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利用ICESat/GLAS数据研究北极海冰干舷高度

袁乐先 李斐 张胜凯 朱婷婷 左耀文

袁乐先, 李斐, 张胜凯, 朱婷婷, 左耀文. 利用ICESat/GLAS数据研究北极海冰干舷高度[J]. 武汉大学学报 ( 信息科学版), 2016, 41(9): 1176-1182. doi: 10.13203/j.whugis20150690
引用本文: 袁乐先, 李斐, 张胜凯, 朱婷婷, 左耀文. 利用ICESat/GLAS数据研究北极海冰干舷高度[J]. 武汉大学学报 ( 信息科学版), 2016, 41(9): 1176-1182. doi: 10.13203/j.whugis20150690
YUAN Lexian, LI Fei, ZHANG Shengkai, ZHU Tingting, ZUO Yaowen. A Study of Arctic Sea Ice Freeboard Heights from ICESat/GLAS[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2016, 41(9): 1176-1182. doi: 10.13203/j.whugis20150690
Citation: YUAN Lexian, LI Fei, ZHANG Shengkai, ZHU Tingting, ZUO Yaowen. A Study of Arctic Sea Ice Freeboard Heights from ICESat/GLAS[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2016, 41(9): 1176-1182. doi: 10.13203/j.whugis20150690

利用ICESat/GLAS数据研究北极海冰干舷高度

doi: 10.13203/j.whugis20150690
基金项目: 

国家自然科学基金重点项目 41531069

国家重大科学研究计划 2013CBA01804

国家自然科学基金 41176173

国家自然科学基金 41476163

南北极环境综合考察及资源潜力评估项目 CHINARE2015

详细信息
    作者简介:

    袁乐先,博士生,主要从事卫星测高在极地的应用研究。yuanlexian@whu.edu.cn

    通讯作者: 张胜凯,博士,副教授。zskai@whu.edu.cn
  • 中图分类号: P237.9

A Study of Arctic Sea Ice Freeboard Heights from ICESat/GLAS

Funds: 

The State Key Program of National Natural Science of China 41531069

National Basic Research Program of China 2013CBA01804

the National Natural Science Foundation of China 41176173

the National Natural Science Foundation of China 41476163

the Polar Environment Comprehensive Investigation and Assessment Programmes of China CHINARE2015

More Information
    Author Bio:

    YUAN Lexian, PhD candidate, specializes in the applications of altimetry satellite to polar studies. E-mail: yuanlexian@whu.edu.cn

    Corresponding author: ZHANG Shengkai, PhD, associate professor. E-mail: zskai@whu.edu.cn
图(4) / 表(1)
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出版历程
  • 收稿日期:  2015-11-23
  • 刊出日期:  2016-09-05

利用ICESat/GLAS数据研究北极海冰干舷高度

doi: 10.13203/j.whugis20150690
    基金项目:

    国家自然科学基金重点项目 41531069

    国家重大科学研究计划 2013CBA01804

    国家自然科学基金 41176173

    国家自然科学基金 41476163

    南北极环境综合考察及资源潜力评估项目 CHINARE2015

    作者简介:

    袁乐先,博士生,主要从事卫星测高在极地的应用研究。yuanlexian@whu.edu.cn

    通讯作者: 张胜凯,博士,副教授。zskai@whu.edu.cn
  • 中图分类号: P237.9

摘要: 北极海冰变化受全球气候变化影响明显,海冰的变化不仅体现在面积上,而且也体现在厚度上。利用海冰干舷高度可以反演海冰厚度,冰、云和陆地高程卫星/地球科学激光测高系统(ice,cloud and land elevation satellite/geoscience laser altimeter system,ICESat/GLAS)提供了高精度的海冰高程信息。利用ICESat/GLAS测高数据,提取了2003~2008年部分时间段北极区域海冰的干舷高度,分析了2003~2008年间北极海冰季节性以及年际变化特征。结果表明,北极海冰干舷高度呈下降趋势,并且在2007年夏季减少趋势最为明显。对北极海冰在2007年迅速减少的原因进行了探讨,并利用仰视声呐实测数据对干舷高提取算法存在的系统性偏差进行了讨论与分析。

English Abstract

袁乐先, 李斐, 张胜凯, 朱婷婷, 左耀文. 利用ICESat/GLAS数据研究北极海冰干舷高度[J]. 武汉大学学报 ( 信息科学版), 2016, 41(9): 1176-1182. doi: 10.13203/j.whugis20150690
引用本文: 袁乐先, 李斐, 张胜凯, 朱婷婷, 左耀文. 利用ICESat/GLAS数据研究北极海冰干舷高度[J]. 武汉大学学报 ( 信息科学版), 2016, 41(9): 1176-1182. doi: 10.13203/j.whugis20150690
YUAN Lexian, LI Fei, ZHANG Shengkai, ZHU Tingting, ZUO Yaowen. A Study of Arctic Sea Ice Freeboard Heights from ICESat/GLAS[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2016, 41(9): 1176-1182. doi: 10.13203/j.whugis20150690
Citation: YUAN Lexian, LI Fei, ZHANG Shengkai, ZHU Tingting, ZUO Yaowen. A Study of Arctic Sea Ice Freeboard Heights from ICESat/GLAS[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2016, 41(9): 1176-1182. doi: 10.13203/j.whugis20150690
  • 研究表明,受全球气候变化的影响,北极海冰的覆盖面积与厚度在近几十年间呈下降趋势[1]。北极海冰受全球变化影响的同时也会反作用于全球变化,直接或间接影响全球气候[2]。因此,对北极海冰的监测研究有着重要的科学意义。通过卫星遥感技术可以得到北极海冰的覆盖情况,但是,遥感技术无法对海冰的厚度进行直接测量。而海冰干舷高度的研究是反演海冰厚度以及估算海冰总量必不可少的要素之一,并会给海洋表面高度的研究带来重要影响[3]。卫星测高技术出现之前,只能通过一些模型估算海冰厚度,而利用测高数据能够很好地帮助人们解决这一问题[4]。利用测高卫星提供的高程信息可以计算海冰的干舷高度,再通过浮力定理进一步反演海冰厚度。冰、云和陆地高程卫星地球科学激光测高系统(ice,cloud and land elevation satellite/geoscience laser altimeter system,ICESat/GLAS)以其激光测高的独特优势,能够获得高精度的高程数据,为海冰干舷的研究提供了有力的观测手段。文献[5]针对南极Weddell海区域,利用ICESat/GLAS测高数据分析了2004年及2005年5~6月(秋季)和10~11月(冬季)该区域海冰的变化情况。文献[6]利用ICESat/GLAS测高数据分析了2003~2008年南极海冰厚度以及体积变化情况。然而海冰在南极和北极区域的热力学和动力学过程不同以及南北极的环境差异等因素使得对北极海冰的研究更具代表性。文献[7-8]分析了ICESat/GLAS测高数据对开阔水域(薄冰和开阔水域)和多年冰表面的敏感性,指出能够利用高精度ICESat/GLAS测高数据对海冰厚度进行研究分析。文献[9]提出利用ICESat/GLAS测高数据的波形参数区分薄冰或开阔水域得到干舷高的方法,该方法易将海冰表面融池误判为冰间水道,导致解算结果偏小。文献[10]利用验潮和GPS数据研究了中山站附近的海冰厚度变化,然而基于地面观测的方法较难实现对大范围海冰的研究分析。文献[11]基于CryoSat-2数据比较了海冰厚度估算算法,CryoSat-2采用雷达测高观测方式,与ICESat/GLAS激光测高存在一定差别。研究表明,在利用ICESat/GLAS测高数据解算海冰干舷高度时,基于海面高程总是低于海冰表面高程假设的解算方法最为简单可靠[12],本文将利用该方法,详细探讨如何实现利用ICESat/GLAS测高数据解算北极海冰干舷高度,并分析北极海冰干舷高度在2003~2008年间的变化特征。

    • ICESat是美国2003年发射的世界上第一颗激光测高卫星,其主要目的是以尽可能高的精度监测极区冰盖物质平衡及海冰的变化。GLAS是搭载在ICESat卫星上的地学激光测高系统,GLAS的激光器发射红外线(波长1 064 nm)和可见绿光(波长532 nm)的短脉冲。光子经地球表面或大气反射回到航空器被直径为1 m的望远镜接收。该激光器每秒发射40次的激光脉冲,每个脉冲将在地表形成直径约为70 m的激光脚点,并且每隔170 m就会测量一个脚点。ICESat/GLAS在观测条件较好的情况下能达到十几厘米以内的观测精度[13-14],在平坦海冰表面上甚至能获得2 cm左右的观测精度。为了延长搭载在卫星上激光器的工作时间,确保能够收集尽可能长时间段的有效数据,ICESat卫星每年只观测两到三期数据。因此,ICESat/GALS只能提供2003~2009年间部分测高数据。

      GLA13数据为ICESat/GLAS测高数据的二级产品,提供南北极海冰的表面高程信息。数据中还包含激光脚点的地理位置、反射率以及仪器改正和大气改正等参数信息。本文利用最新的R34版数据进行海冰干舷的解算。

    • 为了得到更为精确的测高数据,本文首先将测高数据统一到WGS84参考椭球上,然后根据文献[7-8]提出的数据筛选方法,利用以下指标对数据进行筛选,以保证解算数据的可靠性。其中,i_gval_rcv表示回波信号的增益,被大气成分、水汽和云散射后的信号会导致该值较大,使得信噪比降低,因而去除该数值大于30的数据;i_SeaIceVar是表示回波波形和标准高斯波形间的差异,若该数值为零则表示和高斯波形符合最好,数值越大则表示差异越大,测量结果越不可靠,因此,只选用了该值小于60的数据参与解算;i_reflctUC表示经过比例扩大后的接收能量与发射能量的比值,地表反射率高,则该值较大,本文剔除了i_reflctUC值小于1的数据。经过剔除可靠程度较差的数据之后,本文采用如表 1所示的卫星测高数据进行北极海冰干舷高解算。

      表 1  参与海冰干舷高度解算的GLA13数据

      Table 1.  GLA13 Datasets for Sea Ice Freeboard Calculation

      编号 激光器 开始时间 结束时间 工作时长/d
      1 L2A 2003-09-25 2003-11-18 54
      2 L2B 2004-02-17 2004-03-20 33
      3 L3A 2004-10-03 2004-11-08 37
      4 L3B 2005-02-17 2005-03-24 36
      5 L3D 2005-10-21 2005-11-23 34
      6 L3E 2006-02-22 2006-03-27 34
      7 L3G 2006-10-25 2006-11-27 34
      8 L3H 2007-03-12 2007-04-14 34
      9 L3I 2007-10-02 2007-11-04 36
      10 L3J 2008-02-17 2008-03-21 34
    • 选取波弗特环流勘探项目中获取的北极波弗特海的实测海冰吃水深度数据和本文解算的海冰干舷高度结果进行了对比、验证。该项目是美国伍兹霍尔海洋学研究所为了探究北冰洋流域特别是波弗特海区域淡水含量的调节机制而开展的,在波弗特海域安置了搭载了多种传感器的测量装置,能够提供北极波弗特海实测的海水温度、盐度、流速、压力以及海冰吃水深度。其中,海冰吃水深度是通过搭载在测量装置上的仰视声呐(upward looking sonar,ULS)传感器测量得到的。ULS是一台朝上发射信号的声呐,通过测量仪器到海冰下缘的距离得到海冰吃水深度。每隔2 s测量一次数据,在距离水面50 m深度,其测量脚点直径约为2 m。进一步经过数据处理后,其测量精度能达到±5~10 cm。

    • 由于海冰密度低于海水密度,海冰实际上是漂浮在海面上的,如图 1所示。海冰表面高与海面的差异即为海冰干舷高度,表示为Hf,图中Hseaice为海冰厚度,Hdraft为海冰吃水深度。

      图  1  海冰厚度示意图

      Figure 1.  Illustration for Sea Ice Thickness Retrieval

      ICESat/GLAS测量得到的为地表大地高,即海冰表面大地高程H。海冰干舷高即为海冰表面和海水面间的高差:

      (1)

      其中,Hs为海平面大地高,可表示为:

      (2)

      式中,Hg为大地水准面高;Ht是海洋潮汐对海面高程的影响;Ha表示大气压对海面高程的影响;Hd为动态地形影响;σ为误差。虽然干舷高可以通过表面高程减去同时间段的海面高程得到,但是由于求解干舷高时对测量精度的要求较高,目前已有的测量手段以及模型还不能满足干舷测量的需要,因此很难利用直接相减的方法得到海冰干舷高,也就是说,目前很难通过式(2)解算海冰干舷高度。但是,海洋潮汐、洋流等因素的影响,使得漂浮在海面上的海冰并不是一整块覆盖在海面上,而是会出现一些开阔水域或薄冰区域,称为冰间水道。ICESat/GLAS在测量地表高程时,会同时测量冰面和冰间水道的表面高,而冰间水道的高程可以看作海面高程。因此,通过区分两者高程测量值并求差也是获得海冰干舷高度的一条有效途径。

      目前利用ICESat/GLAS测高数据探测冰间水道的方法有三种。第一种方法是利用遥感影像数据区分海水与海冰范围,然后提取ICESat/GLAS测高数据在海水范围内测量得到的高程值。这种方法准确度最高,但是要利用大量遥感影像数据,并且要求遥感影像数据和ICESat/GLAS测高数据的采集时间保持一致,不适合大范围、长时间解算。第二种方法是利用ICESat/GLAS测高数据信号的反射信号特征区分所测的地域是水面还是冰面,同样通过求差计算海冰干舷高。由于部分海冰表面的反射特征和海水面相同,使得部分海冰被判断成海水面,导致海水表面高程被高估。特别是在夏季,海冰表面会出现一些融池现象,即海冰表面被水覆盖,会导致这种判断方法出现较大误差。第三种方法主要是基于海面高程总是低于海冰表面高程的假设,通过选取区域内测量数据中高程最低的部分数据作为该区域内的海面高程值,其他数据则为海冰表面高程,最后求差即可得到海冰干舷高度。这种方法对数据的精度要求较高,ICESat/GLAS在测量海冰时的精度能够达到几个厘米,因而相对精度将会更高,能够满足海冰厚度测量的需求。实验结果表明,第三种方法与第一种方法的一致性最强,本文将采取第三种方法探测冰间水道。

      由于大地水准面相对于椭球面的起伏较为明显,在选择高程最低值时容易受到大地水准面的影响,导致错误判断,因此必须去除大地水准面趋势的影响。本文利用测高卫星观测的高程减去EGM2008模型获得的大地水准面高,去除大地水准面引起的趋势影响。在解算过程中,考虑到在尽量提高解算分辨率的同时尽可能避免由于大地水准面的不准确带来更多的误差,本文选取每20 km为一个窗口,这样,每个窗口内ICESat/GLAS测高数据的测量点约为120个,为了保证计算的可靠性,本文在这120个测量点中选择最小的3个测量数据的平均值作为这20 km内冰间水道的高程值。最后利用窗口范围内剩下的数据减去海面高程,得到海冰干舷高度。

      图 2即为利用ICESat/GLAS轨道高程信息解算海冰干舷高度的实验结果。图 2中横轴表示每个测高数据与轨道起始点间的距离,图 2(a)纵轴表示测高数据未去除EGM2008大地水准面趋势的高程,图 2(b)纵轴为去除EGM2008大地水准面之后的高程,图 2(c)纵轴即为本文方法得到的海冰干舷高度。图 2(a)图 2(b)中红色线为ICESat/GLAS测高数据高程,蓝色点为本文探测得到的冰间水道高程,图 2(a)中绿色曲线为EGM2008大地水准面高程,图 2(c)中红色线为ICESat/GLAS测高数据高程减去冰间水道高程得到的海冰干舷高度,蓝色曲线为滤波后的平均海冰干舷高度。从图 2中可以看出,探测得到的冰间水道高程明显低于其他高程数据值。

      图  2  利用ICESat/GLAS数据高程求解海冰干舷高实例

      Figure 2.  An Example for Estimating Freeboard Heights from ICESat/GLAS Datasets

    • 本文计算了北极区域2003~2008年间部分时间段的海冰干舷高度。如图 3所示,其中左边一列分别为北极海冰2003~2008年9、10、11月海冰干舷高度,右边一列分别为北极海冰2004~2008年2~4月海冰干舷高度。从图 3中可以看出,北极海冰分布并不是纬度越高海冰干舷高度就越厚。较厚的海冰多数分布在格陵兰冰盖以及格陵兰以西伊利莎白女王群岛北部区域。这说明更接近北极点的大陆附近容易产生更厚的海冰分布。

      图  3  2003~2008年北极海冰干舷高程

      Figure 3.  Arctic Sea Ice Freeboard Results During 2003 and 2008

      一般认为北极海冰数量经过冬季的结冰期后在2、3月份左右达到最大值,经过夏季的融化期之后在9、10月份减少到一年中最少。从图 2中可以看到北极海冰这一较为明显的季节性变化特征。2、3月份红色部分较多,9、10月份红色部分较少,说明相同区域内2、3月北极海冰干舷高度比9、10月海冰干舷高度偏大,符合海冰厚度分布规律。

      研究表明,近几十年间,北极海冰面积整体呈现下降趋势,并且在2007年夏季出现海冰面积迅速下降的现象[15]。本文研究表明,2003~2008年期间,北极海冰干舷高度整体呈减少趋势,并且在2007年夏季干舷高度迅速减小,达到这几年的最低值。这说明北极海冰的减少不仅体现在面积变化上,其厚度也在逐渐减小。

      海冰的变化主要受热力学和动力学两方面因素的影响,是海冰冻结消融与海冰运动作用的综合结果,受气候变暖、大气环流、海洋热对流、冰雪反照率反馈等多种因素的影响。北极海冰面积和干舷高度在2007年夏季呈现迅速下降趋势的原因主要有以下几点。首先,北极海冰在2007年之前受气候变化影响一直处于消融的状况,使得海冰处于非健康状态,海冰会更容易受到气候、太阳辐射等其他因素的影响。其次,2007年北极夏季出现的大气环流使得多年冰通过弗拉姆海峡的对外输送量增加[16];北冰洋受到来自太平洋和北大西洋的暖流作用的影响[17],并且在北极还出现云量减少的现象[18],使得太阳的辐射作用增强;由于海冰正在逐渐减少,增加了开阔水域面积,这样也间接加剧了海洋对太阳辐射能量的吸收,加速了海冰底部消融作用。由于2007年北极夏季出现了以上现象,各种因素综合起来影响了北极海冰的变化情况,使得北极海冰在2007年夏季迅速减少到一个较低水平。

    • 本文将解算结果与波弗特海域安装的水下声呐实测的海冰吃水深度数据进行了对比分析。波弗特海域安装了4台ULS测量海冰吃水深度,并且数据采集时间与本文解算时间一致,但并非4个测量点位20 km距离内都有测高数据,本文选取了其中的一台ULS采集的数据进行对比分析。

      由于本文解算结果为海冰的干舷高度,而水下声呐测量的是海冰的吃水深度,因此需要将干舷高度转换为海冰吃水深度。如果已知积雪厚度Hsnow,则可以通过浮力定理反演海冰吃水深度Hdraft。一般情况下,积雪厚度要小于干舷高,则可以利用海冰干舷高通过式(3)反演海冰厚度Hseaice,其中Hseaice是包括雪厚部分,海冰厚度减去干舷高即可得到海冰吃水深度。参考文献[4]的研究成果,本文在反演过程中所选用的密度分别为1 023.9 kg/m3、915.1 kg/m3、300 kg/m3。在特殊情况下,积雪较多时,可能会导致积雪厚度大于干舷高度,这时,位于海平面以下的积雪会在2~3周内逐渐被海水渗透,并重新冻结成冰,假设积雪与海水重新冻结成冰后密度与海冰密度一致,则积雪厚度Hsnow与干舷高度Hf相等[19],这样也可以求解海冰厚度:

      (3)

      式中,ρwρiρs分别为海水、海冰及雪的密度。

      为了探讨雪厚对反演海冰厚度的影响,本文考虑分别采用雪厚为5 cm和10 cm解算海冰吃水深度,并与ULS测量结果进行对比,如图 4所示,其中黑色菱形为ULS测量得到的海冰吃水深度数据,灰色方块为雪厚为5 cm时海冰吃水深度,浅灰色三角为雪厚取10 cm时海冰吃水深度结果。从图 4中可以看出,不同的雪厚对海冰厚度反演结果的影响也较大,相差5 cm的雪厚会对海冰吃水深度造成约0.3 m的差异,因此,精确的雪厚信息对海冰厚度的反演有着至关重要的作用。虽然解算结果与验证数据的海冰吃水深度变化整体趋势较为一致,但解算结果整体呈现低于ULS实测值的趋势,并且随着雪厚取值增大,该趋势也逐渐增加。除了受到解算过程中各种误差的影响以外,主要还受到解算干舷高时存在一定系统偏差的影响。

      图  4  海冰吃水深度对比情况

      Figure 4.  Sea Ice Draft Thickness from ULS and ICESat

      验证数据和本文采用数据时间上并不严格匹配,会带来一定的误差。ULS每天都进行测量,本文取ULS在ICESat卫星运行时间段内的平均测量值作为实测值进行对比。ICESat/GLAS测高数据并不能每天都覆盖整个北极区域,一期数据中对某一特定区域可能只能进行少数几次测量。虽然利用ICESat/GLAS测高数据能得到一期数据(约三十多天)的干舷高,但是该干舷高并不是严格意义上该时间段的平均值,只是数据采集时间段内出现过的测量值。而海冰受气候影响较大,一个月之内也可能发生较为剧烈的变化,因此会给对比结果带来一定的差异。

      在利用ICESat/GLAS测高数据解算海冰干舷高时,由于其激光测高脚点地面直径约为60 m。而多数情况下冰间水道的宽度不一定能达到60 m。即使是达到60 m宽,激光脚点也不一定正好落在冰间水道上面,很可能是其中一部分测量到海面,一部分测量到冰面,因此所得到的海面高程值会略高于实际高程,进而使得解算得到的干舷高会偏小。如果激光脚点落在薄冰上,会把薄冰的高程当成海面高程,将导致提取的海面高程偏高,同样会使得解算的干舷高偏小。该系统偏差实际上与开阔水域所占比例呈现负相关,当开阔水域较多较大时,系统偏差就会减小,反之,系统偏差会增加。一般来说,冬季雪厚要大于夏季雪厚值,因此,本文解算结果在冬季会比实测值更小,系统偏差比夏季更大。而冬季开阔水域所占比例比夏季少,实际上也应该存在更大的系统偏差。可以看出,本文解算结果和实际季节性差异呈现较好的一致性,因此解算结果整体偏小的主要原因是激光脚点直径较大造成的。相信在ICESat-2卫星发射后,更小的脚点直径会使得这一系统偏差的影响被大幅削弱。

      虽然与验证数据对比时存在一定误差,但是从图 3还是可以看出,海冰吃水深度变化规律较为一致,无论是从ULS实测结果还是本文的反演结果,都能看出较为明显的季节性变化规律。上半年(冬季)海冰吃水深度较深,而下半年(夏季)海冰吃水深度变浅。该地区的海冰吃水深度约在1~3 m之间,由于该区域的海冰主要为一年冰,因此夏季长期的变化并不明显,而冬季在2005年海冰吃水深度达到最大,之后每年呈略微减少趋势。

      对比图 3图 4可以知道,虽然北极海冰整体上在2007年呈现迅速减少的趋势,但是波弗特海域的实测数据与本文的解算结果都表明,这一地区的海冰厚度并没有出现较为明显的下降趋势。通过实测数据可以看出,这一地区的海冰厚度一般都要小于3 m,属于一年冰。笔者推测虽然全球气候变化导致北极海冰总量减少,但是对一年冰的影响可能并不明显。

    • 本文利用ICESat/GLAS测高数据解算了2003~2008年间北极海冰的干舷高度,并分析了其季节性变化与年际变化情况。季节性变化情况符合实际规律,而年际变化呈现出一定的减少趋势,特别是在2007年夏季北极海冰干舷高度迅速减少,本文分析了北极海冰迅速减少的原因。本文在反演海冰吃水深度时,证明了雪厚对海冰厚度反演存在较大的影响,通过与实测数据的对比分析,讨论了解算算法存在的系统偏差,并分析得到引起偏差的原因是测高卫星较大的激光脚点半径,相信在ICESat-2升空运行后会得到很大改善。

      下一步的工作中,结合相应的雪厚数据,可以估算海冰厚度以及海冰总量的分布及变化情况,进一步更为细致地研究全球气候变化对北极海冰的影响情况。

参考文献 (19)

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