基于多時序遙感數據的中山站附近地區海冰監測及雪龍船航跡特點分析

朱敬敬 周春霞 艾松濤 劉帥斌 王澤民

（1武漢大學中國南極測繪研究中心，湖北武漢430079；2極地測繪科學國家測繪局重點實驗室，湖北武漢430079）

0 引言

全球環境與氣候變化是當今舉世矚目的重要課題，這其中又尤以氣候變暖帶來的冰雪融化抬升海平面給地球帶來的影響最大，也最受研究者關注。南極地區是全球地-氣系統的主要冷源之一，是全球冷熱平衡的重要組成部分，是極區冷源的關鍵地區［1］。極地海冰是全球氣候系統的一個重要組成部分，具有獨特的物理特性及較大的季節和年際變化。

國際上對南極海冰變化的最早研究始于20世紀70年代中期，以Budd等［2］為代表，并于1991年發表了1973—1990年南極地區年平均海冰變化的相關成果。2003年美國冰雪數據中心發布了基于被動微波傳感器AMSR-E數據的分辨率為6.25 km的全球海冰密集度產品，直觀地表示出了兩極及其他地區的海冰分布情況［3］。同年美國NASA利用歸一化雪被指數發布了基于MODIS數據的分辨率為1 km的全球海冰產品［4］。中國自1985年首次建立科學考察站長城站開始，陸續建立了中山站、昆侖站及泰山站，至今已連續開展了30次南極科學考察，對于南極及其海冰的研究不斷深入，也取得了不少研究性成果。解思梅等［5］利用海冰格點資料、微波輻射資料以及極區的衛星和常規觀測資料，對南極海冰的長期變化進行了研究。卞林根等［6］對南極海冰的整體變化特征進行了分析和研究，得到了南極海冰分布的一些時間和空間特征。唐述林等［7］認為極地海冰研究的關鍵問題應該是冰雪的季節變化、長期變化的趨勢問題以及極地海冰范圍的整體變化趨勢等。張辛等［8］利用南極中山站普里茲灣附近海域2000—2002年三年間的光學海冰產品監測該地區海冰的季節性變化。鄭少軍等［9］利用2003—2008年間的海冰密集度數據研究普里茲灣的海冰變化的空間分布特征，并結合地形與環流對海冰的分布特征進行了分析。鄔曉東［10］利用ICESat衛星激光測高數據并結合海冰密集度分析羅斯海地區海冰體積的空間分布和變化。

中山站是中國南極科學考察的重要站點，是南極內陸科學考察的起點和重要補給站。研究中山站及其附近地區的海冰特點，對于中國的極地科學考察具有重要意義。本文基于MODIS原始數據反演海冰分布，根據海冰分布結果對中山站附近地區海冰的季節性和長時間序列的分布特點進行分析和研究；結合2007—2012年雪龍船的航跡路線，重點分析該地區海冰分布與雪龍船航跡之間的關系。

1 實驗數據

1.1 MODIS數據

中等分辨率成像光譜儀（Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer，MODIS）搭載在由美國航空航天局發射的Terra和Aqua兩顆極軌衛星上，MODIS傳感器能夠每兩天獲取地球上任意位置的地面光學數據［6-7］。MODIS傳感器共有36個波段，分別分布在0.4—14.5μm的波長范圍之內，能夠生成250、500和1 000 m三種空間分辨率的數據［8］。針對MODIS L1B數據，其提供了對應的地理坐標數據MOD03，能夠對L1B數據進行地理幾何校正［9］。根據海冰與其他地物的反射特性差異，可利用監督分類的方法提取出海冰像元，并對中山站及附近地區多年來的海冰分布進行監測，進而分析海冰變化的相關規律。本文的研究區域為圖1中2009年12月24日Landsat影像所表示的區域，其地理范圍為69°56′38″S—69°10′46″S，71°17′55″E—77°48′45″E，底圖為全南極Landsat影像鑲嵌圖。雪龍船到達中山站地區的時間一般在夏季，且多為11月底或12月上中旬。為了便于結合雪龍船航跡進行分析，同時考慮到MODIS影像會受到南極地區上空大量云的影響，因此本實驗中MODIS原始數據選自2000—2014年每年的8月至次年的3月，每月26日至次月5日約10天內的中山站地區無云的光學影像來分析當月海冰分布情況。為更好分析中山站地區海冰面積最小的時間范圍，在每年2月分別補充了6—15日和16—25日無云的兩景MODIS數據進行海冰面積統計。

圖1 研究區域示意圖Fig.1.The sketch map of study area

1.2 Landsat數據

Landsat是美國NASA的陸地資源系列衛星，本文使用Landsat-7搭載的ETM＋傳感器獲取的數據，多光譜分辨率為30 m，全色分辨率達到15 m［10］。根據歷年雪龍船在中山站附近的航跡和停靠位置，并結合高分辨率的Landsat數據來分析，為極地科學考察船的航行提供重要參考。

由于南極地區Landsat影像數據有限，同時也受到云的影響，不能保證獲得雪龍船到達中山站地區同一天的Landsat數據，因而選擇了2007—2012年雪龍船到達中山站地區時同期質量最好的Landsat影像作為航跡數據疊加底圖。

1.3 雪龍船航跡數據

雪龍號是中國目前唯一的一艘極地科學考察破冰船，肩負著運送極地科考隊員和物資的重任，每年極晝開始前夕會航行到中山站附近海域，進行卸貨和人員運送的工作［11］。中國南極考察雪龍船實時航跡圖，記載了雪龍號科考船到達中山站地區附近時，在不同時刻下船的地理坐標、航向、航速、風向、風速等信息［12］。其中航跡數據完整記錄了雪龍號科考船的航行路線及其對應航跡點的經緯度坐標，每個航跡點數據之間的時間間隔為20—30 min。有時因出現特殊情況，部分航跡點之間的間隔時間會較長。

雪龍號科考船的航跡數據是從中國南北極考察隊雪龍號破冰船實時動態監測網“雪龍在線”［13］下載得到。本文所用的2007—2012年“雪龍號”科學考察船到達中山站地區前后的航跡數據時間范圍為每年的11月底至12月底。

2 數據處理

2.1 海冰面積提取

首先利用ModisSwath軟件對MODIS數據進行幾何處理，得到帶地理坐標的影像數據。根據給定的研究區域范圍進行數據裁剪，得到2000—2014年相同地理范圍的MODIS數據。對裁剪后的影像利用ERDAS軟件進行帶訓練樣本的監督分類。由于實驗區內覆蓋南極大陸的冰雪與海冰在MODIS光學影像中的反射特征是一致的，對預處理后的光學影像進行監督分類時，將海冰與覆蓋南極大陸的冰雪視為一個整體地物類別進行處理，統計影像中冰雪的像元數。利用陸地掩膜產品獲取實驗區的陸地像元數，經計算得到每幅影像的海冰像元數。

海冰面積S的計算式為［14］：

其中P為海冰像元的總數，R為單個海冰像元的面積。像元面積由影像分辨率決定，實驗數據選取的是1 km分辨率的數據，因而計算海冰面積即為計算實驗區內的海冰像元數。根據上述公式，則可計算出中山站附近地區相應影像中的海冰面積。海冰面積提取流程如圖2所示。

圖2 海冰面積提取流程圖Fig.2.The flow chart of calculating the area of sea ice

2.2 Landsat影像與雪龍船航跡疊加處理

由于2003年Landsat-7機載掃描校正器故障，導致此后獲取的影像出現了數據條帶，因而需要對Landsat影像進行去條帶處理［15］。為更加清晰地顯示雪龍號科考船在中山站地區的航跡與對應時間的海冰分布狀況，對影像進行裁剪處理。將處理后的航跡數據與同時期經條帶修復后的Landsat影像一起導入ArcGIS軟件進行疊加顯示和分析。

3 結果分析

3.1 海冰面積變化分析

根據2000—2014年間每年8月至次年3月間的MODIS數據，獲取不同時間實驗區的冰雪分類結果，結合陸地掩膜計算海冰面積。圖3為實驗區2002年8月至2003年3月海冰提取的結果示例，圖中白色為海冰像元，黑色為非海冰像元。

圖3 2002年8月至2003年3月實驗區海冰分布圖Fig.3.Sea ice distribution of experimental area from August2002 to March 2003

統計影像中的海冰像元數，計算得到實驗區2002年8月至2003年3月的海冰面積。為更準確地分析海冰面積變化趨勢，用年積日表示數據獲取的時間，年積日從當年1月1日開始計算，至次年4月6日止。2002年8月至2003年3月實驗區海冰面積變化趨勢如圖4所示。

圖4 2002年8月至2003年3月實驗區海冰面積變化Fig.4.The variation of sea ice area from August2002 to March 2003

分析圖4可以得到2002年8月至2003年3月海冰面積的變化規律：海冰面積從8月增加到9月底10月初左右，達到最大值；然后在10、11月逐漸減小，11月底至1月底實驗區的海冰面積迅速減小，在2月中下旬實驗區的海冰面積減小到最小值；3月海冰面積又重新迅速擴大，4月初海冰面積增加到15 563 km2。

計算2000—2014年所有年份內每年8月至次年3月的冰雪分類結果，統計每月對應的海冰面積。根據數據獲取的年積日時間，得到2000—2014年間8月至3月實驗區的海冰面積變化趨勢（圖5）。循先緩慢減少，后急劇減小到最小值，然后再迅速增加的變化趨勢。

圖5 2000—2014年間8月至次年3月實驗區海冰面積變化圖Fig.5.The variation of sea ice area from August to March during 2000—2014

（2）大多數年份，該地區年海冰面積在9月底達到最大值，在2月中下旬達到最小值，與文獻［8-9］的研究結論是一致的。

（3）該地區不同年份海冰開始融化的時間存在差異，但海冰面積達到最小值的大致時間保持一致，少數年份海冰面積開始急劇減小的時間也會有所不同。

（4）9月底至次年2月底，海冰面積減小最大的是2000—2001年，海冰面積減小最小的是2013—2014年；2月底至3月底，海冰面積增長最快的是2005年，海冰面積增長最慢的是2006年。

（5）2009年10月中山站附近地區的海冰消融較快，對比圖6中2009年11月底與10月底的影像，靠近中山站地區的部分海域11月出現了10月沒有的海冰聚集，同時其他海域沒有明顯的海冰生長跡象。另外11月實驗區外圍海域漂浮海冰面積較10月有較大減小，因而可認為11月底部分未消融的外圍海冰漂移到實驗區，反映在曲線上則該地區11月的海冰面積減小速度減緩。

（6）2001年9—12月的海冰面積沒有明顯的減小，直到2002年1月底2月初海冰面積才迅速減小，較其他年份有明顯的延遲，結合文獻［8］中2000—2002年中山站附近的溫度變化圖，2000年10月至2001年3月的極大值溫度出現在1月上旬，而2001年10月至2002年3月中山站地區的極大值溫度出現在1月下旬，且前者11月與12月的同期溫度均高于后者，可見氣候的差異導致了海冰融化的延遲。

根據圖5，分析不同年份實驗區的海冰面積減少和增加的時間及趨勢特征，進而得出實驗區海冰的年際和季節性變化規律。

（1）不同年份實驗區每年8月底至次年3月底間的海冰面積變化規律整體上是一致的，基本都遵

圖6 中山站地區2009年10月與11月MODIS影像Fig.6.MODIS images of Zhongshan Station in October and November 2009

3.2 雪龍船航跡

雪龍船到達中山站時主要先開展冰上卸貨且航跡沒有明顯變化，根據航跡數據和資料可以分析雪龍船到達中山站附近的時間和地點［20-22］。表1統計了2007—2012年歷次雪龍船出發時間、出發地點、到達中山站地區的時間和距中山站的距離以及對應疊加的Landsat影像獲取時間。由于云的影響，選取雪龍船到達中山站地區時同期質量最好的Landsat影像作為底圖進行疊加顯示，其中2011年和2012年Landsat影像的獲取時間與當年雪龍船到達中山站地區的時間分別只相隔2天和5天。2007—2010年，影像獲取時間和雪龍船到達時間相隔較長，但也具有較好的參考價值。

表1 2007—2012年雪龍船到達中山站地區相關信息及Landsat影像時間Table 1.Related information about icebreaker Xuelong arriving at Zhongshan Station and time of the Landsat images from 2007 to 2012

將2007—2012年雪龍船到達中山站地區前后的航跡數據與同時期Landsat影像進行疊加顯示（圖7）。其中藍色圓點為雪龍船到達中山地區時的卸貨作業區，紅色圓點為到達前的航跡，綠色圓點為此時間之后的航跡。

結合現場考察資料可知，雪龍船到達中山地區后開始卸貨，隨后根據海冰消融情況、考察和后勤需求，決定是否向中山站方向繼續航行。圖7中雪龍船的航跡則非常直觀地顯示了航行方向。在圖7（a）、（b）、（c）、（e）和（f）中，可以清晰看到俄羅斯破冰船的破冰航道（見圖中紫色的曲線）。2007年，俄羅斯破冰船先沿著雪龍船的航跡前進，隨后折向西南，繼續破冰前進。2009、2011和2012年，俄羅斯破冰船破冰航道顯示了其直接航行到明珠半島的印度巴拉提站。由于數據限制，2010年雪龍船到達中山站地區的時間與疊加的Landsat影像時間相差

圖7 Landsat影像與航跡數據疊加圖Fig.7.Track data of the icebreaker Xuelong overlying Landsat images

了一個月左右。2010年雪龍船到達距中山站14.6 km的位置后開展卸貨工作，隨后改向沿著俄羅斯破冰船的破冰航道航行，在距離中山站2 km的地方進行卸油［16］。2011年雪龍船利用延伸到明珠半島的冰間航道（圖8）航行，由于冰情復雜途中折返到距中山站約10.8 km處開展卸貨［17］。2012年雪龍船同樣利用延伸到明珠半島的冰間航道（圖8）到達距中山站約11.8 km處開展卸貨［18］。

圖8 冰間航道與雪龍船航跡示意圖Fig.8.The sketch map of ice channel and track of icebreaker Xuelong

根據圖5、圖7和表1，結合中山站地區11月底至12月初多年的海冰的變化特點，進一步分析2007—2012年雪龍船在中山站附近地區的航跡。

（1）雪龍船到達中山站地區的時間主要是11月下旬和12月上、中旬，根據中山站地區海冰面積的季節變化規律，此時海冰已經開始融化，但雪龍船進入中山站地區的路線上仍然有大量海冰，在隨后的1月和2月，部分海冰繼續消融。

（2）不同年份雪龍船到達中山站地區的路線并不完全一致。受海冰厚度、海底地形［19］以及考察現場情況等因素的影響，雪龍船會調整航線，不同年份雪龍船到達中山站的航行方向和航跡存在一定差異，如2011年、2012年，雪龍船根據實際情況沿著已有冰間航道靠近中山站進行冰上卸貨。

（3）同樣受中山站附近地區海冰的厚度等因素的影響，不同年份雪龍船到達中山站地區的卸貨作業區不盡相同。2007—2012年，雪龍船最初卸貨作業區距中山站從遠到近分別是2008、2007、2010、2012、2011和2009年。圖5中也顯示這6年中2009年海冰消融最早，且消融面積最大。

4 結論

MODIS數據視場幅寬較大，能每兩天連續提供地球上任何地方的可見光數據，1 km分辨率的光學數據能夠用于中山站地區晴空下的冰雪分類。由于中山站地區地物的單一性，監督分類能夠有效地將冰雪與其他地物進行區分。利用1 km分辨率的MODIS數據進行監督分類后對中山站附近地區的海冰面積變化進行分析是可行的。雪龍船航跡數據能夠真實地反應雪龍船的航行路線，Landsat影像直觀地體現了雪龍船到達時中山站地區的海冰分布和冰間航道等情況，結合兩者可以有效解釋不同年份雪龍船卸貨作業區的位置差異，以及卸貨作業區與中山站的距離差異。

本文利用MODIS 1 km分辨率可見光數據，得到中山站附近地區2000—2014年間海冰面積的季節變化規律和年際變化規律：中山站及其附近地區每年8月至次年3月的海冰面積在9月底達到最大值，然后逐漸減小，到2月中下旬達到最小值后，3月底迅速增加；不同年份的海冰面積變化規律整體一致，但由于氣候等因素的影響會導致海冰面積變化在部分時間段存在差異。本文比較了不同年份海冰面積變化的特點，和前人對中山站附近地區的海冰研究結果一致，并提供了更長時間序列的研究結果。此外，根據中山站地區11月底至12月海冰面積的變化特點，并結合雪龍船航跡數據和Landsat影像數據分析可知：雪龍船到達中山站地區的時間為該地區海冰融化的初期，雪龍船靠近中山站的路線以及卸貨作業區與中山站的距離等航行特點與中山站地區的海冰分布密切相關。

由于南極地區氣候條件的影響，高質量的光學數據有限，只對中山站附近地區近15年的海冰分布進行了探討，今后需引入更多光學和微波數據進行深入分析。對于雪龍船在冰區的航跡特點，今后將結合航跡上海冰厚度和海冰密集度等因素進一步深入探討。

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