基于卫星测高技术的北极海冰厚度与质量变化研究

Satellite altimetry is an effective and promising method to estimate sea ice thickness at a hemisphere scale, however, how to develop and apply this technology to obtain the reliable and continuous information of sea ice thickness and sea ice mass, become a hot issue of sea ice research. The aim of this project is to improve the capability and accuracy of retrieving Arctic sea ice thickness, as well as to assess the quality of spatial-temporal change results. This project includes three steps: uncertainty analysis-algorithms comparison and improving-change analysis. Factors affecting accuracy of retrieving sea ice thickness from altimetry data are assessed to get optimal parameters and algorithm with high accuracy, so as to reveal the distribution and temporal variation of Arctic sea ice thickness and mass of the past ten years, to provide the basic information for the research of climate change, ecological safety and environmental protection, and provide the reference for polar exploration, marine resource development and utilization.

海冰厚度卫星测高方法是一种极具发展前景的估算方法，也是目前唯一可以连续获得半球尺度海冰厚度信息的有效方法，而如何发展和应用该方法，减小其估算的不确定性，以获得可靠的、持续的海冰厚度、海冰质量及其变化信息，成为海冰变化研究的热点和难点问题。本项目针对这一问题，以“卫星测高的探测机理及估算的不确定性分析——算法与模型参数的比较与改进——海冰厚度及质量信息的提取与变化评估”为研究主线，选择与全球变化敏感的北极海域为典型研究区，在系统分析影响估算精度因素的基础上，探求更为精确的估算算法并改进其模型参数，对多源海量异质数据进行同化处理后，应用改进的算法和多代卫星测高数据，延长和统一近10年来北极海冰厚度及质量信息，更为可靠地揭示其分布特征及时空变化规律，为气候变化、生态安全与环境保护等相关研究提供基础信息和知识，为极地考察、海上航运和海洋资源开发等实践部门提供参考。

随着全球气候与环境变化的加剧，作为气候系统的重要因子，覆盖于海洋表面的海冰也越来越受到关注。海冰的变化影响着区域乃至全球的气候，而气候的变化又进一步改变着海冰的特征。北极海冰区是全球最为重要、研究最广泛的海冰区，是影响全球气候环境变化的关键区和敏感区。受地理位置、自然环境和观测手段的限制，长期以来人们对北极海冰厚度与质量变化认识有限。卫星测高方法是一种极具发展前景的遥感技术，如何发展和应用该方法，减小其估算的不确定性，以获得可靠的、持续的海冰厚度、海冰质量及其变化信息，成为海冰变化研究的热点和难点问题。本项目针对这一问题，以ICESat激光高度计和CryoSat-2雷达高度计数据为主，结合被动微波亮温数据和OIB、IMB积雪深度海冰厚度数据，对北极海冰表面积雪深度、北极海冰密度、厚度、体积和质量等方面进行研究。构建了北极一年冰和多年冰表面积雪深度模型，并对一年冰和多年冰表面积雪深度进行合成和时序分析。探求了北极海冰密度的变化及其对海冰厚度估算的影响，证明了使用现场实测密度插值估算海冰厚度的精度要优于采用固定的海冰密度估算海冰厚度。利用IMB浮标观测的海冰厚度，对NASA/JPL ICESat和ESA/AWI CryoSat-2卫星测高反演的北极海冰厚度进行了精度评估。最后，基于本项目研究的积雪深度和海冰密度数据，结合ICESat和CryoSat-2出水高度数据，反演了北极海冰的厚度、体积和质量，并对其在空间分布上的变化进行了分析。更为可靠地揭示了北极海冰的厚度与质量分布特征及时空变化规律，为气候变化、生态安全与环境保护等相关研究提供基础信息和知识，为极地考察、海上航运和海洋资源开发等实践部门提供参考。