王星东，代文浩

（1.河南工业大学信息科学与工程学院，河南郑州450001；2.中国科学院遥感与数字地球研究所，北京100094）

1 引言

南极在全球变暖中发挥着举足轻重的作用，因为这一区域发生的大气-冰-海洋的相互作用通过反馈、生物地球化学循环、深层大洋环流、能量的大气辐射传输以及冰物质平衡的变化等影响整个地球系统[1]。海冰是南极地区最重要的大气环境特征之一，海冰的存在及其季节和年际变化是极地海洋状况最显著和变化最大的特征[2]。由于海冰的高反射率特性，使得其反射了大部分的太阳光，从而平衡了海洋与大气之间的热量[3]。海冰的变化影响南极地区太阳辐射的吸收，直接导致热量收支的差异[4]。因此南极海冰变化的研究对于全球气候变化有着重要意义。

研究表明，南极海冰主要由多年冰和一年冰组成。多年冰指存在时间大于一年的海冰，夏季没有融化的海冰一般为多年冰，一般将每年夏季最小覆盖值的海冰数据作为多年冰数据。一年冰指存在不超过一年的海冰[3]。多年冰与一年冰共同组成南极整体海冰。

随着遥感技术的发展，卫星遥感已经逐步成为一种高效的海冰观测手段[5]。其中，被动微波遥感以其全天候、可以穿透云雾雨雪以及相较于雷达图像处理较为简单等众多特点而被广泛地运用于海冰遥感监测中。国内外已有学者对南极海冰进行了一系列的研究：Parkinson等[6-7]利用1979—1998年多波段微波辐射扫描仪（Spatial Sensor Microwave/Imager，SSM/I）海冰密集度产品，发现南极海冰面积以1.12±0.42×104km2/a的速度增加。利用1979—2013年卫星数据发现南极2月海冰面积退缩到3.1×106km2，占南极海冰最大面积（18.5×106km2）的16.8%。Cavalieri等[8]指出，1973—1977年南极海冰面积减少，1977—2002年增加。沈校熠等[3]指出2002—2011年南极海冰面积增加了3.8%，南极一年冰增长速度较低，平均每年增加约0.1×106km2，且大范围地分布在南极大陆（除威德尔海外）周围，多年冰平均每年减少0.05×106km2，且多处于威德尔海。刘艳霞等[9]利用1979—2014年被动微波辐射计海冰密集度产品发现：海冰密集度变化率在-1.4%～1.03%之间，南极海冰范围变化具有比较显著的季节性。刘伊格等[10]利用美国冰雪数据中心（National Snow and Ice Data Center，NSIDC）提供的1979—2015年南北极海冰运动矢量数据，发现海冰运动速度增长速率为0.3 m/h，而海冰范围以每年1.11×103km2的速度扩张。张辛等[11]使用中分辨率成像光谱仪（Moderate-resolution imaging spectroradiometer，MODIS）影像与对地观测卫星被动微波传感器（Advanced Microwave Scanning Radiometer for the Earth Observing System，AMSR-E）卫星传感器数据，发现南极海冰在2002—2004年无明显的增减变化，2005—2007年明显减少，2008—2010年则处于增长趋势。

综上所述，南极海冰时空变化显著，复杂多样。本文利用SSM/I的19 GHz水平与垂直极化数据和37 GHz的垂直极化数据，通过美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）的NASA TEAM算法反演出整体海冰、多年冰和一年冰的密集度。根据海冰密集度确定海冰分布与面积，进而分析南极整体海冰、多年冰和一年冰的时间变化及多年冰和一年冰的空间变化。南极海冰是全球海冰的重要组成部分，深刻影响着全球气候的变化。本文揭示了近二十年来南极海冰的时空变化特征，为研究全球气候变化提供了重要的数据源。

2 数据与方法

2.1 数据

本文所用数据来自于美国国防气象卫星（Defense Meteorological Satellite Program，DMSP）所搭载的SSM/I传感器数据，SSM/I搭载在 DMSP-F8、F11、F13、F17平台上[12]，数据使用时间从1989年7月9日至今，空间分辨率为25 km。该数据共有19 GHz、22 GHz、37 GHz和 85 GHz 4个波段，除 22 GHz外，其余波段都有垂直和水平极化两种状态。本文使用1997—2017年F13、F17传感器的19 GHz水平与垂直极化数据和37 GHz的垂直极化数据。不同传感器运行时段如表1所示：

对于不同传感器的数据需要进行归一化处理，以便做长时间序列的监测研究，根据重合时段可以对数据进行回归处理。本文利用式（1），将1997—2007年F13、2008—2017年F17平台数据校准到F8平台。不同平台传感器的回归参数如表2所示：

表1 不同传感器运行时段

式中：Ta为F8平台水平极化19 GHz波段的亮温数据，Tb为其余平台对应的亮温数据，a、b为回归参数，a表示斜率，b表示截距。

表2 不同传感器的回归参数

2.2 NASATEAM算法

目前国际上常用的反演海冰密集度的算法有：NASA TEAM算法、Bootstrap算法。NASA TEAM算法在进行海冰密集度计算时，分别得到一年冰和多年冰的海冰密集度，然后加和得到整体海冰密集度[13]。NASA TEAM算法已经被应用到了不同的数据平台上来反演海冰密集度，具有通用性强、数据易处理的特点。Bootstrap算法只能计算整体海冰，并不能区分多年冰和一年冰密集度[14]，同时美国冰雪数据中心提供的NASA TEAM密集度成品数据也仅有整体海冰密集度产品，故本文采用NASA TEAM算法反演南极整体海冰、多年冰和一年冰的密集度。

NASA TEAM算法[13]所用数据为SSM/I 19 GHz垂直和水平方向极化的亮温，以及37 GHz垂直方向极化的亮温。NASA TEAM算法中用到两个独立变量：极化梯度率（Polarization Gradient Ratio，PR）和光谱梯度率（Spectral Gradient Ratio，GR）[15]。利用归一化处理后的19 GHz水平和垂直极化方向亮温数据，通过式（2）得到PR，利用归一化处理后的37 GHz和19 GHz垂直极化方向亮温数据，通过式（3）得到GR。式（2）、（3）定义如下，其中Tb表示归一化处理后水平（H）或垂直（V）极化方向和特定频率下观测到的亮温。

表3 亮温系数

NASA TEAM算法共用到了12个关于亮温数值的系数ai、bi和ci（i=1，2，3），这12个系数是在19 GHz垂直极化、19 GHz水平极化和37 GHz垂直极化下观测到的在一年冰面、多年冰面和无冰海面上的SSM/I亮温值，属于已知参数。ai、bi和ci的具体数值见表3。

利用系数bi、ci与上述公式计算得到的PR、GR，根据式（4）计算得到多年冰密集度。公式如下：

利用系数ai、ci与上述公式计算得到的PR、GR，根据式（5）计算得到一年冰密集度。公式如下：

整体海冰密集度CT是一年冰CF和多年冰CM密集度的总和。公式如下：

本文利用DMSP数据和NASATEAM算法研制了南极海冰密集度产品。通过得到的南极整体海冰、多年冰与一年冰密集度确定海冰范围和面积。

2.3 结果比较

采用同时期美国国家冰雪数据中心提供的Bootstrap算法反演的密集度产品与本文密集度产品进行精度验证如表4，结果可知：NASA TEAM算法得到的海冰面积结果比Bootstrap的海冰面积结果偏小；NASA TEAM算法和Bootstrap算法的相关性强，两者整体海冰面积的最大偏差为0.733%，平均海冰面积误差为0.456%。

表4 精度比较

3 结果与分析

3.1 时间变化

时间变化指南极海冰面积随着时间的推移发生的波动性变化，通常以折线图的形式体现，时间形式可以是年度、月份等。根据密集度确定海冰范围和面积，利用年均海冰面积得到整体海冰年变化，利用每月平均海冰面积得到海冰月变化。

3.1.1 整体海冰年变化

Heinrichs等[16]研究发现，将密集度15%的区域定为海水与海冰的分界线可以较好地反演出海冰边缘。本文将密集度大于15%的区域视为海冰，统计1997—2017年整体海冰面积得到图1。由图1可知：1997—2017年南极海冰面积呈小幅增长趋势，增长率约为1.11%/a；年均海冰面积约为12.65×106km2，最大值出现在2014年，面积约为13.62×106km2，最小值出现在2017年，面积约为11.52×106km2。1997—2011年海冰面积变化较小，2011—2014年海冰面积持续增加，2014—2017年海冰面积出现大幅度减少。1997—2014年海冰面积增加了约1.34×106km2，年平均增长率约为6.11%，2014—2017年海冰面积减少了约2.11×106km2，2017年相比1997年海冰面积减少约了0.76×106km2。

图1 1997—2017年整体海冰面积年变化

3.1.2 海冰月变化

统计1997—2017年每月平均海冰面积得到图2。由图2可知：南极海冰面积最小值出现在每年2月（平均约为3.35×106km2，最小值为2017年2月的2.5×106km2），2—9月海冰面积稳步上升，9月达到最大值（平均约为19.84×106km2，最大值为2014年9月的21.03×106km2），9月后海冰开始融化减少，总体上呈周期变化。

3.1.3 多年冰变化

统计每年多年冰面积得到图3。由图3可知：多年冰整体呈小幅下降趋势，平均每年减少约0.016×106km2。多年冰年均面积约为2.55×106km2，多年冰面积最大值出现在2003年，约为3.35×106km2，最小值出现在2017年，约为1.82×106km2。除2000年、2002年波动较大外，1997—2015年多年冰面积在均值附近上下波动，2015—2017年面积大幅度减少。

3.1.4 一年冰变化

图2 1997—2017年海冰面积月变化

图3 1997—2017年多年冰时间变化

图4 1997—2017年一年冰时间变化

统计每年一年冰面积得到图4。由图4可知： 1997—2007年一年冰整体呈小幅上升趋势，增长率约为2.61%/a；1997—2017年一年冰年均面积约为10.09×106km2。1997—2000年一年冰变化较小，在2001年出现低谷（面积约为9.2×106km2），2001—2014年一年冰大幅度增加，并在2014年达到最大值（面积约为10.84×106km2），2014—2017年一年冰出现大幅度减少，2017年相比2014年一年冰减少了约1.15×106km2。

3.2 空间变化

南极周边的海域可划分为5个部分，分别是威德尔海、印度洋、西太平洋、罗斯海和阿蒙森海。基于1997—2017年南极多年冰、一年冰密集度数据，统计每年多年冰与一年冰出现次数，得到海冰空间变化图6和图7。

3.2.1 多年冰空间变化

由图5可知：南极多年冰主要分布在威德尔海，罗斯海、阿蒙森海次之，其余两海域分布较少。多年冰出现次数在19～21 a可视为稳定存在的区域，该区域同样集中于威德尔海、罗斯海和阿蒙森海，靠近南极大陆的地区多年冰相对稳定，越向外多年冰出现频率越低。稳定存在的区域面积有0.708×106km2，占多年冰面积的27.78%，出现次数在15 a以上的多年冰面积有1.49×106km2，占多年冰总面积的58.47%。

图5 南极周边海域

3.2.2 一年冰空间变化

由图6可知：南极79.8%的海冰为一年冰，一年冰围绕南极大陆呈环状分布，除威德尔海南部区域外，其余地区大部分为稳定区域（21 a都有一年冰的区域），稳定区域约占一年冰总面积的75.01%。环状中心区域稳定性较好，而边缘区域一年冰出现频率较低。

图6 1997—2017年多年冰空间变化

图7 1997—2017年一年冰空间变化

3.3 影响因素

南极海冰变化对全球气候变化有着深远影响，南极海冰变化也受到气候变化、水文等多方面影响。刘艳霞等[9]指出南极海冰变化与南方涛动指数（Southern Oscillation Index，SOI）有明显的相关性。SOI是厄尔尼诺（EL Nino）与拉尼娜（La Nina）事件的重要大气指示参数，在2002年、2006年、2011年、2016年都出现过厄尔尼诺或拉尼娜事件，而南极海冰面积在这些年份也都出现过大幅度增大或减小情况。

海表面温度也是影响海冰变化的重要因素。舒苏[17]指出2011—2017年海表面温度呈现增加趋势，其中威德尔海增长趋势最小，海冰面积与海表面温度有较大的负相关性，相关系数为-0.979。威德尔海表面温度变化最小，也能说明威德尔海域是海冰主要存在的稳定海域。

一项新的卫星分析显示，2014—2017年南极海冰面积出现急剧减少，海冰覆盖面积处于40 a来的最低点[18]。目前研究人员正试图找出南极海冰发生这种异常情况的原因。

4 结论与讨论

4.1 结论

本文基于1997—2017年美国国防气象卫星DMSP的SSM/I数据，利用NASA TEAM算法研制了南极海冰密集度产品，得到南极海冰时间、空间变化，主要得到了以下结论。

（1）1997—2017年南极整体海冰面积呈小幅增长趋势，增长率为1.11%/a；年均海冰面积为为12.65×106km²，最大值出现在2014年，最小值出现在2017年；1997—2014年海冰面积增加了约1.34×106km2，2014—2017年海冰面积大范围减少，减少了约2.11×106km2；南极海冰具有明显的周期性变化，每年2月海冰面积最小，平均为3.35×106km2，2—9月海冰面积增大，9月海冰面积达到最大值，平均为19.84×106km2。

（2）多年冰呈现小幅下降趋势，年均面积约为2.55×106km2，平均每年减少约 0.016×106km2；一年冰整体呈小幅上升趋势，增长率约为2.61%/a；一年冰与多年冰都在2015—2017年出现大幅度减少。

（3）多年冰主要分布在威德尔海域，其他海域分布较少，围绕大陆边缘也有少量分布；南极海冰以一年冰为主，一年冰以环状分布在多年冰外围；有15 a以上多年冰的区域仅占多年冰总面积的一半；相比多年冰，一年冰稳定存在区域较多。

4.2 问题与展望

本文数据时间跨度较短，并不能说明南极海冰长时间时空变化情况。描述海冰还有海冰厚度、反射率、冻融等参数，本文仅使用了密集度数据对海冰面积进行了研究，分析较为单一，不能准确描述南极海冰全部变化，今后可以加入这些因素进行研究。虽然全球气温呈上升趋势，但是20世纪70年代以来南极海冰面积却是不断扩大，直到2014年开始急剧减少。南极海冰受众多方面影响，分析并找到南极海冰变化的原因将是今后的研究内容。