基于多時(shí)序遙感數(shù)據(jù)的中山站附近地區(qū)海冰監(jiān)測(cè)及雪龍船航跡特點(diǎn)分析

朱敬敬 周春霞 艾松濤 劉帥斌 王澤民

（1武漢大學(xué)中國(guó)南極測(cè)繪研究中心，湖北武漢430079；2極地測(cè)繪科學(xué)國(guó)家測(cè)繪局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢430079）

0 引言

全球環(huán)境與氣候變化是當(dāng)今舉世矚目的重要課題，這其中又尤以氣候變暖帶來(lái)的冰雪融化抬升海平面給地球帶來(lái)的影響最大，也最受研究者關(guān)注。南極地區(qū)是全球地-氣系統(tǒng)的主要冷源之一，是全球冷熱平衡的重要組成部分，是極區(qū)冷源的關(guān)鍵地區(qū)［1］。極地海冰是全球氣候系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，具有獨(dú)特的物理特性及較大的季節(jié)和年際變化。

國(guó)際上對(duì)南極海冰變化的最早研究始于20世紀(jì)70年代中期，以Budd等［2］為代表，并于1991年發(fā)表了1973—1990年南極地區(qū)年平均海冰變化的相關(guān)成果。2003年美國(guó)冰雪數(shù)據(jù)中心發(fā)布了基于被動(dòng)微波傳感器AMSR-E數(shù)據(jù)的分辨率為6.25 km的全球海冰密集度產(chǎn)品，直觀地表示出了兩極及其他地區(qū)的海冰分布情況［3］。同年美國(guó)NASA利用歸一化雪被指數(shù)發(fā)布了基于MODIS數(shù)據(jù)的分辨率為1 km的全球海冰產(chǎn)品［4］。中國(guó)自1985年首次建立科學(xué)考察站長(zhǎng)城站開(kāi)始，陸續(xù)建立了中山站、昆侖站及泰山站，至今已連續(xù)開(kāi)展了30次南極科學(xué)考察，對(duì)于南極及其海冰的研究不斷深入，也取得了不少研究性成果。解思梅等［5］利用海冰格點(diǎn)資料、微波輻射資料以及極區(qū)的衛(wèi)星和常規(guī)觀測(cè)資料，對(duì)南極海冰的長(zhǎng)期變化進(jìn)行了研究。卞林根等［6］對(duì)南極海冰的整體變化特征進(jìn)行了分析和研究，得到了南極海冰分布的一些時(shí)間和空間特征。唐述林等［7］認(rèn)為極地海冰研究的關(guān)鍵問(wèn)題應(yīng)該是冰雪的季節(jié)變化、長(zhǎng)期變化的趨勢(shì)問(wèn)題以及極地海冰范圍的整體變化趨勢(shì)等。張辛等［8］利用南極中山站普里茲灣附近海域2000—2002年三年間的光學(xué)海冰產(chǎn)品監(jiān)測(cè)該地區(qū)海冰的季節(jié)性變化。鄭少軍等［9］利用2003—2008年間的海冰密集度數(shù)據(jù)研究普里茲灣的海冰變化的空間分布特征，并結(jié)合地形與環(huán)流對(duì)海冰的分布特征進(jìn)行了分析。鄔曉東［10］利用ICESat衛(wèi)星激光測(cè)高數(shù)據(jù)并結(jié)合海冰密集度分析羅斯海地區(qū)海冰體積的空間分布和變化。

中山站是中國(guó)南極科學(xué)考察的重要站點(diǎn)，是南極內(nèi)陸科學(xué)考察的起點(diǎn)和重要補(bǔ)給站。研究中山站及其附近地區(qū)的海冰特點(diǎn)，對(duì)于中國(guó)的極地科學(xué)考察具有重要意義。本文基于MODIS原始數(shù)據(jù)反演海冰分布，根據(jù)海冰分布結(jié)果對(duì)中山站附近地區(qū)海冰的季節(jié)性和長(zhǎng)時(shí)間序列的分布特點(diǎn)進(jìn)行分析和研究；結(jié)合2007—2012年雪龍船的航跡路線，重點(diǎn)分析該地區(qū)海冰分布與雪龍船航跡之間的關(guān)系。

1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

1.1 MODIS數(shù)據(jù)

中等分辨率成像光譜儀（Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer，MODIS）搭載在由美國(guó)航空航天局發(fā)射的Terra和Aqua兩顆極軌衛(wèi)星上，MODIS傳感器能夠每?jī)商飓@取地球上任意位置的地面光學(xué)數(shù)據(jù)［6-7］。MODIS傳感器共有36個(gè)波段，分別分布在0.4—14.5μm的波長(zhǎng)范圍之內(nèi)，能夠生成250、500和1 000 m三種空間分辨率的數(shù)據(jù)［8］。針對(duì)MODIS L1B數(shù)據(jù)，其提供了對(duì)應(yīng)的地理坐標(biāo)數(shù)據(jù)MOD03，能夠?qū)1B數(shù)據(jù)進(jìn)行地理幾何校正［9］。根據(jù)海冰與其他地物的反射特性差異，可利用監(jiān)督分類的方法提取出海冰像元，并對(duì)中山站及附近地區(qū)多年來(lái)的海冰分布進(jìn)行監(jiān)測(cè)，進(jìn)而分析海冰變化的相關(guān)規(guī)律。本文的研究區(qū)域?yàn)閳D1中2009年12月24日Landsat影像所表示的區(qū)域，其地理范圍為69°56′38″S—69°10′46″S，71°17′55″E—77°48′45″E，底圖為全南極Landsat影像鑲嵌圖。雪龍船到達(dá)中山站地區(qū)的時(shí)間一般在夏季，且多為11月底或12月上中旬。為了便于結(jié)合雪龍船航跡進(jìn)行分析，同時(shí)考慮到MODIS影像會(huì)受到南極地區(qū)上空大量云的影響，因此本實(shí)驗(yàn)中MODIS原始數(shù)據(jù)選自2000—2014年每年的8月至次年的3月，每月26日至次月5日約10天內(nèi)的中山站地區(qū)無(wú)云的光學(xué)影像來(lái)分析當(dāng)月海冰分布情況。為更好分析中山站地區(qū)海冰面積最小的時(shí)間范圍，在每年2月分別補(bǔ)充了6—15日和16—25日無(wú)云的兩景MODIS數(shù)據(jù)進(jìn)行海冰面積統(tǒng)計(jì)。

圖1 研究區(qū)域示意圖Fig.1.The sketch map of study area

1.2 Landsat數(shù)據(jù)

Landsat是美國(guó)NASA的陸地資源系列衛(wèi)星，本文使用Landsat-7搭載的ETM＋傳感器獲取的數(shù)據(jù)，多光譜分辨率為30 m，全色分辨率達(dá)到15 m［10］。根據(jù)歷年雪龍船在中山站附近的航跡和?？课恢茫⒔Y(jié)合高分辨率的Landsat數(shù)據(jù)來(lái)分析，為極地科學(xué)考察船的航行提供重要參考。

由于南極地區(qū)Landsat影像數(shù)據(jù)有限，同時(shí)也受到云的影響，不能保證獲得雪龍船到達(dá)中山站地區(qū)同一天的Landsat數(shù)據(jù)，因而選擇了2007—2012年雪龍船到達(dá)中山站地區(qū)時(shí)同期質(zhì)量最好的Landsat影像作為航跡數(shù)據(jù)疊加底圖。

1.3 雪龍船航跡數(shù)據(jù)

雪龍?zhí)柺侵袊?guó)目前唯一的一艘極地科學(xué)考察破冰船，肩負(fù)著運(yùn)送極地科考隊(duì)員和物資的重任，每年極晝開(kāi)始前夕會(huì)航行到中山站附近海域，進(jìn)行卸貨和人員運(yùn)送的工作［11］。中國(guó)南極考察雪龍船實(shí)時(shí)航跡圖，記載了雪龍?zhí)柨瓶即竭_(dá)中山站地區(qū)附近時(shí)，在不同時(shí)刻下船的地理坐標(biāo)、航向、航速、風(fēng)向、風(fēng)速等信息［12］。其中航跡數(shù)據(jù)完整記錄了雪龍?zhí)柨瓶即暮叫新肪€及其對(duì)應(yīng)航跡點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)，每個(gè)航跡點(diǎn)數(shù)據(jù)之間的時(shí)間間隔為20—30 min。有時(shí)因出現(xiàn)特殊情況，部分航跡點(diǎn)之間的間隔時(shí)間會(huì)較長(zhǎng)。

雪龍?zhí)柨瓶即暮桔E數(shù)據(jù)是從中國(guó)南北極考察隊(duì)雪龍?zhí)柶票瑢?shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)網(wǎng)“雪龍?jiān)诰€”［13］下載得到。本文所用的2007—2012年“雪龍?zhí)枴笨茖W(xué)考察船到達(dá)中山站地區(qū)前后的航跡數(shù)據(jù)時(shí)間范圍為每年的11月底至12月底。

2 數(shù)據(jù)處理

2.1 海冰面積提取

首先利用ModisSwath軟件對(duì)MODIS數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何處理，得到帶地理坐標(biāo)的影像數(shù)據(jù)。根據(jù)給定的研究區(qū)域范圍進(jìn)行數(shù)據(jù)裁剪，得到2000—2014年相同地理范圍的MODIS數(shù)據(jù)。對(duì)裁剪后的影像利用ERDAS軟件進(jìn)行帶訓(xùn)練樣本的監(jiān)督分類。由于實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)覆蓋南極大陸的冰雪與海冰在MODIS光學(xué)影像中的反射特征是一致的，對(duì)預(yù)處理后的光學(xué)影像進(jìn)行監(jiān)督分類時(shí)，將海冰與覆蓋南極大陸的冰雪視為一個(gè)整體地物類別進(jìn)行處理，統(tǒng)計(jì)影像中冰雪的像元數(shù)。利用陸地掩膜產(chǎn)品獲取實(shí)驗(yàn)區(qū)的陸地像元數(shù)，經(jīng)計(jì)算得到每幅影像的海冰像元數(shù)。

海冰面積S的計(jì)算式為［14］：

其中P為海冰像元的總數(shù)，R為單個(gè)海冰像元的面積。像元面積由影像分辨率決定，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)選取的是1 km分辨率的數(shù)據(jù)，因而計(jì)算海冰面積即為計(jì)算實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)的海冰像元數(shù)。根據(jù)上述公式，則可計(jì)算出中山站附近地區(qū)相應(yīng)影像中的海冰面積。海冰面積提取流程如圖2所示。

圖2 海冰面積提取流程圖Fig.2.The flow chart of calculating the area of sea ice

2.2 Landsat影像與雪龍船航跡疊加處理

由于2003年Landsat-7機(jī)載掃描校正器故障，導(dǎo)致此后獲取的影像出現(xiàn)了數(shù)據(jù)條帶，因而需要對(duì)Landsat影像進(jìn)行去條帶處理［15］。為更加清晰地顯示雪龍?zhí)柨瓶即谥猩秸镜貐^(qū)的航跡與對(duì)應(yīng)時(shí)間的海冰分布狀況，對(duì)影像進(jìn)行裁剪處理。將處理后的航跡數(shù)據(jù)與同時(shí)期經(jīng)條帶修復(fù)后的Landsat影像一起導(dǎo)入ArcGIS軟件進(jìn)行疊加顯示和分析。

3 結(jié)果分析

3.1 海冰面積變化分析

根據(jù)2000—2014年間每年8月至次年3月間的MODIS數(shù)據(jù)，獲取不同時(shí)間實(shí)驗(yàn)區(qū)的冰雪分類結(jié)果，結(jié)合陸地掩膜計(jì)算海冰面積。圖3為實(shí)驗(yàn)區(qū)2002年8月至2003年3月海冰提取的結(jié)果示例，圖中白色為海冰像元，黑色為非海冰像元。

圖3 2002年8月至2003年3月實(shí)驗(yàn)區(qū)海冰分布圖Fig.3.Sea ice distribution of experimental area from August2002 to March 2003

統(tǒng)計(jì)影像中的海冰像元數(shù)，計(jì)算得到實(shí)驗(yàn)區(qū)2002年8月至2003年3月的海冰面積。為更準(zhǔn)確地分析海冰面積變化趨勢(shì)，用年積日表示數(shù)據(jù)獲取的時(shí)間，年積日從當(dāng)年1月1日開(kāi)始計(jì)算，至次年4月6日止。2002年8月至2003年3月實(shí)驗(yàn)區(qū)海冰面積變化趨勢(shì)如圖4所示。

圖4 2002年8月至2003年3月實(shí)驗(yàn)區(qū)海冰面積變化Fig.4.The variation of sea ice area from August2002 to March 2003

分析圖4可以得到2002年8月至2003年3月海冰面積的變化規(guī)律：海冰面積從8月增加到9月底10月初左右，達(dá)到最大值；然后在10、11月逐漸減小，11月底至1月底實(shí)驗(yàn)區(qū)的海冰面積迅速減小，在2月中下旬實(shí)驗(yàn)區(qū)的海冰面積減小到最小值；3月海冰面積又重新迅速擴(kuò)大，4月初海冰面積增加到15 563 km2。

計(jì)算2000—2014年所有年份內(nèi)每年8月至次年3月的冰雪分類結(jié)果，統(tǒng)計(jì)每月對(duì)應(yīng)的海冰面積。根據(jù)數(shù)據(jù)獲取的年積日時(shí)間，得到2000—2014年間8月至3月實(shí)驗(yàn)區(qū)的海冰面積變化趨勢(shì)（圖5）。循先緩慢減少，后急劇減小到最小值，然后再迅速增加的變化趨勢(shì)。

圖5 2000—2014年間8月至次年3月實(shí)驗(yàn)區(qū)海冰面積變化圖Fig.5.The variation of sea ice area from August to March during 2000—2014

（2）大多數(shù)年份，該地區(qū)年海冰面積在9月底達(dá)到最大值，在2月中下旬達(dá)到最小值，與文獻(xiàn)［8-9］的研究結(jié)論是一致的。

（3）該地區(qū)不同年份海冰開(kāi)始融化的時(shí)間存在差異，但海冰面積達(dá)到最小值的大致時(shí)間保持一致，少數(shù)年份海冰面積開(kāi)始急劇減小的時(shí)間也會(huì)有所不同。

（4）9月底至次年2月底，海冰面積減小最大的是2000—2001年，海冰面積減小最小的是2013—2014年；2月底至3月底，海冰面積增長(zhǎng)最快的是2005年，海冰面積增長(zhǎng)最慢的是2006年。

（5）2009年10月中山站附近地區(qū)的海冰消融較快，對(duì)比圖6中2009年11月底與10月底的影像，靠近中山站地區(qū)的部分海域11月出現(xiàn)了10月沒(méi)有的海冰聚集，同時(shí)其他海域沒(méi)有明顯的海冰生長(zhǎng)跡象。另外11月實(shí)驗(yàn)區(qū)外圍海域漂浮海冰面積較10月有較大減小，因而可認(rèn)為11月底部分未消融的外圍海冰漂移到實(shí)驗(yàn)區(qū)，反映在曲線上則該地區(qū)11月的海冰面積減小速度減緩。

（6）2001年9—12月的海冰面積沒(méi)有明顯的減小，直到2002年1月底2月初海冰面積才迅速減小，較其他年份有明顯的延遲，結(jié)合文獻(xiàn)［8］中2000—2002年中山站附近的溫度變化圖，2000年10月至2001年3月的極大值溫度出現(xiàn)在1月上旬，而2001年10月至2002年3月中山站地區(qū)的極大值溫度出現(xiàn)在1月下旬，且前者11月與12月的同期溫度均高于后者，可見(jiàn)氣候的差異導(dǎo)致了海冰融化的延遲。

根據(jù)圖5，分析不同年份實(shí)驗(yàn)區(qū)的海冰面積減少和增加的時(shí)間及趨勢(shì)特征，進(jìn)而得出實(shí)驗(yàn)區(qū)海冰的年際和季節(jié)性變化規(guī)律。

（1）不同年份實(shí)驗(yàn)區(qū)每年8月底至次年3月底間的海冰面積變化規(guī)律整體上是一致的，基本都遵

圖6 中山站地區(qū)2009年10月與11月MODIS影像Fig.6.MODIS images of Zhongshan Station in October and November 2009

3.2 雪龍船航跡

雪龍船到達(dá)中山站時(shí)主要先開(kāi)展冰上卸貨且航跡沒(méi)有明顯變化，根據(jù)航跡數(shù)據(jù)和資料可以分析雪龍船到達(dá)中山站附近的時(shí)間和地點(diǎn)［20-22］。表1統(tǒng)計(jì)了2007—2012年歷次雪龍船出發(fā)時(shí)間、出發(fā)地點(diǎn)、到達(dá)中山站地區(qū)的時(shí)間和距中山站的距離以及對(duì)應(yīng)疊加的Landsat影像獲取時(shí)間。由于云的影響，選取雪龍船到達(dá)中山站地區(qū)時(shí)同期質(zhì)量最好的Landsat影像作為底圖進(jìn)行疊加顯示，其中2011年和2012年Landsat影像的獲取時(shí)間與當(dāng)年雪龍船到達(dá)中山站地區(qū)的時(shí)間分別只相隔2天和5天。2007—2010年，影像獲取時(shí)間和雪龍船到達(dá)時(shí)間相隔較長(zhǎng)，但也具有較好的參考價(jià)值。

表1 2007—2012年雪龍船到達(dá)中山站地區(qū)相關(guān)信息及Landsat影像時(shí)間Table 1.Related information about icebreaker Xuelong arriving at Zhongshan Station and time of the Landsat images from 2007 to 2012

將2007—2012年雪龍船到達(dá)中山站地區(qū)前后的航跡數(shù)據(jù)與同時(shí)期Landsat影像進(jìn)行疊加顯示（圖7）。其中藍(lán)色圓點(diǎn)為雪龍船到達(dá)中山地區(qū)時(shí)的卸貨作業(yè)區(qū)，紅色圓點(diǎn)為到達(dá)前的航跡，綠色圓點(diǎn)為此時(shí)間之后的航跡。

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)考察資料可知，雪龍船到達(dá)中山地區(qū)后開(kāi)始卸貨，隨后根據(jù)海冰消融情況、考察和后勤需求，決定是否向中山站方向繼續(xù)航行。圖7中雪龍船的航跡則非常直觀地顯示了航行方向。在圖7（a）、（b）、（c）、（e）和（f）中，可以清晰看到俄羅斯破冰船的破冰航道（見(jiàn)圖中紫色的曲線）。2007年，俄羅斯破冰船先沿著雪龍船的航跡前進(jìn)，隨后折向西南，繼續(xù)破冰前進(jìn)。2009、2011和2012年，俄羅斯破冰船破冰航道顯示了其直接航行到明珠半島的印度巴拉提站。由于數(shù)據(jù)限制，2010年雪龍船到達(dá)中山站地區(qū)的時(shí)間與疊加的Landsat影像時(shí)間相差

圖7 Landsat影像與航跡數(shù)據(jù)疊加圖Fig.7.Track data of the icebreaker Xuelong overlying Landsat images

了一個(gè)月左右。2010年雪龍船到達(dá)距中山站14.6 km的位置后開(kāi)展卸貨工作，隨后改向沿著俄羅斯破冰船的破冰航道航行，在距離中山站2 km的地方進(jìn)行卸油［16］。2011年雪龍船利用延伸到明珠半島的冰間航道（圖8）航行，由于冰情復(fù)雜途中折返到距中山站約10.8 km處開(kāi)展卸貨［17］。2012年雪龍船同樣利用延伸到明珠半島的冰間航道（圖8）到達(dá)距中山站約11.8 km處開(kāi)展卸貨［18］。

圖8 冰間航道與雪龍船航跡示意圖Fig.8.The sketch map of ice channel and track of icebreaker Xuelong

根據(jù)圖5、圖7和表1，結(jié)合中山站地區(qū)11月底至12月初多年的海冰的變化特點(diǎn)，進(jìn)一步分析2007—2012年雪龍船在中山站附近地區(qū)的航跡。

（1）雪龍船到達(dá)中山站地區(qū)的時(shí)間主要是11月下旬和12月上、中旬，根據(jù)中山站地區(qū)海冰面積的季節(jié)變化規(guī)律，此時(shí)海冰已經(jīng)開(kāi)始融化，但雪龍船進(jìn)入中山站地區(qū)的路線上仍然有大量海冰，在隨后的1月和2月，部分海冰繼續(xù)消融。

（2）不同年份雪龍船到達(dá)中山站地區(qū)的路線并不完全一致。受海冰厚度、海底地形［19］以及考察現(xiàn)場(chǎng)情況等因素的影響，雪龍船會(huì)調(diào)整航線，不同年份雪龍船到達(dá)中山站的航行方向和航跡存在一定差異，如2011年、2012年，雪龍船根據(jù)實(shí)際情況沿著已有冰間航道靠近中山站進(jìn)行冰上卸貨。

（3）同樣受中山站附近地區(qū)海冰的厚度等因素的影響，不同年份雪龍船到達(dá)中山站地區(qū)的卸貨作業(yè)區(qū)不盡相同。2007—2012年，雪龍船最初卸貨作業(yè)區(qū)距中山站從遠(yuǎn)到近分別是2008、2007、2010、2012、2011和2009年。圖5中也顯示這6年中2009年海冰消融最早，且消融面積最大。

4 結(jié)論

MODIS數(shù)據(jù)視場(chǎng)幅寬較大，能每?jī)商爝B續(xù)提供地球上任何地方的可見(jiàn)光數(shù)據(jù)，1 km分辨率的光學(xué)數(shù)據(jù)能夠用于中山站地區(qū)晴空下的冰雪分類。由于中山站地區(qū)地物的單一性，監(jiān)督分類能夠有效地將冰雪與其他地物進(jìn)行區(qū)分。利用1 km分辨率的MODIS數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)督分類后對(duì)中山站附近地區(qū)的海冰面積變化進(jìn)行分析是可行的。雪龍船航跡數(shù)據(jù)能夠真實(shí)地反應(yīng)雪龍船的航行路線，Landsat影像直觀地體現(xiàn)了雪龍船到達(dá)時(shí)中山站地區(qū)的海冰分布和冰間航道等情況，結(jié)合兩者可以有效解釋不同年份雪龍船卸貨作業(yè)區(qū)的位置差異，以及卸貨作業(yè)區(qū)與中山站的距離差異。

本文利用MODIS 1 km分辨率可見(jiàn)光數(shù)據(jù)，得到中山站附近地區(qū)2000—2014年間海冰面積的季節(jié)變化規(guī)律和年際變化規(guī)律：中山站及其附近地區(qū)每年8月至次年3月的海冰面積在9月底達(dá)到最大值，然后逐漸減小，到2月中下旬達(dá)到最小值后，3月底迅速增加；不同年份的海冰面積變化規(guī)律整體一致，但由于氣候等因素的影響會(huì)導(dǎo)致海冰面積變化在部分時(shí)間段存在差異。本文比較了不同年份海冰面積變化的特點(diǎn)，和前人對(duì)中山站附近地區(qū)的海冰研究結(jié)果一致，并提供了更長(zhǎng)時(shí)間序列的研究結(jié)果。此外，根據(jù)中山站地區(qū)11月底至12月海冰面積的變化特點(diǎn)，并結(jié)合雪龍船航跡數(shù)據(jù)和Landsat影像數(shù)據(jù)分析可知：雪龍船到達(dá)中山站地區(qū)的時(shí)間為該地區(qū)海冰融化的初期，雪龍船靠近中山站的路線以及卸貨作業(yè)區(qū)與中山站的距離等航行特點(diǎn)與中山站地區(qū)的海冰分布密切相關(guān)。

由于南極地區(qū)氣候條件的影響，高質(zhì)量的光學(xué)數(shù)據(jù)有限，只對(duì)中山站附近地區(qū)近15年的海冰分布進(jìn)行了探討，今后需引入更多光學(xué)和微波數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析。對(duì)于雪龍船在冰區(qū)的航跡特點(diǎn)，今后將結(jié)合航跡上海冰厚度和海冰密集度等因素進(jìn)一步深入探討。

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