王星東，代文浩

（1.河南工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，河南鄭州450001；2.中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所，北京100094）

1 引言

南極在全球變暖中發(fā)揮著舉足輕重的作用，因?yàn)檫@一區(qū)域發(fā)生的大氣-冰-海洋的相互作用通過反饋、生物地球化學(xué)循環(huán)、深層大洋環(huán)流、能量的大氣輻射傳輸以及冰物質(zhì)平衡的變化等影響整個(gè)地球系統(tǒng)[1]。海冰是南極地區(qū)最重要的大氣環(huán)境特征之一，海冰的存在及其季節(jié)和年際變化是極地海洋狀況最顯著和變化最大的特征[2]。由于海冰的高反射率特性，使得其反射了大部分的太陽(yáng)光，從而平衡了海洋與大氣之間的熱量[3]。海冰的變化影響南極地區(qū)太陽(yáng)輻射的吸收，直接導(dǎo)致熱量收支的差異[4]。因此南極海冰變化的研究對(duì)于全球氣候變化有著重要意義。

研究表明，南極海冰主要由多年冰和一年冰組成。多年冰指存在時(shí)間大于一年的海冰，夏季沒有融化的海冰一般為多年冰，一般將每年夏季最小覆蓋值的海冰數(shù)據(jù)作為多年冰數(shù)據(jù)。一年冰指存在不超過一年的海冰[3]。多年冰與一年冰共同組成南極整體海冰。

隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星遙感已經(jīng)逐步成為一種高效的海冰觀測(cè)手段[5]。其中，被動(dòng)微波遙感以其全天候、可以穿透云霧雨雪以及相較于雷達(dá)圖像處理較為簡(jiǎn)單等眾多特點(diǎn)而被廣泛地運(yùn)用于海冰遙感監(jiān)測(cè)中。國(guó)內(nèi)外已有學(xué)者對(duì)南極海冰進(jìn)行了一系列的研究：Parkinson等[6-7]利用1979—1998年多波段微波輻射掃描儀（Spatial Sensor Microwave/Imager，SSM/I）海冰密集度產(chǎn)品，發(fā)現(xiàn)南極海冰面積以1.12±0.42×104km2/a的速度增加。利用1979—2013年衛(wèi)星數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)南極2月海冰面積退縮到3.1×106km2，占南極海冰最大面積（18.5×106km2）的16.8%。Cavalieri等[8]指出，1973—1977年南極海冰面積減少，1977—2002年增加。沈校熠等[3]指出2002—2011年南極海冰面積增加了3.8%，南極一年冰增長(zhǎng)速度較低，平均每年增加約0.1×106km2，且大范圍地分布在南極大陸（除威德爾海外）周圍，多年冰平均每年減少0.05×106km2，且多處于威德爾海。劉艷霞等[9]利用1979—2014年被動(dòng)微波輻射計(jì)海冰密集度產(chǎn)品發(fā)現(xiàn)：海冰密集度變化率在-1.4%～1.03%之間，南極海冰范圍變化具有比較顯著的季節(jié)性。劉伊格等[10]利用美國(guó)冰雪數(shù)據(jù)中心（National Snow and Ice Data Center，NSIDC）提供的1979—2015年南北極海冰運(yùn)動(dòng)矢量數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)海冰運(yùn)動(dòng)速度增長(zhǎng)速率為0.3 m/h，而海冰范圍以每年1.11×103km2的速度擴(kuò)張。張辛等[11]使用中分辨率成像光譜儀（Moderate-resolution imaging spectroradiometer，MODIS）影像與對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星被動(dòng)微波傳感器（Advanced Microwave Scanning Radiometer for the Earth Observing System，AMSR-E）衛(wèi)星傳感器數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)南極海冰在2002—2004年無明顯的增減變化，2005—2007年明顯減少，2008—2010年則處于增長(zhǎng)趨勢(shì)。

綜上所述，南極海冰時(shí)空變化顯著，復(fù)雜多樣。本文利用SSM/I的19 GHz水平與垂直極化數(shù)據(jù)和37 GHz的垂直極化數(shù)據(jù)，通過美國(guó)國(guó)家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）的NASA TEAM算法反演出整體海冰、多年冰和一年冰的密集度。根據(jù)海冰密集度確定海冰分布與面積，進(jìn)而分析南極整體海冰、多年冰和一年冰的時(shí)間變化及多年冰和一年冰的空間變化。南極海冰是全球海冰的重要組成部分，深刻影響著全球氣候的變化。本文揭示了近二十年來南極海冰的時(shí)空變化特征，為研究全球氣候變化提供了重要的數(shù)據(jù)源。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)

本文所用數(shù)據(jù)來自于美國(guó)國(guó)防氣象衛(wèi)星（Defense Meteorological Satellite Program，DMSP）所搭載的SSM/I傳感器數(shù)據(jù)，SSM/I搭載在 DMSP-F8、F11、F13、F17平臺(tái)上[12]，數(shù)據(jù)使用時(shí)間從1989年7月9日至今，空間分辨率為25 km。該數(shù)據(jù)共有19 GHz、22 GHz、37 GHz和 85 GHz 4個(gè)波段，除 22 GHz外，其余波段都有垂直和水平極化兩種狀態(tài)。本文使用1997—2017年F13、F17傳感器的19 GHz水平與垂直極化數(shù)據(jù)和37 GHz的垂直極化數(shù)據(jù)。不同傳感器運(yùn)行時(shí)段如表1所示：

對(duì)于不同傳感器的數(shù)據(jù)需要進(jìn)行歸一化處理，以便做長(zhǎng)時(shí)間序列的監(jiān)測(cè)研究，根據(jù)重合時(shí)段可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸處理。本文利用式（1），將1997—2007年F13、2008—2017年F17平臺(tái)數(shù)據(jù)校準(zhǔn)到F8平臺(tái)。不同平臺(tái)傳感器的回歸參數(shù)如表2所示：

表1 不同傳感器運(yùn)行時(shí)段

式中：Ta為F8平臺(tái)水平極化19 GHz波段的亮溫?cái)?shù)據(jù)，Tb為其余平臺(tái)對(duì)應(yīng)的亮溫?cái)?shù)據(jù)，a、b為回歸參數(shù)，a表示斜率，b表示截距。

表2 不同傳感器的回歸參數(shù)

2.2 NASATEAM算法

目前國(guó)際上常用的反演海冰密集度的算法有：NASA TEAM算法、Bootstrap算法。NASA TEAM算法在進(jìn)行海冰密集度計(jì)算時(shí)，分別得到一年冰和多年冰的海冰密集度，然后加和得到整體海冰密集度[13]。NASA TEAM算法已經(jīng)被應(yīng)用到了不同的數(shù)據(jù)平臺(tái)上來反演海冰密集度，具有通用性強(qiáng)、數(shù)據(jù)易處理的特點(diǎn)。Bootstrap算法只能計(jì)算整體海冰，并不能區(qū)分多年冰和一年冰密集度[14]，同時(shí)美國(guó)冰雪數(shù)據(jù)中心提供的NASA TEAM密集度成品數(shù)據(jù)也僅有整體海冰密集度產(chǎn)品，故本文采用NASA TEAM算法反演南極整體海冰、多年冰和一年冰的密集度。

NASA TEAM算法[13]所用數(shù)據(jù)為SSM/I 19 GHz垂直和水平方向極化的亮溫，以及37 GHz垂直方向極化的亮溫。NASA TEAM算法中用到兩個(gè)獨(dú)立變量：極化梯度率（Polarization Gradient Ratio，PR）和光譜梯度率（Spectral Gradient Ratio，GR）[15]。利用歸一化處理后的19 GHz水平和垂直極化方向亮溫?cái)?shù)據(jù)，通過式（2）得到PR，利用歸一化處理后的37 GHz和19 GHz垂直極化方向亮溫?cái)?shù)據(jù)，通過式（3）得到GR。式（2）、（3）定義如下，其中Tb表示歸一化處理后水平（H）或垂直（V）極化方向和特定頻率下觀測(cè)到的亮溫。

表3 亮溫系數(shù)

NASA TEAM算法共用到了12個(gè)關(guān)于亮溫?cái)?shù)值的系數(shù)ai、bi和ci（i=1，2，3），這12個(gè)系數(shù)是在19 GHz垂直極化、19 GHz水平極化和37 GHz垂直極化下觀測(cè)到的在一年冰面、多年冰面和無冰海面上的SSM/I亮溫值，屬于已知參數(shù)。ai、bi和ci的具體數(shù)值見表3。

利用系數(shù)bi、ci與上述公式計(jì)算得到的PR、GR，根據(jù)式（4）計(jì)算得到多年冰密集度。公式如下：

利用系數(shù)ai、ci與上述公式計(jì)算得到的PR、GR，根據(jù)式（5）計(jì)算得到一年冰密集度。公式如下：

整體海冰密集度CT是一年冰CF和多年冰CM密集度的總和。公式如下：

本文利用DMSP數(shù)據(jù)和NASATEAM算法研制了南極海冰密集度產(chǎn)品。通過得到的南極整體海冰、多年冰與一年冰密集度確定海冰范圍和面積。

2.3 結(jié)果比較

采用同時(shí)期美國(guó)國(guó)家冰雪數(shù)據(jù)中心提供的Bootstrap算法反演的密集度產(chǎn)品與本文密集度產(chǎn)品進(jìn)行精度驗(yàn)證如表4，結(jié)果可知：NASA TEAM算法得到的海冰面積結(jié)果比Bootstrap的海冰面積結(jié)果偏小；NASA TEAM算法和Bootstrap算法的相關(guān)性強(qiáng)，兩者整體海冰面積的最大偏差為0.733%，平均海冰面積誤差為0.456%。

表4 精度比較

3 結(jié)果與分析

3.1 時(shí)間變化

時(shí)間變化指南極海冰面積隨著時(shí)間的推移發(fā)生的波動(dòng)性變化，通常以折線圖的形式體現(xiàn)，時(shí)間形式可以是年度、月份等。根據(jù)密集度確定海冰范圍和面積，利用年均海冰面積得到整體海冰年變化，利用每月平均海冰面積得到海冰月變化。

3.1.1 整體海冰年變化

Heinrichs等[16]研究發(fā)現(xiàn)，將密集度15%的區(qū)域定為海水與海冰的分界線可以較好地反演出海冰邊緣。本文將密集度大于15%的區(qū)域視為海冰，統(tǒng)計(jì)1997—2017年整體海冰面積得到圖1。由圖1可知：1997—2017年南極海冰面積呈小幅增長(zhǎng)趨勢(shì)，增長(zhǎng)率約為1.11%/a；年均海冰面積約為12.65×106km2，最大值出現(xiàn)在2014年，面積約為13.62×106km2，最小值出現(xiàn)在2017年，面積約為11.52×106km2。1997—2011年海冰面積變化較小，2011—2014年海冰面積持續(xù)增加，2014—2017年海冰面積出現(xiàn)大幅度減少。1997—2014年海冰面積增加了約1.34×106km2，年平均增長(zhǎng)率約為6.11%，2014—2017年海冰面積減少了約2.11×106km2，2017年相比1997年海冰面積減少約了0.76×106km2。

圖1 1997—2017年整體海冰面積年變化

3.1.2 海冰月變化

統(tǒng)計(jì)1997—2017年每月平均海冰面積得到圖2。由圖2可知：南極海冰面積最小值出現(xiàn)在每年2月（平均約為3.35×106km2，最小值為2017年2月的2.5×106km2），2—9月海冰面積穩(wěn)步上升，9月達(dá)到最大值（平均約為19.84×106km2，最大值為2014年9月的21.03×106km2），9月后海冰開始融化減少，總體上呈周期變化。

3.1.3 多年冰變化

統(tǒng)計(jì)每年多年冰面積得到圖3。由圖3可知：多年冰整體呈小幅下降趨勢(shì)，平均每年減少約0.016×106km2。多年冰年均面積約為2.55×106km2，多年冰面積最大值出現(xiàn)在2003年，約為3.35×106km2，最小值出現(xiàn)在2017年，約為1.82×106km2。除2000年、2002年波動(dòng)較大外，1997—2015年多年冰面積在均值附近上下波動(dòng)，2015—2017年面積大幅度減少。

3.1.4 一年冰變化

圖2 1997—2017年海冰面積月變化

圖3 1997—2017年多年冰時(shí)間變化

圖4 1997—2017年一年冰時(shí)間變化

統(tǒng)計(jì)每年一年冰面積得到圖4。由圖4可知： 1997—2007年一年冰整體呈小幅上升趨勢(shì)，增長(zhǎng)率約為2.61%/a；1997—2017年一年冰年均面積約為10.09×106km2。1997—2000年一年冰變化較小，在2001年出現(xiàn)低谷（面積約為9.2×106km2），2001—2014年一年冰大幅度增加，并在2014年達(dá)到最大值（面積約為10.84×106km2），2014—2017年一年冰出現(xiàn)大幅度減少，2017年相比2014年一年冰減少了約1.15×106km2。

3.2 空間變化

南極周邊的海域可劃分為5個(gè)部分，分別是威德爾海、印度洋、西太平洋、羅斯海和阿蒙森海?；?997—2017年南極多年冰、一年冰密集度數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)每年多年冰與一年冰出現(xiàn)次數(shù)，得到海冰空間變化圖6和圖7。

3.2.1 多年冰空間變化

由圖5可知：南極多年冰主要分布在威德爾海，羅斯海、阿蒙森海次之，其余兩海域分布較少。多年冰出現(xiàn)次數(shù)在19～21 a可視為穩(wěn)定存在的區(qū)域，該區(qū)域同樣集中于威德爾海、羅斯海和阿蒙森海，靠近南極大陸的地區(qū)多年冰相對(duì)穩(wěn)定，越向外多年冰出現(xiàn)頻率越低。穩(wěn)定存在的區(qū)域面積有0.708×106km2，占多年冰面積的27.78%，出現(xiàn)次數(shù)在15 a以上的多年冰面積有1.49×106km2，占多年冰總面積的58.47%。

圖5 南極周邊海域

3.2.2 一年冰空間變化

由圖6可知：南極79.8%的海冰為一年冰，一年冰圍繞南極大陸呈環(huán)狀分布，除威德爾海南部區(qū)域外，其余地區(qū)大部分為穩(wěn)定區(qū)域（21 a都有一年冰的區(qū)域），穩(wěn)定區(qū)域約占一年冰總面積的75.01%。環(huán)狀中心區(qū)域穩(wěn)定性較好，而邊緣區(qū)域一年冰出現(xiàn)頻率較低。

圖6 1997—2017年多年冰空間變化

圖7 1997—2017年一年冰空間變化

3.3 影響因素

南極海冰變化對(duì)全球氣候變化有著深遠(yuǎn)影響，南極海冰變化也受到氣候變化、水文等多方面影響。劉艷霞等[9]指出南極海冰變化與南方濤動(dòng)指數(shù)（Southern Oscillation Index，SOI）有明顯的相關(guān)性。SOI是厄爾尼諾（EL Nino）與拉尼娜（La Nina）事件的重要大氣指示參數(shù)，在2002年、2006年、2011年、2016年都出現(xiàn)過厄爾尼諾或拉尼娜事件，而南極海冰面積在這些年份也都出現(xiàn)過大幅度增大或減小情況。

海表面溫度也是影響海冰變化的重要因素。舒蘇[17]指出2011—2017年海表面溫度呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，其中威德爾海增長(zhǎng)趨勢(shì)最小，海冰面積與海表面溫度有較大的負(fù)相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為-0.979。威德爾海表面溫度變化最小，也能說明威德爾海域是海冰主要存在的穩(wěn)定海域。

一項(xiàng)新的衛(wèi)星分析顯示，2014—2017年南極海冰面積出現(xiàn)急劇減少，海冰覆蓋面積處于40 a來的最低點(diǎn)[18]。目前研究人員正試圖找出南極海冰發(fā)生這種異常情況的原因。

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

本文基于1997—2017年美國(guó)國(guó)防氣象衛(wèi)星DMSP的SSM/I數(shù)據(jù)，利用NASA TEAM算法研制了南極海冰密集度產(chǎn)品，得到南極海冰時(shí)間、空間變化，主要得到了以下結(jié)論。

（1）1997—2017年南極整體海冰面積呈小幅增長(zhǎng)趨勢(shì)，增長(zhǎng)率為1.11%/a；年均海冰面積為為12.65×106km2，最大值出現(xiàn)在2014年，最小值出現(xiàn)在2017年；1997—2014年海冰面積增加了約1.34×106km2，2014—2017年海冰面積大范圍減少，減少了約2.11×106km2；南極海冰具有明顯的周期性變化，每年2月海冰面積最小，平均為3.35×106km2，2—9月海冰面積增大，9月海冰面積達(dá)到最大值，平均為19.84×106km2。

（2）多年冰呈現(xiàn)小幅下降趨勢(shì)，年均面積約為2.55×106km2，平均每年減少約 0.016×106km2；一年冰整體呈小幅上升趨勢(shì)，增長(zhǎng)率約為2.61%/a；一年冰與多年冰都在2015—2017年出現(xiàn)大幅度減少。

（3）多年冰主要分布在威德爾海域，其他海域分布較少，圍繞大陸邊緣也有少量分布；南極海冰以一年冰為主，一年冰以環(huán)狀分布在多年冰外圍；有15 a以上多年冰的區(qū)域僅占多年冰總面積的一半；相比多年冰，一年冰穩(wěn)定存在區(qū)域較多。

4.2 問題與展望

本文數(shù)據(jù)時(shí)間跨度較短，并不能說明南極海冰長(zhǎng)時(shí)間時(shí)空變化情況。描述海冰還有海冰厚度、反射率、凍融等參數(shù)，本文僅使用了密集度數(shù)據(jù)對(duì)海冰面積進(jìn)行了研究，分析較為單一，不能準(zhǔn)確描述南極海冰全部變化，今后可以加入這些因素進(jìn)行研究。雖然全球氣溫呈上升趨勢(shì)，但是20世紀(jì)70年代以來南極海冰面積卻是不斷擴(kuò)大，直到2014年開始急劇減少。南極海冰受眾多方面影響，分析并找到南極海冰變化的原因?qū)⑹墙窈蟮难芯績(jī)?nèi)容。