夏季北冰洋海冰边缘区海水温盐结构及其形成机理

利用 1 999年北极科学考察期间在海冰边缘区的三次考察数据 ,研究了北冰洋海冰边缘区的温度和盐度结构。将海冰边缘区分为机制不同的两大类 ,一类是暖水海冰边缘区 ,主要热源是外部暖水进入海冰边缘区携带的热量 ;另一类是冷水海冰边缘区 ,主要热源是太阳辐射加热。文中主要对冷水海冰边缘区进行了研究。虽然两个冷水海冰边缘区 (R区与T区 )温度结构不尽相同 ,但都存在表层以下水体中的温度极大值现象 ,R区的温度极大值位于2 0m左右 ,T区的位于 40— 5 0m左右的深度 ,可以认为是海冰边缘区的典型温度特征。作者认为 ,次表层暖水的热源是太阳辐射的直接加热 ,为此 ,建立了太阳加热引起海水次表层增暖的物理模型和简单的数学模型 ,获得了冰下海水在太阳辐射的作用下增暖的解析解。结果表明 ,部分太阳辐射能穿过海冰加热冰下海水 ,加热之初温度的极大值出现在近表层 ,随着时间的推移 ,海温极大值的位置向下移动 ,最终可以达到 40m左右 ,证明了仅仅依靠太阳的短波辐射就可以形成中间暖的水层。文中阐明 ,开阔海水更多的是上混合层和跃层结构 ,冰下海水主要是次表层暖水结构 ;冷水海冰边缘区的海水主要带有冰下海水的特征。由于次表层暖水的形成与海冰厚度关系很大 ,近十几年北冰洋海冰厚度的显著减少势必加?

夏季加拿大海盆海冰边缘区声体积后向散射强度研究

声信号的体积后向散射强度是声传播过程中一个关键的参数。海冰边缘区的声体积后向散射强度研究对深入认识北极声场环境有着十分重要的意义。本文利用中国第六次北极科学考察获取的数据资料研究了海冰边缘区声体积后向散射强度特性。结果表明:加拿大海盆海冰边缘区是声体积后向散射强度的明显过渡区。无冰海面(海冰密集度小于15%)海洋深层水的声体积后向散射强度明显大于密集海冰区域的海水(海冰密集度大于50%)。讨论了声体积后向散射强度与海冰融化之间的关系,造成融冰区声体积后向散射强度增大的原因是水下悬浮泥沙、浮游生物等悬浮物质增加。根据海冰密集海域的海水后向散射强度弱的特点,对北极下放式声学多普勒测流仪(LADCP)观测的设置提出建议。

用AMSR数据极化比PSSM算法检测渤海海冰边缘线

利用高级微波扫描辐射计数据和冰间湖信号模拟算法探测渤海海冰,提取海冰外缘线信息。探测的海冰边缘线与Jason-1高度计海冰探测结果和ENVISAT ASAR海冰探测结果做比较,验证了该方法的有效性。

应用微波辐射亮温确定北极海冰边缘的算法

海冰边缘区(MIZ)的边缘位置是微波遥感图像的1个基本特征,本文利用AMSR-E微波辐射亮温的强度比,提出1个确定MIZ边缘位置的方法。强度比最初用来确定数字影像中海冰和海水的阈值。研究发现,强度比也可以反应海冰与海水的微波辐射的差异。在无冰水域,垂直极化的18.7(V18.7)和36.5(V36.5)GHz的高级微波扫描辐射计(AM-SR-E)的亮温之比主要在0.86～0.89之间变化,此时它们在散点图中聚集成1条经过原点的直线;而在MIZ,它们的比值发生了显著改变。强度比比较好的体现了V18.7和V36.5的亮温比值在MIZ边缘处的变化特征:强度比快速增大,并且它的梯度出现极大值。全年中MIZ边缘处的亮温比值在0.89～0.90之间变化,此时对应的海冰密集度为0.08。

1979-2018年南极海冰边缘区范围时空变化研究

南极海冰边缘区是海洋-大气的重要交换区,也是海洋生物的重要栖息地,其年际变化、季节性变化和区域差异显著影响着全球海洋和大气环境。基于美国国家冰雪数据中心1979—2018年的海冰密集度数据集,本研究将海冰密集度15%~80%作为阈值确定海冰边缘区,通过边缘区范围的年际变化、季节性变化来分析整个南极及其5个子区域的海冰边缘区范围时空变化特征与趋势。研究结果表明,南极海冰边缘区所在的位置并不稳定,大部分边缘区海冰出现的频次小于20年。40年间南极海冰边缘区范围呈略微减少趋势,减少速度为(5.8±2.6)×10^(3) km^(2)·a^(–1)。边缘区平均纬度并没有明显偏移趋势。此外南极海冰边缘区范围和平均纬度呈现稳定的季节性周期变化,边缘区范围于2月达到最小值,在3—11月缓慢增长,12月到达最大值后迅速下降。边缘区平均纬度通常在9月到达最北端,2月到达最南端。此外,5个地理分区中威德尔海扇区的边缘区范围最大,波动最明显,平均纬度最偏北。5个分区的年平均边缘区范围和平均纬度的变化趋势在1979—2018年间整体较为平缓,但是边缘区范围和平均纬度的变化趋势分别在1979—1988年间和1999—2018年间最为明显。

应用风云三号D星微波数据估算北极海冰面积和边缘线的精度评估

风云三号D星搭载的微波成像仪(microwave radiation imager,MWRI)可提供被动微波数据以实现全北极尺度的海冰面积和海冰边缘线研究。基于MWRI数据获取北极海冰面积和海冰边缘线的相关研究较少,且精度验证工作不足。使用基于6种算法的MWRI数据的海冰密集度结果,提取北极的海冰面积和海冰边缘线,将专用传感器微波成像仪/探测仪(special sensor microwave imager/sounder,SSMIS)和先进微波扫描辐射计(advanced microwave scanning radiometer 2,AMSR2)数据作为对比,使用中分辨率成像光谱仪(Moderate-Resolution Imaging Spectroradiometer,MODIS)融合产品(2019年8月26日—12月31日)评估精度。结果表明,MWRI数据的海冰面积随时间变化的趋势与MODIS融合产品基本保持一致。MWRI提取的海冰边缘线相比SSMIS更接近MODIS融合产品获得的结果,均方根误差约为20~30 km。这些差异主要和数据间时空分辨率有关。总之,MWRI具有较优的性能,在北极海冰参数的监测研究中极具潜力。

盛夏北极边缘海冰与来年冬季NAO之联系

许多研究认为,只有北大西洋涛动(NAO)是一种具有物理意义的模态,而北极涛动(AO)则是EOF分解得到的一种统计假象模态。为了从一个新的角度进一步探讨二者的差别,我们运用附条件的最大协方差分析(CMCA)统计了前期北极边缘海冰密集度(MSCI)与来年冬季NAO之间的跨季节遥相关关系,其中的ENSO信号和线性趋势已经在分析之前被去除。统计显著性结果表明:冬季负位相的NAO信号可以追溯到6个月前自盛夏开始至早冬季节北极MSCI异常的逐步演变。然而根据先前的研究,北极海冰异常仅可以超前冬季AO大概4个月表现出显著信号。这表明盛夏北极MSCI的持续异常对来年冬季NAO的影响比对AO更强,同时也从另一个角度证实了AO与NAO确实存在差异。进一步分析还表明,前期MSCI异常的逐步演变主要与海表面热通量及气温异常有关。此外,我们还重新审视了负位相的NAO对北半球冬季气候异常的影响以及可能的物理机制。

一种SAR影像冰水边缘线提取算法

针对在低海冰密集度区域采用被动微波获取的海冰密集度数据会低估真实的海冰密集度值,从而不能准确地得到冰水边缘线位置的问题,文中基于高分辨率合成孔径雷达影像设计并实现了在低海冰密集度区域准确提取冰水边缘线的算法.该算法将海冰在合成孔径雷达影像中强度和对比度差异较大的曲线特征,通过边缘检测的方法统一为边缘信息.根据海冰与海水区域边缘信息丰富程度的差异,采用曲波域多尺度主动轮廓模型迭代搜索边缘信息丰富区域的轮廓,即为冰水边缘线的位置.实验表明,该方法能够在低海冰密集度区域准确地提取冰水边缘线,与采用被动微波海冰密集度数据得到的冰水边缘线相比,准确率有了大幅的提升.

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,其中采用被动微波高频算法的ASI产品和综合算法OSI SAF产品的整体平均偏差分别为0.59%和–0.65%。经对比发现各产品空间分布的不一致性主要存在于海冰边缘区。2018年,9种产品海冰范围的逐日最大和最小值之差为2.51×10^(6)~6.26×10^(6)km^(2)。在边缘区采用高分辨率雷达数据开展对比,结果表明在密集压实型海冰边缘,除基于ASI和NT2算法的三种产品外,其余六种产品均呈低密集度区高估、高密集度区低估的特点;基于AMSR2传感器的ASI-AMSR2和OSI SAF-AMSR2产品与雷达观测具有较高相关性,R^(2)分别为0.85和0.82,且均方根误差(RMSE)最小,分别为12.19%和9.70%。在分散型冰边缘,各产品对海冰密集度全面低估,OSI SAF-AMSR2相关性最高,R^(2)为0.78,RMSE最小,为6.19%。分析认为基于AMSR2的OSI SAF-AMSR2产品在现有9种产品中更能表征航道区海冰边缘与低密集区。

基于高度计数据的南极冰水边界识别算法研究

海冰边缘线是南极海冰监测的重要内容之一。本文基于ENVI RA-2(ENVISAT Radar Altimeter 2)高度计数据开展了南极海冰边缘线提取方法研究。首先根据海冰和海水后向散射系数的不同,利用其各自方差对两者进行区分,获得了冰水分界线;其次通过ENVISAT-ASAR(ENVISAT-Advanced Synthetic Aperture Radar)数据和冰况图对提取的海冰边缘线的正确性进行了验证;最后简要分析了误差存在的原因。研究结果表明,高度计数据在提取大范围海冰边缘线方面具有优势。

夏季北极密集冰区范围确定及其时空变化研究

研究夏季北极密集冰区的范围变化是了解北极海冰融化过程的重要手段。密集冰区与海冰边缘区之间没有明确的分界线,海冰密集度在两者之间平滑过渡,确定密集冰区范围就需确定一个密集度阈值。文中依据分辨率为6.25km的AMSR-E遥感数据,发现不同密集度阈值所围范围在密集冰区边缘处的减小存在由快变慢的过程,同时与周围格点的密集度差异变化在该处最为显著,对这两个特征进行统计分析,获得的阈值同为89%,具有明确的物理意义和合理性。以此为基础,运用腐蚀算法剔除海冰边缘区,同时结合连通域法排除小范围密集冰的影响,进而确定密集冰区的范围。结果表明,2002—2006年密集冰区覆盖范围较大,年际变化较小,2007年以后明显减小,2010年与2011年相继出现最小值,其中2011年的范围最小值仅为2006年的64%。密集冰区范围的变化不同于海冰覆盖范围,是具有独立特性的海冰变化参数,反映出高密集度海冰区域的变化特征。海冰的融化与海冰边缘区的变化是导致密集冰区范围发生变化的两个主要因素,受动力学因素的影响,海冰边缘区发生伸展或收缩,发生密集冰区与海冰边缘区互相转化。本文提出了一种研究北极海冰变化的新思路,密集冰区覆盖范围的减小表明北极中央区域高密集度海冰正持续减少。

夏季北冰洋无冰海域次表层暖水结构的形成机理

在夏季北冰洋的无冰海域,经常可以观测到次表层暖水现象,即在水深20～50m的范围内发生海水温度的极大值。建立了一个一维的热力学解析模式,用于研究夏季北冰洋次表层暖水的形成机制。模式的计算结果表明,太阳辐射作用是形成次表层暖水的关键因素。在北冰洋的开阔水域,大气吸收海洋热量的过程导致了海面温度下降,使温度极大值出现在次表层。海洋垂向湍流热扩散对次表层暖水温度有显著影响;当湍流热扩散较弱时,热扩散的范围较小,有利于形成次表层暖水。次表层暖水的位置随着时间的推移不断加深,温度不断增高。在北极,大气温度低于海面温度是普遍现象,次表层暖水经常发生。虽然当海面气温发生变化时,次表层海水温度结构会发生相应的变化,但次表层暖水结构形成之后,如果不受强烈天气过程的破坏,则会一直存在下去。按照本文的结论,随着北极气候变暖,海冰将进一步减少,次表层暖水现象还会明显增加,海洋对气候变化将有更加强烈的响应和反馈,对全球气候变化产生意义深远的影响。

基于SAR影像海冰动态特征的提取方法

海冰边缘区(Marginal Ice Zone,MIZ)海冰种类繁多,具有较强的动态性,充分了解其覆盖范围及变化对于研究海冰变化、环境变化以及更好地开展人类活动等方面具有重要意义。以Radarsat-2SAR影像为例,根据MIZ在影像中的不同尺度和方向上的曲线特征,采用能够将图像分解为多尺度多方向信息的曲波变换进行特征提取。利用中尺度曲波系数邻域内的均值和灰度共生矩阵(GLCM)的能量值之间的相互关系,设计并实现了一种基于SAR影像的海冰动态特征的提取方法。利用此动态特征得到的MIZ与采用海冰密集度数据定义的MIZ相比较,准确率得到大幅的提升。结果表明:该特征能够有效地描述海冰的动态程度,为MIZ的识别算法提供基础和新的研究思路,同时能够为海冰分析模型、环境预测模型等提供有效参数。