全球氣候變化背景下極地冰蓋關(guān)鍵參數(shù)遙感觀測驗證

喬 剛，郝 彤，李洪偉，陸 平，安 璐，陳秋杰，李榮興

1.同濟(jì)大學(xué)測繪與地理信息學(xué)院，上海 200092；2.同濟(jì)大學(xué)空間信息科學(xué)及可持續(xù)發(fā)展應(yīng)用中心，上海 200092

全球海平面變化是全球氣候變化研究的標(biāo)志性前沿領(lǐng)域，海平面上升及應(yīng)對一直是國際關(guān)注的重要科學(xué)問題[1-5]。聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC)的最新報告指出，到2050年，無論溫室氣體排放是否減少，海平面預(yù)計將上升10～25 cm，這種持續(xù)上升的主要原因是海水溫度升高導(dǎo)致的熱膨脹及冰川與冰蓋的融化[5]。南極冰蓋、格陵蘭冰蓋及“第三極”青藏高原山地冰川是冰凍圈的核心區(qū)域[6-7]，其關(guān)鍵過程和參數(shù)的監(jiān)測可以為極區(qū)物質(zhì)平衡研究提供有力的數(shù)據(jù)資料與科學(xué)依據(jù)，對研究氣候變化和全球海平面上升具有重要意義[8-9]。

冰凍圈的高緯度和高海拔特征給現(xiàn)場地面觀測的開展帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，因此非接觸式的遙感觀測成為冰凍圈研究的主要手段[10]。隨著21世紀(jì)以來遙感技術(shù)的快速發(fā)展及其在冰凍圈的廣泛應(yīng)用，冰凍圈的遙感觀測技術(shù)逐漸豐富完善[11]。眾多研究利用可見光、近紅外、熱紅外、微波、激光、無線電、重力及其他新型遙感技術(shù)的數(shù)據(jù)獲取方法，通過航天(衛(wèi)星)、航空(固定翼、無人機(jī)等)和地基遙感的手段實現(xiàn)極地冰層關(guān)鍵過程與關(guān)鍵參數(shù)的監(jiān)測[12-14]。在多時空尺度測繪遙感觀測的基礎(chǔ)上，極地實地考察同樣是冰凍圈和極地環(huán)境研究的有效手段[15]，成為“三極”關(guān)鍵區(qū)域綜合考察與評估中必不可少的一項工作，將為現(xiàn)有天-空-地基觀測體系的完善和極地冰層的關(guān)鍵參數(shù)監(jiān)測和數(shù)據(jù)產(chǎn)品研制提供有力支撐[9]。

目前，已有50多個國家陸續(xù)開展實施了一系列極地科學(xué)考察。自1984年首支考察隊赴南極以來，中國在近40年的極地科學(xué)考察中取得了舉世矚目的科研成就。極地科學(xué)考察通過極區(qū)的實地調(diào)查進(jìn)行冰蓋關(guān)鍵要素的動態(tài)監(jiān)測，獲得的現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)可以為遙感觀測任務(wù)提供校準(zhǔn)和驗證，進(jìn)而為極地冰蓋關(guān)鍵參數(shù)的多尺度觀測提供精度保障。本文基于同濟(jì)大學(xué)全球變化團(tuán)隊在南北極的測繪遙感與實地考察，探討極地冰蓋關(guān)鍵過程參數(shù)的監(jiān)測與驗證，重點闡述現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)的處理及地面驗證在極地冰蓋多要素監(jiān)測中的重要性，并就未來科考驗證計劃進(jìn)行展望。

1 極地冰蓋關(guān)鍵過程參數(shù)遙感監(jiān)測方法

極地冰蓋關(guān)鍵過程參數(shù)測繪遙感監(jiān)測(圖1)，主要是完善極地衛(wèi)星-機(jī)載-地面等多源遙感的綜合觀測路徑，通過天基和空基遙感協(xié)同觀測(包括光學(xué)、合成孔徑雷達(dá)、測高、重力等)，結(jié)合地面實地科學(xué)考察數(shù)據(jù)和歷史觀測(如野外考察站、花桿、衛(wèi)星靶標(biāo)、冰雷達(dá)、浮標(biāo)等)[16]，統(tǒng)一多源異構(gòu)數(shù)據(jù)基準(zhǔn)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)校準(zhǔn)和多源數(shù)據(jù)融合，構(gòu)建并完善極地天-空-地基綜合協(xié)同觀測體系(圖2)。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行南極冰蓋和格陵蘭冰蓋的關(guān)鍵過程和重要參數(shù)監(jiān)測。其中，關(guān)鍵過程包括冰-海-氣相互作用、冰蓋消融與底部活動、冰蓋不穩(wěn)定性、物質(zhì)平衡等，重要參數(shù)主要包括冰蓋高程變化、冰流速度場、冰蓋厚度變化、雪冰環(huán)境與表面消融等[17-24]。融合機(jī)載和星載多源遙感可刻畫不同時空條件下的冰蓋表面立體形態(tài)，如對冰蓋/冰架突變事件發(fā)生前后的高程變化三維可視化、大型冰架裂隙形態(tài)和傳播機(jī)制、冰雪深度以及海冰厚度探測、冰蓋邊緣接地區(qū)域演變、冰下水文等動態(tài)過程要素的運動及刻畫詳盡的物質(zhì)遷移分布模式等。通過大量的多源觀測資料，精密定量極地冰蓋/冰架垂直變化過程特征參數(shù)，可提供極地冰蓋動態(tài)變化參考依據(jù)，揭示其變化不穩(wěn)定性特征與過程以及影響海平面變化的機(jī)制。

圖1 極地冰蓋關(guān)鍵過程參數(shù)測繪遙感監(jiān)測

圖2 南極冰蓋關(guān)鍵過程參數(shù)遙感與現(xiàn)場觀測體系

冰蓋高程變化是冰蓋物質(zhì)平衡的關(guān)鍵參數(shù)，其遙感監(jiān)測方式主要來源于星載測高[25-26]，主要包括衛(wèi)星雷達(dá)測高(如Envisat和CryoSat-2)和衛(wèi)星激光測高(如ICESat和ICESat-2)。冰蓋厚度主要受冰蓋表面、內(nèi)部和底部物質(zhì)變化過程的影響[27]，監(jiān)測手段主要包括直接的探冰雷達(dá)探測與間接的厚度反演。其中，探冰雷達(dá)可以通過發(fā)射穿透冰層的雷達(dá)波實現(xiàn)冰厚的直接測量，基于質(zhì)量守恒的冰厚反演算法[28]利用雷達(dá)冰厚和表面冰流速推算得到可靠的冰厚結(jié)果。監(jiān)測冰流速對定量評估全球氣候變化背景下極地冰蓋對海平面上升的貢獻(xiàn)具有重要意義[29-31]。為拓展國際上現(xiàn)有冰流速研究的時間尺度，同濟(jì)大學(xué)團(tuán)隊基于早期膠卷衛(wèi)星照片和Landsat 1—Landsat 4等歷史衛(wèi)星影像，提出了新型算法用于1960—1980年南極冰流速制圖[32-34]，填補(bǔ)了極地早期冰流速數(shù)據(jù)產(chǎn)品的空白。冰蓋/冰架表面雪冰溫度與密度變化的監(jiān)測可以用于降低極地物質(zhì)平衡定量評估結(jié)果的不確定性[35]，來自衛(wèi)星觀測的地表與雪冰溫度及現(xiàn)場實測溫度鏈數(shù)據(jù)均可以提供關(guān)于垂直熱力學(xué)的重要信息[36]。

2 極地科考與冰蓋現(xiàn)場觀測概況

遙感觀測雖已廣泛用于極地冰蓋監(jiān)測，但并不能取代現(xiàn)場觀測。極地科考實地獲取冰蓋表面與內(nèi)部數(shù)據(jù)，在氣候模型校準(zhǔn)和冰蓋長期變化趨勢驗證等方面具有重要意義。我國南極科學(xué)考察(CHINARE)起步較晚，1984年才進(jìn)行首次南極科考。目前我國已擁有包括“雪龍”號、“雪龍2”號科考船，長城站、中山站、昆侖站和泰山站在內(nèi)的“兩船四站”科考平臺(圖3(a))，2015年“雪鷹601”固定翼飛機(jī)投入使用，2018年羅斯海新站開始建設(shè)，這些平臺主要進(jìn)行南極大陸冰蓋-海洋-大氣-生物多學(xué)科的現(xiàn)場觀測與調(diào)查。在第36次科考(圖3(b))期間我國自主建造的首艘破冰船“雪龍2”號首航南極，大幅提升了我國南極的科考后勤保障能力?！把垺碧柵c“雪龍2”號形成“雙龍?zhí)綐O”的新格局，極大提升了我國極地考察的硬實力，拓展了我國極地科考的廣度和深度。目前，我國南極科考以“認(rèn)識南極、保護(hù)南極、利用南極”為指導(dǎo)思想，重視多學(xué)科交叉，深入認(rèn)識南極變化及其全球效應(yīng)，致力于提高我國適應(yīng)與應(yīng)對氣候變化的能力，推進(jìn)我國向極地強(qiáng)國和海洋強(qiáng)國邁進(jìn)[37]。

同濟(jì)大學(xué)全球變化研究團(tuán)隊參加了多次中國極地科學(xué)考察，涉及的主要科學(xué)目標(biāo)包括：構(gòu)建覆蓋極地不同區(qū)域的地、空和天基觀測體系，實現(xiàn)對極地關(guān)鍵要素的動態(tài)監(jiān)測；研發(fā)我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的極地全要素數(shù)據(jù)產(chǎn)品集系列，檢驗其模式支撐能力，以降低全球變化預(yù)測的不確定性；展示數(shù)據(jù)產(chǎn)品對極區(qū)關(guān)鍵變化過程和耦合響應(yīng)機(jī)制的支撐作用和原創(chuàng)性成果，為我國極地戰(zhàn)略和全球變化應(yīng)對策略提供政策支撐[9]。

在科學(xué)目標(biāo)指引下，研究團(tuán)隊參加了第35、36和38次中國南極科學(xué)考察。第35次南極科考期間，主要參與中山站附近冰蓋、冰川關(guān)鍵參數(shù)的現(xiàn)場觀測，包括基于SAR角反射器的冰流速驗證設(shè)備布設(shè)和基于低空無人機(jī)的冰蓋邊緣測圖與冰川流速、裂縫裂隙特征觀測等。第36次南極科考進(jìn)一步拓展了考察內(nèi)容：①星-空-地基協(xié)同的ICESat-2單光子測高衛(wèi)星精度驗證，該項工作是判定冰凍圈測高衛(wèi)星是否達(dá)到設(shè)計要求的必要手段，能為冰蓋高程變化探測和冰蓋物質(zhì)平衡估算提供數(shù)據(jù)支撐；②基于光譜儀和溫度鏈等設(shè)備的中山站、泰山站周邊冰雪溫度、密度等關(guān)鍵參數(shù)觀測，該工作是粒雪密實化模型驗證的基礎(chǔ)，服務(wù)于冰蓋物質(zhì)平衡估算；③無人機(jī)載及車載冰雷達(dá)的雪冰淺層結(jié)構(gòu)探測，可以輔助科考路線規(guī)劃保障科考安全，也可有效探測冰層屬性、探究冰蓋穩(wěn)定性；④基于空-地協(xié)同觀測的冰蓋邊緣雪冰環(huán)境調(diào)查，主要通過冰芯鉆孔獲取冰雪硬度、強(qiáng)度等屬性，通過無人機(jī)低空遙感探測冰表面地形特征、裂隙發(fā)育等，通過花桿測定冰流運動、降雪及消融狀態(tài)等，并與風(fēng)速、氣溫等氣象要素結(jié)合，系統(tǒng)性研究冰蓋邊緣冰雪屬性特征。此外，也在北極格陵蘭冰蓋開展了相關(guān)研究工作，包括重力衛(wèi)星反演格陵蘭冰蓋物質(zhì)平衡等。

3 極地遙感-地面驗證實施與智能處理

3.1 ICESat-2衛(wèi)星測高精度的“空-地”協(xié)同驗證

極地冰蓋地面高程精度驗證是評估冰凍圈新型單光子測高衛(wèi)星ICESat-2是否達(dá)到設(shè)計要求的必要手段，為后續(xù)冰蓋物質(zhì)平衡估算提供重要的數(shù)據(jù)支撐[38-39]。已有的針對ICESat-2的地面驗證工作由美國航空航天局衛(wèi)星團(tuán)隊完成[40-41]，其驗證工作主要在88°S南極內(nèi)陸冰蓋平坦區(qū)域進(jìn)行，而對南極中低緯度內(nèi)陸和沿海關(guān)鍵區(qū)域的精度驗證工作尚屬空白。因此，在國家海洋局極地考察辦公室、中國極地研究中心及中國南極科考隊的支持下，設(shè)計了基于多傳感器的車載全球定位系統(tǒng)、光子反射器陣列、平面反射層裝置、無人機(jī)協(xié)同觀測地面驗證框架(圖4)，圖4(a)ICESat-2衛(wèi)星照片由NASA提供，于2019年12月—2020年2月在520 km的CHINARE內(nèi)陸考察路線、中山站、泰山站等關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行了ICESat-2的地理定位光子數(shù)據(jù)產(chǎn)品(ATL03)和陸地冰數(shù)據(jù)產(chǎn)品(ATL06)的驗證試驗；主要包括：①基于固定基站和車載移動站GNSS，實施沿中國南極中山科考站至泰山科考站長達(dá)520 km的厘米級精度冰雪表面高程測線，構(gòu)建了測高衛(wèi)星驗證的地面真值；②利用厘米級精度的實時差分定位技術(shù)，在科考站點周邊部署了線性光學(xué)反射陣列，并成功獲取測高衛(wèi)星光子信號；③預(yù)先使用光譜儀選擇合適的反射圖層，在科考站附近鋪設(shè)面狀反射涂層靶標(biāo)獲取衛(wèi)星光子反射數(shù)據(jù)；④結(jié)合地面高精度RTK(real-time kinematic)基站，利用無人機(jī)三維建模生成了測高衛(wèi)星在同時間段內(nèi)過境區(qū)域的厘米級精度數(shù)字高程模型，并與ICESat-2衛(wèi)星光子軌道高程進(jìn)行了對比分析。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建了針對新型單光子測高衛(wèi)星的極地冰蓋“空-地”協(xié)同精度驗證系統(tǒng)，評估了ICESat-2不同冰蓋高程數(shù)據(jù)產(chǎn)品在東南極典型區(qū)域的精度和探測能力，并將進(jìn)一步在測高精度驗證的基礎(chǔ)上開發(fā)南極冰蓋表面高程變化模型，發(fā)掘ICESat-2衛(wèi)星在極地監(jiān)測應(yīng)用的潛在可能性，為精確量化冰蓋表面高程變化和物質(zhì)平衡以及海平面上升預(yù)測奠定了基礎(chǔ)[42]。

圖4 南極科考新型單光子測高衛(wèi)星ICESat-2南極冰蓋星-空-地協(xié)同精度驗證

3.2 SAR衛(wèi)星角反射器布設(shè)與冰流速驗證

為了進(jìn)行冰蓋流動速度的監(jiān)測與驗證，以及為中山站及其附近區(qū)域冰蓋物質(zhì)平衡提供準(zhǔn)確的輸入?yún)?shù)，在第31、35和36次南極科考期間，沿中山站到昆侖站的CHINARE內(nèi)陸沿線布設(shè)了6個SAR衛(wèi)星角反射器(圖5)，其中第31次科考安裝M1、M2、M3，第35次安裝A1、A2，第36次安裝A3，并對其進(jìn)行位置記錄和SAR衛(wèi)星拍攝和持續(xù)維護(hù)。中山站至昆侖站內(nèi)陸科考路線全長1200 km，冰流速從幾米每年到100多米每年不等?？紤]衛(wèi)星軌道傾角、入射角和各角反射器布設(shè)處的位置信息，設(shè)計得到角反射器安裝的方位角和高度角，以保證在編程拍攝的SAR衛(wèi)星影像上可以識別到角反射器。

圖5 在中國南極內(nèi)陸考察CHINARE路線沿線布設(shè)的SAR衛(wèi)星角反射器(M1—M3、A1—A3為已布設(shè)位置，A4—A7為未來計劃布設(shè)位置)

安裝的SAR衛(wèi)星角反射器由4部分組成，包括角反射器主體支架、GNSS定位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和電力及控制系統(tǒng)組成。角反射器主體支架按照計算的方位角和高度角進(jìn)行安裝，可以被SAR衛(wèi)星捕捉到，在SAR影像上表現(xiàn)為突出的亮斑；GNSS定位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包含多模GNSS高精度定位板卡和普通GNSS定位模塊，在實時獲取動態(tài)位置信息的同時也可以定期進(jìn)行靜態(tài)GNSS數(shù)據(jù)采集；遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)由銥星通信模塊及銥星天線組成，用于將GNSS定位數(shù)據(jù)實時回傳到國內(nèi)數(shù)據(jù)中心；整個角反射器系統(tǒng)由多塊適合在低溫運行的蓄電池進(jìn)行供電，并通過控制器對各個系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)同控制以保證正常運行。各個SAR角反射器布設(shè)完成后，對SAR衛(wèi)星進(jìn)行編程采集了影像數(shù)據(jù)，基于像元偏移追蹤反演了冰蓋表面冰流速度，再根據(jù)識別到的角反射器的目標(biāo)和傳輸回的GNSS位置計算了獲得角反射器的移動速度，對SAR衛(wèi)星影像反演的冰流速進(jìn)行了驗證，初步結(jié)果表明GNSS實測的冰流速度與遙感反演的冰流速趨勢一致。

3.3 粒雪內(nèi)部溫度觀測與密實化模型驗證

基于第35次南極內(nèi)陸科考中山站-昆侖站CHINARE沿線觀測的多個溫度鏈站點的粒雪層內(nèi)部溫度數(shù)據(jù)，對現(xiàn)有粒雪密實化模型[43]進(jìn)行評估驗證，并將該數(shù)據(jù)用于粒雪密實化模型改進(jìn)以提高模型預(yù)測精度，進(jìn)而提升ICESat-2測高衛(wèi)星估算南極物質(zhì)平衡的能力，降低海平面上升預(yù)測的不確定性。泰山站作為數(shù)不多的南極內(nèi)陸考察站之一，缺少實測雪溫資料，該區(qū)域的粒雪層溫度分布的觀測對南極的氣候和冰蓋變化研究具有重要意義。第36次南極科考期間，在泰山站采用熱熔鉆打鉆方式布設(shè)了雪冰內(nèi)部20 m深度的溫度鏈(圖6(a)、(b))，該溫度鏈設(shè)備由太原理工大學(xué)制作，可以實現(xiàn)20 m鉆孔深度內(nèi)間隔為0.5 m的粒雪層內(nèi)部溫度持續(xù)觀測與實時回傳。

安裝完成后，通過將南極泰山站溫度鏈回傳的實測數(shù)據(jù)用于粒雪密實化模型熱傳導(dǎo)方程[43]解算與模擬溫度驗證，通過設(shè)置上下邊界條件(確定溫度模擬深度)和初始邊界條件(模擬起始時間)求解粒雪層溫度。解算時將泰山站實測表面溫度作為熱傳導(dǎo)公式的上邊界條件輸入，年平均溫度作為下邊界條件，下邊界對應(yīng)深度為溫度鏈觀測深度。密度上邊界條件設(shè)置為300 kg/m3，下邊界條件通過密度經(jīng)驗公式得到，模型間隔為溫度鏈觀測間隔0.5 m，粒雪層實測溫度和模擬溫度如圖6(c)、(d)所示，可以發(fā)現(xiàn)模擬溫度與實測溫度具有很好的一致性。

圖6 第36次南極科考冰蓋泰山站熱熔鉆打鉆進(jìn)行溫度鏈布設(shè)((a)、(b))和泰山站溫度鏈站點粒雪層溫度連續(xù)觀測數(shù)據(jù)(c)及對應(yīng)的模擬數(shù)據(jù)(d)

3.4 探冰雷達(dá)與光學(xué)無人機(jī)海冰探測

南極科考中物資補(bǔ)給與冰面運輸對于保障極地科考安全具有重要意義，中山站是我國南極科考的重要物資補(bǔ)給站與冰蓋內(nèi)陸科考路線起點。中國南極科考隊雪龍?zhí)柤啊把?”號抵達(dá)南極固定海冰外圍后，在無法繼續(xù)破冰抵近中山站的情況下，隨船科考物資需要通過海冰冰面運輸?shù)诌_(dá)中山站，即南極科考第一階段的重要任務(wù)：海冰卸貨[44]。傳統(tǒng)海冰卸貨路線的確定，首先通過中等分辨率遙感衛(wèi)星確定近實時冰情[45]，在大尺度范圍內(nèi)規(guī)避冰面大型冰山，初步確定路線，同時由中山站越冬隊員駕駛雪地摩托車進(jìn)行海冰冰面探路，實地確定固定冰冰面的平整冰與亂冰區(qū)分界、冰裂縫位置等，并在冰面打鉆測量特定點位的海冰厚度，最終確定海冰卸貨路線。傳統(tǒng)的人工海冰探路方式由于沒有高分辨率實時冰面影像地圖的導(dǎo)航，探路效率不高且存在一定的危險性，獲取的是路線上離散點的冰厚信息，點位間冰厚安全無法保證。

第36次南極科考中，在中分辨率衛(wèi)星遙感確定初步線路的基礎(chǔ)上，通過光學(xué)無人機(jī)和冰雷達(dá)無人機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場觀測確定最優(yōu)卸貨路線，如圖7所示。2019年11月20日，通過大疆精靈4RTK光學(xué)旋翼無人機(jī)對固定海冰環(huán)境進(jìn)行航拍并進(jìn)行處理，生成高精度高分辨率的實時冰情遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品，通過對正射影像和三維模型進(jìn)行解譯判讀規(guī)避亂冰區(qū)、冰山和潮汐裂縫。同時，通過無人機(jī)掛載國產(chǎn)探冰雷達(dá)方式，于2019年11月21日對海冰卸貨路線進(jìn)行了冰厚連續(xù)測量，并進(jìn)行了打鉆驗證。選取的國產(chǎn)大型旋翼無人機(jī)載荷大，在南極中山站區(qū)域海冰低溫環(huán)境下工作20 min左右，飛行距離4 km以上；掛載的400 MHz探冰雷達(dá)適合近地表飛行，海冰冰厚測量時的飛行高度2～3 m，海冰探測深度大于1 m，在海冰卸貨現(xiàn)場可以區(qū)分海冰的空氣-雪面、海冰-海水分界面，進(jìn)而獲得了連續(xù)的海冰厚度，為海冰卸貨的冰厚安全提供數(shù)據(jù)支持。在完成無人機(jī)載探冰雷達(dá)南極首次試驗飛行后，該技術(shù)將繼續(xù)在南極科考支持下驗證不同工況下的試驗效果，為今后南極內(nèi)陸科考探路服務(wù)。

圖7 第36次南極科考通過光學(xué)與冰雷達(dá)無人機(jī)進(jìn)行海冰探路確定卸貨路線

3.5 “空-地”協(xié)同的雪冰環(huán)境調(diào)查與跑道選址

南極機(jī)場跑道主要包括海冰跑道、藍(lán)冰跑道、雪橇跑道和壓實雪層跑道[46]，其中藍(lán)冰跑道是大型輪式運輸機(jī)的優(yōu)選跑道類型。在南極現(xiàn)場調(diào)查前，需要根據(jù)衛(wèi)星遙感針對機(jī)場跑道選址的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行分析，包括跑道長度、冰流速、坡度、冰裂隙分布等[47]。第36次南極科考期間同濟(jì)大學(xué)團(tuán)隊基于直升機(jī)、無人機(jī)和地面觀測平臺，在衛(wèi)星遙感分析的基礎(chǔ)上，參與了中國極地研究中心對中山站附近藍(lán)冰區(qū)域的雪冰環(huán)境調(diào)查，為跑道選址提供基礎(chǔ)參考。南極中山站區(qū)域雪冰環(huán)境調(diào)查包括通過現(xiàn)場冰芯鉆探確定該區(qū)域的冰雪屬性特征，通過無人機(jī)航拍研究冰面微地形、坡度和坡向等特征，測定選址區(qū)域的冰雪物理參數(shù)，通過便攜式移動氣象站觀測研究區(qū)域的氣象要素，根據(jù)目測確定研究區(qū)域夏季消融程度，并最終通過無人機(jī)航空觀測確定研究區(qū)域周邊冰裂隙分布情況等(圖8)。上述雪冰環(huán)境調(diào)查獲得的雪冰表面區(qū)域的地形、冰物理化學(xué)性質(zhì)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、融化、冰裂隙和密度等信息，可為南極機(jī)場跑道選址工作提供依據(jù)。

圖8 參與中國極地研究中心在南極中山站附近區(qū)域雪冰環(huán)境調(diào)查數(shù)據(jù)采集

基于大疆精靈DJI 4 RTK旋翼無人機(jī)和DRTK-2基站，獲取了調(diào)查區(qū)域的高分辨率無人機(jī)遙感數(shù)據(jù)，通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行攝影測量三維建模獲取了神州灣藍(lán)冰區(qū)域的正射影像和數(shù)字表面模型，提取了藍(lán)冰分布范圍、冰裂隙分布、高程變化及坡度變化等表面微地形特征。同時，通過光譜儀進(jìn)行現(xiàn)場光譜測量，發(fā)現(xiàn)藍(lán)冰分布區(qū)域與衛(wèi)星影像上分布相似，冰表面覆蓋的積雪厚度不均勻；該區(qū)域表面主要被雪和融雪冰所覆蓋，但是在雪下廣泛分布著小型冰裂隙，一般長度為幾米到幾十米不等，寬度從厘米到米級。這些裂隙基本暴露在外，裂隙內(nèi)日間氣溫高時有融水，夜間氣溫低時融水重新凍結(jié)，初步判斷是表層融水滲透流通的導(dǎo)流渠道。通過冰鉆鉆取冰芯，測量冰芯密度、長度、質(zhì)量，冰面硬度以及冰表面溫度等物理屬性，發(fā)現(xiàn)在2 m深度范圍內(nèi)的冰芯主要是粒雪和冰層和混合物，存在冰層但大部分是粒雪顆粒。

3.6 格陵蘭冰蓋質(zhì)量變化評估

格陵蘭冰蓋研究方面，重力估計法基于重力衛(wèi)星GRACE建立時變重力場模型時間分辨率為1個月，精度約為1 cm等效水柱高，是監(jiān)測極地冰蓋物質(zhì)平衡的重要方法[48]。目前國際上多家機(jī)構(gòu)如美國宇航局戈達(dá)德宇宙航行中心(GSFC)和美國噴氣推進(jìn)實驗室(JPL)和空間研究中心(CSR)均基于GRACE衛(wèi)星研究了格陵蘭冰蓋質(zhì)量變化。筆者團(tuán)隊利用GRACE Level-1B觀測數(shù)據(jù)，求解獲得了一組附有先驗信息約束的高階球諧系數(shù)解(180階)，有效地提高了空間分辨率，應(yīng)用團(tuán)隊最新發(fā)布的高階球諧系數(shù)Tongji-regGrace2019及CSR點質(zhì)量模型反演得到格陵蘭冰蓋2002年4月至2016年12月的質(zhì)量變化趨勢空間分布[49]，如圖9所示。結(jié)果表明這2種方法具有很好的一致性，發(fā)現(xiàn)格陵蘭冰蓋東南部及西部邊緣存在嚴(yán)重的質(zhì)量損失，而內(nèi)部高原地區(qū)存在質(zhì)量累積。衛(wèi)星重力法估計極地冰蓋質(zhì)量變化當(dāng)前面臨的主要挑戰(zhàn)是其空間分辨率不足，制約對冰蓋質(zhì)量變化細(xì)節(jié)信號的探測與研究。

圖9 2002—2016年格陵蘭質(zhì)量變化空間分布特征比較

4 未來的極地科考現(xiàn)場計劃

在今后的極地科學(xué)考察中，將繼續(xù)依托承擔(dān)的國家重點研發(fā)計劃和國家自然科學(xué)基金等項目，在國家極地考察辦公室和中國極地研究中心的領(lǐng)導(dǎo)和支持下，在南極主要科考站區(qū)開展冰蓋物質(zhì)平衡關(guān)鍵參數(shù)監(jiān)測、衛(wèi)星角反射器布設(shè)與冰流速驗證、冰川表面微地形建模與演化、溫度鏈布設(shè)和主被動微波靶標(biāo)驗證，北極格陵蘭走航與冰站觀測和青藏高原凍土變化等方面進(jìn)行現(xiàn)場科考。

在已有的東南極內(nèi)陸冰蓋CHINARE考察路線的ICESat-2新型測高衛(wèi)星“空-地”驗證框架的基礎(chǔ)上，將進(jìn)一步擴(kuò)展南極冰蓋現(xiàn)場驗證的區(qū)域和科考驗證內(nèi)容，將現(xiàn)場觀測區(qū)域由中山站和泰山站拓展到內(nèi)陸冰穹昆侖站以及對應(yīng)的中山站到昆侖站1200 km的CHINARE科考路線，以及長城站區(qū)域。擬在這些區(qū)域進(jìn)行架設(shè)GNSS基站和移動站構(gòu)建高程測線，在ICESat-2衛(wèi)星過境前布設(shè)全反射棱鏡陣列，評估ICESat-2數(shù)據(jù)的產(chǎn)品精度及衛(wèi)星運行時間對定位精度的影響，布設(shè)特定反射率靶標(biāo)以探究不同地物反射率對光子定位精度的影響。同時，將繼續(xù)依托南極內(nèi)陸科考在CHINARE沿線布設(shè)4個新型SAR衛(wèi)星角反射器(見圖5，A4—A7)，并對其坐標(biāo)進(jìn)行連續(xù)GNSS觀測與實時數(shù)據(jù)回傳，同時維護(hù)已有的6個角反射器，檢查其是否被積雪覆蓋，進(jìn)行重新布設(shè)和電池更新等。根據(jù)布設(shè)的角反射器位置，編程采集國際和國產(chǎn)SAR衛(wèi)星數(shù)據(jù)影像，在不同位置進(jìn)行角反射器目標(biāo)識別并對冰蓋流動速度進(jìn)行地面驗證分析。

在前期南極物質(zhì)平衡關(guān)鍵參數(shù)觀測的基礎(chǔ)上，未來將在科考站周邊布設(shè)用于物質(zhì)平衡估算的溫度鏈自動觀測設(shè)備，基于熱水鉆垂直鉆探安裝溫度鏈，并對溫度鏈的坐標(biāo)進(jìn)行GNSS觀測，安裝維護(hù)供電與通信設(shè)備，搜集記錄冰雪表面下垂直溫度信息，用于反演南極冰蓋物質(zhì)平衡物理模型與觀測融合的參數(shù)，為未來南極區(qū)域物質(zhì)平衡研究提供時空連續(xù)的實測溫度數(shù)據(jù)。同時，將進(jìn)一步基于無人機(jī)對南極冰蓋典型區(qū)域進(jìn)行低空攝影測量，對獲得的遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行三維立體重建，生成高精度正射影像和數(shù)字表面模型等產(chǎn)品，對重要區(qū)域冰蓋和冰川進(jìn)行微地形分析，并進(jìn)行多時相觀測，利用得到的多時相高分辨率產(chǎn)品對典型區(qū)域的冰流速度、冰裂隙、融池、冰坑、藍(lán)冰等冰川地貌的地理分布和幾何屬性進(jìn)行提取，對其冰川微地形進(jìn)行恢復(fù)。此外，將在重點研發(fā)項目支持下在極區(qū)冰凍圈主被動微波探測方面開展關(guān)鍵過程監(jiān)測和科學(xué)驗證，涵蓋冰蓋表層、內(nèi)部和底部的精密探測、海冰監(jiān)測和主被動微波新型探測設(shè)備樣機(jī)的真實性檢驗等。在第38次及未來南極科考中，將在南極中山站附近埋設(shè)主被動微波冰下靶標(biāo)，為后續(xù)航空校飛和地面試驗提供驗證數(shù)據(jù)。

將開展北極海冰和航道船載科學(xué)考察現(xiàn)場驗證，主要調(diào)查北極海冰和海洋環(huán)境，厘清北極海-冰-氣相互作用機(jī)制及其與全球變化的關(guān)系?；谥袊睒O科考，通過走航觀測、斷面綜合調(diào)查及冰站考察等方式進(jìn)行北極現(xiàn)場觀測，開展深海重力-地磁及海洋溫鹽和深度等多學(xué)科走航調(diào)查，觀測海洋環(huán)境中污染物的特征、來源及對海洋和生態(tài)系統(tǒng)的影響，綜合多傳感器的海冰冰站冰情探測，厘清海冰、積雪和融池的特征與發(fā)育過程，為未來北極無人深潛提供支撐。

在開展南北極科考的同時，也將開展青藏高原現(xiàn)場科考，重點進(jìn)行凍土范圍變化和凍土活動層厚度的科考驗證。在青藏鐵路和青藏公路沿線的不同區(qū)域，現(xiàn)場考察記錄地表覆蓋類型、植被種類和凍融變化。在凍土區(qū)域進(jìn)行鉆孔勘測，記錄凍土活動層深度、土壤類型和密度、水分、溫濕度等參數(shù)信息，以及對應(yīng)的表面形變量，為遙感InSAR反演凍土活動層深度變化提供地面驗證。

5 結(jié) 論

在全球氣候變化背景下，海平面上升及應(yīng)對是國際關(guān)注的重要科學(xué)問題，極地冰蓋關(guān)鍵過程和關(guān)鍵參數(shù)遙感監(jiān)測研究是全球變化機(jī)理、影響和模擬研究的重點領(lǐng)域，對揭示極地冰蓋物質(zhì)平衡對全球海平面變化的影響，提高海平面上升貢獻(xiàn)的預(yù)測精度至關(guān)重要。同時，通過極地科學(xué)考察獲取現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)為遙感觀測提供校準(zhǔn)和驗證，可為關(guān)鍵參數(shù)的多尺度觀測提供精度保障，對于降低遙感反演的不確定性具有重要意義。近年來，隨著國家對極地研究的重視和持續(xù)投入，我國在極地科學(xué)考察中取得了巨大的成就，正由極地大國向極地強(qiáng)國邁進(jìn)。本文基于同濟(jì)大學(xué)全球變化研究團(tuán)隊在極地冰蓋關(guān)鍵過程參數(shù)的測繪遙感與現(xiàn)場考察，重點闡述了在極地科考地面驗證和數(shù)據(jù)處理方面的研究，包括在南極冰蓋的ICESat-2測高衛(wèi)星的空-地協(xié)同驗證、衛(wèi)星角反射器布設(shè)、粒雪層內(nèi)部溫度觀測與模型驗證、多平臺無人機(jī)海冰探測和雪冰環(huán)境調(diào)查與跑道選址，以及在格陵蘭冰蓋的重力法質(zhì)量變化評估等。在未來的極地科考中，除了繼續(xù)推進(jìn)南極冰蓋現(xiàn)場科考驗證外，還將在北極海冰與航道和青藏高原凍土活動層等方面進(jìn)行現(xiàn)場觀測驗證，進(jìn)一步完善極地天-空-地基綜合協(xié)同觀測體系，揭示極地冰蓋變化關(guān)鍵過程和質(zhì)量遷移趨勢。