利用ICESat數(shù)據(jù)確定北冰洋海冰出水高度——以2005—2006年為例

陳國(guó)棟，李建成，褚永海，李大煒

武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院，湖北 武漢430079

1 引 言

北冰洋水文的最大特點(diǎn)是海面上的浮冰，即使在夏季，這些海冰的平均覆蓋面積也占北冰洋面積的一半以上［1］。海冰產(chǎn)生和融化的過(guò)程對(duì)于北冰洋海水溫度和鹽度的變化具有重要作用，并且海冰的覆蓋也阻隔了海水和大氣間熱量、動(dòng)量和水汽的交換［2］，海冰的變化不僅對(duì)北極地區(qū)的氣候產(chǎn)生巨大影響，對(duì)全球氣候以及海洋系統(tǒng)能量交換也有很大影響。近年來(lái)，北冰洋海冰呈現(xiàn)明顯的減少趨勢(shì)，僅僅通過(guò)衛(wèi)星遙感影像獲取的海冰覆蓋面積已經(jīng)無(wú)法滿足海冰研究的需要，根據(jù)海冰出水高度反演海冰厚度成為亟待解決的問(wèn)題［3］。此外，海冰出水高度的確定也是利用衛(wèi)星測(cè)高確定北冰洋海面高的關(guān)鍵步驟，對(duì)于北冰洋海面高、海面動(dòng)力地形以及北極地區(qū)大地水準(zhǔn)面的研究具有重要意義［4－6］。測(cè)高衛(wèi)星的出現(xiàn)使得人們能夠?qū)１鏊叨乳_(kāi)展大范圍的研究，2003年，文獻(xiàn)［7］根據(jù)ERS衛(wèi)星的雷達(dá)測(cè)高數(shù)據(jù)首次得到了北冰洋海冰出水高度的模型。攜帶了地學(xué)激光測(cè)高系統(tǒng)GLAS（geoscience laser altimeter system）的ICESat（ice，cloud and land elevation satellite）衛(wèi)星是一顆軌道傾角94°的近極軌衛(wèi)星，由于激光具有光斑小、不穿透雪層的特點(diǎn)，非常適合用于海冰出水高度的觀測(cè)。在其6年的運(yùn)行周期內(nèi)，所提供的海冰測(cè)高數(shù)據(jù)為兩極海冰的研究起到了重要作用。2005年，文獻(xiàn)［4］利用GRACE數(shù)據(jù)改進(jìn)后的ArcGP北極大地水準(zhǔn)面模型作為基準(zhǔn)，根據(jù)“最低面濾波法”，利用ICESat測(cè)高數(shù)據(jù)獲得了北冰洋海冰出水高度模型。2007年，文獻(xiàn)［8］提出了根據(jù)海平面高與海冰表面高程變化的線性關(guān)系以及ICESat激光反射率確定海面高的方法，先后獲得了2003—2008年北冰洋海冰出水高度和厚度模型［9－10］。2008年，文獻(xiàn)［11］將沿軌50km范圍內(nèi)ICESat測(cè)高數(shù)據(jù)中最低的2%的點(diǎn)作為海面高觀測(cè)值，研究了南極威德?tīng)柡５暮１鏊叨燃昂穸茸兓?009年，文獻(xiàn)［12］則提出了根據(jù)ICESat回波波形參數(shù)識(shí)別海面測(cè)高數(shù)據(jù)的方法，并分析了2003—2009年北冰洋海冰出水高度的變化。國(guó)內(nèi)目前利用ICESat數(shù)據(jù)進(jìn)行的研究主要集中在南北兩極的冰蓋［13－16］及在海冰的應(yīng)用方面。文獻(xiàn)［17］探討了聯(lián)合重力數(shù)據(jù)和ICESat數(shù)據(jù)獲取海冰出水高度的可能性；文獻(xiàn)［18］利用ICESat數(shù)據(jù)反演了南極羅斯海的海冰厚度；文獻(xiàn)［19］利用ICESat數(shù)據(jù)獲得的海冰出水高度對(duì)北冰洋海冰厚度變化進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)［20］利用EnviSat研究了兩極海冰的分布特性。

目前，文獻(xiàn)［6，18，21—24］提出的最低點(diǎn)法被認(rèn)為是計(jì)算海冰出水高度最簡(jiǎn)單、有效的方法，得到了廣泛的應(yīng)用。但由于目前對(duì)北冰洋海冰的了解太少，無(wú)法確定2%的最低點(diǎn)是否能夠很好地代表海面高，因此這種方法效果并不理想。本文提出利用ICESat波形參數(shù)，結(jié)合高程特征確定海冰出水高度的方法，并與最低點(diǎn)法進(jìn)行比較，對(duì)兩種方法的誤差進(jìn)行了分析，進(jìn)而計(jì)算了2005—2006年北冰洋海冰出水高度。

2 數(shù)據(jù)描述及預(yù)處理

ICESat/GLAS每年只觀測(cè)2～3個(gè)周期，每個(gè)周期為期大約33d，觀測(cè)時(shí)間選在每年的2—3月、5—6月以及10—11月。本文選取了2005—2006年ICESat在北極的6個(gè)任務(wù)周期的觀測(cè)數(shù)據(jù)，任務(wù)期編號(hào)為L(zhǎng)3b—L3g（見(jiàn)表1）。數(shù)據(jù)是由美國(guó)冰雪中心（NSIDC）提供的ICESat GLA05和GLA13數(shù)據(jù)集，版本為目前最新的Release 633。

表1 本文使用的ICESat數(shù)據(jù)列表Tab.1 Summary of ICESat data used in this paper

ICESat測(cè)高數(shù)據(jù)主要有兩個(gè)誤差源，一是大氣前向散射，二是由于回波能量超過(guò)接收器接收能力造成的波形飽和，兩者都會(huì)延長(zhǎng)激光傳播時(shí)間，從而造成測(cè)高數(shù)據(jù)偏低。因此，為保證數(shù)據(jù)質(zhì)量，須對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。本文綜合了文獻(xiàn)［8，11—12］的預(yù)處理方法，具體數(shù)據(jù)編輯準(zhǔn)則包括：①剔除反射率＞1的數(shù)據(jù)，過(guò)大的反射率是由于嚴(yán)重的波形飽和造成的；②剔除接收回波擬合殘差V＞60的數(shù)據(jù)，過(guò)大的回波擬合殘差意味著波形被嚴(yán)重的扭曲，因而數(shù)據(jù)精度較差；③剔除接收機(jī)增益大于30的數(shù)據(jù)，較高的接收機(jī)增益表示激光在傳播過(guò)程中能量衰減嚴(yán)重，信噪比較差；④剔除反射率小于0.05以及波形展寬大于0.8m的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)受大氣前向散射影響的可能性較高［11］。此外，為避免無(wú)冰區(qū)域?qū)τ?jì)算的影響，根據(jù)AMSR－E 12.5km分辨率的海冰密集度數(shù)據(jù)［25］剔除了海冰密集度低于35%的區(qū)域。各任務(wù)期用于出水高度計(jì)算的觀測(cè)值數(shù)量如表1所示。

GLA13中提供的高程數(shù)據(jù)（helv）是基于TOPEX/Poseidon（T/P）衛(wèi)星所采用的橢球，并經(jīng)過(guò)了潮汐和對(duì)流層延遲改正的大地高。首先對(duì)helv進(jìn)行波形飽和改正hsat、大地水準(zhǔn)面改正hg和逆氣壓改正hib，其中hsat由GLA13數(shù)據(jù)提供，大地水準(zhǔn)面模型為EGM2008（歸算至T/P衛(wèi)星橢球），hib則由下式計(jì)算［26］

式中，P為觀測(cè)時(shí)的海面氣壓；P0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。經(jīng)各項(xiàng)改正后，獲得的初始高程序列hc為

由于模型的誤差，hc存在約±1m的波動(dòng)，將hc移去25km滑動(dòng)平均值hm25來(lái)獲得一個(gè)零均值的高程序列hr（如圖1）

25km的滑動(dòng)窗口不僅可以去除模型化殘差的長(zhǎng)波變化，而且可以有效地區(qū)分海面和海冰高程變化的波長(zhǎng)［8］，同時(shí)也可減小ICESat的空間分辨率對(duì)出水高度計(jì)算造成的影響［27］。

圖1 ICESat高程序列Fig.1 ICESat derived elevation series

3 一種新的海冰出水高度計(jì)算方法

海冰出水高度（F），或稱為海冰干舷高［17］，是指海冰露出海平面的高度。對(duì)于ICESat來(lái)說(shuō)，由于激光無(wú)法穿透海冰表面的雪層，因此，得到的出水高度是海冰露出海水的高度加上雪層的厚度，如圖2所示。故出水高度就是ICESat測(cè)得的高度與海面高之差

但是，即使使用最精確的大地水準(zhǔn)面、海面動(dòng)力地形和潮汐模型來(lái)計(jì)算海面高也會(huì)產(chǎn)生一定的誤差［11］，因此，不能通過(guò)模型化的方法來(lái)計(jì)算hssh。由于海冰的水平運(yùn)動(dòng)，有時(shí)在海冰之間會(huì)產(chǎn)生一些裂縫而露出海面，稱為冰間水道（open lead），利用ICESat在這些水道表面的觀測(cè)值可以確定海平面。

圖2 ICESat海冰出水高度示意圖Fig.2 Illustration of ICESat freeboard

3.1 ICESat水面波形特征

由于表面特性的不同，ICESat發(fā)射的激光在水面和覆蓋著雪層的海冰表面的回波具有不同的性質(zhì)，在不受嚴(yán)重的波形飽和或大氣前向散射影響時(shí)，可以通過(guò)回波的特征參數(shù)將海面的觀測(cè)值區(qū)分出來(lái)。這些參數(shù)包括反射率R、波形展寬S、波形長(zhǎng)度L和回波擬合殘差V。反射率R完全取決于反射面的物理性質(zhì)，通常，水面的反射率約為0.25，雪的反射率約為0.7［9］。V是回波脈沖擬合為高斯波形的殘差，光滑的表面對(duì)波形造成的扭曲較小，回波形狀更接近標(biāo)準(zhǔn)的高斯波形，所以水面觀測(cè)值的V一般較小。這兩個(gè)參數(shù)在GLA13數(shù)據(jù)產(chǎn)品中已直接給出。波形展寬S是ICESat發(fā)射光波和回波的脈沖寬度之差［11］，而波形長(zhǎng)度L是脈沖回波信號(hào)持續(xù)的長(zhǎng)度，這兩個(gè)參數(shù)的計(jì)算如下

式中，σT、σR分別表示ICESat發(fā)射和接收的激光脈沖的脈沖寬度；tsigbg、tsiged則分別表示接收信號(hào)有效信號(hào)的起止時(shí)間［28］；c是光速。反射面越粗糙，波形展寬越嚴(yán)重，脈沖持續(xù)的長(zhǎng)度也越長(zhǎng)，因此S和L在一定程度上代表了ICESat光斑內(nèi)地形的起伏。對(duì)于冰間水道這樣的平靜表面，這兩個(gè)參數(shù)的值通常比較小。圖3所示的是2005年10月20日ICESat在85°N、156.8°W 附近的一段數(shù)據(jù)，從中可以看出選用的參數(shù)和高程變化之間的關(guān)系：高程較低的海面點(diǎn)，4個(gè)參數(shù)的數(shù)值都比較小。對(duì)大量類似圖3的數(shù)據(jù)進(jìn)行波形特征統(tǒng)計(jì)，并參考ICESat在水面上的波形特征［28］，可以認(rèn)為海面觀測(cè)值一般應(yīng)滿足以下波形條件：R≤0.45，S≤0.30m，L≤5.25m，V≤15mV，如圖3（b）—圖3（e）所示。

3.2 25km海面起伏

由于ICESat波形很容易受到波形飽和、大氣狀況以及反射面的傾斜度等的影響，回波參數(shù)并不十分穩(wěn)定，僅僅依靠波形特征判斷海面觀測(cè)值有可能會(huì)產(chǎn)生誤判，因此有必要對(duì)海面高程的變化特征進(jìn)行一定的了解，通過(guò)高程的變化進(jìn)一步進(jìn)行判斷。在海冰出水高度較大的區(qū)域，根據(jù)高程的明顯區(qū)別以及回波參數(shù)，可以比較容易地找出一些明顯的海面觀測(cè)值，以便對(duì)海面高程的變化進(jìn)行分析。圖3（a）中圓點(diǎn)所示的就是明顯的海面點(diǎn)。

通過(guò)人工判斷的方式，在L3b—L3g的6期數(shù)據(jù)中找出了16 535個(gè)明顯的海面點(diǎn)，并按照25km的間距分段，共1426段軌跡，對(duì)每個(gè)25km長(zhǎng)的軌跡內(nèi)海平面高的標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖4所示，其平均值為2.98cm，標(biāo)準(zhǔn)差為±0.86cm。這其中包括了水準(zhǔn)面、潮汐等模型殘差的短波誤差，以及ICESat的觀測(cè)誤差。研究表明ICESat在平坦的冰蓋表面的測(cè)高精度為2cm（文獻(xiàn)［29］），考慮到海面高觀測(cè)值中還存在模型殘差的影響，本文的統(tǒng)計(jì)結(jié)果與這個(gè)結(jié)果是基本一致的。

圖3 IceSat海冰觀測(cè)示例Fig.3 Example of ICESat sea ice observation

圖4 25km海平面變化標(biāo)準(zhǔn)差統(tǒng)計(jì)Fig.4 Standard deviation of sea surface height within 25km

在本文統(tǒng)計(jì)的1426個(gè)25km海面高標(biāo)準(zhǔn)差中，75%以上的數(shù)據(jù)均在3.5cm以內(nèi)，因此，在確定海平面高時(shí)，要求每個(gè)25km軌跡中用于計(jì)算平均海面高的觀測(cè)值的高程標(biāo)準(zhǔn)差不超過(guò)3.5cm。標(biāo)準(zhǔn)差限值的主要作用是剔除一些粗差，因此限值大小的選擇不會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生太大的影響。對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差限值的取值進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明將標(biāo)準(zhǔn)差限制在3～6cm的范圍對(duì)海冰出水高度平均值的影響不超過(guò)1cm。

3.3 海冰出水高度的計(jì)算

顯然，如果不考慮觀測(cè)誤差，則ICESat測(cè)得的最低點(diǎn)應(yīng)該是來(lái)自海面或者出水高度最低的海冰表面的高程，因此，要求計(jì)算的海平面與25km內(nèi)最低點(diǎn)之間的高差在兩者的1倍中誤差以內(nèi)，以進(jìn)一步防止海面觀測(cè)值的誤判。海面高的中誤差取3.2節(jié)中分析獲得的3cm，ICESat測(cè)高的中誤差為14cm（文獻(xiàn)［30］），故計(jì)算的海面高不應(yīng)高于最低點(diǎn)17cm。在大多數(shù)情況下，這個(gè)條件不會(huì)影響海平面高的計(jì)算，以L3d為例，僅有8%的海面高在計(jì)算時(shí)受到了17cm的高差限制。

計(jì)算出水高度的步驟如下：

（1）對(duì)每個(gè)ICESat觀測(cè)值，取沿軌前后各12.5km內(nèi)滿足R≤0.45、S≤0.30m、L≤5.25m、V≤15mV的觀測(cè)值，計(jì)算高程標(biāo)準(zhǔn)差及平均值。

（2）若上一步計(jì)算的高程標(biāo)準(zhǔn)差大于3.5cm或平均值與最低點(diǎn)高差超過(guò)17cm，則去掉其中高程最高的點(diǎn)，重新計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差和平均值，直至滿足條件。

（3）將滿足上述條件的高程平均值作為該點(diǎn)處的海平面高，根據(jù)式（4）計(jì)算海冰出水高度。

在利用上述方法確定海面出水高度時(shí)，根據(jù)季節(jié)的不同，每個(gè)任務(wù)期用于確定海面高的觀測(cè)值的比例約為3%～6%，這與北冰洋冰間水道的比例基本保持一致［7，31］。然而由于冰間水道空間分布的不均勻，這種方法不能保證在每個(gè)25km軌跡內(nèi)都能確定海面高，由此產(chǎn)生的影響將在4.2節(jié)中討論。

4 不同方法計(jì)算出水高度的比較

4.1 試驗(yàn)方案

最低點(diǎn)法的假設(shè)是海冰覆蓋區(qū)冰間水道的比例不小于2%，但冰間水道的分布隨季節(jié)和區(qū)域的變化較大，例如，文獻(xiàn)［31］通過(guò)高分辨率輻射儀影像數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)在北冰洋中心海域冰間水道的比例在冬季時(shí)為2%～3%，夏季為5%～7%，而冬季時(shí)外圍海域冰間水道的比例則為6%～9%，文獻(xiàn)［7］通過(guò)水下聲吶數(shù)據(jù)計(jì)算的北冰洋冰間水道比例在10月份約為10%，3、4月份則約為3%。因此，2%的比例可能會(huì)使出水高度的計(jì)算產(chǎn)生誤差。例如，文獻(xiàn)［24］通過(guò)ICESat與空載電磁感應(yīng)測(cè)深數(shù)據(jù)的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在南極麥克默多灣，5%的冰間水道比例更適合于出水高度的計(jì)算。

為對(duì)不同方法確定出水高度的結(jié)果進(jìn)行比較，本文用5種方案計(jì)算了出水高度：方案1采用本文提出的方法；方案2—方案5均采用最低點(diǎn)法，冰間水道比例分別為2%、2%、5%和9%，其中方案2沒(méi)有對(duì)出水高度計(jì)算的區(qū)域進(jìn)行限制，方案3—方案5則將計(jì)算區(qū)域限定在與方案1相同的范圍內(nèi)（即只在方案1能夠確定海面點(diǎn)的25km軌跡分段內(nèi)進(jìn)行確定海冰出水高度的計(jì)算，若采用方案1的方法沒(méi)有找到海面觀測(cè)值，則不進(jìn)行計(jì)算），以避免空間分布差異對(duì)結(jié)果的影響。此外，方案5還要求所選最低點(diǎn)的高程標(biāo)準(zhǔn)差不超過(guò)3.5cm。不同方案計(jì)算的北冰洋海冰平均出水高度如表2所示。

表2 不同方法計(jì)算的北冰洋海冰平均出水高度Tab.2 Mean Arctic freeboard with different methods/cm

4.2 結(jié)果對(duì)比與討論

表2的結(jié)果中，方案1與方案3的結(jié)果非常接近，特別是在觀測(cè)質(zhì)量較好的秋、冬季節(jié)，兩者的差異不到0.5cm，體現(xiàn)了很好的一致性。圖5（a）所示為方案1和方案3計(jì)算的L3d海平出水高度差異的分布。在格陵蘭、加拿大群島北部等海冰較厚的多年冰區(qū)，方案1計(jì)算的海冰出水高度明顯高于方案3，這是由于在這些區(qū)域，冰間水道的實(shí)際比例還不到2%，最低點(diǎn)法在選取海面觀測(cè)值時(shí)引入了冰面上的觀測(cè)值，由此確定的海面高偏高。當(dāng)通過(guò)在最低點(diǎn)法中加入3.5 cm的高程標(biāo)準(zhǔn)差限差來(lái)剔除來(lái)自冰面觀測(cè)的粗差后（方案5），即使最低點(diǎn)的比例提高到9%，在厚冰區(qū)仍然得到了比方案3更高的結(jié)果（圖5（b）），并且與方案1的結(jié)果非常接近（圖5（c））。這表明本文方法計(jì)算厚冰區(qū)海冰出水高度的可靠性要明顯優(yōu)于最低點(diǎn)法。根據(jù)圖5（a），在海冰較薄的外圍海域，方案1的結(jié)果明顯低于方案3，這是由于10月份北冰洋外圍海域冰間水道比例遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于2%，在這樣的情況下，2%的最低點(diǎn)顯然低估了海平面，從而導(dǎo)致計(jì)算的出水高度偏高，當(dāng)最低點(diǎn)的比例提高時(shí)，這種差距明顯地減小了（如圖5（c））。此外，方案1與方案3的結(jié)果在兩個(gè)夏季任務(wù)期L3c與L3f的差異約為2～3cm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他兩個(gè)季節(jié)的任務(wù)期。由于冰雪的融化，夏季北極大氣中的水汽成分明顯增加，使得GLAS的激光脈沖受到更嚴(yán)重的大氣前向散射影響，對(duì)于這個(gè)影響，目前既沒(méi)有有效的改正方法，也無(wú)法準(zhǔn)確地識(shí)別受影響的觀測(cè)值［28］，所以，即便對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了嚴(yán)格的數(shù)據(jù)編輯，夏季的觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量仍然比其他兩個(gè)季節(jié)的觀測(cè)質(zhì)量要差。受到大氣前向散射影響的ICESat觀測(cè)值會(huì)偏低，因此最低點(diǎn)法對(duì)于大氣前向散射的影響非常敏感，而本文的方法對(duì)波形進(jìn)行了識(shí)別，不僅可以避免一些來(lái)自冰面上的受到大氣前向散射影響的數(shù)據(jù)，而且波形識(shí)別的過(guò)程也對(duì)觀測(cè)值的質(zhì)量起到了一定的控制作用，相比之下具有更高的可靠性。

方案2和方案3采用了完全一樣的計(jì)算方法，因此兩種方案的差異完全是由兩者計(jì)算區(qū)域的不同所導(dǎo)致的，其中方案3只在方案1能夠找到海面觀測(cè)值的區(qū)域計(jì)算海冰出水高度，而方案2則在所有有ICESat觀測(cè)值的區(qū)域都進(jìn)行了計(jì)算。對(duì)比兩者的結(jié)果，方案2在6個(gè)任務(wù)期計(jì)算的平均出水高度均高于方案3。這種情況是由于冰間水道在空間分布上的不均勻造成的，在海面完全被海冰遮蓋的區(qū)域，本文的方法無(wú)法確定海面高，也無(wú)法計(jì)算海冰出水高度。這樣的區(qū)域在夏、秋、冬季分別約占50%、40%和60%，并且較多地集中在海冰較厚、出水高度較高的多年冰區(qū)，因此在這些區(qū)域獲得的出水高度結(jié)果較少。這使得本文的方法估計(jì)的整個(gè)北冰洋海域的平均海冰出水高度偏低，在觀測(cè)質(zhì)量較好的秋、冬季，這個(gè)偏差大約為2～3cm。

方案3和方案4均采用了最低點(diǎn)法，最低點(diǎn)比例分別為2%和5%，在秋、冬季，兩者的差異均為3cm左右，而夏季則超過(guò)4.5cm。圖5（d）所示為方案4和方案3計(jì)算的L3d海冰出水高度的差異，在不同區(qū)域明顯表現(xiàn)出不同的特性：在格陵蘭和加拿大群島北部的多年冰區(qū)，由于5%的比例引入了較多的冰面高程，兩者的差異較大，局部地區(qū)可達(dá)到10cm左右，而在亞歐大陸北側(cè)的首年冰區(qū)，兩種方案的差值接近于0，這些區(qū)域的冰間水道比例在5%以上，因此，兩種方案的計(jì)算中都沒(méi)有引入冰面上的高程，兩者的差異是由于ICESat的觀測(cè)誤差以及海面的自然起伏引起的。這個(gè)結(jié)果說(shuō)明最低點(diǎn)的比例大于冰間水道的實(shí)際比例時(shí)造成的誤差比小于冰間水道實(shí)際比例時(shí)造成的誤差要大得多。

5 2005—2006年北冰洋海冰出水高度

5.1 北冰洋海冰出水高度的計(jì)算

通過(guò)上面的討論可知，本文的方法在局部區(qū)域具有比最低點(diǎn)法更高的可靠性，但由于空間分布的不均勻，平均出水高度的結(jié)果存在2～3cm的偏差。最低點(diǎn)法雖然不存在空間分布不均的問(wèn)題，但在出水高度的空間分布上存在系統(tǒng)性的誤差，特別是在海冰較厚的多年冰區(qū)域。因此，為獲得最優(yōu)結(jié)果，將兩種方法進(jìn)行結(jié)合：對(duì)每個(gè)ICESat觀測(cè)值，首先根據(jù)本文的方法判斷該點(diǎn)處的瞬時(shí)海面高，如果這種方法找不到符合要求的觀測(cè)值，則用加上3.5cm高程標(biāo)準(zhǔn)差限制的最低點(diǎn)法確定海平面高。在對(duì)不同季節(jié)使用最低點(diǎn)法計(jì)算海面高時(shí)，采用了不同的冰間水道比例，秋、冬季節(jié)觀測(cè)質(zhì)量較好，不同方法間的結(jié)果較差較小，采用2%的最低點(diǎn)比例，而夏季糟糕的觀測(cè)質(zhì)量對(duì)最低點(diǎn)法的影響較大，則選擇9%的冰間水道比例。這不僅更接近實(shí)際情況，而且較多的觀測(cè)值也可以減小觀測(cè)誤差對(duì)結(jié)果的影響。最終獲得的6個(gè)任務(wù)期的平均海冰出水高度如表2最后一行所示。將計(jì)算結(jié)果在25km×25km格網(wǎng)內(nèi)取平均后，得到了2005—2006年北冰洋海冰出水高度的空間分布，如圖6所示。

圖5 不同方法計(jì)算的L3d海冰出水高度差異Fig.5 Differences of freeboard of L3destimated with different methods

圖6 L3b—L3g北冰洋海冰出水高度分布Fig.6 Maps of Arctic freeboard for L3b—L3g

5.2 北冰洋海冰出水高度分布和季節(jié)性變化

從圖6可以看到，海冰出水高度的空間分布大致是從亞歐大陸沿岸向格陵蘭島、加拿大沿岸逐漸增加，最厚的區(qū)域在格陵蘭島和加拿大群島的北側(cè)，最大可達(dá)0.8m。格陵蘭島東側(cè)的法拉姆海峽是北冰洋海冰通向外海的主要出口，海冰在進(jìn)入溫暖的大西洋后迅速融化，海冰的分布在這里形成了一條長(zhǎng)長(zhǎng)的拖尾。在秋季（L3d、L3g）海冰出水高度的分布中，可以根據(jù)20cm的出水高度分為明顯的兩個(gè)區(qū)域，其中低于20cm的區(qū)域（圖中深藍(lán)色部分）主要是9月以后才逐漸形成的首年冰，這些區(qū)域的海冰在夏季時(shí)會(huì)融化，是季節(jié)性的海冰覆蓋區(qū)。一部分首年冰在海流和風(fēng)力作用下向北移動(dòng)，在進(jìn)入更寒冷的區(qū)域或經(jīng)擠壓后變得更厚，即使夏天也不會(huì)完全消融，形成了較厚的多年冰，即圖中出水高度大于20cm的區(qū)域。

海冰出水高度的季節(jié)性變化非常明顯：冬季是海冰最厚的季節(jié)，而經(jīng)過(guò)夏季的融化后，秋初時(shí)海冰出水高度達(dá)到一年中的最低值。盡管在圖7中，可以明顯地看出夏季（L3c、L3f）海冰出水高度相比冬季（L3b、L3e）有所下降，但在表2的統(tǒng)計(jì)中，L3f海冰平均出水高度要大于L3e。可能的原因有兩個(gè)：一是夏季糟糕的觀測(cè)質(zhì)量導(dǎo)致出水高度結(jié)果的不可靠；二是北極的降雪可以持續(xù)到5月，使得5、6月時(shí)海冰表面的雪層比冬季更厚，因此一些區(qū)域的海冰出水高度可能會(huì)比冬季更高。由表2的數(shù)據(jù)可知，2005、2006兩年，北冰洋海冰出水高度從3月至10月分別減少了12.2cm和6.7cm，兩者幾乎相差1倍。比較合理的解釋是2005年夏季的北極氣候異常，資料顯示2005年9月北冰洋海冰的覆蓋面積達(dá)到當(dāng)時(shí)的歷史新低［32］。

圖7所示為各任務(wù)期海冰出水高度統(tǒng)計(jì)分布。由于首年冰和多年冰的明顯區(qū)別，北冰洋海冰通常會(huì)呈現(xiàn)出雙峰的分布特征［11］。例如在L3b和L3c的出水高度統(tǒng)計(jì)中，可以清楚地看到兩個(gè)峰值，分別代表了首年冰（20～30cm左右）和多年冰（50～60cm左右）。而在L3d的分布中，盡管仍有兩個(gè)波峰，但首年冰的峰值下降到不足10cm，并且出水高度小于20cm的首年冰的比例遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他5個(gè)季度。此后，在L3e的出水高度分布中，已經(jīng)看不到多年冰出水高度的峰值，出水高度在30cm以上的統(tǒng)計(jì)曲線全部低于L3b，首年冰的比例則比L3b高出很多，首年冰出水高度的峰值相比L3b也有10cm左右的下降。這些現(xiàn)象表明，在2005年夏季前后，北冰洋多年冰和首年冰的比例打破了原有的平衡，發(fā)生了巨大變化。這個(gè)影響一直持續(xù)到了2006年的夏季，直到2006年10月，才能再次在L3g的海冰出水高度分布中區(qū)分出首年冰和多年冰，但從兩類冰所占的比重來(lái)看，也明顯有別于L3b和L3c。海冰組成比例的變化也證明了2005年夏季的氣候異常對(duì)北冰洋海冰帶來(lái)的巨大影響。

圖7 北冰洋海冰出水高度統(tǒng)計(jì)Fig.7 Distributions of Arctic freeboard

6 結(jié) 論

本文提出利用ICESat數(shù)據(jù)獲取北冰洋海冰出水高度的新方法，主要是通過(guò)海冰覆蓋區(qū)海面的起伏和ICESat回波特征識(shí)別海平面的測(cè)高數(shù)據(jù)，從而計(jì)算海冰出水高度。通過(guò)與最低點(diǎn)法的比較，表明本文提出的方法在觀測(cè)質(zhì)量不佳或冰間水道比例不滿足假設(shè)條件時(shí)具有比最低點(diǎn)法更高的可靠性，但是在多年冰區(qū)域則有可能因找不到有效的海平面高而無(wú)法確定海冰出水高度。將兩種方法進(jìn)行結(jié)合，獲得了2005—2006年的6個(gè)ICESat任務(wù)周期的北冰洋海冰出水高度，分析了兩年間海冰出水高度的季節(jié)性變化。結(jié)果表明，受2005年夏季異常氣候的影響，北冰洋海冰的厚度大大減少，組成比例也有所變化，由于首年冰和多年冰對(duì)于海洋及大氣的影響作用不同，因此這種比例的變化可能會(huì)對(duì)北冰洋以及北極的氣候產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

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