多源數據檢驗南極AMSR-E海冰密集度產品精度

蘇昊月，趙 羲

（1.武漢大學 中國南極測繪研究中心，湖北 武漢 430079）

多源數據檢驗南極AMSR-E海冰密集度產品精度

蘇昊月1，趙 羲1

（1.武漢大學 中國南極測繪研究中心，湖北 武漢 430079）

根據船測方法在MODIS影像上提取模擬船測海冰密集度，并與船測數據聯合驗證AMSR-E海冰密集度產品。結果表明，AMSR-E海冰密集度與模擬船測海冰密集度的一致性高于其與船測海冰密集度，且相同時間、相同尺度下的海冰密集度之間一致性較高，不同時間、相同尺度下的海冰密集度之間存在不同程度的差異。

海冰密集度；海冰邊界；MODIS；船測數據；南極

極地海冰對溫度特別敏感，是全球氣候變化的指示器。海冰邊界是氣-冰-水相互作用的區域，影響著熱交換、物質平衡等[1]。從1978年開始，不受天氣和晝夜影響的被動微波遙感數據被廣泛應用于提取海冰密集度（SIC）、監測海冰范圍變化[1-4]。國內外的研究主要是利用船測數據、光學遙感影像等驗證海冰密集度產品的精度，Worby和Comiso用船測數據驗證SSM/I（special sensor microwave imager）海冰密集度產品在海冰邊界的精度，發現二者在海冰增長期的一致性高于融化期[2]；Cavalieri等則用10景MODIS影像驗證了AMSR-E（advanced microwave scanning radiometer for the earth observing system）海冰密集度產品精度，發現二者的平均均方根誤差在2%～24%之間，誤差集中在邊緣冰區[3]。這些研究大多是兩組數據的驗證分析，很少有多源數據的綜合比較。本文首先依據船測方法在MODIS影像上提取模擬船測海冰密集度（simulated，SIC），再計算MODIS相應于12．5 km分辨率海冰密集度產品的海冰密集度（MODIS SIC），最后利用SIC、船測海冰密集度（ship SIC）驗證了4種AMSR-E海冰密集度產品的精度。

1 數據與方法

1.1 AMSR-E海冰密集度產品

2002年5月發射升空的Aqua衛星上搭載著被動微波傳感器AMSR-E，它提供了6個頻率的雙極化數據，空間分辨率從5 km到50 km。從美國冰雪中心網站上下載了AMSR-E/Aqua Daily L3 12．5 km Brightness Temperature, Sea Ice Concentration, & Snow Depth Polar Grids數據集，該數據集包括采用NASA Team 2算法（NT2）和Bootstrap 算法(BBA)的海冰密集度日平均（daily）數據和升軌（ascending）數據。

1.2 MODIS影像分類海冰

中分辨率成像光譜儀MODIS也搭載于Aqua衛星，有36個波段，分辨率從250 m到1 km。本文選取了4景MODIS/Aqua部分區域無云的影像，獲取時間分別為2002-12-20、2003-10-19、2003-12-21和2005-02-18（圖1）。MYD02-L1B數據下載自LAADS（atmosphere archive and distribution system）網站，其中500 m分辨率的3、4波段重采樣到250 m，與1波段一致。這3個波段再進行幾何校正、太陽天頂角校正、輻射定標，生成TOA（top-of-the-atmosphere）反射率。假設地面是朗伯體，單波段地表反照率與反射率近似相等，與MODIS對應的可見光TOA反照率的計算公式如下：

α=0.331B1+0.424B3+0.246B4

式中，B1、B3、B4分別為MODIS第1、3、4波段的TOA反射率[5]。

圖1 MODIS影像位置示意圖（來源：http://add.antarctica.ac.uk/）

本文采用閾值法對可見光TOA反照率進行劃分。根據南極地表反照率測量結果[6]，將MODIS像素分為4類，即開闊海域、新冰、初期冰和一年冰，各類型的TOA反照率范圍為：公開海域α＜0.12；新冰0.12≤α＜0.24；初期冰0.24≤α＜0.46；一年冰0.46≤α。

最后還需將海冰類型合并，生成海冰-非海冰二值圖，用于提取模擬船測海冰密集度。

1.3 船測數據與模擬船測海冰密集度

船測數據基于ASPeCt（antarctic sea ice processes and climate）海冰目視觀測標準獲取，提供了以破冰船為中心、半徑1 km范圍內的海冰密集度、海冰類型、海冰厚度、浮冰尺寸等信息，是可靠的地面驗證數據。本文所用船測數據來自1980～2005年間83次航海和2次直升機飛行的觀測記錄（下載自http://aspect．antarctica．gov．au/data/ASPECT_Allvoys_obs_mindist6．txt，其中用于分析比較的24個船測點對應上述4 d的MODIS影像）。

由于船測數據受時間、空間的制約，可用于驗證海冰密集度產品精度的數據較少，如果依據ASPeCt船測方法，從MODIS影像上提取模擬船測海冰密集度，可獲得較多的驗證數據。船測方法觀測的是半徑1 km范圍內的海冰情況，因此用一個9×9均值算子處理海冰-非海冰二值圖上的每一個像素，計算81個像素中海冰所占的比例，得到新的250 m分辨率影像即為模擬船測海冰密集度影像。

圖2 各種海冰密集度之間的相關關系

2 結果分析

2.1 海冰密集度驗證與分析

在24個船測點的位置，一共統計了7種海冰密集度， 即NT2 Ascending、NT2 Daily、BBA Ascending、BBA Daily、Ship SIC、Simulated SIC和MODIS SIC。MODIS SIC是與12．5 km AMSR-E像素對應的海冰-非海冰二值圖上50×50個MODIS像素中海冰像素所占比例。這7種SIC之間的相關關系見圖2，實線代表線性回歸趨勢線，虛線代表橫縱坐標軸相等的直線Y=X。

圖2a、b中樣點集中分布在Y=X直線左上方，AMSR-E海冰密集度產品高估了海冰密集度，且船測海冰密集度與AMSR-E海冰密集度線性關系較弱，同樣是日平均數據，Bootsrap算法的相關系數大于NT2算法，更接近實際值。圖2c、d是模擬船測海冰密集度與AMSR-E海冰密集度產品的相關關系，NT2算法和Bootstrap算法的R2分別為0．804 1和0．788 5，高于NT2、Bootstrap算法與船測海冰密集度的相關系數。船測數據與MODIS影像上模擬的船測數據的觀測方式不一樣，前者是地面目視觀測，受觀測者視野、觀測經驗等主觀因素的影響，后者是基于遙感影像模擬的數據，與遙感影像反演的海冰密集度產品有相同的觀測方式，更具有可比性，相關關系也會較高。

在圖2e、f中，相同時間、相同尺度下NT2 Ascending SIC與BBA Ascending SIC以及MODIS SIC的相關關系均較高，R2分別為0．955 3和0．887 3。圖2e中樣點都分布在Y = X直線的左上方，且BBA-NT2的值都小于0，均值為-10，說明NT2算法生成的海冰密集度值大于Bootstrap算法。圖2f表明，相對于MODIS SIC，NT2算法低估了海冰密集度。圖2g、h是不同時間、相同尺度下海冰密集度的比較。圖2g中NT2 Ascending SIC與NT2 Daily SIC的相關系數達到了0．986 8，影像獲取時間的差異只引起了極其微小的變化，因為12．5 km的像素分辨率對海冰1 d內運動所產生的海冰密集度變化并不敏感。圖2h實際船測SIC與模擬船測SIC存在很弱的線性關系，所有樣點都在Y=X直線的左上方，說明模擬船測數據高估了海冰密集度。可能因為實際船測SIC與模擬船測SIC的測量時間不同，最大的時間差可以達到24 h，在2 km的像素分辨率下容易反映出海冰密集度的變化，同時，二者觀測方式的不同也是導致差異的主要原因。

2.2 海冰邊界分析

從被動微波遙感數據生成的海冰密集度產品上提取海冰范圍時，通常將15%海冰密集度所在位置視為海冰邊界[2,7]。船測數據中，在最北緯出現的海冰密集度大于等于10%的位置被視為海冰邊界[2]。本文24個船測點中只有1個點屬于海冰邊界，該點對應2002-12-20的MODIS影像。圖3為當日船測SIC、NT2 Daily、BBA Daily按照緯度變化的密集度曲線，圖中垂直實線代表船測海冰邊界位置，與坐標軸平行的虛線代表被動微波遙感海冰密集度產品區分海冰與海水的15%閾值。可以看出船測海冰邊界處的NT2 Daily SIC為86%，BBA Daily SIC為63%，均不等于15%，且大于10%，說明在海冰邊界處，被動微波遙感海冰密集度產品與船測邊界不一致。在海冰邊緣，海冰在風力作用下形成許多被海域分隔開的海冰帶，表現為圖3中船測海冰密集度的陡降、陡增無規律的變化，Bootatrap算法生成的海冰密集度更接近船測SIC。

圖3 海冰密集度曲線圖

3 結 語

本文通過比較分析7種海冰密集度發現，船測SIC與AMSR-E SIC的差異大于模擬船測SIC與AMSR-E SIC之間的差異，相同時間、相同尺度下的海冰密集度之間一致性較高，不同時間、相同尺度下的海冰密集度之間存在不同程度的差異。在小尺度的情況下，海冰在觀測時間差內的運動能在一個像素中反映出來，導致較大的差異，而大尺度像素不能反映1 d內海冰的變化，往往差異較小。此外觀測方式不同也會導致數據的不一致。海冰邊界分析表明，AMSR-E海冰密集度產品的邊界與船測邊界不一致，南極海冰邊界受多種因素的影響，會出現許多不規律的情形，用單一閾值確定海冰邊界不夠可靠。

[1] Ozsoy-Cicek B,Xie H,Ackley S F, et al．Antarctic Summer Sea Ice Concentration and Extent: Comparison of ODEN 2006 Ship Observations,Satellite Passive Microwave and NIC Sea Ice Chart[J]．The Cryosphere,2009(3):1-9

[2] Worby A P,Comiso J C．Studies of the Antarctic Sea Ice Edge and Ice Extent from Satellite and Ship Observations[J]．Remote Sensing of Environment,2004,92:98-111

[3] Cavalieri D J,Markus T,Hall D K,et al．Assessment of AMSR-E Antarctic Winter Sea-Ice Concentrations Using Aqua MODIS[J]．IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,2010,48(9):3 331-3 339

[4] 席穎,孫波,李鑫．利用船測數據以及Landsat-7 ETM+影像評估南極海冰區AMSR-E海冰密集度[J]．遙感學報,2013,17(3):520- 526

[5] Liang S L, Shuey C J, Russ A ,et al．Narrowband to Broadband Conversions of Land Surface Albedo: II．Validation[J]． Remote Sensing of Environment,2002,84:25-41

[6] Brandt R E,Warren S G．Surface Albedo of the Antarctic Sea Ice Zone[J]．Journal of Climate,2005,18: 3 606-3 622

[7] 牟龍江,趙進平．格陵蘭海海冰外緣線變化特征分析[J]．地球科學進展,2013,28(6):709-717

P237.9

B

1672-4623（2015）02-0033-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.02.013

蘇昊月，碩士，研究方向為極地海冰遙感。

2014-05-28。

項目來源：國家自然科學基金資助項目（41301463）。