一种利用ENVISAT RA2雷达高度计探测极地海冰的方法.doc

一种利用ENVISAT RA2雷达高度计探测极地海冰的方法
杨 磊1,4 常晓涛2 郭金运1,3 柯宝贵4
（1.山东科技大学测绘学院，青岛 266590；2.国家测绘地理信息局卫星测绘中心，北京 100830；
3.海岛（礁）测绘技术国家测绘地理信息局重点实验室，青岛 266590；
4.中国测绘科学研究院，北京 100830）

摘 要 了解极地海冰覆盖范围和表面湿度对于全球温度趋势估计和建立全球气候模型非常关键，严酷自然环境使得卫星测量成为极地海冰观测的主要方式。本文利用海水和海冰的不同散射特征，给出一种使用ENVISAT雷达高度计（RA-2）后向散射系数数据，研究海冰月平均覆盖范围和表面属性变化的方法，通过与常规辐射计观测的海冰边界和面积比较，证明雷达高度计后向散射系数可准确断海冰覆盖范围，并可以反映海冰表面干湿程度，是一种有效的海冰探测方法。
关键词 大地测量学；后向散射系数；海冰探测；ENVISAT RA2；雷达高度计

A method of polar sea ice detection using backscatter coefficients by
ENVISAT RA-2 altimeter
Lei Yang1,4, Xiaotao Chang2, Jinyun Guo1,3, Baogui Ke4
（1.College of Geodesy and Geomatics, Shandong University of Science and Technology, Qingdao, 266590 China；
2. Satellite Surveying and Mapping Application Center of NASMG, Beijing 100830, China ；
3. Key Laboratory of Surveying and Mapping on Island and Reef of NASMG, Qingdao 266590, China；
4. Chinese Academy of Surveying and Mapping, Beijing　100830, China）

Abstract：The changes in sea ice cover and surface humidity are crucial to the prediction of future temperature research and the establishment of global climate model. For the severely polar environment, satellite observations have been used as the main method to monitor sea ice. Considering the variations of scattering characteristics of the sea water and sea ice surface, we developed a method using backscatter coefficients of the ENVISAT satellite radar altimeter RA-2 over polar areas to detect the extent of sea ice and the changes of surface properties. Compared with the radiometer result, it proved to be a effective method to monitor sea ice cover and its variations
Key words：geoddecy, backscatter coefficient, sea ice detection, ENVISAT RA-2, radar altimetry

1 引言
海冰占据全球海洋总面积的5%-8%，可以反射85%的太阳辐射，消弱极地大气和海洋的热交换，在气候系统中占有重要位置，另外海冰分布对航海和海洋基础设施建设也有影响[1]。近年来受全球温室气体排放影响，极地海冰尤其是北极海冰在明显减少，有科学家预计全球2/3的海冰将在本世界中期消失，夏季北极海冰将在本世纪末全部消失，海冰的消失将对极地生态系统和全球环境气候产生巨大影响[2]。准确获取高分辨率的海冰时空分布十分关键。目前海冰监测通常是基于被动微波遥感，使用SMMR（Scanning Multi-channel Microwave Radiometer，发射于1978年）、SSM/I（Special Sensor Microwave Imagers，发射于1987年）以及日本的ASTER-E（Advanced Microwave Scanning Radiometer for EOS，2002年发射）等多通道辐射计观测的亮度温度数据研究海冰范围和积雪厚度[1, 3]。但辐射计分辨率较低（SSM/I足迹为13×15km2，尽管ASTER-E的89GHz高频段可达4×6km2，但受大气云层和水汽影响较显著），另外辐射计对海冰的敏感性不如雷达。
作为主动微波探测仪，雷达高度计向地球表面发射雷达脉冲并接受反射回波，利用可以精确计算海面高，并可从回波波形中提取丰富的雷达波反射面信息，在地球科学领域领域中发挥重要作用[4]。由于高度计自身轨迹覆盖和设计性能的限制，一些高度计如T/P、Jason-1&2的研究应范围主要局限于海洋和内陆湖泊[5]。而ESA-1&2及ENVISAT卫星雷达高度计则可覆盖至南北纬82°，为雷达高度计在两极区域的研究应用提供宝贵的数据[6-8]。雷达高度计的海冰探测目前主要集中在海冰厚度及其变化的研究[9-11]，但利用测高波形特征识别海冰的能力也已得到证明[12, 13]。本文从主动微波遥感角度，使用ENVISATRA-2雷达高度计探测的海冰后向散射系数研究两极海冰覆盖及其变化规律，分析不同月份海冰表面的物理属性差异，并将结果与美国冰雪数据中心（National Snow and Ice Data Center）公布的基于被动微波遥感获取的海冰数据进行比较。
2 原理和数据
2.1 雷达高度计探测海冰的原理
雷达高度计属于一种主动微波遥感探测器，通过向地球表面发射高频雷达窄脉冲，并接受地球反射面的后向散射能量形成雷达回波。雷达高度计接受的返回能量取决于反射面的散射特征、雷达系统和大气衰减，其公式如下：
（1）
其中为标准化的雷达散射截面，也称后向散射系数，用分贝（db）表示；表示波长为的电磁波大气透射比；表示雷达高度计的发射能量；表示雷达高度计的接受能量；表示雷达足迹面积；表示天线增益，在积分内部是因为和雷达脉冲的轴偏角有关，不同积分单元上的天线增益有变化。在公式（1）的右侧，除外其他参数都是固定的雷达系统参数（，，）或者大气传播介质的物理参数（，），如果认为雷达足迹内的相同，或是足迹内均值，便可以将公式（1）转换成如下公式：
（2）
其中表示天线中轴方向增益；表示有效足迹面积，为在波束宽度内的积分。公式（2）右侧都是已知的雷达系统参数或是可被测量的量，因此反射面的后向散射系数可以由雷达高度计探测得到[15]。反映了雷达波反射面的散射特性，和表面粗糙度、介电常数以及是否存在次表层反射有关[16, 17]，Papa等人（2003）使用9年的T/P双频后向散射系数研究了陆地表面散射特征，证明其监测不同地物及其季节变化的能力[18]，Legresy等人（2005）使用ICE-2算法处理Ku和S波段的ENVISAT RA-2高度计波形数据，研究了2002年秋天全球陆地及南极和格林兰冰盖的后向散射系数空间分布[19]。

图1 典型的海水和海冰雷达波形。
海水和海冰各有显著的散射差异，海水仅存在表面后向散射，而海冰内部有卤水泡以及盐粒等散射体，使得海冰的散射包含了面散射和体散射，另外海冰表面粗糙度和海水面也有很大的差异，使得海冰和海水的雷达回波能量不同。图（1）显示了由ENVISAT RA-2雷达高度计波形数据提取的典型海面和海冰面的回波波形，由于海水面服从高斯分布，其特征是波形前缘斜率大而后缘斜率小，而海冰则表现出明显的镜面反射特征，前缘和后缘的斜率都很大。另外在海冰融化过程中其表面属性（湿度、盐度）的变化可改变其后向散射特性，因此雷达高度计也可探测海冰表面的属性变化。
2.2 数据
ENVISAT是欧空局于2002年发射的一颗继ESA-1&2之后的地球环境观测卫星，新一代双频雷达高度计RA-2是其搭载仪器之一。其轨道倾角为98.55°，重访周期为35天，覆盖地球-82.4°S到82.4°N之间的大陆和海洋，赤道附近卫星地面轨迹间隔为85km，越往两极间隔越小。为延长工作时间， 2010年10月ENVISAT变轨，周期改为30天，卫星倾角改为98.476°。2012年5月由于系统故障，ENVISAT RA-2任务结束。
和T/P及其他高度计类似，RA-2使用Ku波段（13.575GHz）为主要工作频率，不同的是RA-2增加了新的S波段（3.2GHz）用以提供大气延迟改正。RA-2雷达高度计另外一个重要的特征是模式自由跟踪，可针对不同反射面类型作出快速调整以避免信号失锁，使得在海冰边缘、沿海、陆地以及湖泊区域也可提供可靠数据[19, 20]。地面数据处理中心对所有地面类型的雷达回波数据都采取4中不同的重定算法（Ocean，Ice-1，Ice-2，Seaice）进行处理，并集成在地球物理数据GDR中。本文将使用包含2011年全年的097至110周期GDR数据，计算出由seacie算法确定的Ku波段两极后向散射系数的月均分布、年均分布以及标准差分布，并计算海冰覆盖的月均面积，分析极地海冰时空分布。
3 两极海冰时空分布
图（2）为研究海域内使用Seaice重定算法得到的ENVISAT RA-2 雷达高度计Ku波段后向散射系数的月均值空间分布，和美国冰雪中心NSIDC发布的基于DMSP SSM/I-SSMIS 被动遥感数据获取的海冰范围边界（ftp://sidads.colorado.edu）。结果表明：（1）海冰和海水散射特征区别显著，海水后向散射系数一般在10db左右，而海冰的后向散射系数则一般高于15db，由雷达高度计后向散射系数探测的海冰范围和被动微波遥感探测海冰范围基本一致；（2）两极海冰覆盖的季节变化都非常明显，其中南极东部海冰在2月份几乎全部融化，到冬季末9月份海冰增长到最大范围，在南极海冰的融化和形成过程中，后向散射系数大小未显著变化；（3）北极海冰在2月份达到最大范围，6月之后海冰后向散射系数开始增大，七月后向散射系数均值达到最大，这是因为7月是北半球夏季最炎热时期，在海冰未完全融的情况下表层产生水面，从而增强海冰反射雷达脉冲的能力，提高雷达回波功率，后向散射系数显著增加；（4）北极海冰覆盖在9月达到最小，海冰增长主要集中在10-12月，10月后向散射系数变小，说明海冰表面水层结成新冰，新一轮海冰重造过程开始。

图2 Ku波段2011年两极海冰月均后向散射系数空间分布及NSIDC海冰范围（黑线表示）。
图（3）是研究海域内后向散射系数12个月份的均值序列。因为南极海冰在融化过程中后向散射系数并未显著增加，其均值是随海冰范围扩大而增加的，表面大部分南极海冰的融化是快速而彻底的，表面未出现水面。北极海域的后向散射系数则在海冰融化的过程中，受水面镜面反射的影响达到最大值，而和海冰的覆盖范围变化不同步。

图3 研究海域内后向散射系数均值序列。
本文使用等值线的方法，从内插之后的后向散射系数格网数据提取海冰覆盖的范围，因RA-2并未完全覆盖整个北极区域，故未计算北极海冰覆盖范围。其中内插网格的密度为20′×20′，在纬度60°处网格面积约为700km2，考虑到夏季后向散射系数的增高对内插的影响，经多次试验确定夏季海冰范围计算后向散射系数阈值为18db，而其他季节为13db。

图4后向散射系数确定的南极海冰面积和NSIDC基于辐射计探测的海冰面积的比较。
图（4）表示基于雷达高度计后向散射特征计算的2011年南极海冰覆盖面积和NSIDC公布的南极海冰月均海冰覆盖范围的比较。结果显示：（1）高度计获取的覆盖范围面积和基于被动遥感计算的月均面积较为符合，平均差值为0.07Mkm2，观测时间、观测方式和所用算法的不同都可能对范围估计有影响；（2）两种方法得到的海冰最大范围都出现在9月份，分别为18.80Mkm2和18.90Mkm2，海冰最小范围都出现在2月份，分别为2.42Mkm2和2.47Mkm2。
（b）
（a）

图5 两极地区2011年后向散射系数标准差分布（a）和平均分布（b）。
图5（a）给出了两极地区2011年月均后向散射系数的标准差分布。结果显示：（1）南极海域后向散射系数标准差在5-10db之间，明显小于北极（15-30db），这是因为南极海冰的循环过程较为简单，大部分海冰夏季完全融化，没有水面造成的镜面反射，海冰后向散射系数不会明显增高；（2）在南极的Weddell海域（乔治王岛东侧）受地理位置有关，洋流对海冰冲击受到陆地的阻挡，因此标准差较小，另外从图（2）也表面了该海域海冰融化不显著；（3）格林兰岛东侧以及白令海峡北部海域的海冰后向散射系数标准差较突出，主要是由于海冰融化形成水面而造成的，从图（2）中也可以看出上述海域的海冰在夏季未完全融化，海滨表面形成水面，造成镜面反射。
图5（b）为后向散射系数2011年的均值分布。结果表明格林兰岛东侧和白令海峡北部区域均值较大（27-30db），与其标准差分布相似，说明该位置海冰较厚，夏季不全部融化，这和Laxon 等人的海冰厚度研究成果一致[9]；南极海域的海冰后向散射系数年均值在南极大陆周边狭窄范围内以及Weddell海域较大，越向外侧数值越小，这是因为开阔海域内的海冰在夏季会彻底融化，而在沿岸区域海水对南极冰架的冲击可使其分裂并漂至附近海面，因此在夏季也会有部分海冰存在，通过干涉雷达测量和重力卫星得出的南极质量变迁可证明该观点[14]。
4 结束语
本文提出一种利用雷达高度计后向散射系数探测极地海冰的方法，可以准确的确定海冰覆盖的月均覆盖范围及其变化，并可监测海冰表面的属性变化。在日后的研究中，可以结合其S波段的数据，利用其双频穿透性差异，获取更丰富的海冰表面信息；联合其他雷达高度计的后向散射系数组成多年时间序列，研究全球气候变化对海冰的影响。虽然ENVISAT RA-2雷达高度计任务已结束，但中国2011年发射的海洋2号高度计卫星和ESA 的Cryosat卫星高度计仍然可以覆盖大范围的极地区域，为极地海冰的研究提供后续数据。
感谢ESA提供ENVISAT RA-2雷达高度计GDR数据和SGDR数据。

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