2011-2020年弗拉姆海峡夏季海冰漂移跟踪及变化分析

准确的弗拉姆海峡海冰漂移监测对于量化弗拉姆海峡的海冰输出量,减少北极海冰流失量估计的不确定性具有十分重要的意义.由于数据源和算法的限制,现有的方法在夏季海冰漂移中应用效果不佳,难以监测到准确的海冰运动.本研究发展了一种基于MODIS时序数据和A-KAZE算法的夏季逐日海冰漂移跟踪方法,并基于该方法开展了2011—2020年弗拉姆海峡夏季(4—9月)逐日的海冰漂移监测研究,分析了近10年弗拉姆海峡海冰流速的变化规律.研究选取2020年4月29日到5月5日弗拉姆海峡局部区域作为实验区对研究提出的方法进行了验证.实验结果表明,本研究提出的方法相比于经典的MCC模式匹配算法在跟踪精度上有很大提高,其中速度的均方根误差减少了2.13 km·d^(-1)(73%),角度的均方根误差减少了10°(38%).相比于常用的SIFT、SURF特征跟踪算法,本方法提取到的海冰漂移矢量在数量上更多,空间分布更广.同时,相比于使用MODIS每日合成数据,本方法使用的时序MODIS影像在实验区获取了更大的海冰漂移跟踪范围,平均每日的跟踪面积提升了862.62 km^(2)(近16倍),有效减少了云覆盖对光学数据跟踪效果的影响.此外,研究发现近10年弗拉姆海峡区域夏季海冰流速的空间分布比较一致,呈现出海峡南部流速高于北部,远离海岸流速高于近岸流速的规律.弗拉姆海峡夏季平均海冰流速在年际上不存在明显的增加或减少的趋势,但是在月尺度上总体呈现出4—7月下降,7—9月回升的趋势.本研究提出的海冰漂移跟踪方法可为夏季的海冰漂移研究提供新的思路,针对近10年弗拉姆海峡夏季海冰流速的分析结果也可应用于北极海冰快速变化等相关研究中.

基于遥感图像分析的极区海冰漂移研究

对极区的海冰运动进行观测具有重要的意义,卫星遥感技术是目前极区海冰监测的重要手段。星载多光谱仪器和合成孔径雷达(SAR)能够生产高分辨率、宽刈幅、连续的遥感图像,是开展海冰遥感监测的优选载荷。通过对极区遥感图像的分析,可以获取极区海冰漂移运动的资料信息。文中提供了可用于极区海冰漂移研究的遥感资料源,详细介绍了两种基于遥感图像的海冰运动分析方法:相关匹配法与光流算法,以及两种方法的对比;利用文中介绍的遥感资料和分析方法,在两极海区发现了明显的海冰中尺度运动特征。

HY-2卫星扫描微波辐射计数据反演北极海冰漂移速度

本文基于最大互相关法,利用海洋二号(HY-2)卫星扫描微波辐射计37GHz通道多时相垂直极化亮温数据,获取了北极海冰漂移速度。采用2012年和2013年国际北极浮标计划海冰现场观测数据,对利用微波辐射计亮温资料反演的冬季北极海冰漂移速度进行了定量验证,结果表明:流速和流向均方根误差分别为1.12cm/s和16.37°,从一定程度上说明了HY-2卫星扫描微波辐射计亮温数据反演海冰漂移速度的可行性。此外,使用美国国防气象卫星F-17搭载的专用微波成像仪91GHz通道垂直极化亮温,采用高斯拉普拉斯滤波方法进行处理,结合最大互相关法反演的海冰漂移速度,优于法国海洋开发研究院海冰漂移速度产品。

考虑海冰漂移的船舶冰载荷分布模型试验

本文针对一艘航行于北极海域的破冰船进行了一系列冰水池模型试验,试验中通过旋转船模的方式,实现了对海冰漂移速度与船舶航行速度的同时模拟。试验中重点观察了不同工况下船舶首、中、尾区域冰排的破坏模式,通过对触觉式传感器测得船体不同区域的冰载荷进行详细分析,研究了海冰漂移及航速变化对冰载荷分布的影响。

灰度共生矩阵纹理特征对SAR海冰漂移监测的增强性能研究

海冰漂移监测对气候变化分析、船只航行、海上石油平台等海上活动安全作业具有重要意义。当前主流的SAR海冰漂移监测方法多是基于SAR灰度图开展的,其受噪声、环境等因素的影响较大,导致其在海冰漂移探测时,特征失配率高,匹配正确率低。针对这一问题,本文尝试利用SAR海冰纹理特征来增强海冰漂移探测性能。首先对比分析了8种纹理特征对海冰漂移探测中特征匹配的增强性能,筛选出能够有效增强特征匹配性能的最优纹理特征;其次进一步分析了海冰类型、入射角和分辨率对基于纹理特征的海冰漂移探测性能增强的影响。实验结果表明,均值是最优的纹理特征,与SAR强度图相比,特征匹配正确率提高了约7%。

基于双边函数全局运动模型的海冰漂移监测方法

针对海冰漂移运动高精度监测需求,文章采用双边函数全局运动模型(BFGMM)方法,应用哨兵1号(Sentinel-1)雷达影像,对北极区域波弗特海域海冰漂移运动进行了分析。双边函数全局运动模型采用分段光滑函数进行全局性约束,通过模型拟合、函数平滑约束、匹配集扩展等过程,以最小化全局代价函数进行计算,从而实现海冰漂移图像的精确配准。试验结果表明:针对海冰漂移雷达影像特征点匹配精度在98%以上,同时能够实现大量的特征点的准确配准,算法精度较尺度不变特征变换(SIFT)方法显著提高。最后进行了波弗特海域局部区域海冰漂移运动监测,并分析了漂移速度矢量场的空间分布。

基于Sentinel-1数据波弗特海域海冰漂移检测技术研究

卫星遥感技术是目前对极区海冰监测的重要手段,随着卫星数据的不断优化,选择适合的漂移算法,提高海冰漂移检测的精度,对我国开展极区海冰运动研究有重要的意义。本文首先基于Sentinel-1遥感数据,采用有效的预处理方法,得到较为准确的数据集。然后针对所得数据集采用SIFT(Scale-Invariant Feature Transform)特征跟踪方法,实现了对时间间隔为1 d的极区海冰漂移的速度和方向监测。最后用浮标数据对本方法进行了验证。结果表明,本文所得漂移矢量与浮标数据所得结果基本一致,与浮标数据的平均误差比仅为8.1%,从而表明该方法可以有效地实现极区海冰漂移检测,且准确性较高。

结合不同极化数据的海冰漂移检测

基于Sentinel-1遥感数据,对合成孔径雷达(SAR)极化特征数据在海冰漂移检测中的应用进行了深入研究。研究了水平发射水平接收(HH)和水平发射垂直接收(HV)极化数据在海冰漂移检测中的差异,分析了两种极化数据的优劣,并发现由两种极化数据检测到的特征信息具有互补的特性。通过特征融合的方法,将由两种极化数据得到的特征信息有效地应用于海冰漂移检测中。实验结果表明,利用所提出的方法得到的海冰漂移矢量在空间分布和覆盖率方面均得到了提高。该方法能够有效地应用于海冰漂移检测。

北极海冰漂移对多年冰分布的影响研究

本文基于美国冰雪数据中心(NSIDC)提供的海冰漂移和冰龄数据,分析了1985-2014年北极海冰漂移场的主要模态和多年冰的分布特征,初步评估了海冰漂移对多年冰分布的影响。多年冰面积序列的小波变换结果显示多年冰面积的显著周期为1年和5年,其中5年周期在2007年之后变得显著。海冰漂移速度的经验正交分解的冬季第一模态向穿极流模态的转化,穿极流模态在30年间方差贡献率的逐步上升,穿极流态流轴位置的偏移与多年冰的分布在三个年代相吻合,揭示了二者的密切关系。波弗特海域在三个10年间速度趋势的上升,对于多年冰的输运起到了重要的作用。从三个时间段冬夏两季速度的变化来看,冬季是海冰漂移速度增加的主要时期,与该海域内多年冰面积的下降形成了正反馈关系。

特征跟踪与模式匹配结合算法在海冰漂移检测中的应用研究

基于Sentinel-1遥感数据,采用有效的预处理方法,得到较为准确的数据集,并提出一种基于三角剖分的特征跟踪与模式匹配结合算法,通过建立三角形网络并有效结合两者的优势,既提高了算法效率,又使海冰漂移矢量具有更均匀的空间分布。同时,研究了HH极化及其数据强噪声区域下该算法的适用性。不同极化数据的实验结果显示,本文算法所得海冰漂移矢量不仅有更高的覆盖率,而且均方根误差降低了约10%,提高了检测精度。面对噪声稳健性的增强,即使在条带噪声的干扰下,检测准确率仍可高达98%,可见该算法对两种极化方式具有普适性,从而证明该方法能够有效地应用于海冰漂移监测。

Subseasonal transition of Barents-Kara sea-ice anomalies in winter related to the reversed warm Arctic-cold Eurasia pattern

“暖北极-冷欧亚”模态(WACE)的次季节反转会触发中国东部冬季的极端冷/暖转换以及春季沙尘暴.在这一显著的高纬度大气模态反转的驱动下,巴伦支海-喀拉海(BKS)的海冰异常也表现出次季节转换.当北极变暖以及乌拉尔山高压增强时,BKS异常向下的湍流热通量和增强的向下红外辐射有利于海冰融化;近地面的异常偏南风使海冰从薄冰区向多年冰区漂移,进一步扩大了开阔洋面.相反的机制出现在WACE反位相,导致BKS海冰异常偏多.当WACE次季节反转时,上述机制分别发生在前冬和后冬,使得BKS海冰异常出现显著的次季节转换.近10年随着WACE反转频率增多,BKS海冰前后冬的次季节变化增强.本文构建了WACE次季节反转的综合示意图,有助于更好地理解和预测中国东部极端气候.

2010年夏季北极冰情变化及大气环流场演变

利用美国冰雪中心(NSIDC)资料分析2010年夏季中国第4次北极科学考察期间北极海冰的冰情变化,并通过NCEP再分析资料对同时期的大气环流演变进行分析,发现6月与8月环流形势为偶极子正异常,加速了海冰的融化,其中2010年6月的海冰覆盖范围达到有历史记录以来的6月最低值;7月为低压控制,减缓了海冰覆盖范围的进一步减少;2010年8月北极区域出现冰间水道和冰间湖,跨越极点由太平洋一侧到大西洋一侧,大范围区域内海冰密集度小于80%。由此可见,2010年夏季海冰覆盖范围及密集度变化主要受同期大气环流场的影响。此外,简单指出西北通道北线冰提前融化是由春季北极加拿大区域气温异常偏高引起。

影响北极冰下海洋Ekman漂流垂直结构与深度因素的研究

Ekman漂流是上层海洋普遍存在的一种运动形式。本文提出了用实测温盐数据计算冰下Ekman流速的计算方法,与2010年北极考察期间同步获取的海流剖面数据进行比较,获得了满意的结果。基于这个结果,可以通过比较容易获得的温盐数据,计算Ekman漂流垂直结构。海水层化的存在导致在跃层处湍流黏性系数减小,强烈抑制了流速的向下传播,致使Ekman漂流在跃层处完全消失。结果表明,冬季上层海洋漂流会发生在较大的深度上,而夏季海冰拖曳引起的漂流只能达到20～30m的深度。Ekman漂流的深度只与跃层的深度有关,与海冰的漂移速度无关。漂流层变浅意味着海冰拖曳做功产生的能量不能进入海洋深处,而是在很浅的表层水体内积聚,有利于加剧海冰的底部融化。计算湍流黏性系数通常需要密度剖面和流速剖面的观测结果,在只有密度剖面的情况下,可以采用本文的方法计算Ekman漂流,获得上层海洋的湍流黏性系数剖面。