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【GeoScience Café】赵羲:海冰遥感与不确定性

发布日期:2018-04-15 21:53:21 阅读次数:[336]次 作者:

核心提示:海冰遥感不仅局限于探测海冰的存在,还包括能获得海冰的具体特征参数,例如描述海冰类型(一年冰或多年冰)、范围、厚度、运动、冰间水道、浮冰尺寸等。这些参数都可以通过从不同种类和分辨率遥感影像上提取或者反演得到。本次讲座赵羲老师针对海冰遥感的不确定性问题,从海冰密集度反演精度、海冰边缘线位置精度、海冰范围变化趋势可靠性、冰间湖产变量模型敏感性等几个角度,概述海冰遥感反演相关算法和产品的准确度、局限性和不确定性。

主持:么爽  摄影:郑镇奇 龚婧  文字:么爽 

>>>人物名片

赵羲,2012年获得荷兰University of Twente(ITC学院)的博士学位,入职武汉大学中国南极中心。主持/参与了多个国家自然科学基金、南北极环境综合考察与评估专项、国家重点研发专项等方面的科研项目。已发表相关论文 43 篇,其中 SCI 论文 21 篇,担任 SCI 期刊 Spatial Statistics 的专刊特邀编辑,担任 6 个遥感、极地领域 SCI 期刊的专业评审,获得国际空间精度研究协会(International Spatial Accuracy Research Association(ISARA))颁发的 James L. Smith 青年科学家奖章。获得楚天学子、珞珈青年学者称号。

>>>报告现场

2018年4月4日晚7:30,赵羲老师做客GeoScience Café第191期学术交流活动。赵羲从IPCC中海冰变化对全球气候的重要影响说起,随后分南北极情况、海冰范围、海冰厚度、冰间水道、冰间湖等几个方面介绍了海冰变化情况及海冰遥感的不确定性问题。在讲座中,嘉宾还与大家分享了自己的科研经历,介绍了团队的相关研究内容。报告吸引了许多学生前来参加,在互动交流环节,大家纷纷提出了自己的疑惑和思考,报告结束后,还有许多同学留下与嘉宾进行探讨和交流。


南北极的海冰

顾名思义,海冰是海水结的冰,含有大量盐分,与冰山、冰川、冰盖、冰架等淡水冰的来源不同。讲座中赵羲老师引导大家积极思考,提出南极海冰与北极海冰的差异问题,自然而然地介绍了由南极“海包陆”与北极“陆包海”地形不同引起的海冰消融差异情况。在北极北冰洋的海冰纬度高,受到太阳辐射少,受环北极大陆的限制可能多年都无法离开北冰洋,从而形成了多年冰;而在南极大陆的海冰纬度低,受到太阳辐射多,消融速度快,同时没有大陆包围的限制,从而在一个夏季就消融掉,称为一年冰。

赵羲通过数据告诉大家,目前在有卫星观测记录的30年内,北极海冰也在快速消融着。由于太阳辐射,北极海冰在9月份的范围最小。而在记录中的前十次9月份海冰范围最低值全部在2007年之后,2012年9月份的海冰面积和范围达到了历史最小值,低于1981年至2010年平均值的44%。另一方面,海冰厚度也在明显变薄,海冰的体积也随之减少,1979年至2016年海冰体积冬季减少一半,夏季减少了三分之二。海冰消融会给北半球的气候带来一系列连锁反应,同时北极海冰的快速消融也影响了人类的经济活动——由于海冰消融,西北航道南段在2007年之后几乎每年夏季都能通航。

 

 赵羲老师介绍南北极的海冰


海冰密集度和范围的不确定性

随后,赵羲老师从海冰数据获取难易这个角度介绍了海冰范围这个参数。在极地海冰范围巨大,研究人员通过被动微波遥感传感器获得极地海冰范围图。被动微波的优势在于能穿透云层,适用于在极夜中可见光不能发挥作用的情况。它的缺点是空间分辨率比较低,较可靠的数量级在6千米到12千米。

在区分水与冰,多年冰与一年冰时,被动微波在低频高频的亮温有差异,基于不同频率亮温的差别形成反演算法,通过反演算法可以由亮温得到海冰的密集度,从而得知海冰的位置与面积。在这个过程中,密集度反演会受到许多因素的干扰:不同卫星间的辐亮度差异,大气水汽的干扰,冰表面积雪干扰,不同的海冰类型,海冰上的水道和融池,薄冰及边缘地区等都是遥感反演密集度的不确定性因素。

海冰范围也具有不确定性。从卫星遥感影像上可以看到,有些区域由于受到风的影响,海冰较离散,海冰边界不清晰,由此提出一个科学研究问题:海冰的边界是否可以由15%的被动微波遥感密集度确定。为了解决这个问题,赵羲及其研究团队采用高分辨率的MODIS影像来对照15%的密集度产品,通过高分辨率上的边界对比15%的阈值是否吻合,利用船测数据和国际通用的定义来确定海冰边界。

 遥感反演密集度的不确定性因素


海冰厚度反演

接下来,赵羲老师又介绍了海冰厚度反演及其不确定性。作为一个正在兴起的研究方向,海冰厚度主要是通过卫星测高大面积获取。海冰厚度反演过程为:获得卫星到雪冰界面以及到水面的距离,计算冰和水的高度差作为出水高度,通过浮力定理得到海冰体积,再借由密度计算海冰厚度。其中,积雪厚度、海冰密度、积雪密度和海水密度的赋值给海冰厚度反演带来了不确定性,对海冰厚度的估算有不同程度的影响。


冰间水道和冰间湖

海冰的密度和厚度都是相关参数,而冰间水道和冰间湖是海冰的两种现象。冰间水道的存在具有重大意义,船的航行和哺乳动物的迁徙都是在开裂的水道中进行。由于冰间水道的出现,大量的热量交换通过冰间水道,从温暖的海洋到达寒冷的大气。在北极中心区,冬季冰间水道仅占海域面积的1%至2%,却承载着70%的上行热通量传递。当海冰越来越薄、运动速度加快时,就会出现越来越多的冰间水道,因而水道增多和热量交换加剧之间存在着正反馈过程。

冰间湖是指在极地海冰区中出现的不与外界海域连通的开阔水域或薄冰区,分为潜热冰间湖和感热冰间湖,通常每年冬天有规律地出现在相同的地理位置。这里赵羲详细介绍了沿岸冰间湖的物理过程,选取了南极最大的冰间湖——罗斯冰架冰间湖做相关实验研究。

最后,赵羲老师介绍了她所在团队和南极测绘研究中心的相关情况和工作内容,为本次报告进行了圆满的收尾。

 报告现场

>>>互动交流

观众A:感谢赵羲老师的精彩报告,我想问在实地数据有限的情况下,如何做大范围研究时的结果验证?

赵羲:你提的问题非常好,在包括反演算法、模型建立等极地的相关研究中,实测数据主要有船测数据,主要靠传感器测量冰的温度、冰的厚度和冰的范围,还有船员的目视解译;再就是航空数据,包括激光、雷达传感器提供中间尺度数据;还有就是冰浮标、短期冰站数据。

观众B:赵老师我想问关于时间尺度的问题,在采集冰面积时许多是以月份为单位的,通过您的报告我们知道有时月份间的差异很大,在作图时您对于月份数据的处理是怎样的?

赵羲:我们一般采用每天的数据影像,你刚刚说的月份数据是在IPCC的国际报告中,通常是以月份数据为基础来计算多联趋势。我也观察到了这个问题,每天的数据都会有变化,用不同的平均算法得到的月平均数据可能会影响到这个趋势。就我们的工作来说,很有可能在边缘区域两个小时内海冰就会冻起来,所以我们至少采用每日数据来做研究。

 

 现场提问与交流


 现场提问与交流


嘉宾与GeoScience Café团队成员合影留念

 

GeoScience Café谈笑间成就梦想为口号,采取最自由的交流方式,每期邀请1-4位报告人,针对自己正在进行的研究展开报告。每周五晚7:30,在测绘遥感信息工程国家重点实验室四楼休闲厅举行当期活动。报告内容不仅涉及一切与测绘有关的学科内容及学术方法,如测绘基础学科、地理信息系统、摄影测量与遥感、全球定位系统、激光雷达技术、信号处理,还包括地理信息科学以外的话题,如法律和艺术等。让任何感兴趣的人——不仅是地理信息相关专业的师生,还包括其他专业的师生,甚至是文科生——都可以听取报告,并当场向主讲嘉宾提问或者会后与其交流。

更多精彩内容(报告PPT、新闻稿及下期活动消息等)敬请关注Geoscience Café(QQ群号:532362856),微信公众号:GeoScienceCafe

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