基于ASAR数据与冰物理模型的东南极普里兹湾海域固定冰时空特征研究

Fast ice is an important though poorly quantified and poorly understood component of the Antarctic sea ice cover. Its spatio-temporal distribution is forced by energy and moisture exchanges at the atmosphere-ice-ocean interface. Fast ice could be as an indicator for Antarctic sea ice evaluation. Prydz Bay is the third largest bay in Antarctica, and the largest bay in East Antarctica. The interaction of ocean, sea ice and atmosphere in Prydz Bay has been a focus in Chinese polar scientific researches. In this study, fast ice extent over Prydz Bay will be mapped using ASAR data from 2005 to 2012 by the optional algorithm (gradient algorithm or image feature tracking algorithm). Local histogram matching method based on prior knowledge will be employed to improve the optional algorithm. The ice thickness will be simulated by HIGHTSI model. In situ measurements will be used as validation data. The fast ice extent and thickness dataset during 2005-2012 in Prydz Bay will be completed and the volume of fast ice will be calculated. The spatio-temporal distributions will be analyzed. The dataset will help the parameterization of thermodynamic sea-ice processes in coupled climate models, and will provide an outlook towards statistical parameterization of fast-ice characteristics within numerical models. With the global changes being a hot topic, this study about fast ice observations employed multisource remote sensing data will promote sea ice remote sensing research in China, make contributions to polar researches and global changes researches.

固定冰的时空特征是区域尺度气-冰-海交互作用的结果，直接反映了区域气候变化，可用于评估极地区域的海冰变化。普里兹湾是南极第三大海湾，海湾内的气-冰-海相互作用过程是我国南极研究的重要内容。本研究以2005-2012年的ASAR数据为基础，基于先验知识进行图像直方图匹配，使用固定冰最优识别算法，获取固定冰的范围及生消关键日期，并使用高分辨率冰雪热力学模式HIGHTSI模拟得到固定冰冰厚数据，根据范围与冰厚数据计算固定冰的体积。在此基础上分析普里兹湾固定冰范围、冰厚与体积的年际与年内时空特征，为南大洋固定冰变化与气候变化之间的关系研究提供基础数据，为海冰数值模式结果的验证与评估提供关键数据。在全球变化研究背景下，普里兹湾海域固定冰时空特征研究将推动我国海冰遥感技术发展并提升我国极地遥感研究水平。

固定冰的时空特征是区域尺度气-冰-海交互作用的结果，直接反映了区域气候变化，可用于评估极地区域的海冰变化。本项目基于遥感观测、现场观测和数值模拟，分析了全南极固定冰时空变化特征及其与周围环境的相互影响，主要内容和结果包括：.(1) 基于净梯度差算法，结合影像边缘检测和自动矢量化方法，发展了一套适应于全南极的固定冰快速识别和提取方法，研究显示该方法具有识别精度高和适用范围广等优点；.(2) 基于发展的固定冰边缘提取方法，使用2006-2011年ENVISAT ASAR数据和2016-2017年Sentinel-1 SAR数据，首次获取了全南极高分辨率、长时间序列的固定冰最大范围数据集，分析了全南极固定冰的时空变化特征，发现全南极固定冰平均面积约为4.9±0.32×105 km2，约70%位于东南极沿岸，印度洋和太平洋扇区固定冰面积显著高于罗斯海、别林斯高晋海和威德尔海；探究了冰山影响南极固定冰形成和发展的机制，发现冰山接地搁浅会导致固定冰的形成，而冰山的运动将导致固定冰范围变化；.(3) 基于长时序的中山站近岸固定冰观测数据和海冰热力学模型HIGHTSI，探究了固定冰的生长和消融过程机制，发现海冰4-12月的积雪深度的空间差异和降水的空间分布有关，冰上积雪的年际变化较大但厚度变化较小，积雪的绝热效应对站点最大海冰厚度存在较大影响，平均积雪深度和最大海冰厚度之间存在显著的负相关（r = −0.58, p < 0.05）；.(4) 使用海冰热力学模型HIGHTSI开展了2006-2011年和2016-2017年麦克罗伯逊地沿岸固定冰冰厚的区域性模拟，结果表明该区域固定冰最大厚度通常出现于每年的10月份，最大厚度1.28-1.96 m，结合提取的固定冰数据，得到研究期内固定冰平均最大体积约为59.3 km3。其厚度分布显示，距离海岸越近固定冰厚度越大，固定冰厚度与负积温的相关性可达98%。.本项目为海冰模式（地球系统模式）与气候变化研究提供了全南极高分辨率的海冰（固定冰） 数据，发现了冰山影响南极固定冰形成和发展的机制和固定冰在冻结期和融化期的生消机制，增进了对南极固定冰的理解和认识，加深了对于全球变化基本事实的了解。