北极冰间湖时空变化过程及其形成机制研究进展

在北极气候快速变化的背景下,北极冰间湖作为北极最活跃的区域,其产生和维持以及该区域结冰析盐过程对北极地区的水文环境、海洋生物的生存和发展以及北极航道路线的选择等产生深远的影响。然而,现有的研究对北极各冰间湖形成的位置、大小和时间等变化缺乏较为细致的研究,且对各冰间湖具体形成因素以及影响其变化的机制研究不足,国内对于北极冰间湖时空变化过程及形成机制的系统性介绍及概述较少。因此,本文梳理了目前国内外关于北极冰间湖的研究方法、时空变化过程和形成机制等方面的研究进展,总结了北极冰间湖在北极区域的综合作用与影响,阐述了影响北极冰间湖变化的热力学与动力学因素,并在前人研究的基础上对目前冰间湖研究中亟待解决的问题和目标进行展望。     

利用海冰密集度数据分析北极冰间湖变化

冰间湖内存在强烈的海-气相互作用和结冰析盐过程,在极区以及全球气候系统中起着重要作用。本文基于数字图像处理技术,从AMSR-E高分辨卫星遥感海冰密集度数据中提取了长时间序列的冰间湖变化信息,研究北极冰间湖内的净水面积、净水表面的净热通量(向上为正)、产冰量和产盐量的季节和年际变化,比较不同冰间湖区域之间的差异。研究结果表明:总净水面积分别在结冰初期和末期存在极大值,而由于总净水面积季节变化幅度不是很大,总产冰量和产盐量的季节变化主要受净热通量影响,在1月份存在极大值;在不同冰间湖区域内净水面积的季节变化中,进入结冰期越早的冰间湖内净水面积越快达到首次极大值;净热通量的年际变化趋势总体上是减小的,总净水面积是增加大的,其中靠近太平洋和大西洋入流口的冰间湖内净热通量减小的速率要比其他区域快,靠近亚欧大陆的冰间湖内净水面积增长速率要比其他区域大;总产冰量的年际变化同总净水面积基本一致,也是呈增加趋势。最后通过研究冰间湖的年际变化信息同海冰范围变化的相关性,发现如果连续多年冰间湖内年平均净热通量为负的异常,那么海冰范围将出现一次极小值。     

应用AMSR-E 89 GHz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。     

楚科奇海阿拉斯加沿岸冰间湖的变化及其影响因素分析

利用2003—2011年AMSR-E(Advanced Microwave Scanning Radiometer-Earth Observing System)日平均海冰密集度数据,对楚科奇海阿拉斯加沿岸冰间湖进行了分析。针对冰间湖的特点,在阈值法的基础上,通过统计冰间湖出现的频率,限定冰间湖的最大范围,区分各个冰间湖。通过计算阿拉斯加沿岸冰间湖的面积,结合NCEP-DOE(National Centers for Environmental Prediction-Department of Energy)再分析风场数据和白令海峡潜标观测的温盐和海流数据,初步探讨冰间湖发生和发展的规律。为了排除海冰外缘区对判断冰间湖的影响,研究仅限于白令海峡完全冰封的1—4月,可得到以下结论:阿拉斯加西北沿岸海域每年冬季都会出现5个冰间湖,多数时间为紧靠大陆边缘的沿岸冰间湖,巴罗角附近海岸在3月和4月会出现位于沿岸固定冰之外的裂缝冰间湖。冰间湖面积每天都发生变化,表现出天气尺度的变化特征,经历长达数日的发展和消失的过程,与风场的转换有密切关系。离岸风有利于沿岸冰间湖的扩展,但是该海域1—4月的盛行风为东北风和北风,对于多数冰间湖而言为沿岸风,不利于冰间湖的形成,因而冰间湖有时消失长达数十日。在偏北风的影响下,太平洋入流对北部冰间湖几无作用,而对南部冰间湖的空间分布有着重要影响。     

基于遥感数据的泉州市土地利用变化分析

本文基于TM遥感图像解译的1985、2000年两期土地利用现状图，借助ArcView3．2软件，统计分析了泉州市1985～2000年间土地利用类型的数量及空间变化特征。结果表明：15年来各类土地利用类型发生了很大变化，综合年均变化率为0．09％；而且类型转化量最大的是耕地转变为城乡、工矿及居民用地，其次是林地与草地类型之间的转化。     

北极拉普捷夫海海冰多年变化研究

拉普捷夫海是北冰洋的边缘海和冰源地,对北冰洋的海冰变化有重要影响。通过分析AMSR-E海冰密集度数据以及NECP-DOE的风场、温度场数据,结果表明拉普捷夫海海冰在2002—2011年经历了如下过程：重冰年(2002—2004)—过渡性质年份(2005—2006) —轻冰年(2007、2009—2011),即冰情由重向轻转变。研究结果也表明拉普捷夫海的冰情轻重与融冰期长短有较好的相关性,融冰期持续时间越短,冰情越重。4个参数,包括海冰距平指数、最小海冰覆盖率、积温、风驱动指数描述了拉普捷夫海的海冰多年变化过程。海冰距平指数是时间（3—11月）平均下的海冰覆盖率距平值,定量给出了各年冰情的轻重;最小海冰覆盖率是夏季海冰的极限情况,变化范围在0.45%—48.73%,发生时间为8月底至10月上旬。积温是上一个冬季气温积累对当年冰情的影响,结果表明积温是影响当年冰情轻重的主要因素。2008年的上一个冬季经历了异常低温,造成当年的异常重冰年。风驱动指数给出了风场对海冰覆盖率变化的短期影响,与同时期其他年份相比,2006年4月、2007年9月均出现了异常强北风,一定程度上造成了2006年融冰开始时间延后、2007年夏季最小海冰覆盖率的明显偏大。     

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...     

基于卫星遥感和再分析数据的青藏高原土壤湿度数据评估

土壤水是地表与大气在水热交换方面的关键纽带,是关键水循环要素,更是地表产汇流过程的关键控制因子。青藏高原是地球第三极,也是亚洲水塔,探讨青藏高原土壤水变化对于探讨青藏高原热力学特征变化及其对东亚乃至全球气候变化的影响具有重要意义,而获取高精度长序列大尺度土壤水数据集则是其关键。本文利用青藏高原100个土壤水站点观测数据,从多空间尺度（0.25°×0.25°,0.5°×0.5°,1°×1°）、多时间段（冻结和融化期）等角度,采用多评价指标（R、RMSE、Bias）,对多套遥感反演和同化数据（ECV、ERA-Interim、MERRA、Noah）进行全面评估。结果表明：① 除ERA外,其他数据均能反映青藏高原土壤水变化,且与降水量变化一致。而在那曲地区,遥感反演和同化数据均明显低估实测土壤水含量。从空间分布来看,MERRA和Noah与植被指数最为一致,可很好地反映土壤水空间变化特征;② 青藏高原大部分地区土壤水变化主要受降水影响,其中青藏高原西部边缘与喜马拉雅地区土壤水变化则受冰雪融水和降水的共同影响;③ 除阿里地区外,大部分遥感反演和同化数据在融化期与实测土壤水相关性高于冻结期,其中在那曲地区,遥感反演和同化数据均高估冻结期土壤含水量,却低估融化期土壤含水量。另外,遥感反演和同化数据对中大空间尺度土壤水的估计要好于对小空间尺度土壤水的估计。本研究为青藏高原土壤水研究的数据集选择提供重要理论依据。     

基于多源遥感数据的非洲乍得湖水面变化监测

乍得湖位于中非撒哈拉沙漠边界, 是非洲重要的淡水湖, 湖面大小对气候变化高度敏感。近40 年, 由于干旱等自然灾害和大规模灌溉等人为因素的影响, 乍得湖面积急剧减少, 受到广泛关注。本文利用多种光学遥感数据提取1973-2012 年乍得湖面积, 分析其变化趋势和驱动机制。结果表明, 1973-2012 年间乍得湖面积总体上在变小, 1973-1975 年间乍得湖面积急剧减少了约71%, 1975-2012 年面积在2000~5000 km²范围内波动。为验证变化趋势的可靠性, 本文利用MODIS影像与同期Landsat 和AVHRR影像的提取结果进行比较, 来检验多源数据的可比性;通过MODIS影像监测乍得湖面积的月变化, 来检验所选数据时相对乍得湖面积变化分析的可能影响。根据气象资料分析, 乍得湖面积与降水量变化存在一致性, 沙里盆地降水量变化是乍得湖面积变化的重要原因;其次, 大量修建水库是导致面积减少的另一重要原因;最后, 将乍得湖分为南北两部分的天然拦截坝通过阻碍水流增加蒸发, 也加剧了乍得湖面积的减少。     

北极海冰密集度遥感数据产品对比及航道关键区验证研究

为分析并评价海冰边缘区海冰密集度数据产品,选取北冰洋区域8种公开发布的产品,基于平均偏差和标准差(Standard Deviation, SD)展开分析,结果表明:Bremen/ASI(ARCTIC Sea Ice)、Bremen/BT (Bootstrap)、NSIDC(National Snow and Ice Data Center)/BT和NSIDC/CDR(Climate Data Record)四种数据全年平均偏差整体高于平均值,在夏季偏差高于冬季; Hamburger/ASI全年平均偏差低于平均值,冬春季偏差为负,夏季梢高于均值; NSIDC/NT(NASA Team)、NOAA OI SIC(National Oceanic and Atmospheric Administration Optimum Interpolation Sea Ice Concentration)和OSISAF(The Ocean and Sea Ice Satellite Application Facility)三种数据全年平均偏差为负,夏季负向增加;夏季和秋季标准差较大区域主要分布在东北航道薄冰区,东西伯利亚、拉普捷夫海和喀拉海区域标准差变化较大,从3%增加到10%～15%。围绕航道区,以MODIS(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer)影像作为参考,对8种数据的对比评估结果表明:在25km空间分辨率下,Bremen发布的两种数据相关性较高,均为0.80;NOAAOISIC数据相关性最低,为0.63; Bremen/BT平均偏差较小,为7.11%;基于ASI算法的Bremen/ASI数据和Hamburger/ASI数据平均偏差较大,分别为14.38%和14.99%,且在夏季和秋季偏差波动较大,对应标准差分别为12.16%和11.01%。该项研究对于提升遥感数据产品在海冰边缘或航道区的应用及进一步的算法研发具有指导意义。     

1992-2015年中国沙漠面积变化的遥感监测与气候影响分析

目前,关于中国全域年际分辨率长时间序列沙漠面积变化及影响机制的研究较少。利用1995-2015年全国土地利用数据对1992-2015年地表覆被数据中的裸地进行校正,并采用2000年和2002年腾格里沙漠遥感影像解译结果对校正后的沙漠面积的精度进行验证,同时分析不同大气环流区沙漠面积变化的气候变化影响机制。结果表明：1992-2015年中国沙漠面积减少了86 704 km²,东部季风区沙漠面积减少最明显,其次是青藏高寒区,西北干旱区减少最小,减少面积分别是46 109、23 470、17 125 km²。其中,东部季风区沙漠面积减少占比最为明显,达到18.13%。土壤湿度是影响西北干旱区和青藏高寒区沙漠面积年际变化的关键因素,降水、相对湿度和土壤湿度对东部季风区沙漠面积变化有直接影响,林业生态建设工程、退耕还林还草等措施也有一定关系。近20年来中国北方风力减小和人类保护可能是东部季风区沙漠面积减少的主要因素。     

基于多源遥感数据的城市变化监测研究——以郑州市为例

遥感技术以其具有宏观、快速、准确、及时等特点为城市变化趋势分析提供了快速便捷的途径。选取郑州市1988年TM、2001年ETM+和2007年CBERS遥感数据,经过一系列数据预处理后,采用决策树分类算法,进行基于知识遥感分类及专题图的制作。对分类结果利用土地利用结构变化、动态变化率、转移矩阵等指标进行变化分析,分析结果揭示了不同时期城市扩张与植被、水体和农村居民点的变化关系,对于地区土地可持续利用具有重要参考作用。研究数据表明,20年来郑州市城市用地以年均8%的速度增长,植被减少25%,水体减少30%。     

环渤海地区耕地复种指数时空变化遥感反演及影响因素探测

利用SPOTNDVI数据,对环渤海地区2000、2004、2008年耕地复种指数进行遥感反演。并利用地理探测器方法对影响复种指数动态变化的因素进行定量探测。结果表明:①从南至北,复种指数从平原地区最高280%降至北部山区最低70%,呈现出一定南北递减的纬度地带性。丘陵、高原、山区的复种指数比同一纬度地区偏低40%~60%,表现出一定垂直地带性。②2000~2004年,平原传统农区的复种指数上升,高原、山区、丘陵地区局部出现下降;2004~2008年,下降区域的复种指数反弹上升,平原农区保持平稳。③粮食单产水平是影响复种指数动态变化的主要因素,人均耕地面积、农村劳动力转移程度、农业生产条件、农业现代化水平、区位条件等因素等对其变化起着一定影响。     

基于遥感生态指数的吐哈地区生态环境变化研究

以吐鲁番市和哈密市（简称吐哈地区）为研究对象,基于MODIS多光谱传感器2000、2006、2012年和2018年的遥感数据,采用4个表征湿度、干度、热度和绿度的指数,建立和绘制吐哈地区多个时期的遥感生态指数（Remote sensing ecology index,RSEI）,并对该地区的生态环境质量及土地利用转换情况进行了定量分析。结果表明：近20 a来,吐哈地区的绿度指数平均增加0.0244,热度指数平均降低0.0241,而湿度和干度指数整体的变化接近于0;其中,热度指数与RSEI具有负相关性。总体而言,2000—2018年吐哈地区的生态环境质量表现为略微下降的趋势;其中,吐鲁番市的鄯善县RSEI变化幅度最大,环境质量表征数据在区域下降幅度中排列首位,哈密市的巴里坤哈萨克自治县环境质量减少的幅度最小。近20 a来,吐哈地区的草地面积有明显增加,但需控制草地开垦及过度放牧,防止区域生态环境恶化。     

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。     

基于RTK-GPS的北极Austre Lovénbreen冰川表面高程变化研究

基于多期RTK-GPS(Real Time Kinematic-Global Position System)高精度测量数据,通过冰面高程变化开展北极Austre Lovénbreen冰川物质变化研究。首先基于冰面GPS测点开展多种空间插值方法的比对,兼顾冰面DEM(Digital Elevation Model)的平滑特性以及插值结果的准确性,优选自然邻域法作为冰面地形的插值算法;继而利用2013—2015年3期RTK-GPS数据,通过冰面地形内插和测线交叉点比对两种方式开展了Austre Lovénbreen冰川表面高程变化的分析,结果表明交叉点方法的精度更高,而地形内插法在测线之间的空白区域存在较大误差。最后通过冰雪密度估计将高程变化转化为水当量,计算相应时段的冰川物质平衡:积累区密度取500 kg·m^-3,消融区密度取900 kg·m^-3,得到2013—2014年和2014—2015年的物质平衡分别为–0.277m w.e.和0.065m w.e.。该物质平衡结果相较于传统的冰面物质平衡而言存在一定的差异,主要源于测量时段的不一致,以及可能存在的冰川内部物质变化。此外,将RTK-GPS交叉点高程的年际变化与所在高程进行联合分析,发现冰川物质变化与冰川高程分布既有较强的相关性,部分区域也存在一些差异。总体而言,冰川物质年变化的海拔梯度为2.67‰,在海拔越低的区域冰川消融得越快,随海拔上升消融减慢,在高海拔或冰川边缘区域还存在少量物质积累。     

基于遥感数据的泉州市土地利用变化分析

本文基于TM遥感图像解译的1985、2000年两期土地利用现状图,借助ArcView 3.2软件,统计分析了泉州市1985～2000年间土地利用类型的数量及空间变化特征.结果表明15年来各类土地利用类型发生了很大变化,综合年均变化率为0.09%;而且类型转化量最大的是耕地转变为城乡、工矿及居民用地,其次是林地与草地类型之间的转化.     

基于人工神经网络的北极海域大气能见度格点数据生成技术

随着北极航线的逐渐开通,北极航道的通航风险评估工作得到更多的关注。针对当前北极航道风评工作中存在的能见度数据稀缺等问题,提出一种基于能见度推理结果与观测数据相结合的能见度格点数据生成技术。通过确定能见度影响因子、生成样本数据集、人工神经网络技术和贝叶斯推理技术的拟合效果对比、订正推理所得能见度数据等流程,构建了基于人工神经网络推理结果和观测数据相结合的能见度格点数据生成模型,并将该推理结果与传统插值结果进行对比。结果表明,基于该模型生成的能见度格点数据的准确度高于插值结果,且结果更为科学,能够为我国的极地航道风评工作提供重要参考。     

基于CBERS遥感数据的云南安宁“3．29”火灾面积评估

以中巴资源卫星（CBERS）多波段数据及纹理均匀性指标、图斑变异性指标和地形因子作为森林火灾灾后模式识别指标,提取了云南安宁“3．29”重大森林火灾火烧迹地地图以及受害指标,结合地面样地数据对过火区域的受害程度进行了等级划分。通过对灾前森林分布图和过火程度区划图的叠加分析,统计出了各类林地的受害面积。结果表明“3．29”火灾过火面积1695．4hm^2（25 430．29亩）,重度受害面积为518．6hm^2（7779．42亩）,中度受害面积为508．5hm^2（7627．36亩）,轻度受害积为668．2hm^2（10023．50亩）。地盘松过火面积最大,为796．3hm^2（11944．47亩）,其次为栎类灌木,过火746．4hm^2（11195．43亩）。利用卫星遥感图像的自动识别处理算法,既可识别火场、又可识别森林受害程度,可以替代地面对坡勾绘与目视解译的传统火场调查方法。