全球冰冻圈观测(2011-12-1)

《冰冻圈科学概论》冰冻圈监测技术的现状、缺陷与发展效存德[e-mail]（中国科学院冰冻圈科学国家重点实验室）2011年12月1日中国科学院研究生院教程（2011）冰川、冰盖面积：约占陆地面积10%冻土（季节冻土和多年冻土）：总计约占陆地面积2/3；多年冻土约占1/4积雪面积：1月覆盖陆地面积30％（北半球近50%）海冰面积：约占海洋面积7%冰冻圈：地球表层水以固态形式存在的圈层分辨率观测范围观测精度空间时间参数CTOLHUVUVUVU备注/主要驱动器C20100%15-20%1kmday如：MODIST0100%10%0.5km1day积雪O0100%5%0.1km12hr水文气象C00.2m2-10cm25km1day如：AMSR-ET00.3m3cm0.5km6day雪水当量、卫星（浅）O00.3m2cm0.1km12hr水文气象C无————————需HFSART0.33m10%0.5km6day雪水当量、卫星（深）O0.33m7%0.1km12hr水文气象C03m1cm1m30day水文气象T03m1cm1m7day雪水当量、定点（浅）O03m1cm1m1day水文气象C0~0.7m6-35cm25km1day如：AMSR-ET01m10cm0.5km6day水文气象雪深、卫星（浅）O01m6cm0.1km1hr传输C无————————需HFSART110m10%0.5km6day水文气象雪深、卫星（深）O110m6%0.1km1hr传输C010m1cm1m1day水文气象T010m1cm1m6hr雪深、定点O010m1cm1m1hr水文气象陆地积雪参数的观测能力和要求代码如下：C=目前能力,T=阈值要求（最低要求）,O=客观要求（目标），L=观测范围低端值,U=单位,H=观测范围高端值，V=数值，cl=气候，op=业务要求；积雪：影响地表水和能量通量、大气动力和天气、季节冻土和多年冻土、生物地球化学通量和生态系统动力学观测现状•观测参数单一，不全面•积雪观测网络萎缩或完全消失•大多数地面观测方法都是在单点进行的单一积雪观测•1966年以来，已广泛应用近地轨道（LEO）和地球静止卫星（GEO）的可见光、近红外和微波传感器观测积雪范围•星载卫星对雪深和SWE的观测能力相当有限。微波传感器的出现弥补了这一缺陷，但是目前的传感器对频率和分辨率的组合没有做到最佳。•SAR观测克服了分辨率的问题，但是当前的传感器扫描频率太低，对绝大部分积雪都不适用观测缺陷•地面观测缺少全面信息，无法对积雪数据有效使用和数据融合•SWE的观测少，许多地区完全没有•观测方法、频率和报告时次与标准存在许多不一致性•积雪观测的可信度极大地依赖于观测的精度和全面的元数据信息，很多地面观测不提供元数据•现有观测大多是针对特定用户和应用领域而存在的，而没有更宏大的目标或更高协调机构•遥感观测需要增加和补充地面观测•仍然存在雪与云的判别问题•。。。。。。发展建议•地面积雪观测网络的协调计划，先国内，后国际•提高卫星观测的能力：需要高空间分辨率和谱分辨率的改进型仪器，高频率（Ku-，X-波段）的SAR应该是对全球雪水当量观测的首选•发展不同植被状况下观测SWE的算法和新传感器•发展实测和卫星反演数据的融合技术•集成多传感器数据的合成和融合所有积雪观测资源的全球分析系统冻土参数的观测能力和要求分辨率观测范围观测精度空间时间参数CTOLHUVUVUVU备注/主要驱动器多年冻土1C-200°C0.05K1aT-200°C0.01K1a多年冻土热状况O-200°C0.01K垂直剖面1aGTN-P主要参数、实测（每年上部20-100m,深度5年）C01600m1m10-100aT01600m0.5m10a多年冻土厚度O01600m0.5m点10a温度剖面中观测或内插求得、根据地球物理测井或表层观测推断、模型参数C0100%%10km10aT0100%2%1km10a多年冻土分布（大陆）O0100%1%1km1a根据地温、照片土质判读、地球物理推断C0100%%25m1aT0100%2%25m1a多年冻土分布（山区）O0100%1%25m1a此分布式模型以DEM基础、经BTS校核、根据海拔分布（m）C0.0115m/yr1cm点1a横断面观测、多重高分辨率图像、雷达、InSART0.0115m/yr1cm点1a同上，InSAR多年冻土向下坡的蠕动速度O0.0115m/yr1cm点1a同上，InSARC01m1cm点1aT0.058m10%500m1a表面高度年变化O0.015m5%100m1m定点横断面观测、LIDAR图、InSAR地下冰体积C0100Vol%5-10Vol%点一次实测（钻孔时取样）活动层1此处指多年冻土区的活动层C05m1cm1aT05m1cm7d活动层厚度O05m1cm点7d实测（夏末最大值、GTN-P主要参数）C-6035°C0.1K1aT-6035°C0.05K7d土壤温度2O-6035°C0.05K垂直剖面7d至1.2m深度10cm间隔的数据记录、GTOSTEM参数C-7045°C1K1km1dMODIST-7045°C1K100m1d地表温度O-7045°C1K10m0.5dC0Vol%1-5Vol%点对某些位置连续监测、或根据钻探或土坑取样、GTOSTEM参数T0Vol%1-5Vol%1m同上，SAR土壤水分2O0Vol%1-5Vol%0.1m1d同上，SARC0365days14d点T0365days7d1km解冻持续日数O0365days7d100m1d根据气象记录和推断计算、或根据土壤温度观测、连续微波季节性冻胀/融沉C0100cm1cm点0.5a定点横断面观测、LIDAR图、InSAR季节冻土1非多年冻土且不包含下覆于多年冻土的区域C0365days14d点14dT0365days7d1km7d季节冻结开始O0365days7d100m7d根据土壤温度剖面或霜冻管的资料内插、被动微波C04m1cm1aT04m1cm7d季节冻结深度O04m1cm点7d根据土壤温度剖面或霜冻管的资料内插、被动微波C0365days14d点T0365days7d1km冻结持续时间O0365days7d100m1d根据气象记录和推断计算、或根据土壤温度观测、连续微波C0100%%25kmT0100%%10km季节冻结区分布O0100%%1km5d区域尺度的微波（被动的和主动的）传感器、连续微波海岸动力学C030m/yr0.5m/yr点T030m/yr0.25m/yr0.25m海岸后退O030m/yr0.25m/yr0.25m1a地面观测、DGPS,航拍、高分辨率卫星图像、InSARC015cm/yr1mm点DGPST015cm/yr1mm1km均衡垂直运动O015cm/yr1mm1km1aDGPS、LIDAR,激光测高雷达、InSARC0m/s0.1m/sT0m/s0.1m/s风速和风向O0m/s0.1m/s点1min风速计、风力计CNANANANANANANANANANAT25m1d风暴潮O25m1h慢速拍摄相机、检潮仪、随机SARCNANANANANANANANAT250m7d土砂流送O250m7dMODIS观测现状•全球陆地多年冻土观测网（GTN-P）：多年冻土热状况（即地面温度），活动层厚度；•GTOS陆地生态系统监测网点：土壤温度和冻土深度；•北极海岸动力学计划（ACD）：北极海盆海岸线25个关键站点组成的网络；•多年冻土地区的属性不能通过遥感平台直接探测。但许多地表特征和冰缘地貌可以通过很多传感器观测观测缺陷•观测网络不健全，观测主题各地不统一；•冻土遥感没有大的突破，需要发展新遥感技术，间接观测冻土参数；•寒区DEMs空间元网格分辨率（1km）不够高，不足以描述冻土区的地面变形•……发展建议•拓展观测网络，冻土观测中增加其他要素（如雪）观测，发展观测自动化；•建立季节冻土网络，突出土壤温度、冻结深度•发展土壤冻结/融化循环（微波被动和主动传感器）监测的遥感算法；•发展从观测站点向多年冻土观测网络转化的升尺度新技术•流域尺度冻土融化：重力卫星资料分辨率观测范围观测精度空间时间参数CTOLHUVUVUVU备注/主要驱动器C1%5m30a航空O3%30m5a地球资源（探测）卫星等T0.01km23%50m5a面积O0.01km23%15m1a高分辨率光学影像O航空T08500msl.5m100m5a模拟地形C08500msl.0.1m30m1a物质平衡O1%点1a实测T010km/a5%10m1a运动速度C010km/a1%20m1aInSAR、高分辨率光学影像等O1%1m1a航空T0.0510km23%50m1m冰川堰塞湖C0.0510km21%15m5dInSAR、高分辨率光学影像C点实测Tclass200m100m1m形状、雪线Oclass30m30m10d边界线位置C5%点实测T0.058m10%500m1a积累率O0.015m5%100m1mKu-、X-SARC0.10m点实测T0±5m0.20m500m1m物质平衡O0±5m0.05m100m1a过程模型和SAR冰厚度C0200m2-5m100m30yr实测、航空探测冰川参数的观测能力和要求观测现状•全球陆地冰川网络（GTN-G），世界冰川监测服务中心（WGMS）；•1972—1981年间的地球资源探测卫星MSS图编纂了11卷地图集—《全球冰川卫星图片地图集》（2008年全部完成）；•轨道式ASTER立体传感器和类似传感器（如SPOT5-HRS或ALOS）提供了产生冰川DEM方法•重复轨道（差分）干涉测量法（D-InSAR）绘制冰川表面地形图，提供表面运动速度图•……观测缺陷•全球冰川目录数据库存在很大空白•GLIMS计划覆盖到5级观测站点,确保GTN-G内部全面综合的、多层次的冰川观测体系•冰川物质平衡数据非常稀少，不能满足区域的和/或全球水资源管理•综合方法监测冰川流速：挑战发展建议•完成全球冰川编目，改进气象数据、冰川物质平衡及其动态响应之间关系的模式•开展高精度的冰川地形绘图,InSAR-冰流速；CoreH2O-空间分布式积累区信息•维持稳定的地面冰川观测网络•建立一套全球性二维(2D)冰川目录（如冰川几何形态)•……分辨率观测范围观测精度空间时间参数CTOLHUVUVUVU备注/主要驱动器C30100%7%1km1day如：MODIST0100%1%8km1hr雪/冰反照率（宽波段）O0100%0.5%5km30min水文气象C190290K2-3K1km100minT200275K1K1km1hr雪/冰表面温度O200275K0.1K0.1km30min水文气象雪/冰温度和反照率参数的观测能力和要求表面温度是冰冻圈研究的最重要参数之一，它提供雪、冰、陆地或海洋表面状态的直接信息，与全球气候变化之间有直接关系雪和冰的反照率相对较高，因此冰冻圈在气候变化研究中具有特殊性观测现状•海冰和陆地冰表面温度的地面观测很少，因为冰盖和海冰幅员辽阔且难以到达•红外传感器测量：Nimbus卫星，NOAA卫星，AVHRR，MODIS；•反照率：AVHRR和MODIS观测缺陷•寒区气象站分布不均且稀疏，表面温度观测不能准确估算极区和高海拔地区温度的变化趋势•由于云的高频发性和高持续性，热红外卫星传感器在极地区域的应用很不理想•利用表面观测的温度检验反演的卫星数据是有问题的，因为绝大多数气象站上报的都是2m高度的大气温度，而不是地面表层（辐射）温度—逆温问题•反照率估算的不确定性主要源于校准的不确定性•验证卫星数据需要确保反演结果的精确性，但观测向上和向下短波辐射的气象站很少，反照率的实测尤为稀少。发展建议•拓展辐射观测的地表网络，以验证卫星观测的表面反照率和温度•拓展MODIS雪反照率的日资料，使之包括海冰•红外和被动微波数据的结合，将有助于提高精度和时空覆盖度•多角度卫星观测（如利用MISR和PARASOL），更好地揭示雪冰的双向反射函数（BRD