基于FY-3C 微波輻射計(jì)數(shù)據(jù)的極區(qū)海冰密集度反演方法研究

劉森，鄒斌，石立堅(jiān)，崔艷榮

( 1. 國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心，北京 100081；2. 國(guó)家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心，北京 100081；3. 自然資源部空間海洋遙感與應(yīng)用研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；4. 上海海洋大學(xué) 海洋科學(xué)學(xué)院，上海 201306)

1 引言

極區(qū)海冰影響大氣和海洋環(huán)流，對(duì)全球氣候變化起著重要的作用[1]。海冰的存在阻礙了大氣與海洋的熱量交換，影響海水的熱平衡；阻礙風(fēng)場(chǎng)與海水的動(dòng)量輸送[2]。海冰的反照率較海水的大，能將大部分太陽(yáng)輻射反射回大氣中，對(duì)入射的短波輻射吸收較少[3]。尤其是海冰的年際變化大，使得海冰對(duì)全球氣候的變化有著重要的影響。海冰生成的過(guò)程會(huì)產(chǎn)生垂直方向的對(duì)流，對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽以及海洋要素的垂直分布產(chǎn)生影響；融冰時(shí)，表層形成暖而淡的水層，覆蓋在高鹽冷水上，出現(xiàn)密度躍層，影響上下水交換[4]。隨著全球氣候變暖，極區(qū)海冰變化異常，北極海冰有逐年減少、南極海冰有逐年增加的趨勢(shì)[2,5-6]。北極海冰的快速融化使得北極航道的開(kāi)通成為可能，不僅可以大大減少航行距離、縮短航期，而且在節(jié)省燃油的同時(shí)減少了溫室氣體的排放[7]。極區(qū)海冰的變化是國(guó)際社會(huì)關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題，這也使得海冰數(shù)據(jù)集的準(zhǔn)確性、時(shí)間序列的連續(xù)性、空間分辨率的一致性需要進(jìn)一步優(yōu)化。

海冰密集度 (Sea Ice Concentration，SIC)是能夠體現(xiàn)海冰特征的重要參數(shù)之一，定義為海冰覆蓋面積占總面積的比值，通過(guò)該參數(shù)可以進(jìn)一步得到海冰面積、范圍等信息。海冰密集度可作為大氣、海洋模式的輸入，與南方濤動(dòng)指數(shù)密切相關(guān)[8]。由于極區(qū)環(huán)境惡劣，除有限的現(xiàn)場(chǎng)觀(guān)測(cè)外，主要靠多種衛(wèi)星全天候、近實(shí)時(shí)和長(zhǎng)期連續(xù)獲取兩極區(qū)域多要素分布特征及變化信息。用于海冰監(jiān)測(cè)的微波輻射計(jì)主要有：1972 年發(fā)射的電子掃描微波輻射計(jì)（Electronically Scanning Microwave Radiometer，ESMR），通過(guò)ESMR 研究學(xué)者第一次獲得了全天候、全天時(shí)、一年四季的全球海冰影像[9]；1978 年陸續(xù)發(fā)射的掃描式多通道微波輻射計(jì)(Scanning Multichannel Microwave Radiometer, SMMR)、特種微波成像儀（Special Sensor Microwave/Imager, SSM/I）、專(zhuān)用微波成像儀（Special Sensor Microwave Imager Sounder，SSMIS）等；近年來(lái)，安裝在AQUA 平臺(tái)上的用于EOS 的先進(jìn)微波掃描輻射計(jì)（Advanced Microwave Scanning Radiometer for EOS，AMSR-E）和后續(xù)星上載有的先進(jìn)微波掃描輻射計(jì)2(Advanced Microwave Scanning Radiometer 2，AMSR2)提供了更高的分辨率數(shù)據(jù)。此外，我國(guó)海洋二號(hào)掃描微波輻射計(jì)、風(fēng)云三號(hào)微波成像儀(Microwave Radiation Imager，MWRI）也可用于海冰密集度的反演。

美國(guó)冰雪數(shù)據(jù)中心(NSIDC)利用Nimbus-7 衛(wèi)星SMMR，國(guó)防氣象衛(wèi)星計(jì)劃(Defense Meteorological Satellite Program，DMSP) F8、F11、F13 衛(wèi)星SSM/I，DMSP-F17 衛(wèi)星SSMIS 數(shù)據(jù)，提供自1978 年以來(lái)40 多年的南北極海冰密集度數(shù)據(jù)，成為全球氣候變化研究和極地預(yù)報(bào)等主要數(shù)據(jù)源。據(jù)《Nature》[10]報(bào)道，現(xiàn)在軌運(yùn)行的F18 和AMSR2 已經(jīng)超期服役，后續(xù)無(wú)發(fā)射計(jì)劃，寶貴的持續(xù)40 多年的海冰記錄數(shù)據(jù)存在斷檔的危險(xiǎn)，而我國(guó)的風(fēng)云三號(hào)系列衛(wèi)星微波輻射計(jì)觀(guān)測(cè)頻段與美國(guó)DMSP/SSMIS 類(lèi)似，具備成為極地海冰觀(guān)測(cè)主要數(shù)據(jù)來(lái)源的潛力。

北京時(shí)間2013 年9 月23 日，我國(guó)第三顆“風(fēng)云三號(hào)”（FY-3C）氣象衛(wèi)星發(fā)射成功，其上載有微波掃描輻射計(jì)，提供業(yè)務(wù)化的全球亮溫觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)。本文基于FY-3C 微波輻射計(jì)亮溫?cái)?shù)據(jù)，對(duì)極區(qū)海冰密集度反演方法進(jìn)行研究。

2 數(shù)據(jù)

本文使用我國(guó)自主氣象衛(wèi)星FY-3C 的微波成像儀[11]一級(jí)（L1）亮溫?cái)?shù)據(jù)對(duì)極區(qū)海冰密集度進(jìn)行反演，該儀器有5 個(gè)頻率(10.65 GHz，18.7 GHz，23.8 GHz，36.5 GHz 和89 GHz)，每個(gè)頻率都有垂直極化(V)和水平極化(H) 兩個(gè)極化模式，圓錐形掃描方式，掃描角度為45°，掃描寬度為1 400 km，每次掃描可獲得254 個(gè)掃描點(diǎn)數(shù)據(jù)。從低頻到高頻各通道的地面分辨率為51 km×85 km、30 km×50 km、27 km×45 km、18 km×30 km、9 km×15 km。該數(shù)據(jù)每天包括大約14 個(gè)升軌數(shù)據(jù)和14 個(gè)降軌數(shù)據(jù)（有時(shí)可能為15 軌），以HDF 格式儲(chǔ)存，包括10 個(gè)波段的亮溫?cái)?shù)據(jù)。本文使用2016-2017 兩年的數(shù)據(jù)，且除去缺失數(shù)據(jù)，共727 d。

使用美國(guó)國(guó)防氣象衛(wèi)星DMSP-F17 專(zhuān)用微波成像儀亮溫?cái)?shù)據(jù)對(duì)FY-3C 微波輻射計(jì)亮溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行修正。專(zhuān)用微波成像儀是一個(gè)錐形掃描被動(dòng)微波輻射計(jì)，它利用了先前的3 個(gè)DMSP 微波傳感器，包括SSMI，SSM/T-1 溫度測(cè)深儀和SSMI/T-2 濕度測(cè)深儀的成像和探測(cè)功能。F17 飛行在近極地太陽(yáng)同步軌道上，飛行高度850 km，傾斜角度98.8°，軌道周期102 min，升交點(diǎn)過(guò)境時(shí)間約地方時(shí)5:31 pm。SSMIS 傳感器測(cè)量19～183 GHz 的24 個(gè)頻率的微波能量，刈幅寬度為1 700 km（表1）。F17 SSMIS 數(shù)據(jù)從2006 年12 月14 日開(kāi)始，其亮溫?cái)?shù)據(jù)由美國(guó)Remote Sensing System 網(wǎng)站[12-13]下載得到，已經(jīng)與SSM/I，WindSat 和AMSR-E 仔細(xì)相互校準(zhǔn)，可以進(jìn)行詳細(xì)的年際和年代際趨勢(shì)研究。每天包括14 軌數(shù)據(jù)，每1.9 s 掃描90 個(gè)觀(guān)測(cè)值，該數(shù)據(jù)為NC 格式，包括19V、19H、22V、37V、37H 共5 個(gè)波段的亮溫?cái)?shù)據(jù)。本文使用2016 年全年數(shù)據(jù)。

表 1 F17 與FY-3C 參數(shù)比較Table 1 Parameters comparison of F17 and FY-3C

為了檢驗(yàn)本文所用方法得到的海冰密集度的準(zhǔn)確性，使用NSIDC 發(fā)布的海冰密集度數(shù)據(jù)集[14]作為標(biāo)準(zhǔn)。該數(shù)據(jù)根據(jù)NASA Team 算法生成。這些數(shù)據(jù)包括1978 年10 月26 日以來(lái)北極和南極地區(qū)每日（SMMR 數(shù)據(jù)每隔一天）和月平均海冰密集度，數(shù)據(jù)格式為二進(jìn)制bin 格式，空間分辨率為25 km，對(duì)于每個(gè)數(shù)據(jù)文件，提供對(duì)應(yīng)的PNG 瀏覽圖像文件。

3 研究方法

3.1 亮溫的修正方法

不同輻射計(jì)數(shù)據(jù)獲取的時(shí)間空間存在差異、傳感器參數(shù)特征也有所不同以及儀器隨時(shí)間的衰減等，都會(huì)造成同時(shí)同地相似傳感器獲取的亮溫?cái)?shù)據(jù)存在一定的差異[15]，須使用時(shí)空匹配方法對(duì)兩傳感器交叉定標(biāo)。上述兩個(gè)數(shù)據(jù)中，每一刈幅數(shù)據(jù)的每個(gè)采樣點(diǎn)都提供了地理位置（經(jīng)緯度）和觀(guān)測(cè)時(shí)間，分別將每一軌FY-3C、F17 微波輻射計(jì)亮溫?cái)?shù)據(jù)在南北極按照12.5 km 空間分辨率投影到極地立體投影網(wǎng)格中。通過(guò)擴(kuò)大的陸地掩模，除去陸地?cái)?shù)據(jù)對(duì)海洋區(qū)域的影響。由于F17 與FY-3C 訪(fǎng)問(wèn)時(shí)間差異較大，選取1 h的時(shí)間窗口減小亮溫的差異。

為了更精確地計(jì)算定標(biāo)系數(shù)，本文每月選擇4 日數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)匹配，圖1 為2016 年3 月選取5 日、15 日、20 日、30 日4 天的數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配后的散點(diǎn)圖。紅色為1∶1 線(xiàn)，綠色為擬合線(xiàn)，數(shù)據(jù)呈線(xiàn)性分布，無(wú)異常數(shù)據(jù)點(diǎn)。根據(jù)匹配數(shù)據(jù)集，進(jìn)行線(xiàn)性回歸擬合，得到12 個(gè)月的定標(biāo)系數(shù)，見(jiàn)表2。為了長(zhǎng)時(shí)間序列地球物理變量的研究以及海冰產(chǎn)品水平的數(shù)據(jù)一致性，使用表2 數(shù)值對(duì)FY-3C 微波成像儀（MWRI）亮溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行修正。

圖 1 2016 年3 月19H 通道FY-3C 與F17 亮溫對(duì)比散點(diǎn)圖Fig. 1 Brightness temperature scatter plot at 19H of FY-3C and F17 on March, 2016

3.2 NASA Team 方法及天氣影響去除方法

海水與海冰的輻射性質(zhì)存在較大差異，可以利用輻射計(jì)反演海冰密集度。使用NASA Team 算法，保證數(shù)據(jù)集的統(tǒng)一性，同時(shí)可分別反演一年冰、多年冰以及整體海冰的密集度。將每日所有軌道亮溫?cái)?shù)據(jù)投影到25 km 極地立體投影網(wǎng)格中，利用表2 數(shù)值修正后反演每日海冰密集度，如格點(diǎn)有重復(fù)觀(guān)測(cè)值，則取平均值。利用SSMIS 亮溫?cái)?shù)據(jù)反演海冰密集度的NASA Team 算法[16]使用的通道是19.3 GHz 水平（H）和垂直（V）極化通道以及垂直極化的37.0 GHz 通道。對(duì)應(yīng)FY-3C 微波輻射計(jì)的18.7 GHz 水平（H）和垂直（V）極化，36.5 GHz 垂直極化通道。忽略大氣輻射和外部空間輻射的影響：

表 2 定標(biāo)系數(shù)Table 2 Calibration coefficients

定義極化梯度比（Polarization Gradient Ratio，PR）和光譜梯度比（Spectral Gradient Ratio，GR）：

式中，TB是特定頻率和極化下的觀(guān)測(cè)亮溫。根據(jù)這兩個(gè)參數(shù)，一年冰密集度（CF）和多年冰密集度（CM）由以下公式計(jì)算：

其中，

式中，系數(shù)Fi，Mi和Di（i=0,···,3）是一組9 個(gè)亮溫的函數(shù)，這里不再具體說(shuō)明，這些亮溫被稱(chēng)為算法系點(diǎn)，是對(duì)于19.3V、19.3H 和37V 在已知無(wú)冰海面（Open Water, OW）、一年冰（First Year, FY）和多年冰（Multi-Year, MY）的區(qū)域上觀(guān)察到的亮溫特征值，見(jiàn)表3[17]。

表 3 南北半球開(kāi)闊水域及不同冰型的F17 系點(diǎn)值Table 3 F17 TPs for open water and different ice types in the Northern Hemisphere and Southern Hemisphere

總冰密集度（CT）是一年和多年密集度的總和:

開(kāi)闊海洋和冰緣上海冰的虛假密集度是由云中液態(tài)水、大氣水汽、雨水和表面風(fēng)引起海面粗糙化造成的。盡管冬季極地緯度的這些影響相對(duì)較小，但在夏季各緯度地區(qū)都會(huì)造成嚴(yán)重的天氣污染問(wèn)題。復(fù)合天氣濾波器[18]是原始SSM/I GR（37/19）與基于22.2 GHz和19.35 GHz 通道的另一個(gè)GR 濾波器的組合，它有效消除了由于海面風(fēng)粗糙化、云液態(tài)水和降雨造成的大部分雜散密集度。使用GR（22/19）的基本原理基于22.2 GHz 對(duì)水汽的敏感性和將冰邊冰溫變化的影響降至最低。NT 算法中使用的兩種天氣濾波器基于以下頻譜梯度比：

具體而言，在NT 海冰算法的F17 SSMIS 版本中使用的閾值[17]如下。

（1）如果GR（37/19）＞0.05（北半球），或GR（37/19）＞0.053（南半球），則冰密集度設(shè)為0，主要去除云中液態(tài)水影響。

（2）如果GR（22/19）＞0.045 對(duì)于任一半球，則冰密集度設(shè)為0，主要去除開(kāi)闊水域上空水蒸氣影響。

FY-3C 中使用回歸系數(shù)修正后的18.7 GHz、36.5 GHz、23.8 GHz 3 個(gè)通道的亮溫值。對(duì)于天氣濾波器不能去除的殘留天氣污染，使用海冰掩模去除，選取2016 年北極3 月和南極9 月反演得到的海冰密集度數(shù)據(jù)，將北極密集度不小于0.045，南極不小于0.025的最大海冰范圍再擴(kuò)大4 個(gè)格點(diǎn)生成最大海冰掩模，用于整個(gè)數(shù)據(jù)集中，將最大海冰和陸地以外區(qū)域像素值設(shè)定為0。

3.3 陸地效應(yīng)去除方法

陸地到海洋溢出通常稱(chēng)為“陸地污染”，是指近岸區(qū)域陸地比海洋亮溫高得多而產(chǎn)生的模糊問(wèn)題（圖2a），由于傳感器天線(xiàn)模式的寬度相對(duì)較粗導(dǎo)致。這個(gè)問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致沿著海岸線(xiàn)的假海冰信號(hào)[9]。所有儀器的陸地到海洋溢出效應(yīng)并不相同，因?yàn)樗鼈兊淖阚E大小和訪(fǎng)問(wèn)時(shí)間不同。后者非常重要，因?yàn)殛懙乇砻娼?jīng)歷了比海洋表面更大的晝夜溫度變化。單單這些差異就會(huì)導(dǎo)致虛假的趨勢(shì)，因此必須進(jìn)行修正。減少陸地到海洋溢出效應(yīng)方法的基本原理是在夏季通常出現(xiàn)的沒(méi)有海冰殘留的近海海岸線(xiàn)附近最小觀(guān)測(cè)海冰密集度可能是陸地溢出的結(jié)果，所以從圖像中減去。為了減少在實(shí)際海冰覆蓋區(qū)域中減去海冰的誤差，該技術(shù)需要在待校正的圖像像素附近存在開(kāi)闊水。

通過(guò)以下3 個(gè)步驟來(lái)減少陸地到海洋的溢出效應(yīng)[19]：

（1）創(chuàng)建矩陣M覆蓋整個(gè)網(wǎng)格，并將每個(gè)像素識(shí)別為陸地、岸邊、近岸、近?；蚍墙?。陸地像素從陸地/海洋掩模獲得。岸邊、近岸和近海像素的識(shí)別基于圖2b 中所示的方案，其中待識(shí)別的像素標(biāo)記為i，j。如果與其相鄰的任何像素是陸地，則該像素被認(rèn)為是岸邊像素，如果沒(méi)有一個(gè)a像素是陸地，但是至少一個(gè)b像素是陸地，則是近岸像素，并且如果沒(méi)有a或b像素是陸地，但是至少有一個(gè)c像素是陸地，則是近海像素。所有其他海洋像素被認(rèn)為是非近海。該矩陣M被創(chuàng)建一次并在整個(gè)數(shù)據(jù)集中使用。

（2）創(chuàng)建矩陣CMIN，在整個(gè)網(wǎng)格中逐個(gè)像素地表示最小海冰密集度。CMIN 的創(chuàng)建是通過(guò)首先構(gòu)造一個(gè)矩陣P來(lái)實(shí)現(xiàn)的，該矩陣包含給定年份的最小月平均海冰密集度，F(xiàn)Y-3C 微波輻射計(jì)使用2016 年9 月北極和2 月南極的月平均數(shù)據(jù)。然后在近海、近岸和海岸像素處調(diào)整矩陣。調(diào)整如下：①在近海像素處，任何超過(guò)20%的P值均減至20%；②在近岸像素處，任何超過(guò)40% 的P值減少至40%；③在岸邊像素，任何超過(guò)60%的P值減少到60%。因不同傳感器的陸地溢出效應(yīng)不同，所以CMIN 矩陣不同的傳感器需要?jiǎng)?chuàng)建一次，然后在整個(gè)數(shù)據(jù)集中使用。

（3）每日海冰密集度矩陣在開(kāi)闊水域附近的任何近海、近岸和岸邊像素進(jìn)行調(diào)整。具體而言，近海像素的鄰域被定義為包含以近海像素為中心的3×3 框中的其他8 個(gè)像素；近岸像素的鄰域被定義為包含以近岸像素為中心的5×5 框中的其他24 個(gè)像素；岸邊像素的鄰域被定義為包含以岸邊像素為中心的7×7框中的另外48 個(gè)像素。在近海，近岸或海岸像素鄰域包含3 個(gè)或更多開(kāi)闊水域像素（海冰密集度低于15%）時(shí)，近海、近岸或海岸像素的海冰密集度計(jì)算為減去矩陣CMIN 中該像素的值；無(wú)論減法何處導(dǎo)致負(fù)海冰密集度，則密集度設(shè)定為0%。這種陸地溢出校正算法顯然是一個(gè)粗略的近似，因?yàn)槲廴玖坎粫?huì)隨時(shí)間而保持不變；但是該方案已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)可以大大減少網(wǎng)格上的假海冰密集度。

圖 2 微波天線(xiàn)的粗分辨率對(duì)海岸線(xiàn)附近亮溫的影響示意圖（a），在程序中使用7×7 陣列以減少陸地到海洋的溢出效應(yīng)（b）（據(jù)參考文獻(xiàn)[19]）Fig. 2 Schematic illustrating the effect of the coarse resolution of the microwave antenna on brightness temperatures near a coastline (a),and seven-by-seven array used in the procedure to reduce the land-to-ocean spillover effect (b) (refer to reference [19])

4 結(jié)果與討論

4.1 天氣影響去除的結(jié)果

使用兩種天氣濾波器和海冰掩模對(duì)反演得到的海冰密集度進(jìn)行修正，圖3a 為原始反演結(jié)果，開(kāi)闊海域天氣影響嚴(yán)重（10～15 m/s 風(fēng)速，2 mm/h 降雨率[20]等影響），存在大量虛假海冰。圖3b 為GR（36.5/18.7）天氣濾波器修正結(jié)果，有效去除了高緯度主要由于云中液態(tài)水（0.1～0.3 mm[20]）造成的虛假海冰（紅色框）。但在中緯度地區(qū)仍然存在錯(cuò)誤結(jié)果（綠色框），由較高的大氣水汽（30～45 mm[20]）導(dǎo)致。同時(shí)使用兩種天氣濾波器（圖3c）可將大部分天氣影響造成的虛假海冰濾除，通過(guò)海冰掩模將殘留的虛假海冰（如在千島群島附近海域等，藍(lán)色框）去除（圖3d）。陸地邊緣存在的虛假海冰使用3.3 節(jié)方法修正。

4.2 陸地效應(yīng)去除的結(jié)果

根據(jù)3.3 節(jié)方法對(duì)陸地污染進(jìn)行修正，圖4 為2017 年8 月26 日北極陸地效應(yīng)修正前后與NSIDC產(chǎn)品的差異圖，紅色表示本文結(jié)果高于NSIDC 產(chǎn)品，藍(lán)色表示本文結(jié)果低于NSIDC 產(chǎn)品。從圖4a 中可以看出，在陸海交界處（如勘察加半島、阿拉斯加半島、斯堪的納亞半島及大不列顛島等區(qū)域）存在明顯的陸地污染現(xiàn)象，誤判出大量的虛假海冰，是造成數(shù)據(jù)集產(chǎn)品誤差的主要來(lái)源，經(jīng)過(guò)處理，陸地溢出得到了有效的糾正，海冰范圍由原來(lái)的7.18×106km2修正到5.35×106km2，海冰面積由原來(lái)的4.02×106km2修正到3.26×106km2與NSIDC 產(chǎn)品的海冰范圍5.14×106km2和海冰面積3.18×106km2已經(jīng)比較接近（圖4b）。但在內(nèi)陸湖地區(qū)差異較大，冰水交界處本文結(jié)果偏低。

4.3 驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所得到的海冰密集度數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，比較FY-3C 反演得到的海冰密集度數(shù)據(jù)和NSIDC 海冰密集度產(chǎn)品計(jì)算的海冰范圍（Sea Ice Extent，SIE）和海冰面積（Sea Ice Area，SIA）兩參數(shù)。海冰范圍定義為海冰密集度大于15%的所有觀(guān)測(cè)值的積分和。通過(guò)取密集度大于15%的每個(gè)數(shù)據(jù)元素的面積與冰密集度乘積之和來(lái)確定海冰面積。由于重新投影，每個(gè)網(wǎng)格所代表的實(shí)際面積不同，使用格點(diǎn)面積模板進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算海冰范圍時(shí)，北極包括極點(diǎn)范圍，計(jì)算海冰面積時(shí)，除去了相同大小的北極極點(diǎn)面積加以比較。2016-2017 年的南北極比較結(jié)果如圖5。

從圖5 中可以發(fā)現(xiàn)2016-2017 年南北極海冰范圍和面積變化趨勢(shì)與NSIDC 產(chǎn)品基本一致，面積準(zhǔn)確度更高，南極效果更好。北極12 月至翌年5 月偏低即冬季偏??；7 月、8 月、9 月偏高即夏季偏多。由于本方法對(duì)冰水交界處、內(nèi)陸湖等處[21]的海冰低估，造成北極冬季海冰面積、范圍偏??；由于天氣影響以及陸地污染造成的虛假海冰多出現(xiàn)在夏季[22]，本方法仍有殘留的虛假海冰沒(méi)有去除，造成北極夏季海冰面積、范圍偏多，后續(xù)工作將對(duì)天氣濾波器閾值進(jìn)行調(diào)整。南極海冰范圍和面積整體高于NSIDC 產(chǎn)品，6 月、7 月、8 月海冰范圍、面積偏高。南極陸地沒(méi)有北極復(fù)雜，天氣及陸地污染較北極小，且南北極海冰類(lèi)型不同、輻射特性不同，高估主要是由于亮溫校正造成，后續(xù)工作考慮南北極分別校正。

圖 3 2017 年8 月26 日北極天氣效應(yīng)去除和未去除的海冰密集度結(jié)果Fig. 3 Sea ice concentration result with and without weather filter of north polar zone on August 26, 2017

為了進(jìn)一步定量化反演得到數(shù)據(jù)集的準(zhǔn)確性，計(jì)算2016 年和2017 年FY-3C 和F17 南北極海冰范圍和面積日差異百分比（圖6），北極7-9 月范圍差異較大，7-9 月、12 月面積差異較大，南極12 月至翌年4 月范圍差異較大，12 月至翌年1 月、3-4 月、6-8 月面積差異較大。并給出各海冰參數(shù)的百分比差異的兩年平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，F(xiàn)Y-3C 和F17 海冰范圍北半球和南半球兩年平均差異分別為0.05%±3.05%和0.73%±1.38%。對(duì)于海冰面積，北半球和南半球的平均差異分別為-0.53%±1.57% 和0.83%±1.76%。2017 年與2016 年趨勢(shì)及差異一致，說(shuō)明此方法可以用于后續(xù)的數(shù)據(jù)集產(chǎn)品。

圖 4 2017 年8 月26 日北極海冰密集度差異Fig. 4 Ice concentration difference on August 26, 2017

圖 5 2016-2017 年北極（a）和南極（b）海冰范圍和面積時(shí)間序列比較Fig. 5 Daily averaged time series of total Arctic (a) and Antarctic (b) ice extent and area for 2016-2017

對(duì)2016-2017 年南北極海冰范圍和面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析（表4）發(fā)現(xiàn)北極海冰范圍和面積均方根誤差分別為0.270 0×106km2和0.141 5×106km2，南極海冰范圍和面積均方根誤差分別為0.112 0×106km2和0.153 5×106km2，相關(guān)性良好。

圖 6 2016-2017 年北半球（a）和南半球（b）FY-3C 和F17 海冰范圍和面積的每日百分比差異的時(shí)間序列Fig. 6 Time series of the daily percent differences between FY-3C and F17 sea ice extents and areas of the Northern Hemisphere (a) and Southern Hemisphere (b) for 2016-2017

表 4 2016-2017 年南北極海冰范圍和面積與NSIDC 差異的統(tǒng)計(jì)分析Table 4 Statistical analysis of the total Arctic and Antarctic ice extent and area difference for 2016-2017

5 結(jié)論

對(duì)于氣候研究以及長(zhǎng)時(shí)間序列地球物理量的觀(guān)測(cè)，數(shù)據(jù)的一致性非常重要。本文研究了利用FY-3C衛(wèi)星微波輻射計(jì)反演極區(qū)海冰密集度的方法，得到與NSIDC 產(chǎn)品一致性較強(qiáng)的海冰密集度數(shù)據(jù)集，并初步驗(yàn)證了所得結(jié)果，主要結(jié)論如下：

（1）本文給出各通道每月的回歸系數(shù)（表2）。天氣影響對(duì)反演得到的海冰密集度數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性影響很大，部分開(kāi)闊海域上空大氣水汽、云中液態(tài)水、降雨等現(xiàn)象造成的雜亂海冰密集度，天氣濾波器不能有效除去，使用海冰掩模對(duì)開(kāi)闊水域殘留的雜散海冰進(jìn)行修正。

（2）陸地污染效應(yīng)是造成海冰密集度數(shù)據(jù)集誤差的主要原因。生成5 種類(lèi)型海岸模板以及計(jì)算適用于FY-3C 微波輻射計(jì)的南北兩極夏季最小密集度模板，對(duì)陸地污染現(xiàn)象造成的大量虛假海冰進(jìn)行了有效的糾正，但在湖泊地區(qū)存在過(guò)度糾正的現(xiàn)象。

（3）根據(jù)本文方法反演2016 年、2017 年的南北極海冰密集度并分別計(jì)算海冰范圍和海冰面積，統(tǒng)計(jì)分析、驗(yàn)證數(shù)據(jù)集的準(zhǔn)確性。兩年南北極海冰范圍和面積變化趨勢(shì)與NSIDC 產(chǎn)品基本一致，平均差異控制在3%以?xún)?nèi)。北極海冰面積均方根誤差為0.141 5×106km2，南極海冰范圍均方根誤差為0.112 0×106km2，相關(guān)性良好。2017 年與2016 年趨勢(shì)及差異一致，此方法可以用于后續(xù)的數(shù)據(jù)集產(chǎn)品。北極12 月至翌年5 月偏低；7 月、8 月、9 月偏高，其中7 月范圍差異最為明顯。由于本方法對(duì)冰水交界處、內(nèi)陸湖等處的海冰低估，造成北極冬季海冰面積、范圍偏??；仍有殘留的虛假海冰沒(méi)有去除，造成北極夏季海冰面積、范圍偏多。天氣濾波器閾值需要進(jìn)一步調(diào)整。南極海冰范圍和面積整體高于NSIDC 產(chǎn)品，6 月、7 月、8 月海冰范圍、面積偏高，其中12 月至翌年4 月差異較大。南極各影響因素較北極小，且與北極海冰類(lèi)型不同、輻射特性不同，高估主要是由于亮溫校正造成。還存在月份間差異，亦由于亮溫校正造成。后續(xù)工作將南北極分開(kāi)計(jì)算匹配數(shù)據(jù)集校正。

本研究結(jié)果為發(fā)布我國(guó)自主衛(wèi)星的極區(qū)海冰密集度業(yè)務(wù)化產(chǎn)品奠定了基礎(chǔ)，制作的產(chǎn)品可保障面臨中斷的40 多年極區(qū)海冰記錄的連續(xù)性。接下來(lái)將對(duì)時(shí)間、空間不連續(xù)進(jìn)行插值處理、對(duì)造成兩數(shù)據(jù)集差異的原因做進(jìn)一步的分析。