基于1997—2017年遙感數據的南極海冰時空變化分析

王星東，代文浩

（1.河南工業大學信息科學與工程學院，河南鄭州450001；2.中國科學院遙感與數字地球研究所，北京100094）

1 引言

南極在全球變暖中發揮著舉足輕重的作用，因為這一區域發生的大氣-冰-海洋的相互作用通過反饋、生物地球化學循環、深層大洋環流、能量的大氣輻射傳輸以及冰物質平衡的變化等影響整個地球系統[1]。海冰是南極地區最重要的大氣環境特征之一，海冰的存在及其季節和年際變化是極地海洋狀況最顯著和變化最大的特征[2]。由于海冰的高反射率特性，使得其反射了大部分的太陽光，從而平衡了海洋與大氣之間的熱量[3]。海冰的變化影響南極地區太陽輻射的吸收，直接導致熱量收支的差異[4]。因此南極海冰變化的研究對于全球氣候變化有著重要意義。

研究表明，南極海冰主要由多年冰和一年冰組成。多年冰指存在時間大于一年的海冰，夏季沒有融化的海冰一般為多年冰，一般將每年夏季最小覆蓋值的海冰數據作為多年冰數據。一年冰指存在不超過一年的海冰[3]。多年冰與一年冰共同組成南極整體海冰。

隨著遙感技術的發展，衛星遙感已經逐步成為一種高效的海冰觀測手段[5]。其中，被動微波遙感以其全天候、可以穿透云霧雨雪以及相較于雷達圖像處理較為簡單等眾多特點而被廣泛地運用于海冰遙感監測中。國內外已有學者對南極海冰進行了一系列的研究：Parkinson等[6-7]利用1979—1998年多波段微波輻射掃描儀（Spatial Sensor Microwave/Imager，SSM/I）海冰密集度產品，發現南極海冰面積以1.12±0.42×104km2/a的速度增加。利用1979—2013年衛星數據發現南極2月海冰面積退縮到3.1×106km2，占南極海冰最大面積（18.5×106km2）的16.8%。Cavalieri等[8]指出，1973—1977年南極海冰面積減少，1977—2002年增加。沈校熠等[3]指出2002—2011年南極海冰面積增加了3.8%，南極一年冰增長速度較低，平均每年增加約0.1×106km2，且大范圍地分布在南極大陸（除威德爾海外）周圍，多年冰平均每年減少0.05×106km2，且多處于威德爾海。劉艷霞等[9]利用1979—2014年被動微波輻射計海冰密集度產品發現：海冰密集度變化率在-1.4%～1.03%之間，南極海冰范圍變化具有比較顯著的季節性。劉伊格等[10]利用美國冰雪數據中心（National Snow and Ice Data Center，NSIDC）提供的1979—2015年南北極海冰運動矢量數據，發現海冰運動速度增長速率為0.3 m/h，而海冰范圍以每年1.11×103km2的速度擴張。張辛等[11]使用中分辨率成像光譜儀（Moderate-resolution imaging spectroradiometer，MODIS）影像與對地觀測衛星被動微波傳感器（Advanced Microwave Scanning Radiometer for the Earth Observing System，AMSR-E）衛星傳感器數據，發現南極海冰在2002—2004年無明顯的增減變化，2005—2007年明顯減少，2008—2010年則處于增長趨勢。

綜上所述，南極海冰時空變化顯著，復雜多樣。本文利用SSM/I的19 GHz水平與垂直極化數據和37 GHz的垂直極化數據，通過美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）的NASA TEAM算法反演出整體海冰、多年冰和一年冰的密集度。根據海冰密集度確定海冰分布與面積，進而分析南極整體海冰、多年冰和一年冰的時間變化及多年冰和一年冰的空間變化。南極海冰是全球海冰的重要組成部分，深刻影響著全球氣候的變化。本文揭示了近二十年來南極海冰的時空變化特征，為研究全球氣候變化提供了重要的數據源。

2 數據與方法

2.1 數據

本文所用數據來自于美國國防氣象衛星（Defense Meteorological Satellite Program，DMSP）所搭載的SSM/I傳感器數據，SSM/I搭載在 DMSP-F8、F11、F13、F17平臺上[12]，數據使用時間從1989年7月9日至今，空間分辨率為25 km。該數據共有19 GHz、22 GHz、37 GHz和 85 GHz 4個波段，除 22 GHz外，其余波段都有垂直和水平極化兩種狀態。本文使用1997—2017年F13、F17傳感器的19 GHz水平與垂直極化數據和37 GHz的垂直極化數據。不同傳感器運行時段如表1所示：

對于不同傳感器的數據需要進行歸一化處理，以便做長時間序列的監測研究，根據重合時段可以對數據進行回歸處理。本文利用式（1），將1997—2007年F13、2008—2017年F17平臺數據校準到F8平臺。不同平臺傳感器的回歸參數如表2所示：

表1 不同傳感器運行時段

式中：Ta為F8平臺水平極化19 GHz波段的亮溫數據，Tb為其余平臺對應的亮溫數據，a、b為回歸參數，a表示斜率，b表示截距。

表2 不同傳感器的回歸參數

2.2 NASATEAM算法

目前國際上常用的反演海冰密集度的算法有：NASA TEAM算法、Bootstrap算法。NASA TEAM算法在進行海冰密集度計算時，分別得到一年冰和多年冰的海冰密集度，然后加和得到整體海冰密集度[13]。NASA TEAM算法已經被應用到了不同的數據平臺上來反演海冰密集度，具有通用性強、數據易處理的特點。Bootstrap算法只能計算整體海冰，并不能區分多年冰和一年冰密集度[14]，同時美國冰雪數據中心提供的NASA TEAM密集度成品數據也僅有整體海冰密集度產品，故本文采用NASA TEAM算法反演南極整體海冰、多年冰和一年冰的密集度。

NASA TEAM算法[13]所用數據為SSM/I 19 GHz垂直和水平方向極化的亮溫，以及37 GHz垂直方向極化的亮溫。NASA TEAM算法中用到兩個獨立變量：極化梯度率（Polarization Gradient Ratio，PR）和光譜梯度率（Spectral Gradient Ratio，GR）[15]。利用歸一化處理后的19 GHz水平和垂直極化方向亮溫數據，通過式（2）得到PR，利用歸一化處理后的37 GHz和19 GHz垂直極化方向亮溫數據，通過式（3）得到GR。式（2）、（3）定義如下，其中Tb表示歸一化處理后水平（H）或垂直（V）極化方向和特定頻率下觀測到的亮溫。

表3 亮溫系數

NASA TEAM算法共用到了12個關于亮溫數值的系數ai、bi和ci（i=1，2，3），這12個系數是在19 GHz垂直極化、19 GHz水平極化和37 GHz垂直極化下觀測到的在一年冰面、多年冰面和無冰海面上的SSM/I亮溫值，屬于已知參數。ai、bi和ci的具體數值見表3。

利用系數bi、ci與上述公式計算得到的PR、GR，根據式（4）計算得到多年冰密集度。公式如下：

利用系數ai、ci與上述公式計算得到的PR、GR，根據式（5）計算得到一年冰密集度。公式如下：

整體海冰密集度CT是一年冰CF和多年冰CM密集度的總和。公式如下：

本文利用DMSP數據和NASATEAM算法研制了南極海冰密集度產品。通過得到的南極整體海冰、多年冰與一年冰密集度確定海冰范圍和面積。

2.3 結果比較

采用同時期美國國家冰雪數據中心提供的Bootstrap算法反演的密集度產品與本文密集度產品進行精度驗證如表4，結果可知：NASA TEAM算法得到的海冰面積結果比Bootstrap的海冰面積結果偏小；NASA TEAM算法和Bootstrap算法的相關性強，兩者整體海冰面積的最大偏差為0.733%，平均海冰面積誤差為0.456%。

表4 精度比較

3 結果與分析

3.1 時間變化

時間變化指南極海冰面積隨著時間的推移發生的波動性變化，通常以折線圖的形式體現，時間形式可以是年度、月份等。根據密集度確定海冰范圍和面積，利用年均海冰面積得到整體海冰年變化，利用每月平均海冰面積得到海冰月變化。

3.1.1 整體海冰年變化

Heinrichs等[16]研究發現，將密集度15%的區域定為海水與海冰的分界線可以較好地反演出海冰邊緣。本文將密集度大于15%的區域視為海冰，統計1997—2017年整體海冰面積得到圖1。由圖1可知：1997—2017年南極海冰面積呈小幅增長趨勢，增長率約為1.11%/a；年均海冰面積約為12.65×106km2，最大值出現在2014年，面積約為13.62×106km2，最小值出現在2017年，面積約為11.52×106km2。1997—2011年海冰面積變化較小，2011—2014年海冰面積持續增加，2014—2017年海冰面積出現大幅度減少。1997—2014年海冰面積增加了約1.34×106km2，年平均增長率約為6.11%，2014—2017年海冰面積減少了約2.11×106km2，2017年相比1997年海冰面積減少約了0.76×106km2。

圖1 1997—2017年整體海冰面積年變化

3.1.2 海冰月變化

統計1997—2017年每月平均海冰面積得到圖2。由圖2可知：南極海冰面積最小值出現在每年2月（平均約為3.35×106km2，最小值為2017年2月的2.5×106km2），2—9月海冰面積穩步上升，9月達到最大值（平均約為19.84×106km2，最大值為2014年9月的21.03×106km2），9月后海冰開始融化減少，總體上呈周期變化。

3.1.3 多年冰變化

統計每年多年冰面積得到圖3。由圖3可知：多年冰整體呈小幅下降趨勢，平均每年減少約0.016×106km2。多年冰年均面積約為2.55×106km2，多年冰面積最大值出現在2003年，約為3.35×106km2，最小值出現在2017年，約為1.82×106km2。除2000年、2002年波動較大外，1997—2015年多年冰面積在均值附近上下波動，2015—2017年面積大幅度減少。

3.1.4 一年冰變化

圖2 1997—2017年海冰面積月變化

圖3 1997—2017年多年冰時間變化

圖4 1997—2017年一年冰時間變化

統計每年一年冰面積得到圖4。由圖4可知： 1997—2007年一年冰整體呈小幅上升趨勢，增長率約為2.61%/a；1997—2017年一年冰年均面積約為10.09×106km2。1997—2000年一年冰變化較小，在2001年出現低谷（面積約為9.2×106km2），2001—2014年一年冰大幅度增加，并在2014年達到最大值（面積約為10.84×106km2），2014—2017年一年冰出現大幅度減少，2017年相比2014年一年冰減少了約1.15×106km2。

3.2 空間變化

南極周邊的海域可劃分為5個部分，分別是威德爾海、印度洋、西太平洋、羅斯海和阿蒙森海。基于1997—2017年南極多年冰、一年冰密集度數據，統計每年多年冰與一年冰出現次數，得到海冰空間變化圖6和圖7。

3.2.1 多年冰空間變化

由圖5可知：南極多年冰主要分布在威德爾海，羅斯海、阿蒙森海次之，其余兩海域分布較少。多年冰出現次數在19～21 a可視為穩定存在的區域，該區域同樣集中于威德爾海、羅斯海和阿蒙森海，靠近南極大陸的地區多年冰相對穩定，越向外多年冰出現頻率越低。穩定存在的區域面積有0.708×106km2，占多年冰面積的27.78%，出現次數在15 a以上的多年冰面積有1.49×106km2，占多年冰總面積的58.47%。

圖5 南極周邊海域

3.2.2 一年冰空間變化

由圖6可知：南極79.8%的海冰為一年冰，一年冰圍繞南極大陸呈環狀分布，除威德爾海南部區域外，其余地區大部分為穩定區域（21 a都有一年冰的區域），穩定區域約占一年冰總面積的75.01%。環狀中心區域穩定性較好，而邊緣區域一年冰出現頻率較低。

圖6 1997—2017年多年冰空間變化

圖7 1997—2017年一年冰空間變化

3.3 影響因素

南極海冰變化對全球氣候變化有著深遠影響，南極海冰變化也受到氣候變化、水文等多方面影響。劉艷霞等[9]指出南極海冰變化與南方濤動指數（Southern Oscillation Index，SOI）有明顯的相關性。SOI是厄爾尼諾（EL Nino）與拉尼娜（La Nina）事件的重要大氣指示參數，在2002年、2006年、2011年、2016年都出現過厄爾尼諾或拉尼娜事件，而南極海冰面積在這些年份也都出現過大幅度增大或減小情況。

海表面溫度也是影響海冰變化的重要因素。舒蘇[17]指出2011—2017年海表面溫度呈現增加趨勢，其中威德爾海增長趨勢最小，海冰面積與海表面溫度有較大的負相關性，相關系數為-0.979。威德爾海表面溫度變化最小，也能說明威德爾海域是海冰主要存在的穩定海域。

一項新的衛星分析顯示，2014—2017年南極海冰面積出現急劇減少，海冰覆蓋面積處于40 a來的最低點[18]。目前研究人員正試圖找出南極海冰發生這種異常情況的原因。

4 結論與討論

4.1 結論

本文基于1997—2017年美國國防氣象衛星DMSP的SSM/I數據，利用NASA TEAM算法研制了南極海冰密集度產品，得到南極海冰時間、空間變化，主要得到了以下結論。

（1）1997—2017年南極整體海冰面積呈小幅增長趨勢，增長率為1.11%/a；年均海冰面積為為12.65×106km2，最大值出現在2014年，最小值出現在2017年；1997—2014年海冰面積增加了約1.34×106km2，2014—2017年海冰面積大范圍減少，減少了約2.11×106km2；南極海冰具有明顯的周期性變化，每年2月海冰面積最小，平均為3.35×106km2，2—9月海冰面積增大，9月海冰面積達到最大值，平均為19.84×106km2。

（2）多年冰呈現小幅下降趨勢，年均面積約為2.55×106km2，平均每年減少約 0.016×106km2；一年冰整體呈小幅上升趨勢，增長率約為2.61%/a；一年冰與多年冰都在2015—2017年出現大幅度減少。

（3）多年冰主要分布在威德爾海域，其他海域分布較少，圍繞大陸邊緣也有少量分布；南極海冰以一年冰為主，一年冰以環狀分布在多年冰外圍；有15 a以上多年冰的區域僅占多年冰總面積的一半；相比多年冰，一年冰穩定存在區域較多。

4.2 問題與展望

本文數據時間跨度較短，并不能說明南極海冰長時間時空變化情況。描述海冰還有海冰厚度、反射率、凍融等參數，本文僅使用了密集度數據對海冰面積進行了研究，分析較為單一，不能準確描述南極海冰全部變化，今后可以加入這些因素進行研究。雖然全球氣溫呈上升趨勢，但是20世紀70年代以來南極海冰面積卻是不斷擴大，直到2014年開始急劇減少。南極海冰受眾多方面影響，分析并找到南極海冰變化的原因將是今后的研究內容。