2. 山东科技大学 测绘科学与工程学院，山东 青岛 266590；
3. 国家测绘地理信息局 卫星测绘应用中心，北京 100830；
4. 海岛(礁)测绘技术国家测绘地理信息局重点实验室，山东 青岛 266590；
5. 中国测绘科学研究院，北京 100830；
6. 武汉大学 测绘学院，湖北 武汉 430079
2. College of Geodesy and Geomatics, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China;
3. Satellite Surveying and Mapping Application Center of NASMG, Beijing 100830, China;
4. Key Laboratory of Surveying and Mapping on Island and Reef of NASMG, Qingdao 266590, China;
5. Chinese Academy of Surveying and Mapping, Beijing 100830, China;
6.School of Geodesy and Geomatics, Wuhan University, Wuhan 430079, China
1 引 言
海冰占据了全球海洋总面积的5%~8%，在气候、海洋生态系统中占有特殊的位置，对航海、海洋基础设施建设及资源开发有很大影响[1]。近年来受全球温室气体排放影响，极地海冰尤其是北极海冰范围不断缩小，据预测夏季北极海冰可能在本世纪末全部消失，将对极地生态系统和全球气候环境产生巨大影响[2]。在当下全球变暖、海冰迅速消融的背景下，海冰覆盖范围和海冰表面属性的监测对于研究全球气候变化显得格外重要。由于极地海冰覆盖广泛、自然环境恶劣及冬季极夜现象，红外波段的传感器受云层影响较大，可见光波段的传感器在极夜中更是无法观测，因此可穿透云雾、不受极夜影响的微波传感器，包括基于被动微波遥感的星载辐射计[1, 3](SMMR、SSM/I、ASTER-E等)以及主动微波遥感的雷达高度计，成为周期性探测全球海冰的主要途径。
雷达高度计是一种主动式星下点观测雷达，通过向地球表面发射高频脉冲并接受反射回波，结合精密定轨系统可准确获取海面地形、有效波高，并在其他地球科学领域中发挥着重要作用[4]。雷达高度计也是一种重要的海冰探测仪器，可为海冰研究提供独特的观测信息，是确定全球海冰厚度的唯一卫星测量方法，海冰表面粗糙度和介电常数等信息与雷达高度计的回波波形有密切关系[5]。相对被动微波辐射计，雷达高度计对海冰边缘和较薄的新冰更敏感，其小于1 km的沿轨分辨率优于SSM/I,且地面数据处理快速，实时性强，因此被美国海军和NOAA用于制作海冰边缘产品[6]。另外，文献[5, 7]利用Seasat和Geosat雷达测高后向散射系数对局部海域的海冰类型进行分类，划分了新冰、多年冰，文献[8]利用Geosat雷达测高波形特征计算局部海域的海冰密集度，文献[9]利用T/P雷达高度计后向散射系数研究了里海和咸海两个内海海冰覆盖，展示了高度计探测海冰的能力和优势。
但之前基于雷达高度计的海冰研究通常为局部小范围海域，未对两极总体的海冰覆盖及海冰演变进程进行深入研究，且未分析南北极海冰覆盖的特征差异。另外由于卫星覆盖设计的固有限制，T/P、Jason-1&2(轨迹范围为66°S至66°N)的研究范围受到很大的局限性[9, 10]，而ENVISAT卫星则可覆盖到高纬地区(可达南北纬81.4°)，为极地海冰研究提供了周期性观测数据[11, 12, 13]。本文将使用ENVISAT 雷达高度计Ku波段的后向散射系数，分析2011年全年的极地海冰月均分布，估计海冰覆盖的月均面积，分析两极海冰覆盖范围和表面湿度变化，并将海冰边界和覆盖面积结果与美国冰雪数据中心(national snow and ice data center，NSIDC)公布的基于被动微波遥感的海冰数据进行比较。
2 海冰探测原理和数据 2.1 研究原理卫星雷达高度计向地球发射脉冲并接受后向散射的回波能量，通过自动增益控制系统产生雷达回波波形。雷达高度计接受的返回能量Pr取决于、雷达系统、大气衰减和反射表面的散射特征[14]，即
式中，δ0为标准化的雷达散射截面，也称后向散射系数(单位为dB)；tλ表示波长为λ的电磁波大气透射比；Pt表示雷达高度计的发射能量；Pr表示雷达高度计的接受能量；Af表示雷达足迹面积；G表示天线增益。式(1)右侧除σ0外，其他参数都是固定的雷达系统参数(如G、λ、Pt)或者大气传播介质的物理参数(如R、tλ)，因此如果认为σ0在足迹内相同或作为足迹内均值，便可将式(1)转换成
式中，G0表示天线中轴方向增益；Aeff表示有效足迹面积。式(2)右侧都是已知的雷达系统参数或是可测量的参数，因此反射表面的后向散射系数σ0可由雷达高度计探测[14]。σ0实际表示雷达波反射面的后项散射特性，与反射面的粗糙度、介电常数以及次表层反射有关[15, 16]，可用于陆地覆盖类型及其季节性变化的监测[17]，在南极和格陵兰半岛冰盖表面属性的研究中也有重要应用[18]。
在基于雷达高度计的海冰覆盖和属性探测中，利用σ0可区分海冰和海水。因为海水仅产生面散射，而海冰内部有卤水泡及盐粒等散射体，其后向散射包含了面散射和体散射，另外海冰表面粗糙度和海水面也有很大的差异，使得海冰和海水的散射特征有很大差异，雷达回波能量显著不同。图 1显示由ENVISAT RA-2雷达高度计SGDR(sensor geophysical data record)波形数据提取的典型海水面和海冰面回波波形，海水回波特征是波形前缘斜率大而后缘斜率小，而海冰回波则表现出镜面反射特征，回波能量和海水面有很大区别，因此海冰和海水的后向散射系数显著不同。另外海冰融化过程中的表面属性变化(湿度、盐度)可改变海冰介电常数、粗糙度，从而改变其后向散射特性，因此后向散射系数也可探测海冰表面属性变化。
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| 图 1 典型的海水和海冰雷达波形 Fig. 1 Typical waveforms over sea water and sea ice |
ENVISAT是继ESA-1&2之后欧空局于2002年发射的地球环境观测卫星，雷达高度计RA-2是其搭载的观测仪器之一。卫星轨道倾角为98.55°，重复周期为35 d，覆盖地球81.4°S到81.4°N之间的陆地和海洋区域，赤道附近地面轨迹的最大间隔约为85 km，愈接近两极卫星轨迹愈密集。为延长卫星寿命，2010年10月对ENVISAT进行了变轨，周期变为30 d。2012年5月由于系统故障，ENVISAT使命结束，更多卫星信息可到ESA网站查阅。
与T/P及其他雷达高度计类似，Ku波段(13.575 GHz)是RA-2的主要工作频率，不同的是RA-2选择S波段(3.2 GHz)作为第二频率，用以改正大气延迟。RA-2的另外一个重要特征是模式自由跟踪，系统可针对不同反射面类型作出快速调整以避免信号失锁，在海冰边缘、沿海、陆地也可提供可靠数据[18, 19]。GDR数据集(geophysical data record)中包含了使用4种不同重定算法(ocean、Ice-1、Ice-2、sea ice)对所有类型反射面的雷达回波数据进行处理的结果。本文使用欧空局提供的周期为30 d的2011年全年ENVISAT RA-2 地球物理数据(GDR)，周期从第98到第110周期。因S波段在2008年已失效，本文只对Ku波段的雷达后向散射系数进行处理。
3 两极海冰分布特性分析在对高度计沿轨数据进行内插和滤波后，得到了2011年各月的密度为25 km×25 km的NetCDF格式后向散射系数网格数据[20]。图 2为北极(a)和南极(b)海域2011年各月后向散射系数平均分布，为验证ENVISAT雷达高度计海冰边缘探测的准确性，图 2亦绘出NSIDC基于DMSP、SSM/I-SSMIS 观测的亮度温度数据计算的海冰覆盖范围边界(ftp://sidads.colorado.edu)。
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| 图 2 ENVISAT RA-2 Ku波段2011年南北极海冰月均后向散射系数空间分布及NSIDC海冰范围(黑线) Fig. 2 Distribution of the sea ice backscatter coefficient at the Ku band over Arctic and Antarctic based on ENVISAT RA-2 and sea ice boundaries from NSIDC in 2011(in black line) |
图 2显示海水的后向散射系数通常小于13 dB，而海冰的后向散射系数明显较高，海水和海冰可以利用雷达高度计后向散射系数很好的区分；后向散射系数空间分布随海冰的季节性生长消融而呈现显著的季节性变化；除夏季外，各月的海冰边界和NSIDC发布的海冰覆盖准确符合。
夏季由于海冰融化速度快，海面有漂流的离散海冰，辐射计对此不能成功探测，而高度计对融化中的薄冰比辐射计更加敏感[6]，可以准确探测到，因此图 2中夏季NSIDC海冰边界和高度计探测结果有差异，主要集中在北极6-9月和南极1-2月，图 2表明这种离散的海冰在北极分布更广，持续时间更长。
南极和北极的海冰分布有较大不同，南极海冰包围南极大陆，图 2显示南极海域的海冰分布集中且均匀，夏季除南极半岛东侧的威德尔海域外几乎完全融化。北极海冰被陆地包围，陆地海岸线影响其分布，相对于南极，北极海冰大量分布在气温更低的极圈(66°34′N)以内，尽管夏季海冰大量的融化，但从图 2可以发现北极中央区域的多年海冰不会完全融化，可是受全球气候变暖影响，夏季北极海冰覆盖范围屡次创造最低值[2]，本世纪末即有可能完全消失。
图 2表明南极9月份海冰分布集中，变化最小，故使用该月的NSIDC边界对同期后向散射系数进行不同距离的采样统计，以确定计算海冰覆盖面积的后向散射系数阈值。统计表明距离海冰50 km以外的海水面后向散射系数在10~11 dB之间；距离海冰50 km以内的海面较平静，其后向散射系数在11~12 dB之间；而边界上的后向散射系数采样均值为13 dB，边界以内5 km处的海冰后向散射系数采样均值为17 dB，显著大于海水面和边界处的后向散射系数均值。对于其他季节，受湿度变化的影响海冰后向散射系数将增大，海水面后向散射系数或受风浪影响而减小，因此设置后向散射系数为13 dB可准确区分不同时期的海水和海冰。故本文以13 dB作为区分海水和海冰的后向散射系数临界值，利用等值线方法对南极海冰的月均覆盖范围进行计算。图 3显示了基于雷达高度计获取的南极海冰月均覆盖面积和NSIDC基于被动微波遥感亮度温度数据计算的结果比较，最大差值在1月份为4.42 Mkm2，最小差值在4月份为0.03 Mkm2，平均差异为0.80 Mkm2，其中每年12月到次年2月为南半球的夏季，这段时间二者差异较大，均值为2.60 Mkm2，而其他月份的海冰覆盖范围差异不显著，冬季(7、8、9月)差异均值为0.17 Mkm2。
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| 图 3 RA-2和辐射计探测确定的2011年南极海冰覆盖范围月均值时间序列 Fig. 3 Time series of monthly average extents of antarctic sea ice in 2011 determined by RA-2 and microwave radiometers |
雷达高度计估计的夏季海冰覆盖范围明显大于NSIDC结果，如果设置13 dB为海水和海冰的临界值，可以从图 2中看出夏季南极海域NSIDC海冰边界外围有后向散射系数介于13~19之间的离散区域，前面的讨论已表明该海域海冰融化分离，海冰变的薄且分散，辐射计对其识别能力不如高度计强。另外夏季海冰覆盖面积的差异也和NSIDC海冰覆盖面积所采用算法有关，在计算过程中NSIDC引入海冰密集度概念(单位面积内海冰面积的比例)，对密集度小于15%的离散海冰做了舍弃处理[21]，如果修改该阈值则会得到不同的海冰覆盖范围结果。夏季正是海冰快速变化的季节，会产生大量离散的漂流海冰，因此会产生上述差异,其他时间南极海域的海冰则较密集，因此与NSIDC结果差异不显著。
另外，图 2除展示海冰覆盖的空间变化外，也反映出海冰表面湿度和粗糙度的季节性变化特征，而这种变化在北极海冰中表现的更明显。本文对网格数据进行过滤，设定阈值为13 dB以消除了海水的影响，计算出两极海冰后向散射系数的月均值。结果如图(4)所示，北极海冰呈现出强烈的季节性变化，从6月份开始后向散射系数显著上升，7月份均值超过30 dB，之后开始下降，但仍保持较高数值到9月份。其原因是5月海冰解冻，表面积雪融化，海冰湿度上升，改变了海冰介电常数，后向散射系数开始增加，7月为北半球最热月份，海冰融化最快，但由于北极中央海冰较厚，融化过程中会在表面产生大面积的静态水面，因此增强了雷达回波功率，使得后向散射系数显著升高，8月和9月后向散射系数仍然较高，此时虽然北半球最热时间已过，但海冰融化并不停止，表面湿度依然较高。10月之后，从图 2中可以看到海冰面积开始上升，形成大量新冰，但同时北极海冰的后向散射系数减小，尤其是中央区域受到降雪影响，海冰表面可产生雪堆，使海冰粗糙度升高，湿度降低，后向散射系数随之减小，仔细观察可以发现在海冰面积增长的同时，后向散射系数减小的趋势持续从中央海冰向外扩张，直到次年3月份海冰停止生长，并逐渐进入融化阶段。南极海域的海冰后向散射系数月均时间序列则相对平稳，但夏季受海冰融化，表面湿度上升的影响，海冰后向散射系数仍呈现出轻微增长，之所以未出现大幅度上升是因为南极海冰包围南极大陆，偏离南极中央较远，夏季海冰融化迅速且相对彻底，表面没有静态的水面产生，不会显著增加雷达回波功率。
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| 图 4 研究海域内后向散射系数均值序列 Fig. 4 Time series of monthly average values of backscatter coefficients over two polar sea areas |
伴随着全球气候变暖，极地海冰范围和表面属性发生了显著的变化，特别近年来是夏季北极海冰面积屡创新低，不仅影响到全球气候环境和生态系统，对航海和能源开发等社会经济领域也产生重大影响。鉴于极地研究的重要性，中国目前也加大了极地研究力度。
本文利用ENVISAT雷达高度计后向散射系数对海冰分布特性进行了综合分析研究。通过和NSIDC基于被动微波辐射计探测的结果比较，表明ENVISAT雷达高度计可较准确探测南极和北极海域的整体海冰边界。由于北极中央海域缺少数据覆盖，因此本文只计算了南极海冰覆盖面积，和NSIDC结果比较表明ENVISAT雷达高度计可以准确估计月均海冰覆盖范围面积，虽然夏季存在较大差异，但恰恰证明了雷达高度计对融化过程中产生的薄冰和离散冰的优秀监测能力。另外本文分析了南极和北极海冰表面属性，证明后向散射系数可以反映出海冰表面湿度和粗糙度的季节性变化，发现夏季北极海冰比南极海冰湿润，而冬季则相对干燥。
在将来的研究中可联合高度计其他波段数据(如S波段、C波段)，利用双频穿透性的差异获取更丰富的极地海冰物理信息，如对海冰表面积雪厚度的估计等；利用雷达高度计测量的海冰厚度[21]，从物理和几何的角度综合研究海冰特性也是一个很重要的方向。另外雷达高度计也可对我国渤海和黄海海冰灾情的周期性监测，以确定海冰范围及其他属性。尽管ENVISAT RA-2雷达高度计已于2012年退役，但中国2011年发射的HY-2卫星雷达高度计和欧空局2010年发射的Cryosat雷达高度计仍可覆盖南极北极高纬地区，可形成持续多年的雷达高度计极地海冰观测数据，对于揭示极地海冰覆盖与全球气候变化之间的作用机制有重要价值。
致谢：ESA提供ENVISAT RA-2雷达高度计GDR和SGDR数据。
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