北極海冰密集度產品的走航比較與冰情分析

季 青，龐小平

（1.武漢大學中國南極測繪研究中心，湖北 武漢430079；2.極地測繪科學國家測繪地理信息局重點實驗室，湖北 武漢430079）

北極海冰密集度產品的走航比較與冰情分析

季 青1，2，龐小平1，2

（1.武漢大學中國南極測繪研究中心，湖北 武漢430079；2.極地測繪科學國家測繪地理信息局重點實驗室，湖北 武漢430079）

基于我國第五次北極科學考察“雪龍船”航跡資料，比較德國不萊梅大學發(fā)布的海冰密集度被動微波遙感數(shù)據(jù)產品，在此基礎上分析我國第五次北極考察期間東北航線和高緯航線的海冰冰情。結果表明，對應“雪龍船”走航海冰觀測的樣本點，SSMIS平均海冰密集度高于AMSR2海冰密集度，整體偏差為9.2%；AMSR2海冰密集度產品在陸地邊緣處相對于SSMIS信息缺失較少，質量更優(yōu)；對時序AMSR2海冰密集度數(shù)據(jù)的分析表明，2012年北極東北航道的完全開通在8月中旬，8月下旬至9月初形成北極高緯航線。不同數(shù)據(jù)產品的比較分析可為更好地應用海冰密集度數(shù)據(jù)進行海冰變化研究和航線冰情監(jiān)測提供依據(jù)和參考。

海冰密集度；冰情分析；SSMIS；AMSR2

全球氣候環(huán)境變化與可持續(xù)發(fā)展成為舉世矚目的研究課題。作為氣候系統(tǒng)的重要因子和冰凍圈的有機組成部分，覆蓋于海洋表面的海冰對全球熱平衡、大氣環(huán)流、海洋溫鹽與水循環(huán)起到至關重要的作用，對生態(tài)系統(tǒng)和人類生產、生活產生重要的影響［1］。

近年來，北冰洋海冰經歷了快速減少的過程。北極海冰的退縮和變薄使得北極航道，尤其是東北航道的適航性顯著提高。從東亞至西歐，相對于途徑蘇伊士運河的傳統(tǒng)黃金水道，經北極東北航道的里程可縮短30%～40%［2］。東北航道的商業(yè)利用潛力和前景，要求更加快速、準確地獲取航道海冰冰情信息［3］。

自1978年開始，不受極夜和天氣影響的被動微波遙感數(shù)據(jù)被廣泛應用于反演海冰密集度、監(jiān)測海冰的冰清。作為描述海冰特征的重要參數(shù)之一，海冰密集度是指一定范圍內海冰所占的面積百分比，反映了海冰的空間密集程度。目前國際上主要有美國冰雪數(shù)據(jù)中心（NSIDC）和德國不萊梅大學（Bremen University）每日實時發(fā)布海冰密集度數(shù)據(jù)產品。不萊梅大學的海冰密集度數(shù)據(jù)產品因其采用高頻 （89 GHz或91 GHz）的ASI反演算法（arctic radiation and turbulence interaction study sea ice algorithm，ASI），相對于NSIDC產品采用低頻（19 GHz和37 GHz）的NT算法（NASA Team algorithm），大大提高了海冰密集度反演結果的空間分辨率，被廣泛應用于海冰變化研究和冰情監(jiān)測與預報服務［4］。我國國家海洋環(huán)境預報中心（http://www.nmefc. gov.cn/jdhj/beijizhuanti.aspx）及國家海洋局極地考察辦公室（http://polar.chinare.gov.cn/foto/）即采用不萊梅大學的海冰密集度數(shù)據(jù)產品提供極地冰情保障服務。

不萊梅大學提供的海冰密集度數(shù)據(jù)產品包括AMSR-E（advanced microwave scanning radiometer-earth observation system，AMSR-E）、SSMIS（special sensor microwave imager sounder，SSMIS）及AMSR2（advanced microwave scanning radiometer-enhanced 2，AMSR-E）傳感器反演得的海冰密集度。Spreen等［5］曾對AMSR-E數(shù)據(jù)精度進行了驗證研究，結果表明反演的AMSR-E海冰密集度產品精度＜5%；趙羲等［6］利用ASPeCt（antarctic sea ice processes and climate，ASPeCt）船測資料驗證了南極AMSR-E海冰密集度數(shù)據(jù)。SSMIS數(shù)據(jù)（2008年至今）用來填充ASMSR-E（2002—2011年）與其后續(xù)星傳感器AMSR2（2012年至今）之間的數(shù)據(jù)空缺，但目前還缺乏SSMIS與AMSR2海冰密集度數(shù)據(jù)間的比較研究［7］。

本文即聯(lián)合我國第五次北極科學考察期間“雪龍船”航跡信息以及德國不萊梅大學海冰密集度被動微波遙感產品，比較SSMIS和AMSR2海冰密集度產品的差異，在此基礎上分析我國第五次北極科學考察期間東北航線和高緯航線上的冰情變化。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 我國第五次北極科學考察“雪龍船”航跡資料

我國第五次北極科學考察自2012年6月底持續(xù)到9月下旬，其中，北極東北航道的適航性調查與評估是該航次重要的科學目標之一［8］。本文所使用的“雪龍船”航跡資料即為我國第五次北極科學考察期間 “雪龍船”走航GPS數(shù)據(jù)（http://www.chinare.org.cn/index/），如圖1所示，包括去程時的東北航道航線和返程時的高緯航線，其中海冰觀測記錄信息來源于 《2012年北極海域物理海域和海洋氣象考察工作報告》（http:// 0301.peris.org.cn/default.aspx）。

圖1 我國第五次北極科學考察“雪龍”船航跡Fig.1 The R/V Xuelong tracks of the fifth Chinese arctic expedition

1.2 AMSR2和SSMIS海冰密集度產品

本文用以比較的海冰密集度數(shù)據(jù)為德國不萊梅大學發(fā)布的數(shù)據(jù)產品 （http://www.iup.unibremen.de/iuppage/psa/2001/amsrop.html），包括SSMIS和AMSR2兩種被動微波傳感器反演得到的海冰密集度數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的時間分辨率為逐日，空間分辨率為6.25 km×6.25 km，其中SSMIS海冰密集度數(shù)據(jù)是通過13.2 km×15.5 km的原始格網數(shù)據(jù)內插得到，數(shù)據(jù)的投影方式均為極方位立體投影。

德國不萊梅大學發(fā)布的AMSR2和SSMIS海冰密集度數(shù)據(jù)產品采用ASI算法反演得到。ASI海冰密集度算法的基本原理是利用高頻通道上海冰在不同極化方式的亮度溫度差來反演海冰密集度。根據(jù)輻射亮溫值的兩種極化方式，定義的極化亮溫差P為

其中，TBV表示垂直極化亮溫，TBH表示水平極化亮溫；而海冰密集度C與P的關系可通過三次多項式擬合:

假設純水和純冰的系點值是已知的，分別表示為P0和P1，代入式（2）可以得到純水和純冰的兩個方程，再對式（2）求導，得到求解式（2）系數(shù)的四元一次線性方程組式（3），具體推導過程見文獻［6］。

根據(jù)式（3）可求解d0，d1，d2，d3，代入式（2）即可計算海冰密集度C。ASI海冰密集度算法采用高頻被動微波遙感數(shù)據(jù)反演海冰密集度，相對于其他低頻海冰密集度算法，提高了空間分辨率，因而，被廣泛應用于海冰冰清監(jiān)測和變化研究［5，7］。

1.3 數(shù)據(jù)預處理與統(tǒng)計分析方法

對收集的“雪龍船”航跡資料和海冰密集度數(shù)據(jù)，首先進行數(shù)據(jù)匹配和篩選處理。由表1可見，在我國第五次北極科學考察期間，不同數(shù)據(jù)間的時間記錄范圍和觀測樣本數(shù)有所不同，其中，SSMIS海冰密集度數(shù)據(jù)在靠近陸地邊緣處相對于AMSR2海冰密集度數(shù)據(jù)存在更多空值（見圖2），因而對應走航海冰觀測記錄，SSMIS海冰密集度樣本數(shù)要少于AMSR2樣本數(shù)。

表1 我國第五次北極科學考察“雪龍船”走航觀測及其對應的海冰密集度產品信息Tab.1 The information of the fifth Chinese arctic expedition based on Xuelong and its corresponding sea ice concentration products

圖2 2012年7月24日北極弗蘭格爾島附近SSMIS、AMSR2海冰密集度Fig.2 Sea ice concentration retrieved from SSMIS and AMSR2 around Wrangel Island on July 24，2012

基于多源數(shù)據(jù)重疊時段篩選出的502個公有海冰觀測樣本，按照時間和空間一致的原則，逐日提取研究期內觀測樣本對應的SSMIS及AMSR2像元海冰密集度。在此基礎上，從“雪龍船”去程海冰觀測時段、返程觀測時段及整體觀測時段，分別統(tǒng)計分析SSMIS與AMSR2海冰密集度的平均偏差（Bias）、均方根偏差（RMSE）和相關系數(shù)（R）。

2 結果與分析

2.1 不同傳感器海冰密集度數(shù)據(jù)產品的比較

對于選定研究期的公有樣本點，SSMIS和AMSR2產品的海冰密集度的相關關系如圖3所示。其中，圖3a、圖3b和圖3c分別表示“雪龍船”去程、返程及整體觀測時段海冰密集度的相關關系，圖中虛線代表線性回歸趨勢線，實線表示橫縱坐標相等的直線y=x。

圖3中SSMIS與AMSR2海冰密集度的相關系數(shù)均超過0.8，表明兩種傳感器的海冰密集度產品具有較好的一致性，也在一定程度上反映不萊梅大學ASI算法針對不同傳感器觀測數(shù)據(jù)的海冰密集度反演結果的穩(wěn)定性。圖3中樣本點較多分布在y=x右下方，表明對應“雪龍船”觀測樣本點，SSMIS海冰密集度要高于AMSR2海冰密集度。去程觀測時段（圖3a）與返程觀測時段（圖3b）相比，SSMIS與AMSR2海冰密集度的平均偏差分別為10.8%和8.2%，說明在靠近陸地邊緣處（去程船測平均海冰密集度為27.3%）相對于高緯海冰密集處（返程船測平均海冰密集度為46.7%），SSMIS與AMSR2海冰密集度偏差更大，兩者的相關系數(shù)也表現(xiàn)為返程（R=0.936）要高于去程（R=0.810），因此，在進行SSMIS與AMSR2數(shù)據(jù)傳感器交叉定標時，應根據(jù)海冰密集程度的不同，采用不同的定標模型，以便更好地減小傳感器之間的系統(tǒng)差異。由于原始分辨率6.25 km的AMSR2海冰密集度產品相對于原始12.5 km分辨率的SSMIS數(shù)據(jù)更能準確反映海冰尤其是邊緣處的細節(jié)變化，因而更適宜作為海冰冰情分析的數(shù)據(jù)產品。

圖3 研究期SSMIS與AMSR2海冰密集度比較Fig.3 Comparison of sea ice concentration between SSMIS and AMSR2 during study period

2.2 2012年北極東北航線和高緯航線海冰冰情分析

2012年7月至1012年9月正值我國第五次北極科學考察，北極海冰冰情變化對“雪龍”考察船航行安全意義重大［9］?；贏MSR2海冰密集度數(shù)據(jù)，根據(jù)海冰與通航狀態(tài)對應關系［7，10］，將海冰密集度劃分為0%～30%，30%～70%以及70%～100%三類，對應通航暢通、困難和非常困難。其中，2012年7月24日、8月15日及9月7日的海冰密集度類結果如圖4所示。

通過分析時序AMSR2海冰密集度數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，2012年7月底楚科奇海和東西伯利亞海的海冰偏多，東北航道的完全開通在8月中旬。夏季北極海冰邊緣線退縮主要發(fā)生在波弗特海、楚科奇海和東西伯利亞海。東北航道的開通主要取決于楚科奇海西側以及東西伯利亞海東側，尤其是弗蘭格爾島海域冰情的變化。8月中、下旬，拉普捷夫海扇區(qū)的海冰迅速向北退縮，8月下旬至9月初北冰洋歐亞扇區(qū)在80°～82°N出現(xiàn)了幾乎無冰的水道，形成北極高緯航線。

北極海冰較大的年際和季節(jié)變化，對北極航道的開通與使用帶來了較大的挑戰(zhàn)。AMSR2海冰密集度衛(wèi)星遙感觀測資料能為決策大方向的航線選擇提供重要信息，為考察船或商船冰區(qū)航行提供必要的安全保障。

3 結論

基于我國第五次北極考察“雪龍船”航跡資料，對德國不萊梅大學SSMIS與AMSR2海冰密集度數(shù)據(jù)進行比較，分析了我國第五次北極考察期間的海冰冰情，主要結論如下:

1）SSMIS海冰密集度數(shù)據(jù)相對于AMSR2海冰密集度數(shù)據(jù)在靠近陸地周圍存在更多的數(shù)據(jù)空缺，數(shù)據(jù)信息量較AMSR2數(shù)據(jù)要小；

2）SSMIS與AMSR2海冰密集度數(shù)據(jù)具有較好的一致性，整體而言，SSMIS海冰密集度要高于AMSR2海冰密集度，平均偏差為9.2%；“雪龍船”走航去程和返程海冰觀測時段對比分析表明，AMSR2與SSMIS數(shù)據(jù)在去程低密集海冰區(qū)差異更大；

3）2012年北極東北航道的完全開通在8月中旬，8月下旬至9月初北冰洋歐亞扇區(qū)在80°～82°N出現(xiàn)了幾乎無冰的水道，形成北極高緯航線。AMSR2海冰密集度數(shù)據(jù)可為北極冰區(qū)航行提供重要的安全保障信息。

致謝:感謝中國南北極環(huán)境綜合考察與評估專項與中國南北極數(shù)據(jù)中心提供了“雪龍船”航跡資料、德國不萊梅大學提供了海冰密集度數(shù)據(jù)，同時非常感謝審稿專家給出的寶貴意見和建議。

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Comparison and Analysis of Arctic Sea Ice Concentration Products during the Fifth Chinese Arctic Expedition

Ji Qing1，2，Pang Xiaoping1，2
（1.Chinese Antarctic Center of Surveying and Mapping，Wuhan University，Wuhan 430079；2.Key Laboratory of Polar Surveying and Mapping，Wuhan 430079，China）

This study made comparison of sea ice concentration derived from SSMIS and AMSR2 passive microwave images from Bremen University during the fifth Chinese arctic expedition.Results show that the value of SSMIS sea ice concentration is higher than that of AMSR2 at the sample points according to sea ice record observed aboard on the R/V Xulong，and the average bias between SSMIS and AMSR2 sea ice concentration is 9.2%.AMSR2 has a relative higher quality than SSMIS near the land.It finds that the Arctic Northeast Passage opened in the mid-August by analyzing the AMSR2 data，while the Arctic High-latitude Sea Route emerged in the latter August and early September.These results can be helpful for better using Bremen sea ice concentration product，and providing some reference for the research of sea ice change and ship routing in the future.

sea ice concentration；sea ice situation analysis；SSMIS；AMSR2

P237

A

1005-0523（2016）05-0033-06

（責任編輯 王建華）

2016－06－08

國家自然科學基金項目 （41576188）；國家海洋局海洋-大氣化學與全球變化重點實驗室開放基金項目（GCMAC1504）；國家海洋局極地科學重點實驗室項目（KLPS1502）

季青（1984—），男，講師，博士，研究方向為極地海冰遙感。