scatterometer data. The present study focuses on the investigations of the sea ice trend at 1 × 1 degree grid level over the period 2000–2007 using QuickSCAT 0.2-degree resolution Scatterometer data. It was observed that in the Arctic overall monthly trend is negative in all the sectors, with the Arctic level decline of 3.26% per year. In the Antarctic, region-wise different trends have been observed. Negative trend is observed in the Amundsen- Bellingshausen Seas and also in the Indian Ocean sector near the continental Ice shelves. It was highlighted that significant trends exists within the pockets of marginal seas.     

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。     

全极化微波辐射计对环境参数敏感性分析

为衡量全极化微波辐射计各通道对不同环境参数的探测能力,在构建全极化微波辐射传输正演模型的基础上,采用敏感性分析的方法,在固定背景场条件下,对全极化微波辐射计不同频率、各极化通道亮温对海面风速、海面风向、海面温度、大气水汽含量和云中液态水含量等重要环境参数的敏感度进行了分析和量化计算,对正演模型仿真亮温、星载全极化微波辐射计Wind Sat实测亮温相对于真实背景场参数、NCEP分析场资料和TAO/TRITON浮标实测海面风场数据的敏感性进行了分析。分析结果验证了全极化微波辐射计对海面风场的观测能力,衡量了上述重要环境参数对星载全极化微波辐射计各通道的单独影响程度,为中国自主研制全极化微波辐射计时通道指标设计、环境参数反演通道选取及算法提供支持。     

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。     

Defining a Sea Ice Flag for Envisat Altimetry Mission

This letter presents the development of a sea ice flag algorithm for the Envisat altimetry mission to detect sea ice corrupted sea surface height data within quality control processing. The algorithm takes advantage of having both passive and active microwave sensors on the same platform with coregistered measurements. Its performances have been evaluated based on collocations between the along-track Envisat data with reference maps built from combination of daily grids of sea ice concentration from SSM/I sensors and backscatter cross section from SeaWinds scatterometer on QuikSCAT satellite.     

神舟四号飞船微波辐射计定标和检验（Ⅰ）——微波辐射计外定标

文中针对神舟四号飞船辐射计 (RAD)的在轨定标特点 ,提出一种替代外定标方案 ,即利用地球表面典型地物的微波辐射对RAD的不同通道重新进行定标。选取了全球大洋开阔海域的浮标、星载微波辐射计产品和小岛上气象探空数据 ,通过理论计算得出的亮温作为辐射计测量的低端。利用南美洲热带雨林亮温作为高端 ,重新给出了RAD定标方程。同时 ,为了确定定标的效果 ,分别与国外星载微波辐射计相同或相近通道的亮温进行了比较。另外还结合南海地面配合试验的测量结果对辐射计定标数据进行了分析。     

北极遥感海冰密集度数据的比较和评估

本文利用2012年夏季中国第五次北极科学考察期间雪龙船在北极东北航道走航观测的海冰密集度数据(OBS-SIC),初步评估了7种基于被动微波遥感的海冰密集度产品(PM-SIC)。7种PM-SIC因传感器和反演方法不同,分辨率差异较大(4—25 km)。在海盆尺度的海冰范围反演上7种PM-SIC基本相同,但对小范围浮冰区的反演差异较大。与MODIS可见光图像对比发现,MASAM数据(4 km)对局部小区域海冰刻画较好,是研究近岸区域或海峡岛屿海冰覆盖范围或面积时的首选产品;7种PM-SIC纬向平均后对比分析显示,不同PM-SIC对网格内是否存在海冰的判断基本一致,但对网格内海冰所占的比例(密集度)判断差异较大。结合OBS-SIC按航线、区域、密集度大小3种不同情况对7种PM-SIC进行分类定量评估,结果表明基于AMSR2传感器的AMSR2/ASI和AMSR2/Bootstrap数据与OBS-SIC偏差较小,平均偏差约±1%,均方根偏差仅11%和12%;而SSMIS/NT数据的偏差最大,平均偏差约–15%,均方根偏差为21%,其严重低估了网格内的海冰密集度值;因此具有更高分辨率的AMSR2/ASI数据(6.25 km)是关注海冰密集度大小时的首选产品。     

基于多源遥感数据的北极新冰提取及范围时序变化分析

本文利用多源遥感数据从不同空间尺度对2004年至2012年间北极地区新冰进行了提取并对其范围变化进行了分析。统计分析结果表明,北极海冰总体覆盖面积与北极近地表气温的变化呈反比;新冰覆盖面积的变化与海冰总面积的变化相比较缓慢;北极各个区域新冰覆盖范围的变化与各区域近地表温度的变化有较大的关联。     

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...