發(fā)布時間：2018-03-26 10:29

  本文選題：海冰厚度　切入點：北極　出處：《武漢大學(xué)》2015年博士論文

【摘要】：在全球氣候與環(huán)境變化日益嚴重的大背景下,作為氣候環(huán)境變化“放大器”和“指示器”的海冰變化也越來越受到關(guān)注。北極海冰區(qū)是全球最為重要、研究最廣泛的海冰區(qū),是影響全球氣候環(huán)境變化的關(guān)鍵區(qū)和敏感區(qū)。然而,受地理位置、自然環(huán)境和觀測手段的限制,長期以來人們對北極海冰尤其是海冰厚度的認識顯得不足。隨著北極海冰的持續(xù)縮減,氣候變暖、極端氣候事件和極區(qū)環(huán)境保護與生態(tài)安全等一系列重大問題不斷涌現(xiàn),對北極海冰變化尤其是海冰厚度變化的研究變得十分必要和緊迫。海冰厚度是海冰中最重要的參數(shù)之一,是海冰變化研究的第三維度,它對大氣.海冰.海洋的耦合作用尤為顯著和敏感,并直接決定著海.氣能量與物質(zhì)的交換過程和速率；主導(dǎo)著海冰的熱力學(xué)和動力學(xué)特征,影響海冰的運動、形變及凍結(jié)與消融過程,進而反饋于全球的氣候系統(tǒng)、環(huán)境系統(tǒng)與生態(tài)系統(tǒng),引起一系列與人類生存相關(guān)的氣候環(huán)境參量的變化。準確獲得北極海冰厚度及其變化信息,不僅有助于開展北極乃至全球氣候變化、環(huán)境變化、生態(tài)安全等研究,還對海洋資源開發(fā)、海上交通航運、極地考察等具有重要的現(xiàn)實意義。海冰厚度同時也是海冰中最難測量的參數(shù)。目前,各種方法(現(xiàn)場觀測、仰視聲納、走航觀測、電磁感應(yīng)、衛(wèi)星遙感等)被廣泛應(yīng)用到海冰厚度信息獲取中。然而這其中,只有衛(wèi)星測高方法可以連續(xù)獲得半球尺度海冰厚度信息。海冰厚度衛(wèi)星測高方法是一種極具發(fā)展前景的估算方法,而如何發(fā)展和應(yīng)用該方法,減小其估算的不確定性,以獲得可靠的、持續(xù)的海冰厚度及其變化信息,成為海冰變化研究的熱點和難點問題。本文針對這一問題,以“衛(wèi)星測高估算的不確定性分析——算法與模型參數(shù)的比較與改進——海冰厚度信息的提取與變化評估”為研究主線,選擇與全球變化敏感的北極海域為典型研究區(qū),在系統(tǒng)分析影響反演精度因素的基礎(chǔ)上,探求更為精確的估算算法并改進其模型參數(shù),對多源海量異質(zhì)數(shù)據(jù)進行同化與集成處理后,應(yīng)用改進的算法和多代衛(wèi)星測高數(shù)據(jù),延長和統(tǒng)一近10年來北極海冰厚度信息,更為可靠地揭示其分布特征及時空變化規(guī)律。主要研究內(nèi)容包括：(1)采用文獻計量分析法和內(nèi)容分析法對國內(nèi)外海冰厚度研究進行了統(tǒng)計分析,總結(jié)出海冰厚度研究的熱點區(qū)域、研究內(nèi)容和主流方法,分析了海冰厚度衛(wèi)星測高研究的歷史與現(xiàn)狀,對本文后續(xù)的研究重點進行了分析與判斷。在此基礎(chǔ)上,進一步對海冰厚度衛(wèi)星測高研究進行文獻計量分析,確定了各估算模型參數(shù)的典型使用。(2)系統(tǒng)分析影響海冰厚度衛(wèi)星測高估算精度的因素,包括海冰出水高度的不確定性和估算模型輸入?yún)?shù)的不確定性,并采用敏感性分析方法,研究參數(shù)變化對海冰厚度估算結(jié)果的影響；總結(jié)和分析現(xiàn)有四種主流估算算法及其模型參數(shù)的差異,并使用2011年3月的CryoSat-2衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)和這四種算法分別估算北冰洋海冰厚度并進行統(tǒng)計分析,通過與對應(yīng)相對高精度的IceBridge數(shù)據(jù)驗證對比,確定國際上現(xiàn)有海冰厚度衛(wèi)星測高估算精度最高的算法。(3)針對衛(wèi)星雷達測高與激光測高所使用電磁波段的不同,分別采用波形分類和最小高程閾值法,識別浮冰與冰間水道,計算海冰的出水高度,同時,對于雷達測高反演的出水高度,考慮雷達波對積雪的穿透系數(shù)、電磁波在氣一雪介質(zhì)中的傳播速度差異等來修正雷達出水高度,實現(xiàn)出水高度的優(yōu)化。(4)通過模型不同參數(shù)組合估算結(jié)果的比較與驗證來確定一組最優(yōu)的輸入?yún)?shù)組合,并在海冰組分冰型求解的基礎(chǔ)上,針對一年冰和多年冰積雪厚度及海冰密度的不同,采用不同的數(shù)據(jù)來源與取值,獲得區(qū)域更為精確的積雪厚度及海冰密度信息,實現(xiàn)海冰厚度衛(wèi)星測高估算模型參數(shù)來源或取值的優(yōu)選與改進。(5)通過出水高度的修正及估算模型參數(shù)的優(yōu)化,發(fā)展海冰厚度衛(wèi)星測高估算算法,并基于2個時相的衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)估算海冰厚度,將估算結(jié)果與現(xiàn)有精度最高算法的估算結(jié)果進行比較,通過與同時相高精度的ULS海冰水下厚度數(shù)據(jù)和OIB海冰厚度數(shù)據(jù)對比驗證,改進和確定最優(yōu)的海冰厚度衛(wèi)星測高估算算法。(6)利用改進的算法估算時序北極海冰的厚度分布,并采用時間序列分析方法進行時空變化分析,包括北極海冰、一年冰及多年冰厚度的分布特征及其變化、北極重點海域(波弗特海、北極中央海域、格陵蘭海)的時空變化分析、北極海冰厚度的年際變化、季節(jié)變化的趨勢分析、北極及其各海域的時空差異分析等,總結(jié)出近10年來北極及其重點海域的海冰厚度變化規(guī)律。本文的研究結(jié)果概括為：(1)海冰厚度衛(wèi)星測高估算具有較大的不確定性(2)海冰厚度衛(wèi)星測高估算模型中,海冰密度和積雪厚度是海冰厚度估算的敏感因素(3)現(xiàn)有海冰厚度衛(wèi)星測高估算四種主流的算法中,Laxon13算法是相對精度最高的算法(4)考慮雷達波對積雪的穿透系數(shù)、電磁波在氣一雪介質(zhì)中傳播速度的差異,可實現(xiàn)出水高度的修正與優(yōu)化(5)海冰厚度衛(wèi)星測高估算模型中最優(yōu)的估算輸入?yún)?shù)組合為：采用被動微波與W99聯(lián)合積雪厚度數(shù)據(jù)、使用分冰型海冰密度、采用積雪密度值300 kg/m3以及海水密度值1024 kg/m3(6)發(fā)展的JPZ15算法相對于Laxon13算法具有更好的精度,是海冰厚度衛(wèi)星測高估算的最優(yōu)算法(7)研究期內(nèi)北極平均海冰厚度為2.562±0.894 m,各海域海冰厚度呈現(xiàn)變薄的趨勢,其中多年冰的不斷變薄是其重要特征,秋、冬季海冰厚度平均下降速度分別為.0.09 m/a和.0.13 m/a。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：武漢大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：P228.3;P714.1

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本文編號：1667517