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格陵兰冰盖次表面湖多源遥感监测——以格陵兰中西部流域为例

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地球物理学报 2022年第10期65卷 3818-3828页

作者：李岚静陈卓奇郑雷程晓中山大学测绘科学与技术学院广东珠海519082 南方海洋科学与工程广东省实验室(珠海) 广东珠海519082 中国高校极地联合研究中心北京100875

格陵兰冰盖在夏季会发生剧烈融化,融水在低洼处汇集形成冰面湖,储存了大量的融水,在冰盖的水文系统中起着至关重要的作用,是格陵兰冰盖质量平衡的重要组成部分.近期有研究发现大量的冰面湖在冬季不会完全冻结,而是掩埋在雪层或冰层下以... 详细信息

格陵兰冰盖在夏季会发生剧烈融化,融水在低洼处汇集形成冰面湖,储存了大量的融水,在冰盖的水文系统中起着至关重要的作用,是格陵兰冰盖质量平衡的重要组成部分.近期有研究发现大量的冰面湖在冬季不会完全冻结,而是掩埋在雪层或冰层下以液态水形式存在,形成冰盖次表面湖.冰盖次表面湖对格陵兰冰盖稳定性和物质平衡会产生重要的影响.由于次表面湖存在于冰盖表层之下难以通过可见光影像进行提取和分析,次表面湖的监测成为次表面湖研究的难点之一.本研究提出一种利用Landsat8和Sentinel-1数据自动提取次表面湖范围的方法.该方法先利用可见光影像提取夏季冰面湖的范围对SAR影像进行掩膜,再根据冬天水体和冰面的后向散射具有可分性的原理,通过Rosin阈值分割算法,提取得到2018—2019年冬季格陵兰中西部流域的次表面湖并对其分布进行分析.在研究区内选择10个测试区域,利用该方法对区域内的次表面湖进行目视解译,并对算法自动提取次表面湖结果进行精度验证.结果表明,本研究提出的自动提取算法Kappa系数为0.85.基于该方法,本研究在2018年格陵兰中西部流域共提取夏季冰面湖的面积为102.28 km~2.约43.09%的夏季冰面湖不会完全冻结,从而在冬季形成次表面湖(面积为44.07 km~2).

关键词：格陵兰冰盖次表面湖 Sentinel-1 Rosin算法

北极海冰密度变化分析及其对海冰厚度估算的影响

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极地研究 2019年第3期31卷 258-266页

作者：李冰洁庞小平季青武汉大学中国南极测绘研究中心湖北武汉430079 极地测绘科学国家测绘地理信息局重点实验室湖北武汉430079 中国高校极地联合研究中心北京100875

海冰密度是海冰和气候模型的重要物理变量,也是利用卫星测高数据估算海冰厚度的关键参数。目前各国北极科学考察虽开展了海冰物理观测,但对近期北极海冰密度现场观测资料的综合分析和挖掘应用不足。在此背景下,收集了近15年来北极海冰... 详细信息

海冰密度是海冰和气候模型的重要物理变量,也是利用卫星测高数据估算海冰厚度的关键参数。目前各国北极科学考察虽开展了海冰物理观测,但对近期北极海冰密度现场观测资料的综合分析和挖掘应用不足。在此背景下,收集了近15年来北极海冰密度现场观测资料,分析北极海冰密度的变化特征;对海冰密度实测数据进行克里金插值,将插值结果输入静力平衡方程模型计算海冰厚度,探讨海冰密度对海冰厚度卫星测高反演的影响。结果表明,2000—2015年北极海冰密度变化范围为750—950 kg·m^–3,1—9月海冰密度总体上随月份变化呈减小的趋势;6—9月北极海冰密度随着纬度的增加而减少(75°N—90°N);通过对比分析表明,相较于使用海冰密度固定值参与估算海冰厚度,采用经现场观测数据空间插值后的海冰密度估算海冰厚度的结果更为准确。北极海冰密度现场观测资料的整理分析可为海冰与气候变化等进一步研究提供参考。

关键词：海冰密度现场观测变化分析海冰厚度

液态降水与地表气温对北极海冰开始融化时间的影响

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海洋学报 2023年第9期45卷 10-24页

作者：周璇苏洁中国海洋大学海洋与大气学院山东青岛266100 中国海洋大学物理海洋教育部重点实验室山东青岛266100 中国高校极地联合研究中心北京100875

海冰最早开始融化时间(EMO)是体现海冰融化的重要指标,也是影响海冰热收支的关键因素。本文使用EMO遥感数据、ERA5再分析资料和海冰密集度数据分析研究了地表气温和液态降水对EMO影响的相对贡献。研究显示,在5个研究海区中,大西洋扇区南... 详细信息

海冰最早开始融化时间(EMO)是体现海冰融化的重要指标,也是影响海冰热收支的关键因素。本文使用EMO遥感数据、ERA5再分析资料和海冰密集度数据分析研究了地表气温和液态降水对EMO影响的相对贡献。研究显示,在5个研究海区中,大西洋扇区南区EMO提前最显著,1979-2021年的变化率为-3.3 d/(10 a)。北极各海区的地表气温与EMO有着持续1~2个月的显著相关时段,其中太平洋扇区南区、大西洋扇区北区和南区的地表气温较液态降水与EMO相关的持续时间更长,相关性也更强;而对太平洋扇区北区和北极中央区,只有在EMO发生前的2~3周,液态降水对其EMO有着更高的贡献。对于太平洋扇区北区,大气环流提供的强水汽输送通道伸入该海区,使对流层低层饱和水汽增多,500 hPa位势高度的多年变化趋势具有三波绕极环流加强的结构,也有利于经向的热量交换,使比湿的垂向梯度进一步增加,为该海区EMO的提前起到一定的促进作用。对于北极中央区,在EMO提前的年份,液态降水较常年偏高33%,不仅气候态意义下的太平洋水汽通道的输送加强,欧亚大陆上空的水汽通道也与之汇合,促使北极东部形成气旋式水汽输送模态,为EMO的提前发生提供了有利条件。

关键词：海冰最早开始融化时间液态降水地表气温相对贡献

海冰形变对北极冬季CICE模式冰厚模拟结果的影响

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海洋学报 2023年第8期45卷 46-61页

作者：李昊苏洁中国海洋大学海洋与大气学院山东青岛266100 中国海洋大学物理海洋教育部重点实验室山东青岛266100 中国高校极地联合研究中心北京100875

海冰数值模式是研究海冰动力热力状态参量及之间联系的有效途径。目前对冰厚数值模拟结果的分析远远少于对海冰范围/面积和密集度的研究,对冰速与海冰形变对冰厚分布影响的研究也尚欠缺。本文利用Los Alamos sea ice model(CICE)海冰模... 详细信息

海冰数值模式是研究海冰动力热力状态参量及之间联系的有效途径。目前对冰厚数值模拟结果的分析远远少于对海冰范围/面积和密集度的研究,对冰速与海冰形变对冰厚分布影响的研究也尚欠缺。本文利用Los Alamos sea ice model(CICE)海冰模式模拟了1980-2018年的北极海冰变化,并使用遥感、同化冰厚数据进行比对验证,分析了模拟冰速和海冰形变对冰厚的影响,计算了冰速的散度和切变偏差对冰厚偏差的贡献。结果显示,CICE对北极70°N以北区域平均冰厚和冰速的年际变化模拟基本合理,但模拟的平均冰厚和冰速多年变化趋势均小于同化数据的变化率;模拟和观测冰厚的空间分布差异与冰速和形变率的偏差有密切联系,主要表现为波弗特海的正偏差和北极中央区至弗拉姆海峡的负偏差。泛北极区域散度和切变偏差在3月之前对冰厚偏差的贡献在13%~16%之间变化,3-4月则由16%跃变至27%。散度偏差主导了11月、12月波弗特海区域的冰厚正偏差,切变偏差主导了冬季加拿大群岛以北海域和穿极流区域的冰厚负偏差。

关键词：北极冰厚冰速形变模拟结果

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夏季外来气旋对北极太平洋扇区海冰的影响

科学通报 2019年第18期64卷 1922-1929页

作者：周舒张录军周玮佳南京大学大气科学学院南京210023 中国高校极地联合研究中心北京100875 中国气象局-南京大学气候预测研究联合实验室南京210023 江苏省气候变化协同创新中心南京210023

近40年来,北极太平洋扇区8~10月海冰面积显著减少,其减少速率几乎是大西洋扇区的3倍,且该扇区海冰面积年际变率显著,标准差达6×105km2.基于ECMWF提供的再分析气象数据和NSIDC提供的海冰密集度、海冰运动及气旋资料,分析了外来气旋活动... 详细信息

近40年来,北极太平洋扇区8~10月海冰面积显著减少,其减少速率几乎是大西洋扇区的3倍,且该扇区海冰面积年际变率显著,标准差达6×105km2.基于ECMWF提供的再分析气象数据和NSIDC提供的海冰密集度、海冰运动及气旋资料,分析了外来气旋活动对北极太平洋扇区海冰面积年际变化的影响.研究表明:每年7~9月的外来气旋异常偏多(偏少)时,北极太平洋扇区海冰面积明显减少(增多),二者负相关最显著的区域位于楚科奇海、波弗特海、东西伯利亚海及中央海区.深入分析其作用机制发现:外来气旋活动加强时,受其对地表能量平衡和温度平流等综合影响,北极扇区大部分地区气温都明显上升,从而促进了该扇区海冰消融.同时气旋活动带来的大风会驱动海冰运动,使得边缘海区易形成更多开阔水域,海水显著增暖,加剧边缘海海冰融化.除此之外,气旋大风还会造成东西伯利亚海海冰向东和向南更暖的区域输送,也利于海冰的消融.总体来看,北极太平洋扇区海冰消融主要与气旋的热力作用有关,其动力作用主要影响边缘海域.

关键词：北极气候外来气旋海冰太平洋扇区

三种国际主流的北极卫星遥感冰速产品评估和分析

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遥感学报 2020年第7期24卷 867-882页

作者：施骞苏洁中国海洋大学物理海洋教育部重点实验室青岛266100 青岛海洋科学与技术试点国家实验室青岛266100 中国高校极地联合研究中心北京100000

冰速是海冰的重要参数,但是受资料长度限制,对卫星遥感冰速产品进行系统比较和评估的研究还较少。利用2009年-2017年国际北极浮标计划(IABP)浮标冰速数据,较系统地评估了不同时间间隔的遥感反演冰速产品在北冰洋内区和弗拉姆海峡附近海... 详细信息

冰速是海冰的重要参数,但是受资料长度限制,对卫星遥感冰速产品进行系统比较和评估的研究还较少。利用2009年-2017年国际北极浮标计划(IABP)浮标冰速数据,较系统地评估了不同时间间隔的遥感反演冰速产品在北冰洋内区和弗拉姆海峡附近海区的表现。结果显示,对北冰洋内区而言,1 d间隔的美国国家雪冰数据中心(NSIDC)遥感冰速冬季误差整体大于夏季,冬季高估了波弗特海南部海冰向西的运动,低估了从喀拉海流向格陵兰岛北部的穿极流。对于5种2 d间隔冰速产品而言,产品精度不完全取决于源数据空间分辨率的高低,反演算法的改进和数据融合均能提高冰速的精度,均方根误差大小的顺序是OSISAF-Merged

关键词：北极冰漂流浮标冰速遥感产品评估弗拉姆海峡

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积雪密度演变对北极积雪深度模拟的影响

海洋学报 2021年第7期43卷 75-89页

作者：尹豪苏洁 Bin Cheng 中国海洋大学物理海洋教育部重点实验室山东青岛266100 中国高校极地联合研究中心北京100875 芬兰气象研究所芬兰赫尔辛基00101

积雪具有复杂的时空分布,在高纬度地区的气-冰-海耦合系统中扮演了重要的角色。准确的积雪质量平衡计算可以帮助我们更好地理解海冰演变过程以及极区冰雪与大气之间的相互作用。雪密度是影响积雪质量平衡众多因素中的重要因子。现有的... 详细信息

积雪具有复杂的时空分布,在高纬度地区的气-冰-海耦合系统中扮演了重要的角色。准确的积雪质量平衡计算可以帮助我们更好地理解海冰演变过程以及极区冰雪与大气之间的相互作用。雪密度是影响积雪质量平衡众多因素中的重要因子。现有的一维高分辨率冰雪热力学模型(如HIGHTSI)中,使用常数块体雪密度均值将降雪雪水当量转化为积雪深度。本文参考拉格朗日冰上积雪模型(SnowModel-LG)模式对积雪分层压实的处理,简化为新、旧两个雪层,并在质量守恒条件下同时考虑新、旧雪层深度对压实增密的响应,将该物理过程加入HIGHTSI模式中。利用ERA-Interim再分析数据作为大气强迫,针对北极15个冰质量平衡浮标沿其漂移轨迹模拟了降雪积累期海冰表面雪密度变化对积雪深度变化的影响,在原HIGHTSI设置下分别采用定常块体雪密度均值330 kg/m^(3)(T1试验)、接近实际的常数新雪密度200 kg/m^(3)(T2试验)以及改进后框架下新、旧雪层随时间压实增密的雪密度(T3试验)计算积雪深度,并将模拟结果与浮标观测进行对比。结果表明,本文改进的算法对雪密度变化的处理更为合理,且能较好地再现积雪深度的变化;考虑新、旧雪层深度对压实增密的响应能较好地避免以较低的降雪密度持续过度积累,以浮标观测为标准,分层积雪密度压实计算得到的平均绝对误差相对T2减小了5 cm。

关键词：北极积雪深度雪密度一维热力学冰雪模型

基于Landsat 8的南极内陆考察车辙印自动提取

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北京师范大学学报（自然科学版） 2019年第1期55卷 47-56页

作者：马驰杨宸程晓张宝钢刘岩北京师范大学全球变化与地球科学研究院遥感科学国家重点试验室中国高校极地联合研究中心北京100875

分析了内陆考察车辙印的Landsat 8卫星影像特征,利用目视解译以及统计量分析车辙印与背景雪面的差异,得出近红外和短波红外波段是车辙印自动提取的优选波段,高斯增强方法为提升车辙印与背景之间的对比度的优选方案;同时运用动感模糊、ca... 详细信息

分析了内陆考察车辙印的Landsat 8卫星影像特征,利用目视解译以及统计量分析车辙印与背景雪面的差异,得出近红外和短波红外波段是车辙印自动提取的优选波段,高斯增强方法为提升车辙印与背景之间的对比度的优选方案;同时运用动感模糊、canny边缘提取算子、膨胀腐蚀算子和噪声线段去除技术,实现车辙印在不同环境下的高精度自动提取.通过对中国第33次南极考察期间的内陆考察车辙印进行自动提取试验验证,此算法直接实现54%路线上车辙印的自动提取,32%的路线略需人工干预,仅14%的路线难以实现自动识别.另外,本文结合雪积累率、雪粒径大小、冰流速以及地形数据分别分析了气候、冰雪物理特性、冰川动力特征和地形特征对车辙印识别的影响.

关键词：南极 Landsat 8 车辙印动感模糊 canny边缘提取算子

基于Landsat 8的世界各国南极内陆考察特征分析

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北京师范大学学报（自然科学版） 2019年第1期55卷 36-46页

作者：杨舒鸿戚梦真刘岩程晓张宝钢北京师范大学全球变化与地球科学研究院遥感科学国家重点实验室中国高校极地联合研究中心北京100875

利用南极地区夏季Landsat 8卫星短波红外影像获取近年世界各国南极内陆考察车辙印、机场跑道、中转站等考察足迹信息.一方面,深入分析我国南极考察内陆考察路线特征,并通过相邻3个年度南极考察内陆考察轨迹对比了解考察轨迹的变化特点;... 详细信息

利用南极地区夏季Landsat 8卫星短波红外影像获取近年世界各国南极内陆考察车辙印、机场跑道、中转站等考察足迹信息.一方面,深入分析我国南极考察内陆考察路线特征,并通过相邻3个年度南极考察内陆考察轨迹对比了解考察轨迹的变化特点;另一方面,对比分析世界各国内陆考察起止点、中转站和路线轨迹差异,并结合南极冰上、冰下地形数据,冰雪积累率和冰流速等辅助数据,探索各国南极考察路线特征,通过对各国南极内陆考察活动和路线断面特征的对比分析,了解世界各国的极地考察水平.

关键词：遥感南极内陆考察 Landsat 8 车辙印