论文部分内容阅读
冰间水道是极地海洋浮冰群中由于风力和洋流拖曳等各种力的共同作用下形成的线状断裂带。狭义上的冰间水道是海冰漂移运动时形成的线状开阔水域。北极海冰隔绝了海洋和大气的直接接触,冰间水道就成了海洋和大气间水热交换的重要窗口。卫星观测表明,受全球气候变暖的影响,北极海冰厚度和覆盖范围显著下降,海冰的漂移速度逐年增加,这更加有利于冰间水道的形成。基于被动微波卫星遥感的海冰监测显示,波弗特海海冰的季节性衰退也有逐年提前的趋势。利用中高分辨率的遥感影像提取该区域冰间水道的空间分布,并进行表面湍流热通量和表面辐射的估算,将有助于更准确地掌握区域冰间水道表面能量收支的具体情况和更好的理解冰间水道热力学效应及其与海冰相互作用,从而加深对极区乃至全球气候变化及其驱动因素的认识。本文针对波弗特海冰间水道的遥感提取及其对区域表面能量收支的贡献做以下三个方面的研究:一、波弗特海冰间水道分布的高精度遥感提取本文中提出了一种基于Terra/MODIS冰面温度和多阈值方法提取区域日均冰间水道的算法,进一步提取了2001年以来波弗特海4月的冰间水道分布,并与现有产品做了对比验证。算法1)首先利用Terra/MODIS双波段热红外影像和劈裂窗算法计算冰面温度;2)然后利用优化后的MOD35云掩膜产品来剔除有云像元;3)利用掩膜后的冰面温度图像计算冰面温度异常;4)利用多个阈值分别从温度异常图像上识别不同场景下的冰间水道,并根据温度异常赋权值（Score）;5)利用Terra/MODIS对研究区域每天的8～10次重复观测,计算水道权值的日累积值;6)根据研究区域内水道日累计权值的CDF分布,设定阈值来提取日均冰间水道分布。研究提取了2001年到2020年间北极波弗特海4月的冰间水道分布。在过去20年间,波弗特海4月冰间水道平均宽度和水道长度呈增长趋势,面积平均每年增加2612±1245平方公里。如果剔除这期间研究区域上空云量变化的影响,则冰间水道面积的年增加量会降低26.4～29.2%。研究发现,2001到2020年间波弗特海4月冰间水道的在个别年份的异常分布均与波弗特高压的增强、极地东风的持续影响和海冰运动速度的加快有关,其中冰间水道面积与前溯11天的平均海冰运动速度相关性最强。与现有基于MODIS的北极冰间水道分布数据集和高分辨率影像的对比表明,本研究提出的日均冰间水道算法对细小水道的敏感性更高,与TIRS的对比验证表明,算法能够识别92.3%的反射率在0.1以内的开阔水域和57.8%的反射率介于0.1～0.7的重冻结的冰间水道。而在年际变化趋势方面,本算法提取结果显示,波弗特海4月冰间水道面积平均年变化率为3.3%,小于现有冰间水道数据集的年变化率。二、冰间水道表面湍流热通量的估算研究根据不同的湍流模型分别利用MODIS和Landsat-8 TIRS冰面温度和冰间水道分布,评估了水道表面的湍流热通量。相对于TIRS数据,基于MODIS影像提取的水道面积更大,但是由于MODIS无法识别更窄的～100m级水道导致其严重低估了水道宽度。研究使用卫星遥感反演的表面温度场结合空气动力学理论模型和有限宽度下的经验模型（AC99）分别估算了影像区域内水道表面的湍流通量。研究发现,在理论模型中,基于TIRS冰面温度和水道分布得到的湍流通量比MODIS对应结果高出56.7%。基于TIRS数据计算的宽度不大于1km的细小水道区域的湍流热通量是MODIS对应值的七倍左右。针对TIRS数据,AC99经验模型的湍流通量比理论模型结果高出32.3%,且两种模型中,细小水道对总热通量的贡献均在25%以上。在水道表面和大气温差一定的情况下,对区域湍流热通量贡献的峰值会往水道宽度更窄的方向偏移。在北极冬季,表面和大气的温差更大、风速也更高的情况下,细小水道对湍流通量的贡献比重会更高。三、冰间水道对区域表面能量收支的影响研究利用由MODIS影像提取的冰间水道、CLARA-A2遥感观测数据产品和ERA-5再分析气象数据产品,分析了北冰洋表面反照率SAL、表面净辐射和上空云量的空间分布和变化趋势,以及冰间水道等因素对表面净辐射的贡献。基于CLARA-A2表面反照率数据的研究发现,1980年代以来,北冰洋边缘海域夏季SAL持续下降。从季节上来看,太平洋扇区的SAL变化要滞后于大西洋扇区。ERA-5的表面净辐射数据表明,在春夏季节,北冰洋边缘海域表面净辐射上升趋势明显。CLARA-A2云量数据显示,北冰洋海冰区上空云量低于低纬开阔海域,冬半年冰区上空云量要低于夏季。年际来看,北冰洋上空云量总体呈增加态势。夏季,云量对北冰洋冰区表面净辐射的作用趋于中和,而从秋季到第二年春季,云量对冰区表面总体表现为保温作用。结合MODIS冰间水道与同期CLARA-A2观测数据和ERA-5气象数据的分析研究发现:1)波弗特海4月水道面积与SIC的相关性并不高,仅为-0.41,但水道面积与SAL的相关性更强,达-0.80。拟合得出的水道和厚冰区反照率分别为0.33和0.73。2)若剔除云量的影响,水道面积与短波净辐射的相关性将降低到0.5以下。水道面积与长波净辐射的相关性也将降低到-0.2左右。3)回归分析表明,波弗特海4月海冰区短波净辐射平均约为26.4W/m~2,长波净辐射约为34.8W/m~2,表面总净辐射约为-8.5W/m~2;而水道区域短波净辐射约为冰区的2.4倍,长波净辐射约为冰区的两倍,水道表面总净辐射趋于中和。水道表面能量收支有待结合实测数据做进一步研究验证。