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利用CryoSat-2测高数据研究南极威德尔海海冰出水高度时空变化

高翔 庞小平 季青

高翔, 庞小平, 季青. 利用CryoSat-2测高数据研究南极威德尔海海冰出水高度时空变化[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2021, 46(1): 125-132. doi: 10.13203/j.whugis20180504
引用本文: 高翔, 庞小平, 季青. 利用CryoSat-2测高数据研究南极威德尔海海冰出水高度时空变化[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2021, 46(1): 125-132. doi: 10.13203/j.whugis20180504
GAO Xiang, PANG Xiaoping, JI Qing. Spatiotemporal Variation of Sea Ice Freeboard in the Antarctic Weddell Sea Based on CryoSat-2 Altimeter Data[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2021, 46(1): 125-132. doi: 10.13203/j.whugis20180504
Citation: GAO Xiang, PANG Xiaoping, JI Qing. Spatiotemporal Variation of Sea Ice Freeboard in the Antarctic Weddell Sea Based on CryoSat-2 Altimeter Data[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2021, 46(1): 125-132. doi: 10.13203/j.whugis20180504

利用CryoSat-2测高数据研究南极威德尔海海冰出水高度时空变化

doi: 10.13203/j.whugis20180504
基金项目: 

国家自然科学基金 41606215

国家自然科学基金 41576188

国家重点研发计划 2017YFA0603104

详细信息
    作者简介:

    高翔,博士,主要从事极地海冰遥感研究。xgao@whu.edu.cn

    通讯作者: 季青,博士,副研究员。jiqing@whu.edu.cn
  • 中图分类号: P229

Spatiotemporal Variation of Sea Ice Freeboard in the Antarctic Weddell Sea Based on CryoSat-2 Altimeter Data

Funds: 

The National Natural Science Foundation of China 41606215

The National Natural Science Foundation of China 41576188

the National Key Research and Development Program of China 2017YFA0603104

More Information
    Author Bio:

    GAO Xiang, PhD, specializes in sea ice remote sensing. E-mail: xgao@whu.edu.cn

    Corresponding author: JI Qing, PhD, associate professor. E-mail: jiqing@whu.edu.cn
  • 摘要: 为了提高南极海冰出水高度的估算精度,以威德尔海为例,基于CryoSat-2卫星测高数据,联合冰桥计划(IceBridge)机载测高数据和科考船走航观测数据,获取应用最低点高程法反演海冰出水高度的最佳估计参数,进而估算并分析了2011—2017年,每年5月—10月威德尔海海冰出水高度的时空变化。结果表明,最佳的出水高度估算方案为采用0.8倍标准差剔除高度计观测值粗差后,选择沿轨10 km数据段并取最小5%的样本点平均值作为局地海面高估算海冰出水高度;近7年来南极威德尔海月均海冰出水高度总体呈现略微变薄的趋势,变化范围在17.9 ~27.4 cm之间;威德尔海海冰出水高度的分布呈现东薄西厚的特征,较大值主要分布在西威德尔海以及南极半岛东部海域。上述结论可为进一步研究南极海冰厚度变化对气候变化的响应提供参考。
  • 图  1  南极威德尔海IceBridge和ASPeCt观测数据及对应日期的CryoSat-2数据的轨迹

    Figure  1.  Trajectory of IceBridge and ASPeCt with Corresponding CryoSat-2 Data in Weddell Sea

    图  2  海冰出水高度示意图

    Figure  2.  Schematic Diagram of Sea Ice Freeboard

    图  3  2010-10-28 CryoSat-2沿轨高程Hcs2、25 km滑动平均Hm25及相对高程Hr

    Figure  3.  Height of CryoSat-2 Measured Hcs2, the Corresponding 25 km Running Mean Hm25 and the Relative Height Hr on 28 October, 2010

    图  4  2010-10威德尔海CryoSat-2出水高度和IceBridge出水高度比较

    Figure  4.  Comparison of Sea Ice Freeboard Derived from CryoSat-2 and IceBridge in Weddell Sea in October, 2010

    图  5  2011—2017年威德尔海月尺度海冰出水高度的空间分布

    Figure  5.  Distributions of Monthly Freeboard in Weddell Sea from 2011 to 2017

    图  6  2011—2017年南极威德尔海海冰出水高度的变化趋势

    Figure  6.  Change Trend of Monthly Mean Sea Ice Freeboard in Weddell Sea from 2011 to 2017

    表  1  参与求解最佳参数组合的CryoSat-2数据的日期及其轨道号

    Table  1.   Date and Orbit ID of the CryoSat-2 Data Used for Estimation of Optimal Parameter Schemes for Deriving Freeboard

    日期 CryoSat-2轨道号
    2010-10-26 2915
    2010-10-26 2922
    2010-10-28 2951
    2013-07-08 17222
    2013-07-09 17244
    2013-07-18 17375
    2013-07-20 17404
    2013-07-23 17441
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    表  2  不同参数组合的最低点高程法估算的CryoSat-2出水高度与机载和现场观测的出水高度比较

    Table  2.   Comparison of CryoSat-2 Derived Freeboards Derived from CryoSat-2 Using Different Combined Parameter Schemes Against with Airborne and In-situ Measured Freeboard

    参数组合方案 平均偏差/cm
    标准差倍数 沿轨长度/km 最低点取值比例/%
    0.6 10 2 4.28
    0.6 10 5 2.63
    0.6 25 2 7.82
    0.6 25 5 3.67
    0.6 50 2 10.49
    0.6 50 5 8.31
    0.8 10 2 2.67
    0.8 10 5 1.52
    0.8 25 2 4.05
    0.8 25 5 2.64
    0.8 50 2 5.62
    0.8 50 5 3.28
    1.2 10 2 10.48
    1.2 10 5 8.57
    1.2 25 2 13.85
    1.2 25 5 10.96
    1.2 50 2 16.34
    1.2 50 5 12.14
    1.5 10 2 16.74
    1.5 10 5 13.59
    1.5 25 2 20.27
    1.5 25 5 16.98
    1.5 50 2 23.83
    1.5 50 5 17.92
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-12-27
  • 刊出日期:  2021-01-05

利用CryoSat-2测高数据研究南极威德尔海海冰出水高度时空变化

doi: 10.13203/j.whugis20180504
    基金项目:

    国家自然科学基金 41606215

    国家自然科学基金 41576188

    国家重点研发计划 2017YFA0603104

    作者简介:

    高翔,博士,主要从事极地海冰遥感研究。xgao@whu.edu.cn

    通讯作者: 季青,博士,副研究员。jiqing@whu.edu.cn
  • 中图分类号: P229

摘要: 为了提高南极海冰出水高度的估算精度,以威德尔海为例,基于CryoSat-2卫星测高数据,联合冰桥计划(IceBridge)机载测高数据和科考船走航观测数据,获取应用最低点高程法反演海冰出水高度的最佳估计参数,进而估算并分析了2011—2017年,每年5月—10月威德尔海海冰出水高度的时空变化。结果表明,最佳的出水高度估算方案为采用0.8倍标准差剔除高度计观测值粗差后,选择沿轨10 km数据段并取最小5%的样本点平均值作为局地海面高估算海冰出水高度;近7年来南极威德尔海月均海冰出水高度总体呈现略微变薄的趋势,变化范围在17.9 ~27.4 cm之间;威德尔海海冰出水高度的分布呈现东薄西厚的特征,较大值主要分布在西威德尔海以及南极半岛东部海域。上述结论可为进一步研究南极海冰厚度变化对气候变化的响应提供参考。

English Abstract

高翔, 庞小平, 季青. 利用CryoSat-2测高数据研究南极威德尔海海冰出水高度时空变化[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2021, 46(1): 125-132. doi: 10.13203/j.whugis20180504
引用本文: 高翔, 庞小平, 季青. 利用CryoSat-2测高数据研究南极威德尔海海冰出水高度时空变化[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2021, 46(1): 125-132. doi: 10.13203/j.whugis20180504
GAO Xiang, PANG Xiaoping, JI Qing. Spatiotemporal Variation of Sea Ice Freeboard in the Antarctic Weddell Sea Based on CryoSat-2 Altimeter Data[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2021, 46(1): 125-132. doi: 10.13203/j.whugis20180504
Citation: GAO Xiang, PANG Xiaoping, JI Qing. Spatiotemporal Variation of Sea Ice Freeboard in the Antarctic Weddell Sea Based on CryoSat-2 Altimeter Data[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2021, 46(1): 125-132. doi: 10.13203/j.whugis20180504
  • 由卫星观测记录发现,北极海冰的范围呈现不断减少的趋势[1]。根据搭载在北极潜艇上的仰视声呐及卫星测高观测结果显示,北极海冰厚度也在持续变薄[2]。在南极,海冰范围表现出略微增大的趋势[3],关于南极海冰厚度的时空变化特征仍有待于深入探索和研究。

    卫星测高方法是目前能够对海盆尺度海冰厚度进行连续监测的有效方法[4]。文献[5]首次应用欧洲遥感卫星(European remote sensing satellite,ERS)系列卫星测高数据估算了1993—2001年的北极海冰厚度,并将结果与潜艇仰视声呐观测结果对比,证明了卫星测高方法是估算大尺度海冰厚度的有效途径;文献[6]首次使用搭载在ICESat(ice,cloud and land elevation satellite)卫星上的地球科学激光测高系统(geoscience laser altimeter system,GLAS)激光高度计数据计算了北极海冰厚度,进一步展现了测高数据估算海冰厚度的优势。2010年,载有雷达高度计的CryoSat-2卫星成功发射后,相关学者基于CryoSat-2测高数据开展了北极海冰出水高度(指海冰露出在海水面以上的部分)以及海冰厚度的探索。与之前的雷达高度计相比,CryoSat-2拥有更高空间分辨率,能够获取更精细的海冰出水高度信息。文献[7]首次应用CryoSat-2雷达高度计数据对海冰出水高度估算方法进行了研究;文献[8]通过对CryoSat-2测高数据的波形进行模型拟合,利用牛顿最小二乘拟合方法,提高了出水高度反演的精度;文献[9]基于CryoSat-2数据对比了4种不同的主流卫星测高估算冰厚算法,优选出最佳的海冰厚度估算参数组合;文献[10]利用CryoSat-2数据,估算了北极2015年海冰的体积。在南大洋海冰出水高度与海冰厚度研究中,文献[11]首次提出利用沿轨滤波后最低点高程估算出水高度的方法,即最低点高程法,并利用2004—2005年的ICESat测高数据,得到了第一幅南极威德尔海海冰出水高度;文献[12]在南极别林斯高晋海海域利用现场实测数据,验证了ICESat估算的出水高度,并建立了出水高度与海冰厚度的经验关系模型;文献[13]总结多年的南极科学考察走航观测数据,得到南极不同区域、不同季节的海冰厚度统计值;文献[14]则是利用ICESat数据得到出水高度,分析了南极海冰厚度在2003—2008年的变化趋势;文献[15]发现海冰出水高度与厚度卫星测高估算过程中,海表面高的确定对海冰出水高度的估算具有较大的敏感性,极大地影响海冰厚度卫星测高的估算结果。基于卫星高度计数据估算北极海冰出水高度与厚度的方法具备获取大范围、长时序海冰信息的优势,但目前针对南极海冰出水高度的估算方法及近年来的变化研究仍有待于进一步开展。

    本文以南极威德尔海为例,利用CryoSat-2雷达测高数据,结合机载测高数据和走航观测数据,对基于最低点高程法的海冰出水高度最佳估算参数进行探讨,并分析2011—2017年威德尔海海冰出水高度的空间分布和变化趋势,以期为进一步研究南极整体海冰厚度变化及其与全球变化的关系提供支撑。

    • CryoSat-2是欧空局于2010-04发射的新一代雷达测高卫星,轨道高度为717 km,卫星重访周期为369 d(子周期为30 d),轨道倾角为92°。CryoSat-2主要载荷是Ku波段(13.6 GHz)合成孔径/干涉雷达高度计(synthetic aperture interferometric radar altimeter,SIRAL)。由于SIRAL结合了传统的有限脉冲雷达高度计、合成孔径雷达(synthetic aperture radar,SAR)和干涉测量技术,其沿轨分辨率可以达到250 m,能够满足对冰盖高程和海冰出水高度的精确测量要求,测量范围可达南北纬88°[16]。SIRAL高度计以3种观测模式运行,分别是低分辨率模式、SAR模式和SAR干涉测量模式。其中,SAR模式主要用于海冰的观测。

      本文采用CryoSat-2的SAR模式L2级数据,该数据为经过波形重跟踪之后的沿轨表面高程数据(ftp://science-pds.cryosat.esa.int)。

    • 微波扫描辐射计系统(advanced microwave scanning radiometer-earth observing system,AMSR-E)搭载于美国国家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration,NASA)的Aqua卫星[17]。AMSR-E数据的时间范围为2002-05—2011-10,而AMSR-E的后续传感器为搭载在日本全球变化观测任务卫星上的AMSR2辐射计[18]。由于海冰和海水在不同频率、不同极化被动微波数据上的辐射差异,被动微波数据常用于监测海冰范围的动态变化[19]。本文选择由AMSR-E与AMSR2亮温反演得到的海冰密集度数据产品(https://seaice.uni-bremen.de/data/amsre/asi_daygrid_swath/)用于区分海冰与海水,将海冰密集度大于15%的区域定义为海冰区进行出水高度的计算。此外,本文还使用了AMSR-E亮温反演得到的积雪深度产品(https://seaice.uni-bremen.de/data/-amsre/snow_daygrid/)用于去除冰桥计划(IceBridge)机载激光观测出水高度的积雪深度,使其与CryoSat-2雷达高度计反演的出水高度(仅为海冰的出水高度)物理意义一致。

    • IceBridge是NASA近年来重要的极地机载观测项目。IceBridge项目的目的在于填补激光测高卫星ICESat与ICESat-2之间的数据空白,以确保能够在极地实现连续观测。

      本文选用的IceBridge观测的海冰出水高度数据来自于美国雪冰中心(National Snow and Ice Data Center,NSIDC)发布的IDCSI4数据集(http://nsidc.org/data/IDCSI4),时间跨度为2009—2013年。该数据集在南北极共有52 d的数据,在南极威德尔海区域的数据有4 d,其中2010-10-26与2010-10-28的IceBridge观测数据与CryoSat-2的第2 915、2 922、2 951轨道的星下轨迹存在重合部分。本文随机选择IceBridge机载数据的80%进行最佳方案的确定,剩下的20%用于CryoSat-2出水高度反演结果的验证。

    • 科考人员在极地考察船航行过程中,对考察船1 km范围内的冰情进行观测,得到ASPeCt走航海冰观测数据(包括海冰密集度、海冰类型、海冰厚度、积雪深度等参数)[13]。本文选用德国魏格纳海洋研究所于2013-06-17—2013-08-08在威德尔海区域的走航观测数据(https://doi.pangaea.de/10.1594)[20],并与IceBridge机载观测数据一起作为真值来确定最低点高程法的出水高度最佳参数。在该走航观测数据时间段内,经过威德尔海的CryoSat-2观测数据共有319轨,其中与ASPeCt有重叠区域的CryoSat-2数据有5轨,该走航观测数据以及对应日期CryoSat-2测高数据的位置如图 1所示。

      图  1  南极威德尔海IceBridge和ASPeCt观测数据及对应日期的CryoSat-2数据的轨迹

      Figure 1.  Trajectory of IceBridge and ASPeCt with Corresponding CryoSat-2 Data in Weddell Sea

    • 海冰出水高度示意图如图 2所示,本文研究的出水高度仅指海冰的出水高度(不包含海冰表面雪厚),即假设CryoSat-2雷达信号穿透雪层,在雪冰界面返回[4]。CryoSat-2高度计观测的沿轨高程Hcs2为地面观测点相对于WGS-84(world geodetic system 1984)参考椭球的大地高。因此,海冰出水高fi则可通过CryoSat-2观测值与海表面高Hs的差值获得,计算如下:

      图  2  海冰出水高度示意图

      Figure 2.  Schematic Diagram of Sea Ice Freeboard

      $${f_i} = {H_{{\rm{cs}}2}} - {H_s} $$ (1)
      $${H_s} = {H_m} + {H_{{\rm{tide}}}} + {H_a} + {H_d} + \sigma $$ (2)

      式中,Hm为平均海平面高;Htide为潮汐改正;Ha为大气压改正;Hd为动态地形改正; σ为仪器误差,其中HmHtideHaHd都可由模型求得。文献[21]直接用模型计算海面高的不确定性约为38 cm,估算海冰出水高度的不确定性为25 cm,这说明出水高度虽然可以利用CryoSat-2观测值减去对应模型的海面高,但计算结果误差较大。

      由于卫星高度计在测量海冰高的同时还在测量局地海面高(包括开阔水域和薄冰区),而两者之间的相对差可用来计算出水高度[11]。因此,可采用最低点高程法求解局地海面高HL,计算如下:

      $$H_{L}=\min _{p}\left(H_{\mathrm{cs} 2}\right) $$ (3)

      式中,minp(Hcs2)表示在CryoSat-2沿轨测量数据段里,选取一定比例(p%)的最低值取平均作为该数据段的局地海平面高[11, 22-23]

      图 3为2010-10-28 CryoSat-2第2 951轨在南极威德尔海的沿轨观测高程Hcs2、沿轨25 km的滑动平均值Hm25,以及相对表面高Hr。为了减少大地水准面趋势、潮汐及海洋动态地形等影响,可通过将CryoSat-2观测值Hcs2减去沿轨25 km的滑动平均值Hm25,得到相对表面高Hr。当计算CryoSat-2数据中某点的25 km滑动平均值Hm25时,计算该点前后沿轨各12.5 km范围内观测点的平均值。计算出沿轨Hm25Hr后,将Hr中大于3 m的数据进行异常值剔除,再利用最低点高程法对Hr求解相对局地海面高HL-r,最后将相对表面高程Hr和相对局地海平面高HL-r求差即可得到出水高度fi。具体计算如下:

      图  3  2010-10-28 CryoSat-2沿轨高程Hcs2、25 km滑动平均Hm25及相对高程Hr

      Figure 3.  Height of CryoSat-2 Measured Hcs2, the Corresponding 25 km Running Mean Hm25 and the Relative Height Hr on 28 October, 2010

      $$H_{r}=H_{\mathrm{cs} 2}-H_{m 25} $$ (4)
      $$H_{L-r}=\min _{p}\left(H_{r}\right) $$ (5)
      $$f_{i}=H_{r}-H_{L-r} $$ (6)
    • 在应用最低点高程法求解局地海面高的过程中,不同研究采用的沿轨分段距离、最低观测点的比例以及异常值剔除方案有所不同。文献[11]最早提出利用卫星观测数据段内的低值点求解局地海面高的方法,选择50 km内2%的低值点作为局地海平面高;文献[24]在20 km范围内选择3个低值点取平均作为局地海平面;文献[25]在12.5 km的数据段取3个低值点的平均值作为海平面高的系点。选取不同的沿轨数据段的长度、不同的测高值异常值筛选倍数、不同比例的低值点高程作为局地海平面高程会得到不同的出水高度反演结果。本文结合IceBridge机载出水高度、走航观测数据和被动微波积雪深度数据,对不同参数组合方案的CryoSat-2出水高度计算结果进行评估,探讨基于低值点高程法求解局地海面高的最佳参数组合。

    • 本文利用覆盖于威德尔海不同区域、不同日期的8个轨道CryoSat-2雷达高度计数据(见表 1),以及对应日期的实测数据,分别采用3种不同分段长度(10 km、25 km、50 km)、4种不同倍数的标准差(0.6σ、0.8σ、1.2σ、1.5σ)粗差剔除方案,以及两种不同的最低点取值比例(2%、5%)进行出水高度的计算,并将不同参数组合方案的海冰出水高度计算结果与同轨道对应的实测数据进行比较与评估,确定基于最低点高程法的最佳局地海面高计算方案。

      表 1  参与求解最佳参数组合的CryoSat-2数据的日期及其轨道号

      Table 1.  Date and Orbit ID of the CryoSat-2 Data Used for Estimation of Optimal Parameter Schemes for Deriving Freeboard

      日期 CryoSat-2轨道号
      2010-10-26 2915
      2010-10-26 2922
      2010-10-28 2951
      2013-07-08 17222
      2013-07-09 17244
      2013-07-18 17375
      2013-07-20 17404
      2013-07-23 17441

      由于IceBridge机载观测的出水高度包含雪厚,而CryoSat-2出水高度不包含雪厚,因此首先将IceBridge出水高度减去AMSR-E雪厚产品,得到经雪厚改正的IceBridge出水高度,再与CryoSat-2出水高度进行比较。比较方法为取某点CryoSat-2出水高度,与该点相邻150 m范围内所有经去除雪厚的IceBridge出水高度及走航观测值的平均值进行比较。

      不同参数组合计算的CryoSat-2海冰出水高度与IceBridge海冰出水高度的比较结果如表 2所示。

      表 2  不同参数组合的最低点高程法估算的CryoSat-2出水高度与机载和现场观测的出水高度比较

      Table 2.  Comparison of CryoSat-2 Derived Freeboards Derived from CryoSat-2 Using Different Combined Parameter Schemes Against with Airborne and In-situ Measured Freeboard

      参数组合方案 平均偏差/cm
      标准差倍数 沿轨长度/km 最低点取值比例/%
      0.6 10 2 4.28
      0.6 10 5 2.63
      0.6 25 2 7.82
      0.6 25 5 3.67
      0.6 50 2 10.49
      0.6 50 5 8.31
      0.8 10 2 2.67
      0.8 10 5 1.52
      0.8 25 2 4.05
      0.8 25 5 2.64
      0.8 50 2 5.62
      0.8 50 5 3.28
      1.2 10 2 10.48
      1.2 10 5 8.57
      1.2 25 2 13.85
      1.2 25 5 10.96
      1.2 50 2 16.34
      1.2 50 5 12.14
      1.5 10 2 16.74
      1.5 10 5 13.59
      1.5 25 2 20.27
      1.5 25 5 16.98
      1.5 50 2 23.83
      1.5 50 5 17.92

      表 2可以看出,最佳出水高度计算参数组合的数据段长为10 km,同时,数据段越长,误差越大。这是由于长数据段内局地海表面高变化相对更大,因此在数据段较长的观测数据中采用同一海表面高来计算出水高度,误差会相对更大。剔除数据的标准差倍数越大,计算的出水高度误差越大,这是由于剔除数据的倍数大,造成异常值剔除不彻底,进而使得出水高度的计算结果误差增大。采用0.8倍标准差剔除粗差后,选择沿轨10 km数据段,并取最小5%的样本点取平均值作局地的海面高,计算出的CryoSat-2海冰出水高度与机载和现场观测的结果最接近。因此,后续的威德尔海出水高度的时空变化分析即采用此方案进行出水高度的计算。

    • 基于§3.1的最佳参数方案(0.8倍标准差、沿轨长度10 km及5%最小点取值),本文估算了2010-10南极威德尔海海冰出水高度,并与同期IceBridge观测的出水高度(去除雪厚后)进行比较与验证,结果如图 4所示。

      图  4  2010-10威德尔海CryoSat-2出水高度和IceBridge出水高度比较

      Figure 4.  Comparison of Sea Ice Freeboard Derived from CryoSat-2 and IceBridge in Weddell Sea in October, 2010

      图 4可以看出,本文计算得到的海冰出水高度与IceBridge观测的出水高度具有较好的相关性,相关系数(r)达到0.73,平均偏差(Bias)为2.05 cm,均方根误差(root mean square error,RMSE)为8.59 cm。验证结果的相关系数指标和平均偏差指标均优于文献[4]对2012年北极海冰厚度的验证结果(相关系数为0.608、平均偏差为4.8 cm)。

    • 根据§3.1确定的出水高度估算方案,对威德尔海地区的2011—2017年每年5月—10月的海冰出水高度进行计算,月尺度空间分布如图 5所示。对0°W~60°W范围内的研究区,在实验期间的海冰出水高度的平均值为24.1 cm,其中,东威德尔海(0°~30°W)的平均海冰出水高度为19.8 cm,而西威德尔海(30°W~60°W)的平均海冰出水高度则为27.9 cm。在5月—8月海冰的增长期,西威德尔海区域的海冰出水高度为29 ~42 cm,东威德尔海区域的海冰出水高度为11 ~21 cm。由图 5可以看出,总体上海冰出水高度的分布呈现为西厚东薄的特征,东威德尔海海冰出水高度较小,而西威德尔海海冰出水高度较大,南极半岛沿岸存在最大的海冰出水高度,这与文献[11, 23]基于ICESat激光测高数据在威德尔海的研究结果一致。

      图  5  2011—2017年威德尔海月尺度海冰出水高度的空间分布

      Figure 5.  Distributions of Monthly Freeboard in Weddell Sea from 2011 to 2017

    • 2011—2017年南极威德尔海海冰出水高度的时间变化如图 6所示。可以看出,南极威德尔海海冰出水高度时间变化存在着季节循环,5月—8月海冰出水高度逐渐增大,9月—10月又缓慢下降。这是因为每年5月,南极威德尔海残存的大部分海冰属于多年冰,厚度较大,因此海冰出水高度的平均值较大,而5月—8月,海冰持续生长,海冰出水高度保持增长;9月—10月,威德尔海海冰开始融化,海冰变薄,并且此时的海冰范围较大,进而导致平均的海冰出水高度较小。

      图  6  2011—2017年南极威德尔海海冰出水高度的变化趋势

      Figure 6.  Change Trend of Monthly Mean Sea Ice Freeboard in Weddell Sea from 2011 to 2017

      图 6可知,南极威德尔海出水高度在18 ~ 28 cm之间。从年际变化来看,威德尔海的平均出水高度在2013年达到最大值,之后表现为波动下降的趋势。出水高度的月平均最大值为2013-08的27.4 cm,最小值为2016-10的17.9 cm。2011-05—2017-10,出水高度的变化率为-0.04 cm/月,表现为略微变薄的变化趋势。

      文献[11]利用ICESat数据计算得到2004、2005年的10月—11月威德尔海平均海冰出水高度(包含积雪厚度)分别为37 cm、35 cm。文献[23]计算的2003—2009年每年10月—11月威德尔海的平均海冰出水高度范围为33.0 ~41.0 cm。本文计算的2011—2017年每年10月的海冰出水高度的范围在17.9 ~23.9 cm,小于上述估算结果,但本文计算的海冰出水高度时间范围和上述文献的时间范围不同。此外,由于ICESat激光高度计的反射信号来自于积雪表面,而雷达高度计的反射信号会穿透雪层[26],这会使得由雷达高度计反演的出水高度结果(海冰出水高度)要比激光高度计反演的出水高度(海冰与积雪的出水高度)要小。CryoSat-2雷达高度计发射Ku-波段的信号,雷达信号会穿透雪层,到达冰雪界面再返回,故雷达高度计测得的出水高度不包括积雪深度,因此雷达高度计数据反演的出水高度要小于利用激光高度计数据反演的出水高度。文献[27]在南极海冰区对雷达信号的穿透深度进行研究,得到雷达信号在雪中的穿透深度的不确定性对出水高度的计算带来的误差为2.4 cm。

    • 海冰出水高度是反演海冰厚度的关键参数,直接影响海冰厚度卫星测高反演的精度。围绕南极威德尔海海冰出水高度的估算方法及其时空变化信息,本文联合CryoSat-2雷达测高数据、IceBridge机载数据和走航观测数据,探讨并确定了基于最低点高程法求解局地海面高的最佳参数组合,进而反演并分析了2011—2017年南极威德尔海海冰增长季出水高度的时空变化。得到结论如下:(1)在南极威德尔海,采用0.8倍标准差剔除高度计观测值粗差后,选择沿轨10 km数据段并取最小5%的样本点,计算平均值作为局地的海面高估算海冰出水高度的方案是最佳的;(2)南极威德尔海海冰出水高度的分布总体上呈现为西厚东薄的特征,较厚的海冰出水高度主要分布在西威德尔海以及南极半岛东部海域;(3)2011—2017年南极威德尔海海冰出水高度总体呈现略微变薄的变化趋势,月均出水高度范围为17.9 ~ 27.4 cm。

参考文献 (27)

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