基于卫星测高技术的北极海冰厚度时空变化研究

发布时间：2018-03-26 10:29

  本文选题：海冰厚度　切入点：北极　出处：《武汉大学》2015年博士论文

【摘要】：在全球气候与环境变化日益严重的大背景下,作为气候环境变化“放大器”和“指示器”的海冰变化也越来越受到关注。北极海冰区是全球最为重要、研究最广泛的海冰区,是影响全球气候环境变化的关键区和敏感区。然而,受地理位置、自然环境和观测手段的限制,长期以来人们对北极海冰尤其是海冰厚度的认识显得不足。随着北极海冰的持续缩减,气候变暖、极端气候事件和极区环境保护与生态安全等一系列重大问题不断涌现,对北极海冰变化尤其是海冰厚度变化的研究变得十分必要和紧迫。海冰厚度是海冰中最重要的参数之一,是海冰变化研究的第三维度,它对大气.海冰.海洋的耦合作用尤为显著和敏感,并直接决定着海.气能量与物质的交换过程和速率；主导着海冰的热力学和动力学特征,影响海冰的运动、形变及冻结与消融过程,进而反馈于全球的气候系统、环境系统与生态系统,引起一系列与人类生存相关的气候环境参量的变化。准确获得北极海冰厚度及其变化信息,不仅有助于开展北极乃至全球气候变化、环境变化、生态安全等研究,还对海洋资源开发、海上交通航运、极地考察等具有重要的现实意义。海冰厚度同时也是海冰中最难测量的参数。目前,各种方法(现场观测、仰视声纳、走航观测、电磁感应、卫星遥感等)被广泛应用到海冰厚度信息获取中。然而这其中,只有卫星测高方法可以连续获得半球尺度海冰厚度信息。海冰厚度卫星测高方法是一种极具发展前景的估算方法,而如何发展和应用该方法,减小其估算的不确定性,以获得可靠的、持续的海冰厚度及其变化信息,成为海冰变化研究的热点和难点问题。本文针对这一问题,以“卫星测高估算的不确定性分析——算法与模型参数的比较与改进——海冰厚度信息的提取与变化评估”为研究主线,选择与全球变化敏感的北极海域为典型研究区,在系统分析影响反演精度因素的基础上,探求更为精确的估算算法并改进其模型参数,对多源海量异质数据进行同化与集成处理后,应用改进的算法和多代卫星测高数据,延长和统一近10年来北极海冰厚度信息,更为可靠地揭示其分布特征及时空变化规律。主要研究内容包括：(1)采用文献计量分析法和内容分析法对国内外海冰厚度研究进行了统计分析,总结出海冰厚度研究的热点区域、研究内容和主流方法,分析了海冰厚度卫星测高研究的历史与现状,对本文后续的研究重点进行了分析与判断。在此基础上,进一步对海冰厚度卫星测高研究进行文献计量分析,确定了各估算模型参数的典型使用。(2)系统分析影响海冰厚度卫星测高估算精度的因素,包括海冰出水高度的不确定性和估算模型输入参数的不确定性,并采用敏感性分析方法,研究参数变化对海冰厚度估算结果的影响；总结和分析现有四种主流估算算法及其模型参数的差异,并使用2011年3月的CryoSat-2卫星测高数据和这四种算法分别估算北冰洋海冰厚度并进行统计分析,通过与对应相对高精度的IceBridge数据验证对比,确定国际上现有海冰厚度卫星测高估算精度最高的算法。(3)针对卫星雷达测高与激光测高所使用电磁波段的不同,分别采用波形分类和最小高程阈值法,识别浮冰与冰间水道,计算海冰的出水高度,同时,对于雷达测高反演的出水高度,考虑雷达波对积雪的穿透系数、电磁波在气一雪介质中的传播速度差异等来修正雷达出水高度,实现出水高度的优化。(4)通过模型不同参数组合估算结果的比较与验证来确定一组最优的输入参数组合,并在海冰组分冰型求解的基础上,针对一年冰和多年冰积雪厚度及海冰密度的不同,采用不同的数据来源与取值,获得区域更为精确的积雪厚度及海冰密度信息,实现海冰厚度卫星测高估算模型参数来源或取值的优选与改进。(5)通过出水高度的修正及估算模型参数的优化,发展海冰厚度卫星测高估算算法,并基于2个时相的卫星测高数据估算海冰厚度,将估算结果与现有精度最高算法的估算结果进行比较,通过与同时相高精度的ULS海冰水下厚度数据和OIB海冰厚度数据对比验证,改进和确定最优的海冰厚度卫星测高估算算法。(6)利用改进的算法估算时序北极海冰的厚度分布,并采用时间序列分析方法进行时空变化分析,包括北极海冰、一年冰及多年冰厚度的分布特征及其变化、北极重点海域(波弗特海、北极中央海域、格陵兰海)的时空变化分析、北极海冰厚度的年际变化、季节变化的趋势分析、北极及其各海域的时空差异分析等,总结出近10年来北极及其重点海域的海冰厚度变化规律。本文的研究结果概括为：(1)海冰厚度卫星测高估算具有较大的不确定性(2)海冰厚度卫星测高估算模型中,海冰密度和积雪厚度是海冰厚度估算的敏感因素(3)现有海冰厚度卫星测高估算四种主流的算法中,Laxon13算法是相对精度最高的算法(4)考虑雷达波对积雪的穿透系数、电磁波在气一雪介质中传播速度的差异,可实现出水高度的修正与优化(5)海冰厚度卫星测高估算模型中最优的估算输入参数组合为：采用被动微波与W99联合积雪厚度数据、使用分冰型海冰密度、采用积雪密度值300 kg/m3以及海水密度值1024 kg/m3(6)发展的JPZ15算法相对于Laxon13算法具有更好的精度,是海冰厚度卫星测高估算的最优算法(7)研究期内北极平均海冰厚度为2.562±0.894 m,各海域海冰厚度呈现变薄的趋势,其中多年冰的不断变薄是其重要特征,秋、冬季海冰厚度平均下降速度分别为.0.09 m/a和.0.13 m/a。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：武汉大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P228.3;P714.1

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