全球冰凍圈觀測2011 12 1課題

1、中國科學(xué)院研究生院教程（中國科學(xué)院研究生院教程（20112011）冰凍圈科學(xué)概論冰凍圈科學(xué)概論冰凍圈監(jiān)測技術(shù)的現(xiàn)狀、缺冰凍圈監(jiān)測技術(shù)的現(xiàn)狀、缺陷與發(fā)展陷與發(fā)展效存德效存德（中國科學(xué)院冰凍圈科學(xué)國家重點實驗室）2011年12月1日冰凍圈冰凍圈：地球表層水以固態(tài)形式存在的圈層地球表層水以固態(tài)形式存在的圈層? 冰川、冰蓋冰川、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%陸地積雪陸地積雪參數(shù)的觀測能力和要求參數(shù)的觀測能力和要求積雪：影響地表水和能量通量、大氣動力

2、和天氣、季節(jié)凍土和多年凍土、積雪：影響地表水和能量通量、大氣動力和天氣、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)動力學(xué)生物地球化學(xué)通量和生態(tài)系統(tǒng)動力學(xué)C 分辨率 觀測范圍 觀測精度 參數(shù) T 空間 時間 備注/主要驅(qū)O 動器 L H U V U V U V U C 20 100 % 15-20 % 1 km day 如：MODIS 積雪 T 0 100 % 10 % 0.5 km 1 day 水文氣象 O 0 100 % 5 % 0.1 km 12 hr C 0 0.2 m 2-10 cm 25 km 1 day 如：AMSR-E 雪水當量、衛(wèi)星（淺） T 0 0.3 m 3 cm 0.

3、5 km 6 day 水文氣象 O 0 0.3 m 2 cm 0.1 km 12 hr C 無 需HF SAR 雪水當量、衛(wèi)星（深） T 0.3 3 m 10 % 0.5 km 6 day 水文氣象 O 0.3 3 m 7 % 0.1 km 12 hr C 0 3 m 1 cm 1 m 30 day 水文氣象 雪水當量、定點（淺） T 0 3 m 1 cm 1 m 7 day 水文氣象 O 0 3 m 1 cm 1 m 1 day C 0 0.7 m 6-35 cm 25 km 1 day 如：AMSR-E 雪深、衛(wèi)星（淺） T 0 1 m 10 cm 0.5 km 6 day 水文氣象 O

4、0 1 m 6 cm 0.1 km 1 hr 傳輸 C 無 需HF SAR 雪深、衛(wèi)星（深） T 1 10 m 10 % 0.5 km 6 day 水文氣象 O 1 10 m 6 % 0.1 km 1 hr 傳輸 C 0 10 m 1 cm 1 m 1 day 水文氣象 雪深、定點 T 0 10 m 1 cm 1 m 6 hr 水文氣象 O 0 10 m 1 cm 1 m 1 hr 代碼如下：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），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；觀測現(xiàn)狀觀測現(xiàn)狀? 觀測參數(shù)單一，不全面?

5、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進行的單一積雪觀測? 1966年以來，已廣泛應(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)星對雪深和SWE的觀測能力相當有限。微波傳感器的出現(xiàn)彌補了這一缺陷，但是目前的傳感器對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，但是當前的傳感器掃描頻率太低，對絕大部分積雪都不適用觀測缺陷觀測缺陷? 地面觀測缺少全面信息，無法對積雪數(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、頻率和報告時次與標準存在許多不一致性? 積雪觀測的可信度極大地依賴于觀測的

6、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)有觀測大多是針對特定用戶和應(yīng)用領(lǐng)域而存在的，而沒有更宏大的目標或更高協(xié)調(diào)機構(gòu)? 遙感觀測需要增加和補充地面觀測? 仍然存在雪與云的判別問題? 。發(fā)展建議發(fā)展建議? 地面積雪觀測網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)計劃，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型儀器，高頻率（Ku-，X-波段）的SAR應(yīng)該是對全球雪水當量觀測的首選? 發(fā)展不同植被狀況下觀測SWE的算法和新傳感器? 發(fā)展實測和衛(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)凍土凍土參數(shù)的觀測能力和要求參數(shù)的觀測能力和要求C 分辨率 觀測范

7、圍 觀測精度 參數(shù) T 空間 時間 備注/主要驅(qū)動器 O L H U V U V U V U 多年凍土多年凍土1 C -20 0 C 0.05 K 1 a GTN-P主要參數(shù)、多年凍土熱狀況 T -20 0 C 0.01 K 垂直剖面 1 a 實測（每年上部20-100m, 深度5O -20 0 C 0.01 K 1 a 年） C 0 1600 m 1 m 10-100 a 溫度剖面中觀測多年凍土厚或內(nèi)插求得、根據(jù)度 T 0 1600 m 0.5 m 點 10 a 地球物理測井或表層觀測推斷、模O 0 1600 m 0.5 m 10 a 型參數(shù) C 0 100 % % 10 km 10 a 多

8、年凍土分根據(jù)地溫、 照片土布（大陸） T 0 100 % 2 % 1 km 10 a 質(zhì)判讀、 地球物理O 0 100 % 1 % 1 km 1 a 推斷 C 0 100 % % 25 m 1 a 此分布式模型以多年凍土分布（山區(qū)） T 0 100 % 2 % 25 m 1 a DEM基礎(chǔ)、經(jīng)BTS校核、 根據(jù)海O 0 100 % 1 % 25 m 1 a 拔分布（m） 橫斷面觀測、多重多年凍土向C 0.01 15 m/yr 1 cm 點 1 a 高分辨率圖像、雷下坡的蠕動達、InSAR 速度 T 0.01 15 m/yr 1 cm 點 1 a 同上，InSAR O 0.01 15 m/yr

9、1 cm 點 1 a 同上，InSAR C 0 1 m 1 cm 點 1 a 表面高度年變化 T 0.05 8 m 10 % 500 m 1 a 定點橫斷面觀測、LIDAR圖、InSAR O 0.01 5 m 5 % 100 m 1 m 地下冰體積 C 0 100 Vol % 5-10 Vol 實測（鉆孔時取% 點 一次 樣） 活動層活動層1 此處指多年凍土此處指多年凍土區(qū)的活動層區(qū)的活動層 C 0 5 m 1 cm 1 a 實測（夏末最大活動層厚度 T 0 5 m 1 cm 點 7 d 值、GTN-P主要O 0 5 m 1 cm 7 d 參數(shù)） C -60 35 C 0.1 K 1 a 至1

10、.2m深度土壤溫度2 T -60 35 C 0.05 K 垂直剖面 7 d 10cm間隔的數(shù)據(jù)記錄、GTOS TEM O -60 35 C 0.05 K 7 d 參數(shù) C -70 45 C 1 K 1 km 1 d MODIS 地表溫度 T -70 45 C 1 K 100 m 1 d O -70 45 C 1 K 10 m 0.5 d 對某些位置連續(xù)C 0 Vol % 1-5 Vol 監(jiān)測、 或根據(jù)鉆探% 點 或土坑取樣、土壤水分2 1 d GTOS TEM參數(shù) T 0 Vol % 1-5 Vol % 1 m 同上，SAR O 0 Vol % 1-5 Vol % 0.1 m 同上，SAR C

11、 0 365 days 14 d 點 根據(jù)氣象記錄和解凍持續(xù)日數(shù) T 0 365 days 7 d 1 km 1 d 推斷計算、或根據(jù)土壤溫度觀測、連O 0 365 days 7 d 100 m 續(xù)微波 季節(jié)性凍脹/融沉 C 0 100 cm 1 cm 點 0.5 a 定點橫斷面觀測、LIDAR圖、 InSAR 季節(jié)凍土季節(jié)凍土1 C 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 d d d cm cm cm d d d 1 100 25 10 1 1 100 點 km m 14 7 7 1 d 非多年凍土且不非多年凍土且不包含下覆于多年包含下覆于多年凍土的區(qū)域凍土的區(qū)域 365 days

12、14 365 days 365 days 4 4 4 m m m 7 7 1 1 1 季節(jié)凍結(jié)開始 T O C 根據(jù)土壤溫度剖d 面或霜凍管的資料內(nèi)插、 被動微波 d 根據(jù)土壤溫度剖d 面或霜凍管的資料內(nèi)插、 被動微波 d d 根據(jù)氣象記錄和推斷計算、 或根據(jù)土壤溫度觀測、 連續(xù)微波 區(qū)域尺度的微波（被動的和主動的）傳感器、連續(xù)微波 a 季節(jié)凍結(jié)深度 T O C 點 7 7 365 days 14 365 days 365 days 100 100 100 % % % 7 7 點 km m 1 凍結(jié)持續(xù)時間 T O C % % % km 5 km km d 季節(jié)凍結(jié)區(qū)分布 T O 觀測現(xiàn)狀觀測

13、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），活動層厚度；? GTOS陸地生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測網(wǎng)點 ：土壤溫度和凍土深度 ；? 北極海岸動力學(xué)計劃（ACD）：北極海盆海岸線25個關(guān)鍵站點組成的網(wǎng)絡(luò) ；? 多年凍土地區(qū)的屬性不能通過遙感平臺直接探測。但許多地表特征和冰緣地貌可以通過很多傳感器觀測觀測缺陷觀測缺陷? 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

14、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)（微波被動和主動傳感器）監(jiān)測的遙感算法；? 發(fā)展從觀測站點向多年凍土觀測網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)化的升尺度新技術(shù)? 流域尺度凍土融化：重力衛(wèi)星資料 C 分辨率 觀測范圍 觀測精度 參數(shù) T 空間 時間 備注/主要驅(qū)動器 O L H U V U V U V U C 1 % 5 m 30 a 航空 O 3 % 30 m 5 a 地球資源（探測）面積 衛(wèi)星等 T 0.01 km2 3 % 50 m 5 a 高分辨率光學(xué)影O 0.01 km2 3 % 15 m 1 a 像 O 航空 地形 T 0 8500 msl. 5 m 100 m 5 a 模

15、擬 C 0 8500 msl. 0.1 m 30 m 1 a 物質(zhì)平衡 O 1 % 點 1 a 實測 運動速度 T 0 10 km/a 5 % 10 m 1 a InSAR、高分辨率 C 0 10 km/a 1 % 20 m 1 a 光學(xué)影像等 O 1 % 1 m 1 a 航空 冰川堰塞湖 T 0.05 10 km2 3 % 50 m 1 m InSAR、高分辨率 C 0.05 10 km2 1 % 15 m 5 d 光學(xué)影像 C 點 實測 形狀、雪線 T class 200 m 100 m 1 m 邊界線位置 O class 30 m 30 m 10 d C 5 % 點 實測 積累率 T 0

16、.05 8 m 10 % 500 m 1 a Ku-、X-SAR O 0.01 5 m 5 % 100 m 1 m C 0.10 m 點 實測 物質(zhì)平衡 T 0 5 m 0.20 m 500 m 1 m 過程模型和SAR O 0 5 m 0.05 m 100 m 1 a 冰厚度 C 0 200 m 2-5 m 100 m 30 yr 實測、航空探測 冰川冰川參數(shù)的觀測能力參數(shù)的觀測能力和要求和要求觀測現(xiàn)狀觀測現(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）；? 19721981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

17、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，提供表面運動速度圖? 觀測缺陷觀測缺陷? 全球冰川目錄數(shù)據(jù)庫存在很大空白? GLIMS計劃覆蓋到5級觀測站點,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)展建議發(fā)展建議? 完成全球冰川編目，改進氣象數(shù)據(jù)、冰川物質(zhì)平衡及其動態(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

18、累區(qū)信息?維持穩(wěn)定的地面冰川觀測網(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) )? 雪雪/冰溫度和反照率冰溫度和反照率參數(shù)的觀測能力和要求參數(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較高，因此冰凍圈在氣候變化研究中具有特殊性 C T O C 雪/冰反照率 （寬波段） T O C 雪/冰表面溫度 T O 分辨率 觀測范圍 L 30 0 0 190 200 200 H 100 100 100 290 275 275 U % % % K K K 觀測精度 空間 V 7 1 0.5 2-

19、3 1 0.1 U % % % K K K V 1 8 5 1 1 0.1 U km km km km km km 時間 V 1 1 30 100 1 30 U day hr min min hr min 水文氣象 如：MODIS 水文氣象 備注/主要驅(qū)動器 參數(shù) 觀測現(xiàn)狀觀測現(xiàn)狀? 海冰和陸地冰表面溫度的地面觀測很少，因為冰蓋和海冰幅員遼闊且難以到達? 紅外傳感器測量：Nimbus衛(wèi)星，NOAA衛(wèi)星，AVHRR，MODIS ；? 反照率：AVHRR 和 MODIS 觀測缺陷觀測缺陷? 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)

20、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反演的衛(wèi)星數(shù)據(jù)是有問題的，因為絕大多數(shù)氣象站上報的都是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的不確定性? 驗證衛(wèi)星數(shù)據(jù)需要確保反演結(jié)果的精確性 ，但觀測向上和向下短波輻射的氣象站很少，反照率的實測尤為稀少。發(fā)展建議發(fā)展建議?拓展輻射觀測的地表網(wǎng)絡(luò)，以驗證衛(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?紅外和被動微波數(shù)據(jù)的結(jié)合，將有助于提高精度和時空覆蓋度? 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

21、）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)降雪參數(shù)的觀測能力和要求的觀測能力和要求 參數(shù) C T O C 降雪量 T O C 降水/降雪率 T O C 降水類型 T O C 雪粒大小 T O 分辨率 觀測范圍 L 0 0 0 0 0 0 N.A. 0.3 0.3 0 0 0 H 100 100 100 100 100 100 3 3 0.7 1 1 U mm mm mm 觀測精度 空間 V 1 1 1 U mm mm mm cm cm cm % % V 1 0.5 0.1 25 0.5 0.1 0.5 0.1 25 0.5 0.1 U km km km km km km km km km km km 時間 V 1 1 12 1 1 12 1 12 1 1 1 U day day 水文氣象 hr day AMSR-E/TRMM day 水文氣象、運輸 mm/hr 2 10 7 6-35 10 6 hr day hr day day day 如：AMSR-E 水文氣象 需要HF SAR 水文氣象 MODIS/SSMI 備注/主要驅(qū)動器 mm/hr 39123 mm/hr 3 支撐冰凍圈觀測的衛(wèi)星任務(wù)支撐冰凍圈觀測的衛(wèi)星任務(wù)運行中已正式批準計劃/申請中19911991以來冰蓋物質(zhì)平衡監(jiān)測的主要技術(shù)進展（衛(wèi)星）以來冰蓋物質(zhì)平衡監(jiān)測的主要技