利用MODIS產(chǎn)品數(shù)據(jù)研究分析南極海岸帶雪蓋面積變化

1、極地研究ch in ese journal o f polar r esearch第 20卷第 4期2008年 12月vo l. 20 , no. 4d ecem be r 2008利用mod is產(chǎn)品數(shù)據(jù)研究分析南極海岸帶雪蓋面積變化陳靜 1 , 2李仁東 1 葉明 3 陸洋 1( 1中國(guó)科學(xué)院測(cè)量與地球物理研究所 ,武漢 430077;2中國(guó)科學(xué)院研究生院 ,北京 100049;3 中國(guó)石油天然氣管道工程有限公司 ,河北 065000 )提要 本文利用 mod is雪產(chǎn)品數(shù)據(jù)研究分析了 2003 2006 年南極大陸海岸帶雪蓋面積的總體變化規(guī)律 ,并在此基礎(chǔ)上選取 18個(gè)典型區(qū)作進(jìn)一步研究

2、 ,分析了其局地特征 。研究表明 ,南 極大陸海岸帶地區(qū)積雪覆蓋面積總體上呈波動(dòng)下降趨勢(shì) ,暖季比寒季波動(dòng)顯著 。從積雪時(shí)間變化看 :季節(jié)尺度上 ,南極海岸帶地區(qū)寒季 ( 4 10月 )雪蓋面積迅速增加 ,暖季 ( 113 月 )雪蓋面 積的變化趨勢(shì)表現(xiàn)不一致 , 2004年和 2006年表現(xiàn)為先減少后增加 , 2005 年為先增加后減少 ,但總體呈現(xiàn)減少的趨勢(shì) ,寒暖兩季雪蓋面積變化的特征與氣候因素呈正反饋 ; 年際尺度上 , 2003年的雪蓋面積高于其他年份 , 2004 年銳減之 后再緩慢增加 , 總體上顯現(xiàn)出波動(dòng)伴 隨下降的趨 勢(shì) 。從積雪空間上看 ,雪蓋變化主要集中在南極大陸海岸線一

3、帶 ,大陸腹地的變化很小 ,可以忽 略 。另外 ,西南極雪蓋變化比東南極顯著 。關(guān)鍵詞 mod is 雪蓋 南極 n s idc1 前言當(dāng)前 ,全球氣候變化是國(guó)際社會(huì)關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題 ,常年為冰雪覆蓋的南極地區(qū)是全球氣候變化的關(guān)鍵地區(qū) 1 。南極冰雪覆蓋范圍 、表面反射率的年際變化對(duì)全球水氣環(huán)流的 強(qiáng)度 、全球熱平衡和氣候變化等都有明顯的影響 。南極對(duì)全球氣候具有“放大器 ”的作 用 ,是全球氣候變化最顯著 、響應(yīng)最敏感的區(qū)域 。因此 ,研究南極地區(qū)積雪分布及其變化 ,對(duì)于研究全球和區(qū)域氣候變化有著重要意義 。近幾十 年 來(lái) , 遙 感 資 料 已 成 為 積 雪 監(jiān) 測(cè) 的 主 要 數(shù) 據(jù) 源

4、 , 其 中 應(yīng) 用 最 廣 泛 的 有 tm / etm + ( them a tic m app e r / enhanced them a tic m app e r) , avhrr ( a dvanced v e ry h igh r e so lu tion r ad iom e te r) , mod is (mode ra te r e so lu tion im aging sp ec tro rad iom e te r)等光學(xué)傳感收稿日期 基金項(xiàng)目 作者簡(jiǎn)介 2008 年 7 月收到來(lái)稿 , 2008 年 10 月收到修改稿 。863 課題“綜合遙感前沿技術(shù)研究冰體變化的

5、應(yīng)用分析軟件平臺(tái) ”( 2006aa12 z128 )資助 。 陳靜 ,女 , 1984 年生 。碩士研究生 ,研究方向主要為 3 s技術(shù)在資源與環(huán)境中的應(yīng)用 。研究論文器數(shù)據(jù) ,以及 ssm / i及合成孔徑雷達(dá) sar 2c 波段等微波數(shù)據(jù) 2 , 3 。其中 , 1999 年發(fā)射的te rra /mod is有 36 個(gè)光譜通道 ,分布在 0. 4 14. 3 m 電磁波譜范圍內(nèi) ,其 4、6、7、13、16、20、26、31 波段都能用來(lái)提取積雪信息 4 7 。mod is具有高時(shí)間 、高空間和高光譜分辨率 以及免費(fèi)接收的優(yōu)勢(shì) ,國(guó)內(nèi)外應(yīng)用 mod is數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)積雪以及雪蓋制圖的研究越

6、來(lái)越廣 泛 8 , 9 。本文根據(jù) mod is衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)資料 ( 2003 2006 年 )對(duì)南極地區(qū)積雪覆蓋面積 進(jìn)行了研究 ,總結(jié)了南極雪蓋變化的總體趨勢(shì)及局地特征 。2 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)2. 1 研究區(qū)域本研究區(qū)域?yàn)槟蠘O洲 ,包括南極大陸及其周?chē)鷯u嶼 ,總面積約 1. 4 107 km2 ,其中大 陸面積為 1. 239 107 km2 ,島嶼面積 7. 6 104 km2 ,海岸線長(zhǎng) 2. 47 104 km。南極洲另有約 1. 582 106 km2 的冰架 ,其中最著名的有 : am e ry、ro ss、ronne三大冰架 。因冰雪覆蓋 , 南極大陸是地球上最高的大陸 , 其平

7、 均海 拔高 程為 2350 m。橫 貫?zāi)?極的 tran san ta rc tic moun ta in s將南極大陸分為東西兩部分 。南極沒(méi)有四季之分 ,僅有暖 、寒季的區(qū)別 ,暖季為11月至次年 3 月 ,寒季為 4 月至 10 月 。南極是全球氣候變化最顯著 , 響應(yīng)最敏感的區(qū) 域 ,因而對(duì)該地區(qū)積雪研究尤為重要 。南極大陸 98 %以上均為積雪覆蓋 ,裸土或裸巖絕大多數(shù)見(jiàn)于海岸線地區(qū) ,內(nèi)陸地區(qū) 常年為積雪覆蓋 。因此本研究監(jiān)測(cè)南極大陸的積雪覆蓋面積變化趨勢(shì) ,為減少數(shù)據(jù)量 ,僅 監(jiān)測(cè)海岸帶地區(qū)積雪面積變化 。為保證能全面監(jiān)測(cè)積雪覆蓋的消融或擴(kuò)張情況 ,在南極 大陸海岸線左右兩側(cè)作

8、 300 km 緩沖區(qū) ,以此區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象 ,即 ,如圖 1 所示的環(huán)形帶狀 區(qū)域 。圖 1 2005年 2月南極海岸帶積雪覆蓋圖 . 白色為雪 ,黑色為非雪 (凍土 、裸巖等 ) ,深灰色為海洋 ,淺灰色為填充部分f ig. 1. snow cove r m ap of a n ta rc tic coa stline region on feb, 2005. w h ite: snow; b lack: no snow ( pe rm afro st and b a re rock) ; da rk grey: ocean; flee t grey: filled2. 2 數(shù)據(jù)源積雪遙感

9、監(jiān)測(cè)的原理是利用雪的光譜特性與云 、裸地 、巖石 、植被等地表覆蓋類(lèi)型光 譜特性的差異 ,提取積雪信息 。在可見(jiàn)光波段 ,雪和云的反射率較高且相近 ,而地表的反射率較低 ,可用來(lái)區(qū)分云雪和地表 。在近紅外波段 ( 0. 8 1. 1m ) ,云和雪的反射率仍較高 ,而水體和裸地的反射很低 ,植被的反射率介于其中 。雪在可見(jiàn)光波段有較高的反射 率 ,在短波近紅外波段有較強(qiáng)的吸收特性 ;而大多數(shù)云在短波近紅外波段的反射率仍然比 較高 10 。因此 ,根據(jù)這一特征即可將雪和云區(qū)分開(kāi)來(lái) 。根據(jù)雪 、云 、裸地 、水體等目標(biāo)的光譜特性 ,利用不同光譜波段的資料 ,提取積雪信息 。本文采用美國(guó)冰雪數(shù)據(jù)中心

10、 (n a tiona l snow and ice d a ta cen te r, n s idc )制作提供的 mod is / te rra 500 m 分辨率雪產(chǎn)品作為研究分析數(shù)據(jù) 。選取了 2003 2006 年每年的 10 月至次年 3月的經(jīng)緯網(wǎng)格的積雪覆蓋資料 ( 12 月數(shù)據(jù)不全 ,未采用 ) 。n s idc 提供的雪產(chǎn) 品數(shù)據(jù)主要有 swa th和 gr id 兩種數(shù)據(jù)格式 ,本文選用 gr id 格式的 500 m 分辨率的 8 d合成數(shù)據(jù) ,版本為 v e rsion004 ,即 mod is / te rra snow cove r 8 2d ay l3 globa

11、 l 500 s in grid v004數(shù)據(jù)集 。n s idc的 mod is雪產(chǎn)品是由每天的 mod is數(shù)據(jù)計(jì)算得到的積雪覆蓋范 圍 。利用單日生成的積雪二值圖數(shù)據(jù) , 根據(jù)需要生成旬 、月或每 8 天等積雪監(jiān)測(cè)產(chǎn)品 。 n s idc采用歸一化積雪指數(shù) (nd s i)進(jìn)行云雪的初步分離判識(shí) 11 , 12 ,并采用一定的云檢測(cè) 算法對(duì)上述結(jié)果圖像進(jìn)行進(jìn)一步的云遮蓋判識(shí) 。mod is云檢測(cè)算法是在原有的由衛(wèi)星數(shù)據(jù)探測(cè)全球云分布的算法基礎(chǔ)上 ,充分利用 mod is的多光譜特性而設(shè)計(jì)的 ,并依此計(jì) 算得到 mod35云掩膜產(chǎn)品 。詳細(xì)云檢測(cè)算法請(qǐng)參見(jiàn)文獻(xiàn) 13 , 14 ?？紤]太陽(yáng)同

12、步衛(wèi)星 軌道對(duì)地觀測(cè)覆蓋區(qū)域的周期性變化 ,因考慮 8 d 周期較短可能無(wú)法比較全面地剔除云 的影響 ,同時(shí)考慮到 te rra衛(wèi)星軌道回歸周期為 16 d,因而選取連續(xù) 2個(gè) 8 d合成產(chǎn)品 ,利 用 idl 編程 ,對(duì)連續(xù) 2 個(gè) 8 d雪產(chǎn)品的最大值進(jìn)行合成 ,生成 16 d的積雪監(jiān)測(cè)產(chǎn)品 ,盡可能去除云的影響 。因數(shù)據(jù)量過(guò)大 ,本研究采用 16 d 的雪蓋產(chǎn)品來(lái)表征每個(gè)月的雪蓋狀 況 。3 數(shù)據(jù)處理與分析3. 1 數(shù)據(jù)處理結(jié)果受南極地區(qū)極夜的影響 ,在南極大陸地區(qū)能獲取的理想的 mod is遙感影像為每年10月至次年 3月份 。根據(jù) n s idc雪產(chǎn)品數(shù)據(jù)軌道號(hào)排列規(guī)律及南極大陸的地

13、理位置 ,本 研究選的衛(wèi)星軌道列號(hào) 、行號(hào)范圍分別為 h9 h26 , v14 v16 ,共 25 景數(shù)據(jù) 。將這些數(shù)據(jù) 應(yīng)用 na sa 提供的 mr t軟件作重投影 ,鑲嵌拼接并裁減出感興趣區(qū)域 。南極地區(qū)大范圍區(qū)域制圖 ,為能 很 好 地 保 持 形 狀 不 變 , 采 用 極 方 位 立 體 投 影 ( po la r ste reograp h ic p ro jec2 tion) ,其投影參數(shù)為 : p ro jec tion: po la r ste reograp h ic, d a tum: w gs_84 , l a titude: - 71 , lon2 gitude:

14、0。該投影是一種平面透視投影 ,在這種投影中 ,南極點(diǎn)是從北極點(diǎn)看過(guò)來(lái)的 。為 準(zhǔn)確地比較出面積變化 ,還必須將等角投影轉(zhuǎn)換為等積投影 ,本研究采用 a rcgis軟件 ,將 其轉(zhuǎn)換 為 sou th po le l am be rt a zim u tha l equa l a rea 投 影 。具 體 投 影 參 數(shù) 為 : p ro jec tion:l am be rt_a zim u tha l_equa l_a rea, l a titude _o f_o rigin: - 90. 000000; geograp h ic coo rd ina tesystem: gcs_w gs

15、_1984。為消除云的影響 ,本研究采用每月內(nèi) 16 天最大積雪覆蓋合成值代表該月的雪蓋面積 。如圖 1 ,即為 2005 年 2 月份海岸帶積雪覆蓋圖 ,白色部分為積 雪覆蓋 ,黑色為非雪 (凍土和裸巖 ) ,深灰色為海洋 ,淺灰色為填充部分 。獲取南極海岸帶 10月至次年 3月的數(shù)據(jù) ,分別制作雪蓋圖 ,以此來(lái)監(jiān)測(cè) 2003 2006年 4 年間雪蓋范圍變化情況 。為計(jì)算出面積變化 ,需將各幅雪蓋圖由極方位等角投影轉(zhuǎn) 換為等積投影 。各分類(lèi)類(lèi)別的總面積即是該類(lèi)別的像元數(shù)與每個(gè)像元面積 ( 0. 25 km2 ) 的乘積 ,將計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表 1所示 ,直方如圖 2、圖 3 所示 。表 1

16、20032006年南極大陸海岸帶區(qū)域各月積雪面積統(tǒng)計(jì)表 (單位 : km 2 )tab le 1.a rea sta tistic s of ice2snow cove r in a n ta rc tic coa stline region du ring 2003 20063. 2 總體趨勢(shì)分析根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果并借助 env i、erda s和 a rcg is等軟件 ,對(duì)各時(shí)期數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析 ,年份1 月2 月3 月10 月11 月雪非雪雪非雪雪非雪雪非雪雪非雪2003200420052006512761850598115074294505971011143. 55882543562. 7

17、557328512480150655085079969506613616399. 255305438894. 552456. 75511637850802835059044508176120670. 538083. 2560245. 7535896. 255110198509637051087115100675895422713. 2510643. 7518438. 75509915450608465084670510304815150. 52457530636. 7515629. 75( 1 )由圖 2 可以看出 , 2003 2006 年間的雪蓋面積 ,總體上 2003 年比其他年份的大

18、,2004年急劇減少 ,而后緩慢增加 ,呈現(xiàn)減少 增加的態(tài)勢(shì) 。( 2 )研究區(qū)雪蓋在年內(nèi)有較大的波動(dòng) 。 2003 2006 年間 ,各月雪蓋面積處于波動(dòng)下 降的態(tài)勢(shì) 。從積雪的月際變率 (該月與 4 年間積雪面積最大 、最小值之差與平均值之比 ) 來(lái)看 ,雪蓋變化最大值出現(xiàn)在 1月 ,最小值出現(xiàn)在 10月 。說(shuō)明積雪在寒季 ( 10 月 )變化相 對(duì)較小 ,暖季變化較大 。而從圖 3 可以看出 ,非雪蓋 (凍土和裸巖 ) 面積呈現(xiàn)相反的波動(dòng) 趨勢(shì) ,這與事實(shí)常理相吻合 。( 3 )從圖 2 可知 ,以 10 月為代表的寒季雪蓋面積總體顯著大于暖季雪蓋面積 。由表1 可知 , 2003 20

19、06 年 ,分別以 10 月和 1 月為代表的寒暖兩季雪蓋面積平均每年相差約2. 35 104 km2 。( 4 )分析比較各時(shí)期的圖像數(shù)據(jù)可以看出 ,非雪蓋地區(qū) ,即凍土和裸巖 ,主要分布于 南極半島和島嶼及海岸帶附近 ,尤其南極半島最為顯著 。南極科學(xué)委員會(huì) ( scar ) 下屬的“南極 與 全 球 氣 候 系 統(tǒng) (a gcs) 計(jì) 劃 ”專(zhuān) 家 委 員 會(huì) 發(fā) 布 了“南 極 與 南 大 洋 氣 候 系 統(tǒng) ( sa socs) ”白皮書(shū) ,認(rèn)為南極半島地區(qū)升溫明顯 ,半島及亞南極島嶼上的冰川均處于退 縮狀態(tài) 。由此可見(jiàn) ,雪蓋退縮及凍土和裸巖的出露受溫度升高的影響 。( 5 )將研

20、究區(qū)分為東南極和西南極兩部分 ,統(tǒng)計(jì)得到西南極海岸帶非雪蓋 (凍土和裸 巖 )像元較多 ,占南極海岸帶研究區(qū)全部非雪蓋的 70 % ,這與西南極氣溫相對(duì)較高相吻合 。3. 3 典型區(qū)分析為了進(jìn)一步分析海岸帶地區(qū)積雪覆蓋區(qū)域的內(nèi)部差異 ,本文在上述研究基礎(chǔ)上 ,沿南 極大陸海岸線選取了 18個(gè)積雪覆蓋面積變化明顯的典型區(qū)域 (如圖 4 ) ,對(duì)南極大陸海岸 帶積雪覆蓋變化的區(qū)域差異特征進(jìn)行了分析研究 。因暖季雪蓋面積波動(dòng)相對(duì)明顯 ,本研究選取 1月份數(shù)據(jù)資料進(jìn)行分析 。所選取的典型區(qū) ,平均每年總的非雪蓋像元數(shù)占整個(gè) 海岸帶研究區(qū)非雪蓋像元數(shù)的 85 % 。 4 年間 ,典型區(qū)雪蓋面積總體波動(dòng)量

21、對(duì)海岸帶總的 雪蓋波動(dòng)量的貢獻(xiàn)率都在 80 %以上 。典型區(qū) r1 r8 , r16 位于西南極 ,其余典型區(qū)位于 東南極 。圖 4 沿海岸帶選取的 18個(gè)典型區(qū)分布圖f ig. 4. d istribu tion of 18 typ ica l region s圖 5 東南極 ( a) 、西南極 ( b)典型區(qū)積雪覆蓋面積變化f ig. 5. change s of snow cove r in ea st a n ta rc tica ( a) and w e st a n ta rc tica ( b)對(duì)東 、西南極各 9 個(gè)典型區(qū)的積雪覆蓋面積進(jìn)行 4 年觀測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析 ,結(jié)果顯示

22、 , 1月份雪蓋的最大年際變率 (年平均雪蓋面積最大 、最小值之差與平均值之比 ) ,西南 極明顯比東南極大 ;東 、西南極的積雪覆蓋面積變化有明顯不同的趨勢(shì) ,如圖 5所示 ,在東南極地區(qū) , 2003 年 、2005 年為較高值 , 2004年和 2006 年為兩個(gè)較低值 ; 而西南極地區(qū) ,除南極半島以外 ,則是從 2003 2004年急劇下降 , 2005、2006 年再緩慢抬升 ,與總體趨勢(shì)一 致 ; 2003 2006 年 ,南極半島 (典型區(qū) r1 )的積雪覆蓋面積變化趨勢(shì)較特殊 ,呈“梯形 ”,即2003年積雪面積為極低值 , 2004年 、2005 年為兩個(gè)較高值 ,隨后的

23、2006 年又降至一個(gè)次低值 。圖 6中 ( a) 、( b)分別為西南極典型區(qū) r3和東南極典型區(qū) r17在 2003 2006 年積 雪覆蓋面積變化的示意圖 。圖中所反映出的變化規(guī)律與圖 5 兩幅折線圖的規(guī)律相吻合 。圖 6 西南極 e igh ts coa st ( r3 ) ( a)和東南極 syowa p rince o lav coa st ( r17 ) ( b)雪蓋范圍變化示意圖f ig. 6. samp le of snow cove r change in e igh ts coa st ( r3 ) , w e st a n ta rc tica ( a) and in

24、syowa p rince o lavcoa st ( r17) , ea st a n ta rc tica ( b)4 結(jié)語(yǔ)本文利用 mod is雪產(chǎn)品數(shù)據(jù)研究分析了 2003 2006 這 4年間南極大陸海岸帶積雪面積的總體變化規(guī)律 ,并在此基礎(chǔ)上選取 18 個(gè)典型區(qū)作進(jìn)一步研究 。研究表明 ,南極大 陸海岸帶雪蓋面積總體上呈波動(dòng)下降趨勢(shì) ,暖季比寒季波動(dòng)顯著 。從積雪時(shí)間變化看 :季 節(jié)尺度上 ,南極海岸帶地區(qū)寒季 ( 4 10月 )雪蓋面積迅速增加 ,暖季 ( 11 3 月 )雪蓋面積 的變化趨勢(shì)表現(xiàn)不一致 , 2004 年和 2006 年表現(xiàn)為先減少后增加 , 2005 年為先增加

25、后減少 ,但總體表現(xiàn)為減少的趨勢(shì) ,寒暖兩季雪蓋面積變化的特征與氣候因素呈正反饋 ; 年際尺度上 , 2003 年的雪蓋高于其他年份 , 2004年銳減之后再緩慢增加 ,總體上呈現(xiàn)出波動(dòng)伴 隨下降的趨勢(shì) 。從積雪空間上看 ,雪蓋變化主要集中在南極大陸海岸線一帶 ,大陸腹地的變化很小 ,可以忽略 ,另外 ,從雪蓋變化典型區(qū)的分析結(jié)果來(lái)看 ,西南極雪蓋面積變化比東 南極顯著 ,尤其南極半島的雪蓋面積變化最為顯著 。本研究采用的 mod is數(shù)據(jù) ,雖然具有其明顯的優(yōu)勢(shì) ,但因南極地區(qū)極夜的影響 ,可用 的數(shù)據(jù)只有每年的 10 月至次年 3 月 ,今后可考慮結(jié)合應(yīng)用微波數(shù)據(jù)來(lái)對(duì)南極雪蓋狀況進(jìn)行連續(xù)監(jiān)

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