陳國棟，李建成，褚永海，李大煒

武漢大學(xué)測繪學(xué)院，湖北 武漢430079

1 引 言

北冰洋水文的最大特點是海面上的浮冰，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)生和融化的過程對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、動量和水汽的交換［2］，海冰的變化不僅對北極地區(qū)的氣候產(chǎn)生巨大影響，對全球氣候以及海洋系統(tǒng)能量交換也有很大影響。近年來，北冰洋海冰呈現(xiàn)明顯的減少趨勢，僅僅通過衛(wèi)星遙感影像獲取的海冰覆蓋面積已經(jīng)無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題［3］。此外，海冰出水高度的確定也是利用衛(wèi)星測高確定北冰洋海面高的關(guān)鍵步驟，對于北冰洋海面高、海面動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］。測高衛(wèi)星的出現(xiàn)使得人們能夠?qū)１鏊叨乳_展大范圍的研究，2003年，文獻［7］根據(jù)ERS衛(wèi)星的雷達測高數(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，非常適合用于海冰出水高度的觀測。在其6年的運行周期內(nèi)，所提供的海冰測高數(shù)據(jù)為兩極海冰的研究起到了重要作用。2005年，文獻［4］利用GRACE數(shù)據(jù)改進后的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測高數(shù)據(jù)獲得了北冰洋海冰出水高度模型。2007年，文獻［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［11］將沿軌50km范圍內(nèi)ICESat測高數(shù)據(jù)中最低的2%的點作為海面高觀測值，研究了南極威德爾海的海冰出水高度及厚度變化。2009年，文獻［12］則提出了根據(jù)ICESat回波波形參數(shù)識別海面測高數(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。國內(nèi)目前利用ICESat數(shù)據(jù)進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［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［18］利用ICESat數(shù)據(jù)反演了南極羅斯海的海冰厚度；文獻［19］利用ICESat數(shù)據(jù)獲得的海冰出水高度對北冰洋海冰厚度變化進行了研究；文獻［20］利用EnviSat研究了兩極海冰的分布特性。

目前，文獻［6，18，21—24］提出的最低點法被認為是計算海冰出水高度最簡單、有效的方法，得到了廣泛的應(yīng)用。但由于目前對北冰洋海冰的了解太少，無法確定2%的最低點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，并與最低點法進行比較，對兩種方法的誤差進行了分析，進而計算了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2～3個周期，每個周期為期大約33d，觀測時間選在每年的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個任務(wù)周期的觀測數(shù)據(jù)，任務(wù)期編號為L3b—L3g（見表1）。數(shù)據(jù)是由美國冰雪中心（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測高數(shù)據(jù)主要有兩個誤差源，一是大氣前向散射，二是由于回波能量超過接收器接收能力造成的波形飽和，兩者都會延長激光傳播時間，從而造成測高數(shù)據(jù)偏低。因此，為保證數(shù)據(jù)質(zhì)量，須對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理。本文綜合了文獻［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)，過大的反射率是由于嚴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)，過大的回波擬合殘差意味著波形被嚴重的扭曲，因而數(shù)據(jù)精度較差；③剔除接收機增益大于30的數(shù)據(jù)，較高的接收機增益表示激光在傳播過程中能量衰減嚴重，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，為避免無冰區(qū)域?qū)τ嬎愕挠绊懀鶕?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)期用于出水高度計算的觀測值數(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)過了潮汐和對流層延遲改正的大地高。首先對helv進行波形飽和改正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則由下式計算［26］

式中，P為觀測時的海面氣壓；P0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。經(jīng)各項改正后，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，將hc移去25km滑動平均值hm25來獲得一個零均值的高程序列hr（如圖1）

25km的滑動窗口不僅可以去除模型化殘差的長波變化，而且可以有效地區(qū)分海面和海冰高程變化的波長［8］，同時也可減小ICESat的空間分辨率對出水高度計算造成的影響［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。對于ICESat來說，由于激光無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、海面動力地形和潮汐模型來計算海面高也會產(chǎn)生一定的誤差［11］，因此，不能通過模型化的方法來計算hssh。由于海冰的水平運動，有時在海冰之間會產(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)，在不受嚴重的波形飽和或大氣前向散射影響時，可以通過回波的特征參數(shù)將海面的觀測值區(qū)分出來。這些參數(shù)包括反射率R、波形展寬S、波形長度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，所以水面觀測值的V一般較小。這兩個參數(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］，而波形長度L是脈沖回波信號持續(xù)的長度，這兩個參數(shù)的計算如下

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有效信號的起止時間［28］；c是光速。反射面越粗糙，波形展寬越嚴重，脈沖持續(xù)的長度也越長，因此S和L在一定程度上代表了ICESat光斑內(nèi)地形的起伏。對于冰間水道這樣的平靜表面，這兩個參數(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，4個參數(shù)的數(shù)值都比較小。對大量類似圖3的數(shù)據(jù)進行波形特征統(tǒng)計，并參考ICESat在水面上的波形特征［28］，可以認為海面觀測值一般應(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值有可能會產(chǎn)生誤判，因此有必要對海面高程的變化特征進行一定的了解，通過高程的變化進一步進行判斷。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值，以便對海面高程的變化進行分析。圖3（a）中圓點所示的就是明顯的海面點。

通過人工判斷的方式，在L3b—L3g的6期數(shù)據(jù)中找出了16 535個明顯的海面點，并按照25km的間距分段，共1426段軌跡，對每個25km長的軌跡內(nèi)海平面高的標(biāo)準(zhǔn)差進行了統(tǒng)計，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的觀測誤差。研究表明ICESat在平坦的冰蓋表面的測高精度為2cm（文獻［29］），考慮到海面高觀測值中還存在模型殘差的影響，本文的統(tǒng)計結(jié)果與這個結(jié)果是基本一致的。

圖3 IceSat海冰觀測示例Fig.3 Example of ICESat sea ice observation

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

在本文統(tǒng)計的1426個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，要求每個25km軌跡中用于計算平均海面高的觀測值的高程標(biāo)準(zhǔn)差不超過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對結(jié)果產(chǎn)生太大的影響。對標(biāo)準(zhǔn)差限值的取值進行試驗，結(jié)果表明將標(biāo)準(zhǔn)差限制在3～6cm的范圍對海冰出水高度平均值的影響不超過1cm。

3.3 海冰出水高度的計算

顯然，如果不考慮觀測誤差，則ICESat測得的最低點應(yīng)該是來自海面或者出水高度最低的海冰表面的高程，因此，要求計算的海平面與25km內(nèi)最低點之間的高差在兩者的1倍中誤差以內(nèi)，以進一步防止海面觀測值的誤判。海面高的中誤差取3.2節(jié)中分析獲得的3cm，ICESat測高的中誤差為14cm（文獻［30］），故計算的海面高不應(yīng)高于最低點17cm。在大多數(shù)情況下，這個條件不會影響海平面高的計算，以L3d為例，僅有8%的海面高在計算時受到了17cm的高差限制。

計算出水高度的步驟如下：

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

（2）若上一步計算的高程標(biāo)準(zhǔn)差大于3.5cm或平均值與最低點高差超過17cm，則去掉其中高程最高的點，重新計算標(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處的海平面高，根據(jù)式（4）計算海冰出水高度。

在利用上述方法確定海面出水高度時，根據(jù)季節(jié)的不同，每個任務(wù)期用于確定海面高的觀測值的比例約為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 不同方法計算出水高度的比較

4.1 試驗方案

最低點法的假設(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［31］通過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為2%～3%，夏季為5%～7%，而冬季時外圍海域冰間水道的比例則為6%～9%，文獻［7］通過水下聲吶數(shù)據(jù)計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%的比例可能會使出水高度的計算產(chǎn)生誤差。例如，文獻［24］通過ICESat與空載電磁感應(yīng)測深數(shù)據(jù)的對比發(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算。

為對不同方法確定出水高度的結(jié)果進行比較，本文用5種方案計算了出水高度：方案1采用本文提出的方法；方案2—方案5均采用最低點法，冰間水道比例分別為2%、2%、5%和9%，其中方案2沒有對出水高度計算的區(qū)域進行限制，方案3—方案5則將計算區(qū)域限定在與方案1相同的范圍內(nèi)（即只在方案1能夠確定海面點的25km軌跡分段內(nèi)進行確定海冰出水高度的計算，若采用方案1的方法沒有找到海面觀測值，則不進行計算），以避免空間分布差異對結(jié)果的影響。此外，方案5還要求所選最低點的高程標(biāo)準(zhǔn)差不超過3.5cm。不同方案計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，冰間水道的實際比例還不到2%，最低點法在選取海面觀測值時引入了冰面上的觀測值，由此確定的海面高偏高。當(dāng)通過在最低點法中加入3.5 cm的高程標(biāo)準(zhǔn)差限差來剔除來自冰面觀測的粗差后（方案5），即使最低點的比例提高到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））。這表明本文方法計算厚冰區(qū)海冰出水高度的可靠性要明顯優(yōu)于最低點法。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遠大于2%，在這樣的情況下，2%的最低點顯然低估了海平面，從而導(dǎo)致計算的出水高度偏高，當(dāng)最低點的比例提高時，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)果在兩個夏季任務(wù)期L3c與L3f的差異約為2～3cm，遠遠大于其他兩個季節(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重的大氣前向散射影響，對于這個影響，目前既沒有有效的改正方法，也無法準(zhǔn)確地識別受影響的觀測值［28］，所以，即便對數(shù)據(jù)進行了嚴格的數(shù)據(jù)編輯，夏季的觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量仍然比其他兩個季節(jié)的觀測質(zhì)量要差。受到大氣前向散射影響的ICESat觀測值會偏低，因此最低點法對于大氣前向散射的影響非常敏感，而本文的方法對波形進行了識別，不僅可以避免一些來自冰面上的受到大氣前向散射影響的數(shù)據(jù)，而且波形識別的過程也對觀測值的質(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算方法，因此兩種方案的差異完全是由兩者計算區(qū)域的不同所導(dǎo)致的，其中方案3只在方案1能夠找到海面觀測值的區(qū)域計算海冰出水高度，而方案2則在所有有ICESat觀測值的區(qū)域都進行了計算。對比兩者的結(jié)果，方案2在6個任務(wù)期計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，本文的方法無法確定海面高，也無法計算海冰出水高度。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的整個北冰洋海域的平均海冰出水高度偏低，在觀測質(zhì)量較好的秋、冬季，這個偏差大約為2～3cm。

方案3和方案4均采用了最低點法，最低點比例分別為2%和5%，在秋、冬季，兩者的差異均為3cm左右，而夏季則超過4.5cm。圖5（d）所示為方案4和方案3計算的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，兩種方案的計算中都沒有引入冰面上的高程，兩者的差異是由于ICESat的觀測誤差以及海面的自然起伏引起的。這個結(jié)果說明最低點的比例大于冰間水道的實際比例時造成的誤差比小于冰間水道實際比例時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算

通過上面的討論可知，本文的方法在局部區(qū)域具有比最低點法更高的可靠性，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。最低點法雖然不存在空間分布不均的問題，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，將兩種方法進行結(jié)合：對每個ICESat觀測值，首先根據(jù)本文的方法判斷該點處的瞬時海面高，如果這種方法找不到符合要求的觀測值，則用加上3.5cm高程標(biāo)準(zhǔn)差限制的最低點法確定海平面高。在對不同季節(jié)使用最低點法計算海面高時，采用了不同的冰間水道比例，秋、冬季節(jié)觀測質(zhì)量較好，不同方法間的結(jié)果較差較小，采用2%的最低點比例，而夏季糟糕的觀測質(zhì)量對最低點法的影響較大，則選擇9%的冰間水道比例。這不僅更接近實際情況，而且較多的觀測值也可以減小觀測誤差對結(jié)果的影響。最終獲得的6個任務(wù)期的平均海冰出水高度如表2最后一行所示。將計算結(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長的拖尾。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區(qū)域，其中低于20cm的區(qū)域（圖中深藍色部分）主要是9月以后才逐漸形成的首年冰，這些區(qū)域的海冰在夏季時會融化，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，在進入更寒冷的區(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)過夏季的融化后，秋初時海冰出水高度達到一年中的最低值。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)計中，L3f海冰平均出水高度要大于L3e?？赡艿脑蛴袃蓚€：一是夏季糟糕的觀測質(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到當(dāng)時的歷史新低［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)計中，可以清楚地看到兩個峰值，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的首年冰的比例遠遠高于其他5個季度。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北冰洋海冰帶來的巨大影響。

圖7 北冰洋海冰出水高度統(tǒng)計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，主要是通過海冰覆蓋區(qū)海面的起伏和ICESat回波特征識別海平面的測高數(shù)據(jù)，從而計算海冰出水高度。通過與最低點法的比較，表明本文提出的方法在觀測質(zhì)量不佳或冰間水道比例不滿足假設(shè)條件時具有比最低點法更高的可靠性，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法確定海冰出水高度。將兩種方法進行結(jié)合，獲得了2005—2006年的6個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對北冰洋以及北極的氣候產(chǎn)生深遠的影響。

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