基于Envisat卫星测高数据的北极海冰厚度反演研究

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北极是全球气候的重要冷源之一,对全球气候变化有着重要影响,是全球气候变化研究的敏感区和关键区。海冰作为反映北极气候变化最敏感的环境因子之一,对区域热量平衡有着重要调节作用。全球气候变暖导致海冰持续消融,尤其是进入21世纪以来,北极海冰的覆盖范围显著缩小,直接或间接的影响了全球海洋环流和大气环流,因此,对北极海冰的研究十分紧迫且十分重要。海冰干舷和厚度作为描述海冰物理性质的重要参数之一,是描述海冰变化的重要指标。准确的获取长时间序列北极海冰干舷和厚度的变化信息,不仅有助于研究全球气候变化、生态变化,还对北极通航、北极资源开发利用等有着重要的意义。由于北极特殊地理及气候条件限制,获取大范围、长时间序列北极海冰干舷及厚度数据十分困难,卫星测高技术是目前获取海冰干舷和厚度的主要手段之一。Envisat卫星于2002年开始对极地进行了长达10年的连续观测,与其它卫星测高任务共同组成对极地长时间序列的连续监测。Envisat作为一颗雷达测高卫星,其测高精度易受复杂地表的杂波信号影响。因此,如何有效的利用Envisat测高数据获得高精度北极海冰干舷和厚度值得深入研究。本文利用Envisat卫星的测高数据进行北极海冰厚度反演研究。主要研究内容包括:(1)利用Envisat测高数据,采用新型平均海面高模型(DTU18),结合滑动平均技术消除大地水准面及平均动态地形(MDT)等长波误差影响,获得了2002-2012年北极海冰干舷时间序列。对于雷达测高数据粗差较多的问题,我们对比了不同参数对于粗差剔除的影响,采用了平均值±1倍标准差进行粗差剔除。采用欧空局(European Space Agency,ESA)的ESACCI_ENVISAT、德国极地研究所(Alfred Wegener Institute,AWI)及美国冰桥计划(Operation Ice Bridge,OIB)的海冰干舷产品对计算结果进行了对比与验证。结果表明,本文计算所得的Envisat干舷与各产品较为一致,与OIB相比,本文计算结果平均偏差和RMSE均为最小,分别为0.01m和0.06m。(2)分析了北极海冰干舷的季节性变化、年际变化特征和空间分布特征。结果显示,海冰干舷从每年10月开始增长,单个海冰增长季节呈现增长趋势,直到次年4月达到最大值。北极海冰干舷在Envisat整个运行周期内呈现明显下降趋势,月平均干舷在2007年10月与2009年10月出现了两次剧烈的下降,年平均干舷最低值出现在2008年,为0.188m。干舷较厚的海冰主要分布在加拿大北极群岛北部海域和格陵兰岛附近,挪威海和巴伦支海海冰分布较少。(3)考虑积雪厚度、积雪密度、海冰密度和海水密度等参数,反演得到2002-2012年北极海冰厚度时间序列。结果表明,本文计算结果与OIB海冰厚度差异为0.02±0.77m。根据海冰厚度反演结果对北极海冰厚度分布的季节性变化、年际变化和空间分布进行了分析。海冰厚度的变化趋势与干舷变化趋势类似,整体呈现下降趋势,年平均海冰厚度最小值为2008年1.985m,2007年10月海冰厚度为整个周期的最低值为1.645m,其次为2009年10月份为1.667m。
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