基于IceBridge和ICESat激光雷达高程的南极海冰和积雪厚度分析

Sea ice thickness plays a critic role on the coupled interactions among atmosphere, sea ice and ocean. At present, sea ice thickness compiled from ship and buoyancy observations from different years in different locations could not reflect the interannual variations for the entire circumpolar sea ice condition or even for a single region. Therefore, our proposed objectives in this project are to develop an automated method and algorithms to convert Antarctic IceBridge ATM elevation data into sea level height reference, snow freeboard and ice thickness, to construct the sea level height reference and its spatiotemporal variation feature in the Weddell, Bellingshausen and Amundsen Seas from IceBridge ATM elevation data during 2009-2015, to compute and analyze snow freeboards and ice thickness distribution from ICESat data during 2003-2009, and to build up relatively long time series of snow freeboard and ice thickness during 2003-2015 in the Weddell, Bellingshausen and Amundsen Seas for sea ice modeling in IPCC AR6 and other climate models. These sea ice thickness, snow depth and sea level reference products will also be key components of the Southern Ocean Observing System (SOOS). The implementation of this project will further push our sea ice study to the world.

海冰厚度及其变化在大气-海冰-海洋的能量与物质的交换过程中起着关键作用。当前，基于不同年份和不同地区的海冰厚度实测数据尚无法准确反映南极海域海冰厚度和冰上积雪深度的年际间变化。本项目通过美国IceBridge ATM极地机载激光海面高程等数据开发出一种自动算法，直接从ATM海面高程数据中获取南极威德尔海、别林斯高晋海和阿蒙森海(Weddell, Bellingshausen and Amundsen Seas)等典型海冰覆盖区2009-2015年的海平面基准值、海冰厚度和积雪深度；再结合ICESat海面高程数据，生成南极典型海域2003-2015年的海冰厚度和积雪深度变化时间序列；分析海冰厚度和积雪深度的时空变化特征，揭示海冰厚度和冰上积雪深度变化与其同区域大气和海洋驱动力变化的关系，并为IPCC第六次评估报告（AR6）以及其它气候模型的海冰模拟结果的验证和评估提供关键基础数据。

美国的IceBridge极地冰桥项目是为了填补陆地高程卫星ICESat1于2009年失效后，且ICESat2 在2017年发射前的空缺期，利用机载激光系统测量极地冰盖高程和海冰厚度的变化，使其能保证一个持续的记录，更好地反映极地冰盖和海冰对全球变暖情的响应。本项目系统地收集了IceBridge项目在南极海冰区2009-2016采集的所有ATM激光高程数据、DMS影像和SnowRadar数据和其它项目组测量的南极海冰厚度、冰上积雪等数据，提炼出了根据海冰总的出水高度计算海冰厚度的经验公式；在ArcGIS软件平台上，开发了一系列的数据预处理工具；研发出了一套软件系统，可以将DMS影像自动分类识别出海冰冰间水域，并结合ATM L1B激光高程数据和地统计方法，快速获取冰间水域的海表明瞬时高程基准，进而计算出海冰总的出水高度和海冰厚度。利用该软件系统，项目组已对南极威德尔海和别林斯高晋海海域的2009-2015年的DMS影像和ATM L1B高程数据处理完毕，得到该两个海域的海冰总的出水高度和厚度的空间分布和年际变化。再结合ICESat在该海区2003-2008年的海面高程数据，生成了该两个海域2003 - 2015年的海冰厚度变化时间序列，可以作为IPCC第六次评估报告（AR6）以及其它气候模型的海冰模拟结果的验证和评估的关键基础数据。同时，项目组还结合南极海域的风场与降雨再分析数据，以及MODIS积雪产品数据、AMSR-E积雪深度和海冰密集度数据，分析了南极和北极海冰的冻融过程、季节变化和年际变化，以及这些变化对海冰厚度变化的影响和对北冰洋夏季商业通航的可行性。