基于GPS反射信号的岸基海冰探测的研究

本文论述了全球导航卫星系统反射信号测量（GNSS-R）在海冰介电常数和海冰密集程度方面的潜在的研究价值,对欧洲空间局在格林兰岛迪斯科海岸采集的海冰数据进行分析,处理了两种反射信号的幅度的量化关系,同时跟踪多颗GNSS卫星并且保证了数据处理时间的连续性和有效性。根据双极化反射信号的幅度极化比和模拟海冰表面复介电常数得出结论, 幅度极化比和海冰表面的介电常数变化有联系。     

基于海冰密集度遥感数据的波弗特海海冰时空变化研究

采用美国冰雪数据中心(NSIDC)的日尺度与月尺度海冰密集度数据,将海冰密集度为15%作为阈值确定海冰外缘线位置,提取波弗特海海域的海冰外缘线,计算波弗特海的海冰密集度、海冰范围与海冰面积,然后通过海冰范围与海冰外缘线的年际变化与季节变化来分析波弗特海海冰外缘线退缩的时空变化特征与趋势。实验结果表明,1978—2015年波弗特海的海冰密集度、海冰范围与海冰面积整体变化趋势一致,减少趋势显著。37年来,海冰密集度平均每年减少约0.3%,海冰范围平均每年减少3 235 km2,海冰面积平均每年减少5 084 km2。海冰密集度在1979—1996年无明显减少趋势,1996—2015年减少趋势明显。波弗特海海冰范围一般在9月达到最小值,在11月至次年5月维持在最大值(全冰覆盖状态);海冰面积一般在9月达到最小值,在12月或者1月达到最大值。海冰范围最小值出现时间有延迟的趋势,全冰覆盖状态具有起始时间越来越晚、终止时间越来越早、持续时间越来越短的趋势,平均持续天数为212 d。     

基于SIR-C数据的SAR极化特征参数区分海冰与海水的能力评价

利用1994年10月南极区域的6景SIR-C影像,评估了L波段和C波段下13种主要的SAR极化特征参数区分海冰、海水信息的能力。结果表明:L波段下有6种参数能较好地区分海冰和海水,它们是:散射熵、交叉极化比HV/VV、同极化比VV/HH、同极化相关系数ρHH-VV、HV极化后向散射系数、Alpha角;另外,HH极化后向散射系数、交叉极化比HV/HH具有一定的区分海冰和海水的能力;其余5种难以区分海冰和海水。C波段下有4种参数能较好地区分海冰和海水,他们是:散射熵、同极化相关系数ρHH-VV、HV极化后向散射系数、同极化比VV/HH;HH极化后向散射系数、交叉极化比HV/VV、Alpha角和VV极化后向散射系数这4种参数具有一定的区分海冰和海水的能力;其余5种难以区分海冰和海水。且总体来看,L波段区分海冰和海水的能力好于C波段。这为海冰探测的研究提供了有用的参考。     

极地海冰厚度探测方法及其应用研究综述

海冰是全球气候变化的敏感指示器,对全球热平衡、大气环流、海洋水循环和温盐平衡起到至关重要的作用。海冰厚度作为海冰中最重要的参数之一,也是最难探测的地球物理参数。在回顾和分析基于仰视声纳、走航观测、电磁感应、微波遥感等方法进行极地海冰厚度探测和应用研究的基础上,着重阐述近年来利用卫星测高技术估算极地海冰厚度的研究现状与趋势,为我国开展相关科研工作提供参考。     

电磁感应技术在波罗的海海冰厚度探测中的应用研究

海冰作为冰雪圈的重要组成部分,对气候变化十分敏感,海冰物理过程研究需要得到精确的海冰厚度。本文介绍一种能够高效探测海冰厚度的电磁感应方法及其在波罗的海(Baltic Sea)的成功应用。该技术方法针对海冰和海水的电特性,利用电磁感应原理精确探测仪器至冰水交界面的距离,以实现海冰厚度的测定。通过电磁感应(EM)仪直接观测的视电导率与同点位钻孔测量数据对比分析,获得视电导率与海冰厚度的转换关系式,并对通过该关系式计算出的海冰厚度进行验证,表明电磁感应技术能够获得可靠的海冰厚度数据,平均相对误差仅为12%。对波西尼亚海湾(Bothnian Bay)海冰厚度探测剖面的统计结果表明,2007年春季该区域平整冰厚度范围在0.4-0.6m之间。     

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...     

北极海冰厚度的热力学和动力学影响因素研究评述

全球变化背景下,在过去的40年中,北极海冰范围快速减少,厚度显著变薄,同时多年冰向一年冰转化,这对区域乃至全球气候系统具有重要影响。海冰厚度作为气候变化的指示器,在大气-海冰-海洋之间的物质和能量交换过程中起着重要作用。本文通过综述国内外北极海冰厚度影响因子的研究进展,对影响北极海冰厚度的热力学和动力学过程进行了梳理和总结。在热力学方面,海冰厚度会受到大气-海冰和海冰-海洋两个界面处的热通量影响,其中,大气-海冰热力学过程的影响因素包括冰面特征、气温、水汽、降雨/降雪和云量等,主要通过海冰表面辐射收支和湍流热交换(感热和潜热)产生影响;而海冰-海洋界面处的热通量作为海冰厚度的重要影响因素,主要受太阳辐射对上层海洋的加热、风应力导致的垂向混合以及中低纬暖流输送的影响。在动力学方面,海冰厚度变化主要通过风和海流的共同驱动引起海冰输运和海冰的形变。大尺度环流异常也会通过大气-海冰-海洋相互作用对北极冰厚的热力学和动力学过程产生显著影响。     

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。     

南极中山站近岸海冰生态学研究 Ⅳ.海冰营养盐浓度的季节变化及其与生物量的关系

对１９９２年４月至１２月间中山站近岸海冰营养盐状况以及与生物量的关系进行了分析。为了能与海水中的营养盐进行对比,对海冰融化样的营养盐数据进行了同期冰下海水表层盐度的校正。结果显示,海冰中多数层次的硝酸盐浓度低于冰下表层海水的浓度,而磷酸盐和硅酸盐浓度则正好相反,亚硝酸盐浓度在观测期间均高于冰下表层海水的浓度。海冰营养盐浓度无明显的变化规律,呈现较大的波动,它可以是冰下表层海水的数分之一直至高出一个数量级,除显著的冰底水华期外并不构成冰藻生长的限制因素。海冰营养盐的分布与叶绿素ａ含量无明显的相关性。     

基于CryoSat-2测高数据的北极格陵兰海海冰干舷高提取研究

北极是全球气候和环境变化的驱动器之一,获取北极海冰的时空特征和变化规律对研究北极以及全球气候变化意义重大。格陵兰海是北极海冰剧烈变化的区域之一,采用CryoSat-2的雷达测高数据,获取了格陵兰海的海冰干舷高分布,并利用波弗特环流计划(BGEP)仰视声呐(ULS)数据进行了验证。研究结果表明,格陵兰海海冰干舷高和分布范围存在明显的季节性变化特征,具体体现在格陵兰海海冰从10月份进入冻结期开始,海冰分布范围不断扩张,海冰干舷高也逐渐增大,2月份平均干舷高达到最大(0.2 m),之后格陵兰海海冰开始消融,覆盖范围不断内缩,9月海冰干舷高降至最小(0.13 m)。     

基于海冰影响的北极航线亚欧集装箱运输经济性研究

为了探究海冰影响下北极航线通航的可行性,从经济性角度,首先走北极航线选取ARC4、ARC5和ARC7三种冰区加强等级船,采用全年货运量、单位运输成本和年利润多个经济性指标,以上海港至鹿特丹港为例,通过与走苏伊士运河传统航线的普通船比较,对北极航运集装箱运输经济性进行分析;其次,研究了不同起讫港、不同载箱量对北极航线运输经济性的影响。结果表明:在三种冰区加强等级船中, ARC5级船的经济性最佳,可提高货运量,降低单位运输成本,全年总利润大幅增加;ARC7级船尽管延长了北极通航时间,但由于高造价,经济性欠佳;不同冰区加强船之间,各项指标差异较大。相较于冰区加强船等级差异,不同起点港口选择对于经济性影响较小;在4000—5000TEU区间,随着运载量规模增大,对单位运输成本影响不大,但年利润方面,ARC5船舶可增50%以上。     

海冰离散元模型的研究回顾及展望

为描述极区及副极区海冰在不同尺度下的离散分布特性,以及海冰与海洋结构相互作用过程中的破碎性能,海冰的离散单元模型从上世纪80年代发展起来并不断完善。本文将海冰离散单元模型分为地球物理尺度( ~100km)、浮冰块尺度(10m ~ 10km)和海洋结构尺度(1m ~ 100m)等三种不同尺度,讨论了不同尺度下海冰的离散分布规律或海冰由连续状态向离散状态转化的动力过程。通过对块体、圆盘和颗粒不同形态的海冰离散单元模型的介绍,对其在极区海冰的动力特性、海冰重叠堆积及其与波浪的作用过程、海冰与海洋结构的相互作用中的应用进行了分析,对海冰强度的尺度效应进行了讨论。最后,讨论了海冰离散单元模型中存在的问题和重点研究内容。     

基于遥感影像的北极海冰厚度和密集度分析方法

基于2003年7月至9月中国第二次北极科学考察所获取的大量海冰影像资料,完成了走航期间74.11°N-79.56°N,144.17°W-169.95°W范围内海冰厚度和密集度的提取。本文总结了从船侧录像中提取冰/雪厚度以及从航拍图像中提取冰密集度的方法,并描述了提高所取参数可靠性应采取的分析技术和现场调查的处理措施。本文方法具有一定的普适性,可以应用到渤海海冰和极地海冰的研究中。     

基于船侧图像的北极太平洋扇区夏季海冰厚度时空变化研究

基于2003—2018年中国第二次至第九次北极科考中获取的走航船基图像数据对北极夏季太平洋扇区沿航线平整冰厚度的时空变化进行了统计分析.结果显示太平洋扇区在夏季融冰期沿航线海冰厚度主要分布在10～280 cm区间,各航次存在一定差异但海冰厚度均近似呈正态分布.8月上旬和中旬沿航线平均冰厚均以-2 cm·a-1的梯度逐年...     

2010年夏季北极海冰反照率的观测研究

雪和海冰作为北极地区反照率最高的地表类型,可以将大部分入射辐射能量反射回天空,其表面反照率的变化对整个地表-大气辐射平衡系统和全球气候变化都会有重要影响。在2010年中国第4次北极科学考察期间用ASD光谱仪对北极太平洋扇区不同类型的海冰表面反照率进行了现场测量,观测时段为7月27日至8月23日,地理范围在72°18′-87°20′N和152°34′-178°22′W之间。观测结果表明积雪覆盖海冰的反照率最高,干雪覆盖时均值达到0.82,融化的湿雪覆盖时反照率会有一定程度地降低。夏季北极地区存在大量融池,融池海冰按颜色划分为白冰,蓝冰和灰冰,白冰的平均反照率为0.54,蓝冰的为0.31,灰冰的只有0.20,融池水的反照率只有0.16。融池是北极夏季反照率变化的重要原因。     

基于遥感数据的北极西北航道海冰变化以及通航情况研究

使用不莱梅大学AMSR-E(Advanced Microwave Scanning Radiometer for EOS)和AMSR2(Advanced Microwave Scanning Radiometer 2)日尺度海冰密集度数据,计算了2002—2018年加拿大北极群岛7—9月的平均海冰面积,研究了9月份平均海冰密集度变化特征;结合商船破冰能力确定海冰密集度阈值,选取西北航道关键区域,统计了西北航道的通航窗口,探讨了西北航道在实际商业通航方面的可能性。研究发现,在过去17年加拿大北极群岛的7—9月海冰面积整体呈下降趋势但有明显波动性, 9月份的海冰分布年际变化复杂,差异较大;在西北航道可通航的年份中,可通航的开始日期一般在8月份,结束日期在9月底至10月初,南路可通航时间最短14天,最长达到80天。总的来说,西北航道可通航年份和时间缺乏规律性。     

抛光花岗岩的二向反射比与偏振度的波谱关系

传统遥感定义双向反射率分布函数(BRDF)的概念,用以表达目标物空间反射的多角度分布特征,但其测量多偏重于单波长的微波及激光。偏振伴随多角度探测而生,蕴涵了目标物的自身特性。该文就城市常见地物——抛光的花岗岩,分别测量了其在350～2 500nm范围内的二向反射比和偏振度的波谱,分析并比较了两者波谱随探测角度的变化规律,并从定义上分析了两者的波谱关系,发现其随探测天顶角及方位角的变化规律一致,而且二向反射比和偏振度的波谱在一定程度上呈反比关系。     

基于海冰密集度的南极威德尔冰间湖监测与评价

海冰密集度产品在冰间湖的监测与研究中应用广泛。本文使用8种典型的被动微波遥感海冰密集度产品(NSIDC-BT-25km、NSIDC-NT2-25km、NSIDC-NT2-12.5km、NSIDC-NTBT-25km、EUMETSAT-BTBR-25km、EUMETSAT-BTBR-10km、UH-ASI-12.5km和UB-ASI-6.25km)以及5种常用的海冰密集度阈值(15%、40%、50%、60%和70%)对南极威德尔海2016—2017年出现的冰间湖进行监测,并使用形态学后处理操作对监测结果进行优化;在此基础上,对比不同阈值条件、海冰密集度反演算法以及空间分辨率差异对冰间湖面积和范围的影响,并进一步探究形态学操作对监测结果的影响。结果表明:NSIDC-NTBT-25km产品对阈值的敏感性最高,NASATeam2(NT2)算法反演的海冰密集度产品对阈值的敏感性最低,并且其监测的冰间湖面积和范围相较于Bootstrap(BT)和ARTIST Sea Ice(ASI)算法产品的监测结果整体偏小;高空间分辨率产品监测到的冰间湖开放时间更早,面积和范围更大,持续时间也更长;空间分辨率对...     

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。     

气候变化背景下北极海冰对我国冬季气温的影响研究

利用1961—2015年中国冬季气温资料、中国气象局逐月北极海冰密集度指数资料和美国国家海洋和大气管理局(NCEP/NCAR)环流资料,采用滑动相关、时滞相关及偏相关等分析方法,探讨了秋季北极海冰对中国冬季气温的影响。结果表明,秋季北极海冰改变了后期冬季西西伯利亚高压和华北高压强弱,导致我国西北地区和长江与黄河之间地区冬季气温异常。进一步分析发现,西北地区冬季气温的异常主要是受西西伯利亚高压影响,而长江与黄河之间冬季气温的异常主要是受华北高压影响。而秋季北极海冰通过改变后期冬季欧亚中高纬度环流,进一步影响高原地区冬季气温。