基于雷达高度计的辽东湾海冰外缘线提取及其变动规律.docx

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1、摘要:为了分析利用雷达高度计资料提取海冰外缘线的精度，推进高度计在中国海冰遥感监测中的应用进展，本研究中基于JaSon-2高度计沿岸和水文专用产品(PISTACH),提取了20082016年间辽东湾海冰外缘线，并与高分一号(GFT)观测结果进行了对比验证，最后分析了辽东湾外缘线变动与国家海洋局葫芦岛海洋站气温观测数据的关系。结果表明:2013年末至2016年初3个冰期内的验证试验显示，基于JaSon-2高度计判定的海冰外缘线延伸范围与基于GF-I遥感影像提取的结果符合良好，两者提取的海冰外缘线延伸距离均方差为2.81nmi1e,并且海冰外缘线变动规律与气温数据变动规律一致；对2008年6月一2

2、016年10月期间共8个冰期的辽东湾海冰外缘线的变动规律分析显示，2010年冰情最为严重，辽东湾海冰外缘线自海岸起沿JaSOn-2高度计轨道往南延伸约90nmi1e,20伸年和2015年的冰情较轻,延伸距离均小于40nmi1e,另外，延伸距离的变动与葫芦岛的10日滑动平均气温呈明显的滞后响应关系，当滞后4d时,两者的相关性最强,相关系数为-0.56o研究表明，基于雷达高度计资料可以准确地提取辽东湾海冰外缘线，本研究结果对于中国海冰数据产品的开发和数值模拟的改进与验证具有重要参考。关键词：雷达高度计；回波波形；波形分类；海冰外缘线海冰是海洋水文要素的重要组成部分，对海洋水文要素的铅直分布、海洋动

3、力过程和海气交换过程等具有重要的影响。近年来，中国渤海和黄海北部海域出现了不同程度的冻结，多次出现严重的海冰灾害，造成了巨大的经济损失，因此，开展对海冰的观测和研究显得十分必要。目前，海冰监测的主要手段是可见光遥感，但是可见光遥感严重地受到天气条件的制约，尤其在冬季，天气条件恶劣，经常无法获得高质量的遥感图像。近年来，充分利用包括可见光和微波等各种遥感技术手段，并配合沿岸固定观测站和破冰船等现场观测，成为海冰监测的主要发展方向。雷达高度计属于主动微波遥感，能够进行全天候观测。自20世纪90年代以来，雷达高度计积累了近30年的观测资料，历史资料的解析对渤海海冰的研究，如渤海海冰变动与局地气象及水

4、文的关系、改进/验证海冰预报模型等，具有重要的研究价值。针对不同的高度计任务及应用海域学者提出了多种基于波形分类的海冰识别算法。2004年，1axon等利用波形的脉冲峰值(PU1Sepeakiness,PP)进行冰间水道和海冰的识别。此后学者多结合PP值和回波波形特征进行海冰识别。Jiang等使用中国HY-2A/B高度计的PP值与自动增益参数(AGC)特征进行海冰和开阔海域的区分，但未对波形进行详细划分；王志勇等基于中国HY-2B高度计的波形强度最大值、PP值、前沿宽度和后向散射系数4种波形特征，分析了HY-2B高度计精确识别海冰、冰间水道和开阔水域的能力，算法的平均最高海冰分类精度可达到91

5、.96%o2007年11月法国国家太空中心(CNES)针对JaSOn-2高度计开发了一种针对近岸和水文专用产品(CoaStaIandhydro1ogya1timetryproduct,PISTACH),该产品对高度计回波类型进行了详细划分，共分为16个种类。本研究中，在P1STACH波形类型基础上提出两个经验条件，精确提取每个高度计轨道周期的辽东湾海冰外缘线，并将结果与高分一号（GF-I）可见光遥感影像进行对比验证，最后结合国家海洋局葫芦岛海洋站的气温观测数据对辽东湾海冰外缘线变动规律进行分析，旨在推进雷达高度计在中国海冰研究中的应用提供支撑。1数据与方法1.1数据来源用于海面地形观测的OST

6、M/Jason-2高度计，发射于2008年6月20日，于2016年10月进入替换轨道。图1为JaSOn-2高度计在中国渤海海域的两条地面轨道（77号和138号），其中77号轨道自辽东湾的中部穿过。渤海海冰为一年冰，随着气温的降低，辽东湾海冰基本自北部岸线由北往南逐渐发展，融冰期相反。因此，沿JaSOn-2高度计77号轨道的海冰外缘线的位置变动信息可以作为反映辽东湾冰情的重要参数。图1JaSOn-2高度计在渤海的两条地面轨道（138号和77号）和葫芦岛观测站位置（绿色圆点）Fig.1TwogroundtracksofJason-2a1timeterontwogroundtracks(No.138

7、andNo.77)inBohaiSeaandonthe1ocationofHu1udaoStation(greencirc1e)本研究中使用的高度计数据为Jason-2的PISTCH和传感器地球物理数据集(SGDR)两个产品。数据的空间范围为自北纬390起向北至海岸(图1红色粗线)，海岸线的判定基于全球高精度海岸线数据集。数据的时间跨度为2008年7月(CyC1eOOO)至2016年10月(CyC1e303),期间共包含8个完整的冰期。GF-I的WFV数据产品已经过辐射校正和几何校正，时间跨度为2013年底一2016年初3个冰期。气温数据来源于大连海洋环境监测中心葫芦岛监测站(图1绿色圆点)的

8、现场观测资料，时间跨度与JaSon-2高度计数据相同。1.2方法1.2.1 回波波形与P1STAeH产品雷达高度计向星下点方向发射微波，然后接收由下垫面反射的回波(图2)。雷达高度计接收到的回波信号的时间序列被称之为“波形”O一般而言，在开阔的外洋，雷达高度计的回波波形可以由BroWn数学模型来描述。因此，典型的外洋海水回波波形也被称之为BrOWn波形。当高度计足印内海面反射性质不均匀时，回波波形会明显偏离于BrOWn波形。PISTACH产品在数据处理过程中，将JaSon-2高度计的回波波形共划分为16类，其中包括1种未知波形，其余15类波形反映了高度计足迹内下垫面的反射性质。图3展示了PIS

9、TACH产品16类波形中与海冰有显著关系的4类，c1ass1为典型的BrOWn波形，反映了高度计足迹内海水反射性质较为均匀的回波波形特征；C1aSS2为镜面反射时的回波波形，主要反映了大面积海冰或静水的回波波形特征，但是由于海水相对于海冰反射率较低，因此，海冰的后向散射强度会明显大于静水。一般而言，高度计足迹内为大范围海冰时，回波波形呈现为c1ass2的峰形回波。但是，单块的小型流冰（长度远小于高度计足迹半径）在回波波形中仅表现为单体明亮目标特征，根据其位置不同可表现为C1aSS12（星下点附近）和C1aSS21（远离星下点）2类波形。c1ass1c1ass2c1ass12c1ass21Bro

10、wnechosPeakechosBrown-i-PeakechoBrown+Peakecho图3与海冰相关的4类PISTACH波形图（摘自PISTACHHandbook图4）Fig.3FourPISTACHwaveformc1assificationre1atedwithseaicefromFigure4inthePISTACHHandbook1111.2.2基于波形分类的海冰外缘线提取方法2014年1月17日(cyc1e204)JaSOn-2高度计在辽东湾附近的雷达回波图见图4,其中横轴为纬度，纵轴表示回波波形的时间序列，图中的每一列表示一个回波波形，色轴表示回波强度。由图4可以看出，高度计

11、由南往北运行的过程中，自40.2N开始,高度计足迹内出现具有强反射特征的明亮目标，这些明亮目标的回波信号在雷达回波图中的波形后沿区呈现出明显的抛物线特征。抛物线顶点越靠近波形前沿，表明明亮目标与高度计星下点的距离越近。另外，抛物线的粗细与明亮目标的面积成正比。高度计运行至40.4N附近时，抛物线顶点出现在波形前沿，表明高度计星下点开始出现明亮目标。图42014年1月17日辽东湾附近JaSon-2雷达回波图Fig.4Jason-2echogramnear1iaodongBayonJanuary17,20142014年1月17日同区域的JaSon-2雷达回波的波形前沿最大强度(黑色实线)和波形类别

12、的沿轨变化见图5,其中蓝色圆点表示BrOwn波形CIaSS1,红色圆点表示峰形波形CIaSS2,绿色圆点表示其他的波形类别。由图5可以看出，40.2oN以南均为BrOWn波形，波形前沿强度较小，表明此区域为海水；40.2oN40.4N之间，高度计足迹范围内出现多个明亮目标，波形后沿被污染，波形类别出现复杂变化，但这一区域内波形前沿最大强度并无明显变动；自40.4。N开始往北，星下点开始出现明亮目标，波形前沿最大强度急剧上升，波形类别转变为峰形回波c1ass2o图52014年1月17日辽东湾附近JaSOn-2回波波形前沿最大强度和波形类别的沿轨变化Fig.5Variationsintheinte

13、nsityofwaveform1eadingedgeandwaveformtypea1ongtheJason-2groundtracknear1iaodongBayonJanuary17,2014本研究中将JaSOn-2高度计雷达回波与此区域的GFT图像进行对比分析（图6）。需要注意的是，GF-I图像获取时间滞后高度计观测约6ho图6中红色线为本研究所采用的JaSOn-2高度计轨道，两条白线距离轨道垂直距离约10km,代表高度计足迹的大致范围。由图6可清晰地看出：40.350N以南区域（黄色圆点），高度计足迹内出现零散的流冰,但偏离星下点;40.35N（黄色圆点）向北至40.47。N区域（绿色

14、圆点），高度计的星下点开始间断地出现海冰；40.470N至约40.8N区域内,星下点均为海冰；40.8oN以北区域内，高度计足迹内出现陆地和岸边静水,海冰有所减少。而从图5可见,随着海冰的密集程度增加，40.35N以北回波波形会变成峰形回波c1ass2,至40.470N波形前沿最大强度增加15dB,至40.8N波形前沿强度达到最大值。这表明，海面雷达回波图中明亮目标的性质及波形前沿最大强度与波形类别沿轨变化与GFT号图像比较吻合。图62014年1月18日的辽东湾GFT影像Fig.6GF-Iimagenear1iaodongBayonJanuary18,2014综上所述，高度计星下点出现海冰时波

15、形将转变为峰形即C1aSS2类型，且波形前沿强度随足迹范围海冰密集度的增加而迅速增大。由于海水的反射率显著低于海冰，因此，在过去研究中，多利用后向散射强度（与波形前沿最大强度成正比）的阈值作为判定海冰的附加条件。由于海冰密集度较低的区域内海冰外缘线变动受风和潮流等动力过程的影响显著，而本研究中主要分析热力过程与海冰外缘线变动的关系，因此，通过20132016年的GFT影像的目视解析和高度计波形类型及前沿强度的沿轨变化，将满足下面两个条件的最南侧高度计星下点位置定义为辽东湾海冰的外缘线：D波形前沿最大强度大于35dB；2）连续10个回波波形为c1ass2类型。2结果与分析2.1海冰外缘线提取结果

16、及验证基于上述判定方法，本研究中以Jason-2轨道在渤海辽东湾的海陆交界位置(1216373oE、40.8323oN)为岸界,计算沿高度计轨道从海冰外缘线边界至岸界的距离，作为海冰延伸距离。由JaSOn-2高度计和GF-I号分别计算得到3个冰期内的辽东湾海冰外缘线延伸距离如图7所示，图中横坐标为观测时间，纵坐标为沿高度计轨道(图1)的海冰外缘线延伸距离。受云的影响，在Jason-2高度计经过的当天，部分GF-1影像质量较差，无法提取海冰外缘线。从图7可见，3个冰期内两者的计算结果基本相符，两种观测的均方差为2.81nmi1eooouss-pUOW-XQoci20152016年-GF-I.Jason-2806040200图720132016年JaSon-2和GF-I确定的辽东湾海冰外缘线延伸距离Fig.7Exte