南北极海冰密集度估算与海冰范围变化时序研究

发布时间：2018-04-22 08:00

本文选题：南北极 + 海冰　；参考：《武汉大学》2016年博士论文

【摘要】：南北极是地球系统的重要组成部分,它们的变化与全球海面变化、大气动力学状态的改变、海洋环流模式的变化等都有着紧密的联系,对研究全球气候变化具有重大意义。海冰是极区最活跃易变的成分,它能够隔绝大气和海洋从而影响它们的热交换,对区域乃至全球的气候状态和变化起着极其重要的作用。海冰密集度和海冰范围又是极区海冰研究中的重要指标,是指示极区海冰表面变化最直观的参数。因此,精确地估算海冰密集度、研究海冰密集度和海冰范围时序变化及其与南方涛动指数、北极涛动和全球平均海平面高度等气候参数的关系是现阶段海冰研究的重点。微波能穿透云层且受天气的影响非常小,数据可以免费获取且覆盖范围广,因此被动微波遥感技术成为极区大范围海冰监测的主要手段。已有的利用被动微波辐射计数据的海冰密集度估算方法已有十余种,其中一部分估算方法基于海冰密集度估算方程并结合不同地物在被动微波辐射计数据中表现出的极化特征和极化差异,这类方法可以获得更多类型海冰的密集度结果,但估算结果存在高估和低估的问题。本研究以海冰密集度估算方程为基础,建立了基于全约束最小二乘的海冰密集度估算方法(FCLS算法)。该方法以海冰密集度估算方程为基础,依据求解参数的实际意义进行约束,再引入全约束最小二乘对海冰密集度参数方程进行求解,最终克服了海冰密集度结果高估和低估的问题。通过海冰密集度产品可以获得海冰范围、海冰面积、海冰外缘线等多个海冰参数,因此该产品的精度将直接影响后续研究的准确性。海冰密集度算法的验证工作已经取得了一定的成果,但是比较片面。该片面性主要表现在：利用多源验证数据(实测数据和其它遥感数据估算得到的结果)同时对几种算法进行精度评定的工作还较少；不同算法应用于多种被动微波辐射计数据的精度的交叉对比分析等工作也较少。因此,本研究利用多源验证数据对Bootstrap、NASA Team和基于FCLS的海冰密集度估算方法应用于两种被动微波辐射计数据(SSM/I和AMSR-E)的精度进行交叉对比验证和分析。验证结果显示,FCLS方法能获得较Bootstrap和Nasa Team方法更高的精度,其均方根误差在5%至18.4%之间。其中,利用MODIS数据估算得到的海冰密集度比较所得均方根误差在5%至6.26%之间,与ASPeCt验证均方根误差在7.7%至18.4%之间；Bootstrap、NT和FCLS三种算法应用于SSM/I和AMSR-E的结果与ASPeCt验证比较显示,FCLS估算得到的海冰密集度最小偏差在-0.19%至-0.84%之间,均方根误差在5.96%至6.21%之间,优于Bootstrap和NASA Team方法。海冰变化的时序研究以及它在全球气候变化环境下的异常研究是本研究的最终落脚点。本研究利用多种数学方法从全极区和区域的角度分别研究1979年至2014年间南北极海冰变化,并结合南方涛动指数、北极涛动和全球平均海平面高度等数据研究海冰变化和气候变化之间的相关性。研究结果表明,南极海冰密集度变化率分布在-1.4%至1.03%之间,除西南极海冰密集度减少外,其它区域海冰密集度均呈现略微增加的趋势；北极海冰密集度变化率分布在-2.03%至1.06%之间,大部分区域海冰密集度呈现明显的减小趋势。除了Amundsen海域的海冰略微减少外,其它海域以及南极海冰范围整体呈增加的态势,而北极海冰范围则呈减少的态势。南北极海冰范围变化与SOI、AO和GMSL有一定的相关性,其中,与SOI、AO有较明显的年周期关系。
[Abstract]:Sea ice concentration is the most active and volatile component of sea ice .
The results show that FCLS method can obtain higher accuracy for both passive microwave radiometer data ( SSM / I and AMSR - E ) . The results show that FCLS method can obtain higher accuracy of both passive microwave radiometer data ( SSM / I and AMSR - E ) . The results show that FCLS method can obtain higher accuracy of both passive microwave radiometer data ( SSM / I and AMSR - E ) .
The results of bootstrap , NT and FCLS are applied to the results of SSM / I and AMSR - E and ASPeCt verification shows that the minimum deviation of sea ice concentration obtained by FCLS is between - 0.19 % and - 0.84 % , the root mean square error is between - 0.19 % and - 0.84 % , the root mean square error is between 5.96 % and 6.21 % .
In addition to the slight decrease of sea ice in Amundsen sea area , the sea ice concentration in other sea areas and Antarctic sea ice is increased , while the Arctic sea ice range decreases . The change of Arctic sea ice range has some correlation with SOI , AO and GMs , among which , there is a significant annual cycle relationship with SOI , AO .

【学位授予单位】：武汉大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：P731.15

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