北极海冰的光谱特征分析

北极海冰对全球气候变化有着举足轻重的作用,它的快速变化及其影响是国内外关注的焦点。采用ASD FieldSpec 3便携式地物光谱仪,在2010年中国第4次北极科学考察的长期冰站观测期间对不同类型的海冰进行了野外光谱测量,系统分析了光谱特征。结果表明积雪覆盖海冰的光谱反射率最高,裸露海冰其次,表层消融的海冰(有融池)最低。厚雪、薄雪、湿雪、雪晶的光谱曲线峰谷特征明显,基本都随波长的增加反射率降低。天然海冰、白冰、蓝冰的反射率随波长的变化基本一致,反射率居于中等,灰冰的反射率远低于天然海冰、白冰和蓝冰。分析北极海冰的波谱特性,探索北极海冰的定量遥感研究,进而分析其对全球变暖的响应,具有重要的科学意义。     

船运铁矿粉污染海冰反射光谱特征研究

国际防止船舶造成污染公约（MARPOL）中关于防止船舶垃圾污染的附则V规定,对含有海洋环境有害的物质（HME）的干燥残留物必须在适当的港口接收设施中排放,但因费用等因素影响,很多船只将废弃物直接抛弃于海洋中。散落于海冰表面的船运铁矿粉会污染海冰品质,并加速海冰融化,对海洋环境造成一定的污染。对铁矿粉污染海冰的光谱反射率特征的研究,能够为利用光学遥感影像进行海冰品质监测提供数据基础。通过现场测量覆盖不同面积比例铁矿粉颗粒的海冰和清洁海冰之间光谱特征差异,为港口附近铁矿粉污染的范围以及沉降量的估算提供参考和依据。该研究是在渤海海域天然海冰条件下进行的,获取并分析了不同污染程度的海冰光谱特征,探讨这些光谱特征与铁矿粉颗粒几何截面积比例的相关性。为了反演海冰表面铁矿粉面积比例,利用光谱矢量角余弦值和光谱吸收指数阈值法进行了海冰、铁矿粉端元提取,根据混合像元线性解混模型理论,建立基于特征光谱波段反射率值的海冰表面铁矿粉面积比例反演模型。所研究海冰表面铁矿粉面积比例分为0 （洁净海冰）,25.8%,37.2%,46.1%,52.1%,65.1%,72.5%,82.3%,92.3%,93.1%和100%（纯铁矿粉）等,数据采集波长范围350～2 500 nm。结果表明,利用1 460 nm波段处的吸收指数（SAI）进行海冰和铁矿粉端元提取效果最佳,反射率与铁矿粉面积在918～1 400,1 500～1 780和2 250～2 300 nm波段,相关系数都大于0.90,86%以上波段范围的反射率与铁矿粉面积的相关系数在0.90以上,91.75%以上的波段范围相关系数在0.80以上。选取1 610～1 630 nm波段的平均反射率估算铁矿粉面积比例,几何截面积较小的误差一般大于几何截面积较大的,在克服海冰背景反射率的影响下,比较精确地估算了海冰-铁矿粉像元中铁矿粉颗粒的几何截面积比例,平均反演精度达到94.23%。     

基于星载辐射计AMSR-E不同波段的北极海冰折射系数提取

海冰折射系数是一个重要的地球物理参数。利用Hong Approximation(HA)算法和星载辐射计AMSR-E数据,基于不同微波频段(6.9,10.7,23,37,89 GHz)实现北极地区不同季节海冰折射系数反演。首先对反演所用关键数据海冰密集度反演算法的系点进行优化,反演结果与验证数据平均偏差分别为3.00%和-0.50%,低于其它常用算法。结果表明：冬季一年冰和夏季海冰的折射系数反演结果在所有微波频段的平均值范围为(1.78~1.75)和(1.72~1.70),与前人研究结果基本一致,但冬季多年冰在较高频率的折射系数与前人结果偏差较大,高于10.7 GHz的微波频段不能用于冬季多年冰折射系数的提取;综合利用不同波段海冰折射系数反演结果能够有效识别沿岸冰间湖(比如冬季6.9 GHz),区分多年冰与一年冰(冬季89 GHz),并能确定多夏季海冰边缘融化范围(夏季6.9 GHz)。     

渤海海冰反射光谱基本特征的观测研究

针对渤海海冰监测的需要,在分析前人相关研究的基础上, 从洁净平整冰入手, 通过控制实验,在辽东湾鲅鱼圈港内获取不同厚度的洁净平整冰、有积雪覆盖海冰和含有泥沙海冰的样本,开展海冰现场反射光谱观测实验。根据两年的观测数据, 在可观测到的小于30 cm厚度范围内,洁净平整冰的光谱曲线呈现出“一大一小” 的双峰特征,且主反射峰值与海冰厚度有较好的对应关系;有积雪覆盖海冰的主反射峰光谱值要大大高于相同厚度的没有积雪覆盖的洁净平整冰主反射峰光谱值;含有泥沙的海冰的光谱曲线在675～725 nm波长范围内表现为先略有抬升,然后再继续下降的特征,而且其主反射峰值也大大升高。积雪覆盖和泥沙是产生渤海海冰“同厚异谱”或“同谱异厚”现象的重要原因。     

辽东湾海冰有色溶解有机物和颗粒物的光学特性

针对有色溶解有机物(CDOM)和颗粒物在短波波段的强吸收特性对海冰内部及下层海水生物的区大影响,研究了辽东湾海冰内部CDOM和颗粒物的吸收特性.海冰内部CDOM的吸收为下层海水CDOM吸收的1/5～1/2,海冰内部CDOM吸收的最大值一般出现于海冰的表层和底层.由于大气的沉降作用,海冰内部颗粒物吸收的最大值出现于海冰表...     

北极冰下双轴声道传播特性研究

本文利用第六次北极科学考察的所得的楚科奇海温盐深数据,开展了北极海域声传播特性研究。通过引入Diachok海冰散射模型,将海冰界面模拟为无限椭圆形半圆柱体在自由界面的随机分布,利用Twersky散射理论计算了海冰的反射系数。使用简正波中的KRAKENC模型,结合海冰参数,进行了传播损失仿真分析。研究表明,北极的双声道波导中表面声道的传播特性与声源频率和收发深度紧密相关。深海声道与北极典型声速结构的传播特性一致,具有频率选择特性,在20 Hz左右时传播特性较为理想。此外,在远程传播时,深海声道的传播特性要优于表面声道。     

海冰对水下量子通信信道性能的影响

为研究海冰对水下量子通信信道性能的影响,基于海冰在不同的密度、盐度下的吸收与散射特性,建立了海冰参数与消光系数之间的关系、光量子信号衰减模型;根据海冰在不同密度、盐度下的消光特性,分别建立海冰参数与信道利用率、量子密钥分配系统误码率、系统成码率之间的关系并进行数据仿真。理论分析与仿真结果可为海冰环境下的水下量子通信设计提供参考。     

时间域混合像元分析在海冰密集度变化研究中的应用

传统意义混合像元分析方法是对有不同光谱特征的地物进行分解(spectral mixture analysis,SMA),得到各个组分在该像元内所占的百分数。而将光谱域的混合像元分析延伸至时间域内(temporalmixture analysis,TMA),提取的表征时间特性的端元用于像元分解所得残差小于8.5%,说明TMA提取南极地区海冰密集度时间变化特性具有可行性。将获取的多年平均端元用于2005年和2010年海冰密集度数据,得到残差分别为(1.4±2.42)%和(1.7±2.87)%,高于多年平均残差精度(1±1.53)%,在一定程度上反映某年海冰密集度数据相对多年平均值的变化。因此,TMA为全球变暖背景下的海冰密集度的时空特性研究提供了新思路。     

典型北极冰下声信道多途结构分析及实验研究

针对北极海域典型声场环境,提出了基于OASES-Bellhop耦合模型的冰下声信道多途结构快速分析方法。模型将海冰等效为具有粗糙界面的弹性分层介质,利用微扰法与Kirchhoff近似,估计海冰界面不均匀造成的散射损失,结合射线传播理论对典型北极冰下声信道多途结构进行分析与预报。数值仿真与实验结果表明,在6 km距离处,典型北极冰下声信道由于海冰与海底反射分别形成多途结构,海冰多次反射路径叠加形成的多途结构较为稳定,时延扩展在14 ms范围内,海底反射路径强度相对较弱。OASES-Bellhop模型对冰下声信道多途结构幅度和时延预测误差较小,能够较好的解释及预报实验观测到的多途结构环境特性。      

极地海冰声波导建模综述

全球性气候变暖的持续使极地科学成为国际科研热点.极地声学技术研究在近年国内学者的努力下取得了长足进展,但在基础理论研究方面还有很多需要攻坚的难题.极地冰声传播受弹性波导影响严重,特殊的材料物理特性、复杂的边界条件以及极端恶劣的环境均给相关研究推进带来挑战.针对冰声波导模型精细化构建难题,本文从海冰物理特性概述、冰声传播理论模型构建、冰声传播特征方程数值求解以及冰声参数评估与选取四个方向出发,回顾并梳理了极地海冰声波导建模关键技术的发展历程与研究现状,分析了国内外冰声传播研究进展,讨论并展望了冰声波导建模技术的未来研究重点以及其在极地开发中的应用潜力,以期为后续极地声学理论与应用研究的开展提供有益参考.     

国家气候中心大气环流模式冬季模式误差特征分析

本文利用1982—2010年国家气候中心第二代月动力延伸预测系统中大气环流模式(BCC_AGCM)的回报资料和美国国家环境预测中心和美国国家大气研究中心(NCEP/NCAR)再分析资料,分析了该模式对冬季气温预测的误差特征及其与外强迫的联系.结果表明模式能够在整体上较好地反映出欧亚区域冬季气温的变化趋势,能抓住东亚冬季风区气温年际变化的主要空间模态,对东亚冬季风区冬季气温具有一定的预报能力.预报误差的空间分布和时间演变特征的结果表明,误差在陆地大于海洋,高纬地区大于低纬地区,同时与海拔高度也有密切关系.预报误差的主要模态与一些关键区域的海温和海冰存在显著的相关性,表明模式对外强迫异常的响应能力存在缺陷.这为结合模式对关键区海温和海冰异常的响应能力,有针对性地改进模式对东亚冬季风区冬季气温的预测能力提供了依据.     

辽东湾海冰反射特性

海冰反照率是研究海冰表面特性、海冰分布、海冰厚度和极地气候的重要光学量之一。将卫星于不同位置所测量到的海冰双向反射率准确地转化为相应的反照率的值,对于获得大规模海冰的时空特性是非常重要的。研究了辽东湾海冰反照率与海冰双向反射分布函数之间的相关关系。结果表明：(1)反照率与海冰组分密切相关,海冰表层颗粒物浓度越高,反照率α(λ)的值越小,气泡的含量越高,α(λ)越大;(2)当仪器探头天顶角θ为0°时,所测量的双向反射因子R_f与反照率α(λ)的值是相似的;随着θ的增大,R_f的值逐渐增大,且与探头方位角的相关性逐渐增强;当θ的值等于太阳天顶角63°时,R_f的值最大,且与探头方位角的相关性最强;(3)不同类型的冰具有不同的各向异性反射因子。     

北极海域海洋环境噪声建模与特性分析

北极海域海洋环境噪声的特殊性在于具有偶发的尖脉冲声，为分析其特性与规律，首先建模仿真分析不同脉冲噪声下高斯分布与α稳定分布的拟合效果，验证后者的鲁棒性。再从实测北极海域噪声中选取三种典型环境噪声为样本，通过对其非高斯性判定及不同分布模型对比，验证α稳定分布在北极海域环境噪声统计特性建模中的有效性，同时研究不同深度、不同频段对模型参数的影响，最后通过各月参数的统计结果与海冰密集度分析冰下噪声成因。由于通道数量有限，没有给出所有深度的变化规律。结果表明，北极海域冰下环境噪声具有明显脉冲成分和非高斯性，利用α稳定分布能更好的描述其统计特性；100Hz可作为冰下环境噪声脉冲性干扰源的划分界限；结冰期环境噪声具有强烈的非高斯性，而冰封期则高斯性较强。     

海冰高光谱辐射测量系统的设计及应用

海冰是地球气候系统中的关键要素之一,为此设计了用于测量海冰光学特性的海冰高光谱辐射测量系统,可实现3个通道的同时测量,设计了2种类型的光学探头,解决了探头水密性的问题,搭配“L”型支架实现冰下辐射的现场测量。设计了双向反射率支架,搭配角度传感器可实现探头于任一角度位置对海冰双向反射率的测量。系统积分时间智能设定,实现了积分时间设定的最优化和自动化。解决了低温工作的难题。另外系统还集成了4个温度探头和1个全球定位系统GPS。通过在辽东湾附近海域对海冰的现场实验,验证了系统的可靠性及准确性。     

科学家警告:北极冰盖正在迅速缩小

2012年9月,北极海冰的范围下降到自1979年有卫星记录以来的最低点.海冰的面积340万平方公里仅相当于1979-2000年间最小平均覆盖值的一半.根据2011年MIT模型计算,海冰减薄的程度相当于2007年联合国关于气候变迁政府间圆桌会议的估计值的4倍.一些气象学家提醒,没有冰层的北冰洋之夏或许会在近几年出现,将比现有气候模型估计的时间提早10年.     

基于多角度高光谱技术冰的偏振反射特性分析

对于可见光范围内,冰的反射光中包含部分偏振光,尤其是光滑的冰面,往往会使探测器获得的反射信息中包含更多的偏振信息。对淡水冰与海冰的反射信息进行了测量,同时结合角度信息与光谱信息分析了它们之间偏振反射特性的差异。发现在以偏振度为指标的前提下,海冰与淡水冰之间的差异相对反射信息较大,同时冰表现出了其特有的偏振特性。从而偏振测量可以辅助现有遥感技术更好的检测覆盖在地球表面的冰。     

双基地冰-水界面混响强度的理论预报

针对北极冰层冰水界面具有小尺度粗糙界面的情况,给出由冰层造成的混响平均强度的理论预报公式。首先将北极冰层等效为具有粗糙界面的弹性介质,并且采用小粗糙度微扰理论在精细拟合粗糙度谱的基础上,建立粗糙冰层的三维散射强度模型,然后建立三维双基地声呐几何模型确定有效散射区域,最后给出双基地冰下混响平均强度的估算公式,并在所拟合的粗糙度谱的情况下,利用该预报公式计算双基地声呐配置参数和海冰物理及声学特性对冰下混响强度的影响算例。数值仿真表明该公式能够估算出北极冰下双基地声呐产生的混响平均强度,并且分析出了时延、基线长度等声呐配置参数和冰层声速比、密度比等海冰物理参数会对混响强度造成的影响。声呐的配置参数主要影响散射的有效面积,海冰的物理参数则影响着冰层的散射强度。其中,冰层声速比不仅影响混响强度的大小,还会影响混响强度随时间的衰减速度。      

有冰海区油膜光谱特征研究

近些年有冰海区石油的勘探、开发以及运输频度逐年上升,这增加了冰区溢油发生的风险。试验通过测量海水、碎冰、整冰等不同背景条件下轻柴油和原油油膜的可见光-近红外光谱反射率曲线,并与洁净的海水、碎冰和平整冰光谱曲线进行比较,得到能够有效识别冰区溢油的波段。测量结果表明：同一油种在不同背景下油膜的光谱反射率曲线有所差异,同一油种同一背景下由于分布形态不同光谱反射率曲线也有所差异。但同一油种的油膜仍呈现出许多区别于背景的共同特征：以海水、碎冰或整冰为背景的轻柴油油膜的光谱反射率曲线呈现“先低后高”、部分“相伴而行”的特点;海水、碎冰和整冰中原油油膜的光谱反射率曲线在750～770 nm区间出现楔状反射峰的典型特点。根据以上特点可以将溢油污染海水/海冰与洁净海水/海冰很好的区分开来,从而为遥感监测冰区溢油时的波段选择和溢油识别提供参考和依据。     

冰冻地球的进动与章动

基于贾尼别科夫效应网上流传的一些观点认为,当地球南北两极的海冰增加或者减少将导致地球重量分布不平衡,地球将会发生翻转.本文基于简单的刚体地球模型,首先计算了地球南北纬度结冰时导致的地球总转动惯量变化,并利用欧拉动力学方程分析转动惯量变化引起的地球的进动与章动.研究指出,不论是不受外力作用的潘索情况还是考虑了潮汐力的情况,地球在南北纬度30°结冰的情况下旋转最不稳定.此外,即使地球表面冰冻到深度33公里,贾尼别科夫效应也不会在地球上发生.通过本文简单的计算终结了网络流言,并且有利于人们对地球进动和章动的理解.     

北极环境噪声:冰源力学

所有海洋都是嘈杂的。北冰洋的噪声发生于冰盖子,特别是其引起断裂的应力状态。由于在北极中潜艇战的战略重要性及石油勘探和开采的经济重要性加速了噪声及冰断裂过程的研究。我在本报告中概述关于理解与冰源力学有关的北冰洋噪声基础方面的新进展。 除开要求噪声的定量观察以外;这里还有几个物理问题,如海冰的流变性质、对冰施加切应力的海洋和大气边界层的本质、及可能会发生断裂的地方的冰盖子的形态特性。冰源力学酷似于地震的地震学和位错运动的声发射,虽然细节上有差别。冰噪声问题的尺度远小于地震的尺度,而远大于位错运动的尺度。