基于雷達高度計的遼東灣海冰外緣線提取及其變動規律

張飛成，韋冬妮，張冰花，袁丁，王喜風

(1.大連海洋大學 航海與船舶工程學院，遼寧 大連 116023；2.國家海洋局 大連海洋環境監測中心站，遼寧 大連 116015；3.西北工業大學 化學制造研究院，陜西 西安 710068; 4.大連海洋大學 海洋科技與環境學院，遼寧 大連 116023；5.大連海洋大學 應用海洋學研究所，遼寧 大連 116023)

海冰是海洋水文要素的重要組成部分，對海洋水文要素的鉛直分布、海洋動力過程和海氣交換過程等具有重要的影響。近年來，中國渤海和黃海北部海域出現了不同程度的凍結，多次出現嚴重的海冰災害，造成了巨大的經濟損失，因此，開展對海冰的觀測和研究顯得十分必要[1]。

目前，海冰監測的主要手段是可見光遙感，但是可見光遙感嚴重地受到天氣條件的制約，尤其在冬季，天氣條件惡劣，經常無法獲得高質量的遙感圖像[2]。近年來，充分利用包括可見光和微波等各種遙感技術手段，并配合沿岸固定觀測站和破冰船等現場觀測，成為海冰監測的主要發展方向。雷達高度計屬于主動微波遙感，能夠進行全天候觀測。自20世紀90年代以來，雷達高度計積累了近30年的觀測資料，歷史資料的解析對渤海海冰的研究，如渤海海冰變動與局地氣象及水文的關系、改進/驗證海冰預報模型等，具有重要的研究價值[3]。

針對不同的高度計任務及應用海域學者提出了多種基于波形分類的海冰識別算法。2004年，Laxon等[4]利用波形的脈沖峰值(pulse peakiness，PP)進行冰間水道和海冰的識別。此后學者多結合PP值和回波波形特征進行海冰識別[5-6]。Jiang 等[7]使用中國HY-2A/B 高度計的PP值與自動增益參數(AGC) 特征進行海冰和開闊海域的區分，但未對波形進行詳細劃分；王志勇等[3]基于中國HY-2B高度計的波形強度最大值、PP值、前沿寬度和后向散射系數4種波形特征，分析了HY-2B高度計精確識別海冰、冰間水道和開闊水域的能力，算法的平均最高海冰分類精度可達到91.96%[8]。

2007年11月法國國家太空中心(CNES)針對Jason-2高度計開發了一種針對近岸和水文專用產品(coastal and hydrology altimetry product,PISTACH)，該產品對高度計回波類型進行了詳細劃分，共分為16個種類[9]。本研究中，在PISTACH波形類型基礎上提出兩個經驗條件，精確提取每個高度計軌道周期的遼東灣海冰外緣線，并將結果與高分一號(GF-1)可見光遙感影像進行對比驗證，最后結合國家海洋局葫蘆島海洋站的氣溫觀測數據對遼東灣海冰外緣線變動規律進行分析，旨在推進雷達高度計在中國海冰研究中的應用提供支撐。

1 數據與方法

1.1 數據來源

用于海面地形觀測的OSTM/Jason-2高度計，發射于2008年6月20日，于2016年10月進入替換軌道[10]。圖1為Jason-2高度計在中國渤海海域的兩條地面軌道(77號和138號)，其中77號軌道自遼東灣的中部穿過。渤海海冰為一年冰，隨著氣溫的降低，遼東灣海冰基本自北部岸線由北往南逐漸發展，融冰期相反[11]。因此，沿Jason-2高度計77號軌道的海冰外緣線的位置變動信息可以作為反映遼東灣冰情的重要參數。

圖1 Jason-2高度計在渤海的兩條地面軌道(138號和77號)和葫蘆島觀測站位置(綠色圓點)

本研究中使用的高度計數據為Jason-2的PISTACH和傳感器地球物理數據集(SGDR)兩個產品。數據的空間范圍為自北緯39°起向北至海岸(圖1紅色粗線)，海岸線的判定基于全球高精度海岸線數據集[12]。數據的時間跨度為2008年7月(cycle 000)至2016年10月(cycle 303)，期間共包含8個完整的冰期。

GF-1的WFV數據產品已經過輻射校正和幾何校正，時間跨度為2013年底—2016年初3個冰期。

氣溫數據來源于大連海洋環境監測中心葫蘆島監測站(圖1綠色圓點)的現場觀測資料，時間跨度與Jason-2高度計數據相同。

1.2 方法

1.2.1 回波波形與PISTACH 產品 雷達高度計向星下點方向發射微波，然后接收由下墊面反射的回波(圖2)。雷達高度計接收到的回波信號的時間序列被稱之為“波形”[13]。一般而言，在開闊的外洋，雷達高度計的回波波形可以由Brown數學模型來描述[14-15]。因此，典型的外洋海水回波波形也被稱之為Brown 波形。

圖2 典型的Brown回波波形概略圖

當高度計足印內海面反射性質不均勻時，回波波形會明顯偏離于Brown波形[16-17]。PISTACH產品在數據處理過程中，將Jason-2高度計的回波波形共劃分為16類，其中包括1種未知波形，其余15類波形反映了高度計足跡內下墊面的反射性質。圖3展示了PISTACH產品16類波形中與海冰有顯著關系的4類，class 1為典型的Brown波形，反映了高度計足跡內海水反射性質較為均勻的回波波形特征；class 2為鏡面反射時的回波波形，主要反映了大面積海冰或靜水的回波波形特征，但是由于海水相對于海冰反射率較低，因此，海冰的后向散射強度會明顯大于靜水。一般而言，高度計足跡內為大范圍海冰時，回波波形呈現為class 2的峰形回波。但是，單塊的小型流冰(長度遠小于高度計足跡半徑)在回波波形中僅表現為單體明亮目標特征，根據其位置不同可表現為class 12(星下點附近)和class 21(遠離星下點)2類波形。

圖3 與海冰相關的4類PISTACH波形圖(摘自PISTACH Handbook圖4[9])

1.2.2 基于波形分類的海冰外緣線提取方法 2014年1月17日(cycle 204)Jason-2高度計在遼東灣附近的雷達回波圖見圖4，其中橫軸為緯度，縱軸表示回波波形的時間序列，圖中的每一列表示一個回波波形，色軸表示回波強度。由圖4可以看出，高度計由南往北運行的過程中，自40.2°N開始，高度計足跡內出現具有強反射特征的明亮目標，這些明亮目標的回波信號在雷達回波圖中的波形后沿區呈現出明顯的拋物線特征。拋物線頂點越靠近波形前沿，表明明亮目標與高度計星下點的距離越近。另外，拋物線的粗細與明亮目標的面積成正比[18]。高度計運行至40.4°N附近時，拋物線頂點出現在波形前沿，表明高度計星下點開始出現明亮目標。

圖4 2014年1月17日遼東灣附近Jason-2雷達回波圖

2014年1月17日同區域的Jason-2雷達回波的波形前沿最大強度(黑色實線)和波形類別的沿軌變化見圖5，其中藍色圓點表示Brown波形class 1，紅色圓點表示峰形波形class 2，綠色圓點表示其他的波形類別。由圖5可以看出，40.2°N以南均為Brown波形，波形前沿強度較小，表明此區域為海水；40.2°N～40.4°N之間，高度計足跡范圍內出現多個明亮目標，波形后沿被污染，波形類別出現復雜變化，但這一區域內波形前沿最大強度并無明顯變動；自40.4°N開始往北，星下點開始出現明亮目標，波形前沿最大強度急劇上升，波形類別轉變為峰形回波class 2。

圖5 2014年1月17日遼東灣附近Jason-2回波波形前沿最大強度和波形類別的沿軌變化

本研究中將Jason-2高度計雷達回波與此區域的GF-1圖像進行對比分析(圖6)。需要注意的是，GF-1圖像獲取時間滯后高度計觀測約6 h。

圖6中紅色線為本研究所采用的Jason-2高度計軌道，兩條白線距離軌道垂直距離約10 km，代表高度計足跡的大致范圍。由圖6可清晰地看出：40.35°N以南區域(黃色圓點)，高度計足跡內出現零散的流冰，但偏離星下點；40.35°N(黃色圓點)向北至40.47°N區域(綠色圓點)，高度計的星下點開始間斷地出現海冰；40.47°N至約40.8°N區域內，星下點均為海冰；40.8°N以北區域內，高度計足跡內出現陸地和岸邊靜水，海冰有所減少。而從圖5可見，隨著海冰的密集程度增加， 40.35°N以北回波波形會變成峰形回波class2，至40.47°N波形前沿最大強度增加15 dB，至40.8°N波形前沿強度達到最大值。這表明，海面雷達回波圖中明亮目標的性質及波形前沿最大強度與波形類別沿軌變化與GF-1號圖像比較吻合。

圖6 2014年1月18日的遼東灣GF-1影像

綜上所述，高度計星下點出現海冰時波形將轉變為峰形即class 2類型，且波形前沿強度隨足跡范圍海冰密集度的增加而迅速增大。由于海水的反射率顯著低于海冰，因此，在過去研究中，多利用后向散射強度(與波形前沿最大強度成正比)的閾值作為判定海冰的附加條件[4-6]。

由于海冰密集度較低的區域內海冰外緣線變動受風和潮流等動力過程的影響顯著，而本研究中主要分析熱力過程與海冰外緣線變動的關系，因此，通過2013—2016年的GF-1影像的目視解析和高度計波形類型及前沿強度的沿軌變化，將滿足下面兩個條件的最南側高度計星下點位置定義為遼東灣海冰的外緣線：1)波形前沿最大強度大于35 dB；2)連續10個回波波形為class 2類型。

2 結果與分析

2.1 海冰外緣線提取結果及驗證

基于上述判定方法，本研究中以Jason-2軌道在渤海遼東灣的海陸交界位置(121.637 3°E、40.832 3°N)為岸界，計算沿高度計軌道從海冰外緣線邊界至岸界的距離，作為海冰延伸距離。由Jason-2高度計和GF-1號分別計算得到3個冰期內的遼東灣海冰外緣線延伸距離如圖7所示，圖中橫坐標為觀測時間，縱坐標為沿高度計軌道(圖1)的海冰外緣線延伸距離。受云的影響，在Jason-2高度計經過的當天，部分GF-1影像質量較差，無法提取海冰外緣線。從圖7可見，3個冰期內兩者的計算結果基本相符，兩種觀測的均方差為2.81 n mile。

圖7 2013—2016年Jason-2和GF-1確定的遼東灣海冰外緣線延伸距離

2.2 海冰外緣線變動與氣溫的關系

由于高度計和GF-1衛星兩種觀測方式之間存在時間差，為進一步分析影響兩種觀測方式計算結果偏差的影響因素，本研究中對3個冰期內葫蘆島觀測站的氣溫數據進行分析。考慮到冬季日均氣溫變化較大，以及Jason 2高度計近10 d的重復周期，本研究中將日均溫度進行10日滑動平均處理。圖8為3個冰期內(每年11月15日至次年4月1日)的滑動平均溫度，線條顏色與圖7相對應。

從圖8可見，自2013年12月中旬—2014年2月中旬(紅線)，滑動平均氣溫幾乎均小于0 ℃，與圖7中此期間內海冰外緣線總體由北向南延伸的趨勢一致。在這一時間段內，滑動平均氣溫出現3次較大的波動，3個波谷分別對應了圖7中高度計計算得到的海冰延伸范圍的3次快速增加過程。另外，圖7中GF-1的第5次觀測(2014年2月4日)的時間前后伴有快速降溫過程，這一事實與在此前后高度計觀測到的外緣線快速延伸相符合。

圖8 2013—2014、2014—2015和2015—2016年葫蘆島觀測站10日滑動平均氣溫變化

從圖8可見，2014年12月初(綠線)，有一次快速降溫過程，與圖7中同一時段內海冰外緣線的快速增長的變動趨勢一致。自2015年1月1日—3月1日，氣溫總體平穩，在2月1日前后達到氣溫最低值，與本研究中提取的海冰外緣線變化規律相吻合。

從圖8可見，2015年11月20日前后(藍線)，滑動平均氣溫出現一個小的波谷，圖7中同一時段海冰外緣線推進約3.3 n mile，此后海冰近乎消失。自2016年1月1日起，氣溫迅速降低，于1月17日前后達到最低，最低氣溫(滑動平均前)低于20 ℃，迅速地降溫過程使得海冰外緣線迅速推進(圖7)。由于1月17日之后一周內氣溫仍然較低，海冰外緣線繼續向南推進，最大延伸距離相對于氣溫變化有明顯的滯后過程，于2月1日前后達到最大值，約81.5 n mile。

綜上所述，本研究中確定的海冰外緣線位置與GF-1衛星觀測及葫蘆島氣溫觀測數據相吻合。利用同樣的方法，對2008—2016年共8個冰期內的數據進行分析，提取遼東灣海冰外緣線位置，計算延伸距離，并與葫蘆島觀測站氣溫進行相關分析。

圖9中藍線為海冰外緣線延伸距離，在此8個冰期內，2010年冰情最為嚴重，遼東灣海冰外緣線往南延伸約90 n mile，而2014年和2015年海冰冰情較輕，延伸距離小于40 n mile。紅線代表葫蘆島觀測站的10日滑動平均氣溫，兩者呈現明顯的負相關，相關系數為-0.35。

圖9 2008—2016年海冰外緣線變動及葫蘆島觀測站的氣溫變動

2.3 海冰外緣線變動對氣溫的滯后響應

海冰外緣線變動相對于氣溫變化有明顯的滯后過程(圖7、圖8)，因此，本研究中通過計算相關系數分析了海冰延伸距離對氣溫變化的響應。圖10中，橫軸為海冰延伸距離相對于10日滑動平均氣溫的滯后時間，縱軸為海冰延伸距離與10日滑動平均氣溫的相關系數。從圖10可見，隨著滯后時間的增加，相關系數逐漸增大(90%置信水平)，滯后時間為4 d時，兩者相關性最強，相關系數為 -0.56。這與藏恒范[19]在分析遼東灣最大流冰外緣線與營口日平均氣溫變化過程曲線時，發現流冰范圍最大值的出現時間要比低溫時數的出現時間落后3～5 d的結論是一致的。

圖10 遼東灣海冰延伸距離隨葫蘆島氣溫的滯后響應

3 討論

3.1 高度計與衛星海冰外緣線判定方法的比較

中國渤海和北黃海的冰情隨著歷年冬季氣候差異而不同，而海冰外緣線的離岸推進距離是衡量冰情的一個重要指標。自然資源部每年發布的《中國海洋災害公報》均會公布浮冰外緣線離岸最大距離和對應的外緣線位置(www.mnr.gov.cn/sj/sjfw/hy/gbgg/zghyzhgb/)。

可見光衛星對于海冰外緣線的判定一般基于海冰密集度。例如，美國冰雪數據中心研發的北半球多傳感器海冰延伸范圍產品(multisensor analyzed sea ice extent，MASIE)，以海冰密集度大于40%的像元作為海冰外緣。眾所周知，海冰外緣線的變動規律復雜，與多種尺度的氣象和海洋過程有關，受熱力過程及由風、潮和流為主導的動力過程共同影響，尤其在外緣線附近，由于密集度低，動力過程對外緣線的變動影響更為顯著。研究發現，熱力過程尤其氣溫是影響海冰冰情的主要因素。白珊等[20]分析了1994—2000年渤海和北黃海的海冰密集度，結果表明，熱力因素對總方差的貢獻率接近80%，熱力與動力共同作用約占10%。

衛星高度計向星下點發射微波，當足跡內出現海冰時，回波波形會逐漸轉變為峰形，且前沿最大強度隨足跡內海冰密集度的增加而增加。但高度計后向散射強度與足跡內的海冰密集度的定量關系目前尚未有定論。考慮到熱力過程是影響海冰冰情的主要因素，為分析遼東灣海域氣溫與外緣線的變動關系，盡可能降低動力過程對外緣線變動的影響成分，本研究中通過對比GF-1可見光影像與高度計波形沿軌變化，在波形分類產品的基礎上，增加兩個條件用于判定海冰外緣線，一是采用相對較大的前沿最大強度閾值(35 dB)，二是要求連續10個點(約3 km)呈現峰形回波。因此，相對于傳統可見光衛星定義的海冰外緣線，本研究中基于高度計判定的外緣線離岸距離相對較小，但是兩者的變化趨勢總體是一致的。李彥青等[21]基于MODIS數據構建了遼東灣2001—2011年11個冬季的海冰外緣線離岸距離的候平均時間序列，結果表明，2009—2010年冰期內遼東灣的海冰外緣線延伸距離為200 km，2010—2011年為165 km，而2008—2009年不足100 km。盡管選取的外緣線延伸距離計算基線，以及對于外緣線的判定方法與本研究不同，但計算結果與本研究提取的外緣線變動趨勢是一致的，相對而言，本研究中海冰外緣線判定更有利于分析熱力過程對冰情的影響。

3.2 基于高度計資料研究黃渤海海冰的應用前景

近年來，基于多源衛星遙感數據的海冰研究逐漸成為海冰的主要發展方向。美國冰雪數據中心開發的MASIE產品融合了可見光衛星、合成孔徑雷達和雷達高度計等多種衛星遙感資料，能夠提供北半球的海冰面積及外緣線1 km的產品。中國國家衛星海洋應用中心自2009年起，將可見光衛星和SAR衛星相結合，充分發揮兩者的優勢，開展渤海海冰的常規業務化監測工作，但目前尚未將雷達高度計產品納入海冰監測系統。

自1992年以來，衛星高度計已積累了近30年的歷史觀測資料。尤其是從Jason-2和ENVISAT開始，高度計在近岸也能獲得高質量波形，極大地促進了高度計數據近岸海洋研究的開展，國際上CNES等組織發布了PISTACH和PEACHI等針對近岸應用的專門產品。由于不同高度計具有不同的衛星軌道和硬件參數，后向散射強度之間也存在系統偏差，需要相互校正，不同系列的高度計采用的閾值也不盡相同，波形也有細微差別。本研究中基于Jason-2高度計提出的閾值雖無法應用于其他高度計，但傳統的雷達高度計均基于Brown數學模型，具有相似的回波波形特征，因此，本研究中采用的方法可以方便地擴展應用至其他雷達高度計產品。

綜上所述，利用高度計數據進行黃、渤海海冰研究可以拓展高度計的應用庫，并且相對光學衛星高度計擁有自身的特點，可以作為光學衛星的補充，為中國海冰監測提供一種新的數據源。

4 結論

1)與傳統的可見光衛星遙感相比，高度計觀測不受天氣條件限制，而且積累了近30年的歷史觀測資料，對渤海海冰的長期冰情監測具有重要的研究價值。本研究于國內首次利用Jason-2高度計回波波形產品，準確提取了渤海遼東灣的海冰外緣線，今后該方法可作為光學衛星的補充手段。

2)在2013—2016年3個冰期內，基于Jason-2高度計提取的海冰外緣線位置與GF-1的觀測結果基本一致，兩者的海冰延伸范圍的均方差為2.81 n mile，并且海冰外緣線的變動趨勢與葫蘆島海洋站的氣溫變動相符。

3)2008—2016年8個冰期的解析結果顯示，2010年遼東灣冰情最為嚴重，外緣線延伸距離達90 n mile，而2014、2015年的冰情較輕，外緣線延伸距離均小于40 n mile。

4)遼東灣海冰外緣線變動相對于葫蘆島的氣溫變化過程有明顯的時間滯后，時間滯后為4 d時，相關性最強，相關系數為-0.56。