基于FY-3C微波辐射计数据的极区海冰密集度反演方法研究

极区海冰影响大气和海洋环流,对全球气候变化起着重要的作用。海冰密集度是表征海冰时空变化特征的重要参数之一。本文研究了利用FY-3C微波扫描辐射计亮温数据反演极区海冰密集度的方法。经过时空匹配、线性回归,修正了FY-3C微波辐射计亮温数据。使用两种天气滤波器和海冰掩模滤除了大气影响所造成的开阔海域虚假海冰;使用最小密集度模板去除陆地污染效应。通过计算2016年、2017年极区海冰面积及范围两个参数,对得到的海冰密集度产品进行了验证,两年的海冰范围和面积趋势基本与NSIDC产品一致,平均差异小于3%。本研究结果为发布我国自主卫星的极区海冰密集度业务化产品奠定了基础,制作的产品可保障面临中断的40多年极区海冰记录的连续性。     

基于CryoSat-2卫星测高数据的北极海冰体积估算方法

近30年来,北极海冰正发生着剧烈的变化。海冰体积是量化海冰变化的重要指标之一。本文以2015年CryoSat-2卫星测高数据和OSI SAF海冰类型产品为基础。提取了浮冰出水高度、积雪深度、海冰密集度、海冰类型等属性信息,通过数据内插、投影变换、栅格转换、空间重采样等工作将海冰属性信息统一为25 km×25 km分辨率的栅格数据集。根据流体静力学平衡原理,逐个估算栅格像元对应的海冰厚度值,将其与对应的海冰面积相乘,估算了北极海冰密集度大于75%海域的海冰体积,并分析了海冰厚度和体积的月变化和季节变化特征。用NASA IceBridge海冰厚度产品对反演的海冰厚度进行验证。结果表明二者相关系数为0.72,有较高的一致性。北极海冰平均厚度春季最大,夏季最小,分别约为2.99 m和1.77 m,最厚的海冰集中在格陵兰沿岸北部和埃尔斯米尔半岛以北海域。多年冰平均厚度大于一年冰。冬季海冰体积最大,约为23.30×103 km3,经过夏季的融化,减少了近70%。一年冰体积季节波动较大,而多年冰体积相对稳定,季节变化不明显。     

HY-2B卫星微波辐射计地理定位与偏差修正

文章介绍了 HY-2B 卫星微波辐射计的工作原理、卫星星历获取、天线波束指向计算和一系列坐标系转换的方法。针对微波辐射计的圆锥扫描工作方式,给出了一种适用的地理定位算法并进行定位计算,通过相关参数修正,实现了对地理定位偏差的修正。将修正后的全球高中低纬度典型地域的定位结果与高精度地理底图叠加,显示两者匹配良好,该算法具有一定的实际应用价值。     

北极星载微波辐射计海表温度遥感观测能力分析

本文利用2016年的AMSR2、GMI、WindSat和HY-2A RM等星载微波辐射计海表温度（SST）数据,分析了北极卫星遥感SST数据的时空覆盖和产品精度情况。结果表明:北极星载微波辐射计SST冬季覆盖率和有效覆盖天数要低于夏季,GMI的SST有效覆盖率较低,AMSR2较高,联合使用AMSR2、GMI、WindSat和HY-2A RM星载微波辐射计SST数据,2月份覆盖率在12%~15%之间,有效观测天数优于26 d,8月份覆盖率全月高于26%,有效观测天数优于29 d。北极地区星载微波辐射计SST数据的误差均要大于全球平均水平,AMSR2数据精度较好,WindSat与AMSR2的精度相当,GMI的均方根误差约是AMSR2的2倍,HY-2A RM数据精度低于其他星载微波辐射计水平。     

HY-2微波辐射计降雨条件下海面风速反演算法研究

由于降雨改变了海洋-大气的辐射/散射特性,长期以来星载遥感器在降雨条件下进行海面风速信息提取存在困难。本文针对自主海洋动力环境卫星海洋2号（HY-2）搭载的扫描微波辐射计,分析了不同频段亮温对降雨和海面风速敏感性,自此基础上获得了一种对降雨不敏感的亮温通道组合,该亮温通道组合对海面风速的敏感性甚至高于原有亮温通道。本文利用该亮温通道组合建立了降雨条件下的风速反演算法,并将反演结果与WindSat全天候风速产品、HY-2微波辐射计原有风速产品以及浮标实测数据进行了比较。结果表明本文算法在降雨条件下的反演误差小于2m/s,明显优于原有HY-2微波辐射计风速产品,验证了本文发展的算法在降雨条件下的风速反演能力。     

卫星微波辐射计外定标方法浅析

本文就微波辐射计外定标方法的概念及原理进行了较为详细的论述，详细阐明了微波遥感中辐射传输方程的基本形式及其各项的意义，给出了当前较为完善的其中各项参数的具体表达式，最后提出了一种适合我们实际的海洋外定标的方法。     

基于HY-2B波形特征的北极海冰分类算法

海冰类型识别对进行全球气候研究至关重要,利用高度计进行北极海冰监测是目前研究的热点。本文通过利用2019年12月和2020年3月的HY-2B高度计数据,探索了国产卫星高度计在海冰类型识别中的可用性,提取了HY-2B的波形功率最大值、脉冲峰值(Pulse Peakiness,PP)、前缘宽度(Leading Edge Width,LEW)和后向散射系数(Sigma0)4个波形特征,分析了HY-2B卫星高度计精确识别薄一年冰(Thin First-year ice,TFYI)、一年冰(First-year ice,FYI)、多年冰(Multi-year ice,MYI)、冰间水道(LEAD)和开阔水域(Open Water,OW)的能力。通过与俄罗斯北极和南极研究所(Arctic and Antarctic Research Institute,AARI)冰况图产品和MODIS冰间水道产品对比发现,综合PP、LEW及Sigma0和K最近邻法(K-Nearest Neighbor,KNN),平均最高海冰分类精度可达到91.96%。     

基于HY-2A散射计数据的极区海冰范围反演方法及其评估

A sea ice extent retrieval algorithm over the polar area based on scatterometer data of HY-2A satellite has been established.Four parameters are used for distinguishing between sea ice and ocean with Fisher's linear discriminant analysis method.The method is used to generate polar sea ice extent maps of the Arctic and Antarctic regions of the full 2013–2014 from the scatterometer aboard HY-2A(HY-2A-SCAT) backscatter data.The time series of the ice mapped imagery shows ice edge evolution and indicates a similar seasonal change trend with total ice area from DMSP-F17 Special Sensor Microwave Imager/Sounder(SSMIS) sea ice concentration data.For both hemispheres,the HY-2A-SCAT extent correlates very well with SSMIS 15% extent for the whole year period.Compared with Synthetic Aperture Radar(SAR) imagery,the HY-2A-SCAT ice extent shows good correlation with the Sentinel-1 SAR ice edge.Over some ice edge area,the difference is very evident because sea ice edges can be very dynamic and move several kilometers in a single day.     

Assessment of the initial sea surface temperature product of the scanning microwave radiometer aboard on HY-2 satellite

HY-2 satellite is the first satellite for dynamic environmental parameters measurement of China,which was launched on 16th August 2011.A scanning microwave radiometer（RM） is carried for sea surface temperature（SST）,sea surface wind speed,columnar water vapor and columnar cloud liquid water detection.In this paper,the initial SST product of RM was validated with in-situ data of National Data of Buoy Center（NDBC） mooring and Argo buoy.The validation results indicate the accuracy of RM SST is better than 1.7 C.The comparison of RM SST and WindSat SST shows the former is warmer than the latter at high sea surface wind speed and the difference between these SSTs is depend on the sea surface wind speed.Then,the relationship between the errors of RM SST and sea surface wind speed was analyzed using NDBC mooring measurements.Based on the results of assessment and errors analysis,the suggestions of taking account of the affection of sea surface wind speed and using sea surface wind speed and direction derived from the microwave scatteromter aboard on HY-2 for SST product calibration were given for retrieval algorithm improvement.     

A preliminary assessment of the sea surface wind speed production of HY-2 scanning microwave radiometer

A scanning microwave radiometer（RM） was launched on August 16,2011,on board HY-2 satellite.The six-month long global sea surface wind speeds observed by the HY-2 scanning microwave radiometer are preliminarily validated using in-situ measurements and WindSat observations,respectively,from January to June 2012.The wind speed root-mean-square（RMS） difference of the comparisons with in-situ data is 1.89 m/s for the measurements of NDBC and 1.72 m/s for the recent four-month data measured by PY30-1 oil platform,respectively.On a global scale,the wind speeds of HY-2 RM are compared with the sea surface wind speeds derived from WindSat,the RMS difference of 1.85 m/s for HY-2 RM collocated observations data set is calculated in the same period as above.With analyzing the global map of a mean difference between HY-2 RM and WindSat,it appears that the bias of the sea surface wind speed is obviously higher in the inshore regions.In the open sea,there is a relatively higher positive bias in the mid-latitude regions due to the overestimation of wind speed observations,while the wind speeds are underestimated in the Southern Ocean by HY-2 RM relative to WindSat observations.     

北极海冰输出研究综述

北极海冰对全球气候变化起重要的指示作用。除了海水冻结和融化过程以外,通过弗拉姆海峡(Fram Strait)的海冰输出也是影响北极海冰质量变化的重要动力机制。观测数据中的多源卫星遥感数据(尤其是辐射计观测数据)在获取大尺度连续观测方面具有独特的优势,在研究北极海冰输出面积通量变化方面有着广泛应用。本文总结了北极弗拉姆海峡、其他通道(S-FJL、FJL-SZ、加拿大群岛、Nares海峡通道)海冰输出面积或体积通量,着重介绍了弗拉姆海峡不同年龄海冰输出情况,并总结和分析了影响北极海冰输运的大尺度大气活动模态。最后,本文阐明北极海冰输出方面现有研究的不足之处以及未来的突破方向。     

基于星载红外辐射计的北极海表温度数据对比分析

本文基于2016年MODIS(ModerateResolutionImagingSpectroradiometer)-Aqua、MODIS-Terra和VIIRS(Visible Infrared Imager Radiometer Suite)三种红外辐射计的海表面温度(Sea Surface Temperature,SST)数据,统计了北极地区红外SST1月和7月的覆盖率及有效覆盖天数,并与Argo(Arrayfor Real-timeGeostrophicOceanography)浮标数据进行了匹配验证,直观获取北极SST误差分布情况并研究SST遥感观测能力,为更好地了解北极地区从而应对气候变化提供一定的资料基础。结果表明,北极地区红外辐射计SST数据7月的覆盖率和有效观测天数均高于1月,1月三种数据相差不大,7月VIIRS的覆盖率和有效观测天数均优于MODIS-Aqua和MODIS-Terra,联合三种红外辐射计的覆盖率和有效观测天数相较于单星有所增加, 1月覆盖率最高为8%, 7月最高接近70%,表明多星联合探测是提高北极地区SST数据覆盖率和观测天数的有效方法;北极地区SST数据的误差普遍高于全球总体水平, VIIRS白天、夜间的均方根误差(E_(rms))均低于MODIS-Aqua和MODIS-Terra, MODIS-Aqua白天SST的E_(rms)高于MODIS-Terra,夜间则低于MODIS-Terra。综合来看, VIIRS在北极的覆盖率、有效观测天数及与浮标的匹配结果在三种红外辐射计中为最优。     

Nudging资料同化对北极海冰密集度预报的改进

北极夏季海冰的快速减少使得北极航道提前开通成为可能。为了给北极冰区船运活动提供及时可靠有效的海冰预报保障,急需提高海冰预报水平。本文基于麻省理工大学通用环流模式(MITgcm),使用牛顿松弛逼近(Nudging)资料同化方法将德国不莱梅大学的第二代先进微波辐射成像仪(AMSR2)海冰密集度资料同化到模式中,建立了北极海冰数值预报系统。设计试验对比3种不同Nudging系数计算方案的改进效果,结果表明选择合适参数后,不同方案均能显著改进海冰密集度初始场。通过设计有无Nudging同化的两组预报试验,结合卫星遥感海冰密集度及中国第五次北极科学考察期间"雪龙"船的走航海冰密集度观测数据,定量分析了Nudging同化方案对北极海冰密集度的24~120 h预报结果的改进效果。结果表明,Nudging同化对120 h内全北极海冰密集度的空间分布和移动单点目标的海冰密集度预报结果均有显著改善;但在海冰变化很小的情况下,Nudging同化试验的24~120 h预报结果均劣于惯性预报结果,说明基于Nudging同化的数值预报系统还需进一步提高预报技巧。     

夏季北极海冰表皮温度实测资料与MODIS产品的对比分析

Ship-borne infrared radiometric measurements conducted during the Chinese National Arctic Research Expedition(CHINARE) in 2008, 2010, 2012, 2014, 2016 and 2017 were used for in situ validation studies of the Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer(MODIS) sea ice surface temperature(IST) product.Observations of sea ice were made using a KT19.85 radiometer mounted on the Chinese icebreaker Xuelong between July and September over six years. The MODIS-derived ISTs from the satellites, Terra and Aqua, both show close correspondence with ISTs derived from radiometer spot measurements averaged over areas of 4 km×4 km, spanning the temperature range of 262–280 K with a ±1.7 K(Aqua) and ±1.6 K(Terra) variation. The consistency of the results over each year indicates that MODIS provides a suitable platform for remotely deriving surface temperature data when the sky is clear. Investigation into factors that cause the MODIS IST bias(defined as the difference between MODIS and KT19.85 ISTs) shows that large positive bias is caused by increased coverage of leads and melt ponds, while large negative bias mostly arises from undetected clouds. Thin vapor fog forming over Arctic sea ice may explain the cold bias when cloud cover is below 20%.     

北极中央区海冰低密集度现象研究

近年,北极中央密集冰区出现海冰低密集度的异常现象。为了探讨这一现象的成因,本文使用ERA-Interim再分析资料,定义了北极中央区海冰低密集度（LCCA）指数,研究了2009-2016年的6-9月北极中央区发生的海冰低密集度现象。分析表明,研究时段内在北极中央区发生了6次明显的海冰低密集度（LCCA峰值）过程。在这些过程中,局地气温异常并不是导致海冰低密集度现象发生最主要的因素;海冰低密集度区域的形态及冰速场分布均与大气环流场相对应;在LCCA指数峰值发生前均有气旋中心出现在北冰洋70°N以北并伴随向北移动,气旋引起海冰辐散,同时所携带的较低纬度的热量导致海冰迅速融化。在6次过程中,有3次为气旋影响配合北极偶极子（DA）型环流。LCCA指数与84°N平均向北温度平流和北极中央区海冰速度散度呈正相关。在LCCA指数峰值前,温度平流对海冰低密集度区域形成的影响大于海冰辐散的影响。