CryoSat-2雷达高度计海冰波形优选特征分类

监测海冰的类型变化或厚度变化是较为有效的海冰监测方式,本文通过CryoSat-2雷达高度计对北极海冰类型开展研究。利用雷达高度计对北极海冰进行分类,一方面是难以挑选出最优特征参数,另一方面单一的雷达高度计数据难以实现海冰的相对精细化分类。针对以上问题,本文构建了一种利用卡方检验、互相关信息及Wrapper包装法组合的特征优选方法,利用该方法挑选出的特征子集(SSD+Sigma0+LTPP+PP+SK+LEW)结合随机森林分类法将北极地区的雷达高度计数据分为海水、一年薄冰、一年厚冰及多年冰。本文方法在训练集分类正确率为93.32%,验证集正确率为92.42%,Kappa系数为0.90,均优于其他特征组合,可以基本实现对北极地区海冰的有效分类,同时分类结果也有助于海冰厚度的反演。

利用Cryosat-2 SAR模式数据确定北冰洋海平面模型

围绕Cryosat-2卫星SAR模式测高数据处理方法展开研究,利用决策树算法确定冰间水道观测值提取的参数和阈值,进而建立北冰洋海冰覆盖海域的海平面模型UST-CS2。结果表明,UST-CS2与DTU21海平面模型具有较高的一致性。ICESat-2激光测高数据的验证结果表明,UST-CS2的标准差为10.72 cm,与DTU21等模型精度基本持平,证明该模型具有可靠性。

CryoSat-2卫星测高计划及其应用

作为欧空局地球探测计划的一项重要任务,Cryo Sat-2卫星于2010年携带着Ku波段SIRAL(干涉/合成孔径雷达高度计)发射升空。Cryo Sat-2任务的优势在于高精度地测量两极海冰厚度以及监测南极大陆和格陵兰冰盖的变化,同时92°的近极地轨道一定程度上填补了先前遥测卫星的高纬数据缺口。本文对Cryo Sat-2卫星的科学目标、科学需求、任务概况、仪器载荷以及数据产品等方面做了详细的介绍,重点强调了Cryo Sat-2的首要载荷SIRAL和数据校准,最后探讨了Cryo Sat-2在极地领域的应用。

基于CryoSat-2测高数据的全南极冰盖DEM的建立与精度评估

数字高程模型(DEM)是南极冰盖变化研究的基础,由于现场实测数据的稀缺,卫星测高数据是南极地区构建DEM的'主要数据来源.CryoSat-2是新一代用于极地冰盖、海冰监测的测高卫星,本文利用2012-12-2015-01两个完整周期的CryoSat-2测高数据建立一个新的南极冰盖DEM.坡度是影响卫星测高精度的重要因素之一,利用改进的重定位方法对CryoSat-2数据进行坡度改正.插值方法是影响DEM精度的重要因素,通过对几种常用插值方法的比较,最后选用克里金插值方法对测高数据进行插值,建立了1km分辨率的南极DEM.在88°S以南的CryoSat-2数据空白区,利用南极数字数据库(ADD)的等高线数据对DEM进行填补,建立了全南极冰盖DEM.利用ICESat卫星测高数据、IceBridge航空测高数据以及GPS地面实测数据对新建立的CryoSat-2 DEM进行精度验证,并与Bamber 1 km DEM、ICESat DEM、RAMPv2 DEM以及JLB97 DEM等四种国际上常用的南极DEM进行比较.结果表明:新建立的CryoSat-2 DEM的整体精度约为0.730±8.398 m;在冰弯顶部区域,DEM精度优于1 m;在冰架上,DEM精度约为4 m;在内陆冰盖大部分地区,DEM精度优于10 m;在地形复杂的山区和沿海边缘地区,DEM误差超过150 m.

CryoSat-2卫星海冰区域波形识别及海冰干舷高确定

利用40%阈值法对CryoSat-2卫星波形数据进行重跟踪,将波形特征参数和海冰浓度相结合,对海冰和Lead（浮冰之间的开阔水域）进行有效识别。利用沿轨前后搜索算法计算海冰干舷高,并引用AWI结果,绘制2011～2013年北冰洋多年冰区域和一年冰区域平均海冰干舷高变化趋势图。比较本文结果与AWI结果的各年同期数据,验证本文结果的可靠性。

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CryoSat-2数据的2010-2017年北极海冰厚度和体积的季节与年际变化特征

北极海冰变化影响着全球物质平衡、能量交换和气候变化。本文基于CryoSat-2测高数据和OSI SAF海冰密集度及海冰类型产品,分析了2010-2017年北极海冰面积、厚度和体积的季节和年际变化特征,结合NCEP再分析资料探讨了融冰期北极气温异常和夏季风异常对海冰变化的影响。结果表明,结冰期海冰面积的增加量波动较大,海冰厚度的增加量呈明显下降趋势。融冰期海冰厚度的减小量波动较大,2013年以后融冰期海冰面积的减小量逐年增加。海冰体积的变化趋势和面积变化更相似,融冰期的减小速率大于结冰期的增加速率。融冰期北极海表面大气温度异常与海冰融化量正相关。夏季风影响海冰的辐合和辐散,在弗拉姆海峡海冰的输运过程中起关键作用,促进了北冰洋表层水向大洋深层的传输。

利用CryoSat-2波形数据建立南极Lambert冰川流域DEM

Lambert冰川-Amery冰架系统是南极冰盖最大的冰流系统之一,对南极冰盖物质平衡研究有着重要的作用.数字高程模型(DEM)是进行南极冰盖研究的基础.本文基于CryoSat-2 L1b波形数据,研究建立了Lambert冰川流域高分辨率DEM.测高卫星返回波形在冰盖区域存在变形,需进行波形重跟踪处理.利用交叉点分析方法对重心偏移法(OCOG)、阈值法和β参数法等常用的波形重跟踪方法对不同类型的CryoSat-2波形的适用性进行了研究.最后,利用克里金插值方法建立了500 m分辨率的Lambert冰川流域DEM——LAS DEM(Lambert Glacier-Amery Ice Shelf system DEM).利用ICESat卫星测高数据和GPS地面实测数据对LAS DEM进行精度验证,并与另外两种基于CryoSat-2数据的南极DEM进行了对比.结果表明:LAS DEM的整体精度约为0.295±2.7 m,优于另外两种CryoSat-2 DEM;在冰盖内陆地区,LAS DEM的高程误差在2 m之内;在Amery冰架上,LAS DEM的精度优于1 m.

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25km×25km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2.99m和1.77m,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。

基于CryoSat-2的东南极PANDA断面考察沿线DEM制作及精度分析

基于卫星测高数据,国际上先后发布了ICESat DEM、Bamber DEM等全南极DEM.相对于传统高度计,大轨道倾角、长重访周期的设计使Cryo Sat-2具有更大的数据覆盖范围以及更加密集的轨道覆盖;同时,SARIn模式的启用也提高了Cryo Sat-2对于南极边缘区域的监测能力.针对利用Cryo Sat-2数据提取DEM问题,对Croy Sat-2的轨迹覆盖特征、数据滤波方法、最优内插参数选取以及DEM精度验证等方面进行了探讨,并利用克里金插值法生成了东南极PANDA断面考察沿线1 km分辨率的DEM.结果表明:通过与ICESat数据对比,发现PANDA断面考察沿线DEM整体高程精度约为(1.57±3.30)m;但是,局部区域高程精度分析表明,DEM精度具有不均一性,随着坡度的增加DEM高程精度逐渐下降,高程稳定性也同时下降.

基于Cryosat-2与船载重力测量数据反演我国近海海域重力异常

基于Cryosat-2三年半的卫星测高GDR(geophysical data records)数据,使用海面高梯度,依据最小二乘配置方法得到了南海部分海域垂线偏差格网,结合移去-恢复技术采用逆Vening-Meinesz的球面一维傅里叶变换算法快速计算我国近海海域测高重力异常CASM_GRA.与船载重力测量数据融合后,重力场精度在2.75~5.38mgal之间,平均偏差在-0.21~0.45mgal之间.与DTU13重力场模型相比,平均值最大改进为12.98mgal,标准差最大降幅近3.40mgal.与Sandwell V23.1模型相比,平均值最大改进为13.58 mgal,标准差最大降幅为1.09mgal.

一种利用CryoSat-2数据估算南极冰架厚度的方法

针对传统利用流体静力平衡原理估算的冰厚方法在冰架上不适用的问题,提出一种新的利用CryoSat-2卫星测高数据进行冰架厚度估算的方法。以南极洲罗斯冰架、龙尼-菲尔希纳冰架、埃默里冰架为研究对象,选取2013年11月位于实验区内的全部CryoSat-2卫星测高数据,分析得到冰架的外边缘线和范围,然后提取冰架干舷高和冰架体积,计算每个足印的冰架厚度,最后通过插值得到冰架厚度的二维栅格图,通过估计得到3座冰架的冰储量分别为1.78×10^5km^3、0.97×10^5km^3、1.92×10^4km^3。将冰架厚度反演结果与冰桥计划冰厚数据对比,相关系数约为0.96,中误差约为20.96m,说明二者具有较好的一致性。另外,本方法结果比传统方法的中误差减小约3.76m,说明本文提出的方法可以提高冰架厚度估算的精度。

CryoSat-2测高数据与Landsat 8光学数据融合提取南极Amery冰架接地线

本文利用CryoSat-2测高数据与Landsat 8光学数据,针对南极Amery冰架区域开展接地线提取研究.首先通过Landsat 8光学影像三次Hermite多项式插值处理,在坡度分析的基础上利用表面曲率改进方法获取接地线特征点;同时对CryoSat-2测高数据进行坡度分析和表面曲率计算,通过沿轨梯度分析方法提取接地点;最后将Landsat 8与CryoSat-2数据获取的接地点进行最小二乘融合得到融合接地线.实验结果表明,融合结果利用高空间分辨率光学数据不仅能保证接地线提取精度,同时测高数据还能够弥补光学数据受云遮挡导致的数据空缺,保持接地线的完整性.与MOA产品比较可以看出,融合数据点与MOA接地线平均距离为367 m,标准差为601 m,所有数据点中距离小于1 km的点占总数的93.19%,与MOA产品具有较好一致.本文提出的融合算法可以实现空间连续的接地线提取结果,对后续研究南极物质平衡、冰流速计算等具有重要的意义.

基于Cryosat-2数据的南海2'×2'重力异常计算与分析

利用Cryosat-2数据计算南海高空间分辨率高精度重力异常,对Cryosat-2 level 2 SIR_GDR-2A数据进行轨迹分析和交叉点分析。基于测高数据集（第1-4周期）,借助加权最小范数最小二乘解计算网格剩余垂线偏差分量,然后计算中国南海海域（4°-24°,105°-120°）2＇×2＇重力异常。结果表明,Cryosat-2数据轨迹密度高且分布均匀规则,交叉点不符值均方根值为15.9 cm,略高于同步时间段的Jason-2 GDR数据。与船测重力相比,中国南海海域（4°-24°,105°-120°）2＇×2＇重力异常误差为4.5×10-5m·s^-2。

基于CryoSat-2数据反演2011～2017年波弗特海海冰厚度变化

利用CryoSat-2卫星测高数据反演波弗特海的海冰厚度,并利用2010~2013年10月份仰视声呐(ULS)和2011年冰桥计划(IceBridge)数据对结果进行精度评估。结果表明,测高反演的海冰吃水深度与ULS吃水深度差值的最大值和标准差分别为14 cm和4 cm;测高反演的海冰厚度与冰桥计划海冰厚度差值的平均值和标准差分别为2.7 cm和65.7 cm,优于Laxon(2013)研究结果(分别优化2.1 cm和6.6 cm)。在此基础上,研究2011~2017年波弗特海夏冬两季的海冰厚度变化,发现二者具有类似的分布特征,且冬季3月海冰覆盖范围更广,厚度更大;进一步分析2011~2017年3月份冬季海冰厚度年际变化,发现其呈整体下降趋势,且2012年最小,2014年最大。

利用CryoSat-2卫星测高资料确定北极海冰干舷高

卫星测高技术的发展使得大空间尺度探测海冰成为可能,海冰干舷高是反演海冰厚度的关键参量,获取精确的海冰干舷高对海冰探测及了解全球气候变化均具有重要的作用。本文基于近3年获取的CryoSat-2卫星SAR模式测高资料,在60°N—88°N纬度带内的北极海域通过设定阈值筛选可用的观测数据,并在此基础上计算2015—2017年间月平均海冰干舷高,最后通过IceBridge航飞数据的时空匹配验证了本文获取的干舷高计算结果是可靠的。

基于CryoSat-2雷达高度计数据的南极内陆冰盖高程变化与物质平衡

南极冰盖对海平面影响巨大,高程变化测量是南极物质平衡监测的重要手段。采用欧空局CryoSat-2雷达高度计数据,通过提取卫星升降轨的地面交叉点,监测了南极内陆冰盖的高程变化(物质平衡)。结果表明,后向散射能量对Ku波段的CryoSat-2雷达高度计的高程数据具有一定的影响,经后向散射能量校正后,时间序列上的高程变化变得平缓,高程变化与已有的降雪数据相比,更加符合实际情况。2010年11月至2017年11月南极内陆冰盖高程变化趋势为(-1.1±0.2) cm·a^(-1)。西南极的Kamb冰流高程变化率为(38.7±1.1) cm·a^(-1), Moeller冰流高程变化率为(-10.3±1.2) cm·a^(-1),部分Thwaites冰川区域高程变化率为(-13.4±1.8) cm·a^(-1),东南极的Wilkes Land出现高下降区,最高达-20 cm·a^(-1)。Dronning Maud Land虽然出现变化异常的点,但整体并没有显著的高程变化。南极内陆冰盖质量变化为(-10.6±6.2) Gt·a^(-1),整体上南极内陆冰盖质量变化平缓,部分区域变化较大, Kamb冰流达到(17.9±0.5) Gt·a^(-1), Moeller冰流达到(-3.4±0.4) Gt·a^(-1),部分Thwaites冰川区达到(-3.7±0.5) Gt·a^(-1)。

一种面向Cryosat-2数据的多参数联合的lead波形精确识别方法

远离星下点的lead(浮冰间的开阔水域)对回波波形有重要影响,使计算得到的瞬时海面高存在较大偏差。精确地区分出回波波形中的lead波形,能有效提高瞬时海面高(SSH)的测量精度。目前常用Laxon13算法(PP和SSD)来识别回波中的lead波形,进而计算海冰的出水高度。本文针对Cryosat-2高度计的SARIn模式数据,在Laxon13算法的基础上进行改进,新增了8参数,采用了一种更为精确的lead识别算法,即计算回波能量值在各参数下的统计量,设定分界值(阈值)以识别出lead。该方法采用MAX、PP、PPL、PPR、SSD、LEW、TEW、SLEW、KURT、SKEW共10种参数对lead进行识别,绘制了实验区域基于各个参数的分类图示并识别出lead波形,与Arctic and Antarctic Research Institute(AARI)提供的实际冰况图进行对比分析,确定lead有效识别的5参数。

基于CryoSat-2卫星的南极近海潮汐信息提取与分析

随着卫星测高技术的发展,覆盖面更广、更密集的海洋观测系统极大地促进了大洋潮汐理论的发展。欧空局发射的CryoSat-2卫星是为专门研究冰冻圈设计的,弥补了南极大陆无法测定而造成的数据空缺。本文对来自RADS的CryoSat-2卫星数据进行了分析、提取和预处理,求出星下点轨迹在研究海域的交叉点位置;用交叉点调和分析的方法获得潮汐参数,并用来自ATG数据库的验潮站可靠参数对调和结果进行评估。

基于CryoSat-2数据的纳木那尼冰川冰面高程变化方法研究

随着全球气候变暖,中亚地区大部分冰川逐渐变薄。高海拔山地冰川的变化会影响到周边地区的水资源和海平面变化,因此,我们需要高精度的地表高程观测数据来监测冰面高程变化。本文以喜马拉雅山脉西段的纳木那尼冰川为例,基于CryoSat-2卫星雷达高度计SARIn模式数据,修改了伪重复轨平面拟合方法,并计算了从2010年8月至2016年7月的冰面高程变化。纳木那尼冰面平均高程变化率为-0.47±0.44 m/year,整体呈现变薄趋势,与前人文献的结果基本一致,表明CryoSat-2数据在山地冰川使用伪重复轨平面方法估算高程变化有效可行。