全球冰凍圈觀測2011-12-1

1、《冰凍圈科學(xué)概論》,冰凍圈監(jiān)測技術(shù)的現(xiàn)狀、缺陷與發(fā)展效存德cdxiao@cams.cma.gov.cn（中國科學(xué)院冰凍圈科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）2011年12月1日,中國科學(xué)院研究生院教程（2011）,冰川、冰蓋面積：約占陸地面積10% 凍土（季節(jié)凍土和多年凍土）：總計(jì)約占陸地面積2/3；多年凍土約占1/4 積雪面積：1月覆蓋陸地面積30％（北半球近50%） 海冰面積：約占海洋面積7%,冰凍圈：地球表層水以固態(tài)形式存在的圈層

2、,陸地積雪參數(shù)的觀測能力和要求,代碼如下：C=目前能力,T=閾值要求（最低要求）,O=客觀要求（目標(biāo)），L=觀測范圍低端值,U=單位,H=觀測范圍高端值，V=數(shù)值，cl=氣候，op=業(yè)務(wù)要求；,積雪：影響地表水和能量通量、大氣動(dòng)力和天氣、季節(jié)凍土和多年凍土、生物地球化學(xué)通量和生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué),觀測現(xiàn)狀,觀測參數(shù)單一，不全面積雪觀測網(wǎng)絡(luò)萎縮或完全消失大多數(shù)地面觀測方法都是在單點(diǎn)進(jìn)行的單一積雪觀測1966年以來，已廣

3、泛應(yīng)用近地軌道（LEO）和地球靜止衛(wèi)星（GEO）的可見光、近紅外和微波傳感器觀測積雪范圍 星載衛(wèi)星對(duì)雪深和SWE的觀測能力相當(dāng)有限。微波傳感器的出現(xiàn)彌補(bǔ)了這一缺陷，但是目前的傳感器對(duì)頻率和分辨率的組合沒有做到最佳。SAR觀測克服了分辨率的問題，但是當(dāng)前的傳感器掃描頻率太低，對(duì)絕大部分積雪都不適用,觀測缺陷,地面觀測缺少全面信息，無法對(duì)積雪數(shù)據(jù)有效使用和數(shù)據(jù)融合SWE的觀測少，許多地區(qū)完全沒有觀測方法、頻率和報(bào)告時(shí)次與標(biāo)準(zhǔn)存在許多

4、不一致性積雪觀測的可信度極大地依賴于觀測的精度和全面的元數(shù)據(jù)信息，很多地面觀測不提供元數(shù)據(jù)現(xiàn)有觀測大多是針對(duì)特定用戶和應(yīng)用領(lǐng)域而存在的，而沒有更宏大的目標(biāo)或更高協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu)遙感觀測需要增加和補(bǔ)充地面觀測仍然存在雪與云的判別問題。。。。。。,發(fā)展建議,地面積雪觀測網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)計(jì)劃，先國內(nèi)，后國際提高衛(wèi)星觀測的能力：需要高空間分辨率和譜分辨率的改進(jìn)型儀器，高頻率（Ku-，X-波段）的SAR應(yīng)該是對(duì)全球雪水當(dāng)量觀測的首選發(fā)展不同植被狀

5、況下觀測SWE的算法和新傳感器發(fā)展實(shí)測和衛(wèi)星反演數(shù)據(jù)的融合技術(shù)集成多傳感器數(shù)據(jù)的合成和融合所有積雪觀測資源的全球分析系統(tǒng),凍土參數(shù)的觀測能力和要求,觀測現(xiàn)狀,全球陸地多年凍土觀測網(wǎng)（GTN-P）：多年凍土熱狀況（即地面溫度），活動(dòng)層厚度；GTOS陸地生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測網(wǎng)點(diǎn) ：土壤溫度和凍土深度 ；北極海岸動(dòng)力學(xué)計(jì)劃（ACD）：北極海盆海岸線25個(gè)關(guān)鍵站點(diǎn)組成的網(wǎng)絡(luò) ；多年凍土地區(qū)的屬性不能通過遙感平臺(tái)直接探測。但許多地表特征和冰緣地

6、貌可以通過很多傳感器觀測,觀測缺陷,觀測網(wǎng)絡(luò)不健全，觀測主題各地不統(tǒng)一；凍土遙感沒有大的突破，需要發(fā)展新遙感技術(shù)，間接觀測凍土參數(shù)；寒區(qū)DEMs空間元網(wǎng)格分辨率（1km）不夠高，不足以描述凍土區(qū)的地面變形……,發(fā)展建議,拓展觀測網(wǎng)絡(luò)，凍土觀測中增加其他要素（如雪）觀測，發(fā)展觀測自動(dòng)化；建立季節(jié)凍土網(wǎng)絡(luò)，突出土壤溫度、凍結(jié)深度發(fā)展土壤凍結(jié)/融化循環(huán)（微波被動(dòng)和主動(dòng)傳感器）監(jiān)測的遙感算法；發(fā)展從觀測站點(diǎn)向多年凍土觀測網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)化的升

7、尺度新技術(shù)流域尺度凍土融化：重力衛(wèi)星資料,冰川參數(shù)的觀測能力和要求,觀測現(xiàn)狀,全球陸地冰川網(wǎng)絡(luò)（GTN-G） ，世界冰川監(jiān)測服務(wù)中心（WGMS）；1972—1981年間的地球資源探測衛(wèi)星MSS圖編纂了11卷地圖集 —《全球冰川衛(wèi)星圖片地圖集》 （2008年全部完成）；軌道式ASTER立體傳感器和類似傳感器（如SPOT5-HRS或ALOS）提供了產(chǎn)生冰川DEM方法 重復(fù)軌道（差分）干涉測量法（D-InSAR）繪制冰川表面地形圖，提

8、供表面運(yùn)動(dòng)速度圖 ……,觀測缺陷,全球冰川目錄數(shù)據(jù)庫存在很大空白 GLIMS計(jì)劃覆蓋到5級(jí)觀測站點(diǎn),確保GTN-G內(nèi)部全面綜合的、多層次的冰川觀測體系冰川物質(zhì)平衡數(shù)據(jù)非常稀少，不能滿足區(qū)域的和/或全球水資源管理 綜合方法監(jiān)測冰川流速：挑戰(zhàn),發(fā)展建議,完成全球冰川編目，改進(jìn)氣象數(shù)據(jù)、冰川物質(zhì)平衡及其動(dòng)態(tài)響應(yīng)之間關(guān)系的模式 開展高精度的冰川地形繪圖 ,InSAR-冰流速；CoreH2O-空間分布式積累區(qū)信息維持穩(wěn)定的地面冰川觀測

9、網(wǎng)絡(luò) 建立一套全球性二維(2D)冰川目錄（如冰川幾何形態(tài) )……,,,,雪/冰溫度和反照率參數(shù)的觀測能力和要求,表面溫度是冰凍圈研究的最重要參數(shù)之一，它提供雪、冰、陸地或海洋表面狀態(tài)的直接信息，與全球氣候變化之間有直接關(guān)系雪和冰的反照率相對(duì)較高，因此冰凍圈在氣候變化研究中具有特殊性,觀測現(xiàn)狀,海冰和陸地冰表面溫度的地面觀測很少，因?yàn)楸w和海冰幅員遼闊且難以到達(dá) 紅外傳感器測量：Nimbus衛(wèi)星，NOAA衛(wèi)星，AVHRR，MODI

10、S ；反照率：AVHRR 和 MODIS,觀測缺陷,寒區(qū)氣象站分布不均且稀疏，表面溫度觀測不能準(zhǔn)確估算極區(qū)和高海拔地區(qū)溫度的變化趨勢由于云的高頻發(fā)性和高持續(xù)性，熱紅外衛(wèi)星傳感器在極地區(qū)域的應(yīng)用很不理想 利用表面觀測的溫度檢驗(yàn)反演的衛(wèi)星數(shù)據(jù)是有問題的，因?yàn)榻^大多數(shù)氣象站上報(bào)的都是2m高度的大氣溫度，而不是地面表層（輻射）溫度—逆溫問題反照率估算的不確定性主要源于校準(zhǔn)的不確定性 驗(yàn)證衛(wèi)星數(shù)據(jù)需要確保反演結(jié)果的精確性 ，但觀測向上和

11、向下短波輻射的氣象站很少，反照率的實(shí)測尤為稀少。,發(fā)展建議,拓展輻射觀測的地表網(wǎng)絡(luò)，以驗(yàn)證衛(wèi)星觀測的表面反照率和溫度 拓展MODIS 雪反照率的日資料，使之包括海冰 紅外和被動(dòng)微波數(shù)據(jù)的結(jié)合，將有助于提高精度和時(shí)空覆蓋度 多角度衛(wèi)星觀測（如利用MISR 和 PARASOL），更好地揭示雪冰的雙向反射函數(shù)（BRDF）的特征 發(fā)展衛(wèi)星的雪冰光譜反照率的估算方法。未來的衛(wèi)星應(yīng)該裝載分光儀。,降雪參數(shù)的觀測能力和要求,,運(yùn)行中,已正式批

12、準(zhǔn),計(jì)劃/申請(qǐng)中,支撐冰凍圈觀測的衛(wèi)星任務(wù),三種空間技術(shù) : 直接測量冰蓋高度變化（高度計(jì)） 測量冰蓋質(zhì)量 (重力衛(wèi)星GRACE) 估算物質(zhì)通量變化 (SAR-冰流速率& 高度計(jì)-厚度),1991以來冰蓋物質(zhì)平衡監(jiān)測的主要技術(shù)進(jìn)展（衛(wèi)星）,南極冰蓋物質(zhì)平衡,體積變化—高度計(jì),Pritchard et al., Nature 2009,優(yōu)點(diǎn):時(shí)間序列相對(duì)較長(1991-今) 缺點(diǎn):雪密度未知,空間

13、覆蓋度不夠,ICESat,機(jī)載高度計(jì),物質(zhì)平衡變化—重力場測量,南極冰蓋物質(zhì)平衡,Velicogna & Wahr, Science 2006,優(yōu)點(diǎn):直接測量缺點(diǎn):時(shí)間序列尚短 GIA 校正 空間分辨率低(2??2?),GRACE衛(wèi)星,冰蓋動(dòng)力與區(qū)域氣候,南極冰蓋物質(zhì)平衡,Rignot et al., NatGeo, 2008,優(yōu)點(diǎn):監(jiān)測到冰川加速運(yùn)動(dòng)缺點(diǎn):需高精度氣候?qū)W和冰川學(xué)參數(shù),The “Third

14、 Pole” (Himalaya and Tibetan Plateau) Main issues for regional sustainable development are cryospheric, and should be addressed by the Global Cryosphere Watch (GCW),Location of High Asian cryosphere,Observation sites o