衛星助力南極科考航線海冰監測

●　文|北京師范大學全球變化與地球科學研究院　張寶鋼　趙天成　李新情

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衛星助力南極科考航線海冰監測

●文|北京師范大學全球變化與地球科學研究院張寶鋼趙天成李新情

好萊塢大片《全民公敵》中最令人印象深刻的，莫過于全天候無死角的衛星偵察技術了。隨著技術的進步，遙感技術在空間分辨率已突破亞米級，可以辨別停靠在路邊的車輛型號。但是想要做到電影中隨時隨地想看哪就看哪的程度尚很難實現。從原理上很容易理解：分辨率越高，圖像幅寬越窄，也意味著衛星需要繞更多的圈數才可能再對同一地點進行監測。因此在很多衛星遙感應用中，時間分辨率比空間分辨率更為關鍵。以發生在2014年的我國“雪龍號”極地科考船脫困與救援事件為例，從2014年1月3日被困到1月7日脫困僅有5天，在南極多變的天氣下，脫困的窗口期轉瞬即逝，如果不能在此時間獲得數據，再高的分辨率也是沒有意義的。

一、 “雪龍號”脫困事件回顧

2014年1月3日，正在南極執行我國第30次南極考察任務的“雪龍號”破冰船在成功轉移被困南極浮冰的俄羅斯“紹卡利斯基院士號”科考船上的52名乘客后，隨即遇上了大麻煩。由于氣象條件的持續惡化，“雪龍號”所在地區周圍的浮冰范圍迅速擴大，船上101名人員被困密集浮冰區。如無法迅速脫困，“雪龍號”隨時會面臨冰山的威脅，情況十分危急。“雪龍號”被困引起了國內各界的廣泛關注，習近平總書記立即指示各有關方面要協調配合，指導幫助“雪龍號”脫困，確保人員安全，希望他們保重身體、堅定信心、沉著應對、科學施策，爭取早日平安返回。而衛星遙感技術也成為了“雪龍號”最終脫困的關鍵。

2014年1月7日，北京師范大學全球變化與地球系統科學研究院的程曉教授憑借對最新衛星遙感數據的分析，建議“雪龍號”從東南向突圍。指揮部在結合了氣象、潮流、海冰等綜合因素后，最終采納該建議，“雪龍號”按照規劃的航線最終得以迅速脫困。“雪龍號”的被困與脫困，讓程曉和他的極地遙感團隊從幕后走向臺前，也讓衛星遙感技術在極地科考船導航上的應用為大眾所知。實際上，這已經不是程曉和他的極地遙感團隊第一次為“雪龍號”提供衛星遙感導航了。2011年我國第28次南極考察，就在“雪龍號”船即將到達堅硬的陸緣冰開始破冰前往中山站時，程曉和他的團隊在最近的衛星雷達影像上發現了別國破冰船的破冰軌跡。“雪龍號”沿著這條冰間“高速通道”以平均4節的速度抵達中山站，幾乎比往年快了一倍。這也是我國首次成功應用實時衛星雷達數據進行考察船的破冰導航工作。之后，當“雪龍號”在澳大利亞弗里曼特爾補給結束后出發前往中山站時，團隊惠鳳鳴博士對比幾天前的遙感影像，準確發現了中山站附近的一個冰間湖，以此為主要航行區域，成功縮短了“雪龍號”的破冰時間。借助于衛星遙感技術，該團隊幫助“雪龍號”縮短了航程，節省了大量燃油，更保障了航行的安全。

從那一次考察之后，團隊每年都會為“雪龍號”在南北極的科考活動提供衛星遙感的導航服務。憑借多年的工作經驗和技術積累，團隊形成了完整的快速響應能力，在獲取衛星影像的3個小時內即可完成數據處理、冰情分析、航線規劃、方案制定的整套流程。因此在“雪龍號”出現突發情況時衛星遙感技術經受住了實戰的檢驗。

2015年11月7日，“雪龍號”極地科考船從上海揚帆起航前往南極執行我國第32次南極考察任務。“雪龍號”此行的第一站，是位于東南極大陸拉斯曼丘陵上的我國“中山”南極考察站。為了到達中山站，“雪龍號”必須穿過站外普里茲灣復雜的海冰區域。程曉和他的團隊同往年一樣，繼續默默地為雪龍號的破冰之旅提供第一時間的海冰監測報告。

二、普里茲灣及鄰近海域冰情分析

“雪龍號”的破冰之旅從普里茲灣鄰近海域開始，受洋流、風、潮汐等多種因素影響，海冰的分布會隨時發生變化。通常可以根據海冰密集度結合船只的破冰能力決定航線。而夾雜在海冰中的，還有大大小小的冰山，則是對船只更大的威脅。船只一旦不幸被困密集海冰動彈不得又恰逢有冰山漂來，后果不堪設想。通過衛星遙感技術對冰情進行分析，為其提供航向指導，保障科考人員、科考船和科考設備的安全。

1.衛星影像為“雪龍號”挺進南極保駕護航

首先，從Aqua的AMSR-2海冰密集度圖上看（如圖1所示），2015年11月15日在70oE-80oE之間，63oS以北的冰區內有大量的無冰水域和低密集度冰區。在63oS以南則以密集度大于80%的海冰為主。

圖1　2015年11月15日普里茲灣及附近海域Aqua衛星AMSR-2海冰密集度分布圖

從當天的分辨率為250m Aqua衛星的MODIS可見光影像上（如圖2和圖3所示）可以看到，實際上該區域并沒有連續的、大面積的密實冰區，冰區中有很多大塊的浮冰，浮冰之間存在冰間水道和開闊水域可供船只航行。

圖2　2015年11月15日普里茲灣及北部海域Aqua-MODIS可見光影像

圖3　2015年11月15日普里茲灣及北部海域Terra-MODIS可見光影像

2.“雪龍號”將要抵達普里茲灣時的冰情分析

如圖4所示，從2015年11月27日的海冰密集度圖上看，普里茲灣高密度冰區主要分布在65oS-67oS之間，冰區外圍是密集度很小的碎浮冰，冰區以南的普里茲灣以內是開闊的無冰海域。

圖4　2015年11月27日Aqua衛星AMSR-2海冰密集度數據

如圖5所示，由于近幾天普里茲灣上空被厚云覆蓋，通過11月23日獲取的Terra-MODIS和Aqua-MODIS影像進行了合成處理，減少了云的覆蓋。從MODIS影像上可以看到，在Aqua衛星的AMSR-2上的密集冰區中實際以大塊的浮冰和碎浮冰為主，中間有很多冰間水道，團隊因此判斷，以雪龍號的破冰能力完全可以在該冰區航行。

正如報告中分析的，2015年12月5日，搭載中國第32次南極科考隊的“雪龍號”極地科考船順利地穿過普里茲灣到達中山站外的陸緣冰，比原計劃提前3天到達。

三、中山站固定冰區分析

穿越普里茲灣海冰僅僅是到達中山站的第一步，站區外圍的陸緣冰也是一大考驗。“雪龍號”需要綜合考慮陸緣冰厚度、裂隙和破冰路程，選擇一條最經濟便捷的破冰路線。陸緣冰離站區通常只有幾十千米路程，這就需要借助具有更高空間分辨率的Landsat-8數據進行監測和分析。

2015年11月15日，中山站固定冰區的范圍較大，固定冰區邊緣離中山站最短距離約為25km，如圖6所示。

圖6　2015年11月15日中山站固定冰區Landsat-8影像

從2015年11月17日Landsat-8真彩色及全色影像上分析，中山站固定冰區邊緣到中山站最小距離為24km。結合站上的探冰結果，在中山站北側固定冰區中分布有多條裂痕，距離中山站6km至16km不等。中山站正北到正北偏東有一條冰壩，其東西走向部分距離中山站約18km。裂痕的分布于長度有待于現場的進一步驗證，如圖7所示。

圖7　2015年11月17日中山站固定冰區裂隙及冰壩分布

由于“雪龍號”破冰能力有限，通常會選擇在離站區一定距離外的陸緣冰上停靠，然后利用車輛從冰面將人員和貨物運送至中山站。而遍布冰面的冰裂隙和冰壩，有時候會給冰面運輸帶來麻煩。

2015年12月9日，中國第32次南極科考團隊進駐中山站，中國科考隊員在南極中山站舉行升旗儀式并進行新老隊員交接。