1 中国科学院大学，北京 100049
2 中国科学院上海技术物理研究所 中国科学院红外探测与成像技术重点实验室，上海 200083
北极航道海冰运动的准确预测对于保证航行安全、评估航道可通行性和动态修正航线具有重要的指导意义。传统的光流法无法满足海冰运动预测任务中“时空预测+语义分割”的要求。为此，基于MERSI-Ⅱ影像制作了海冰运动数据集SeaiceMoving，提出了一种基于Multiloss-SAM-ConvLSTM的海冰运动预测算法，该算法在SAM-ConvLSTM的基础上引入加权的FDWloss，强化了各节点空间语义的获取。针对样本分布不平衡，讨论了后端分割阈值的偏移效应，通过网格搜索确定最佳分割阈值，提高了海冰整体预测结果。实验结果表明，该方法的Kappa系数为0.75，IOU为0.61，Dice系数为0.76，相较于SAM-ConvLSTM，分别提高了0.1、0.12和0.1，对运动后海冰的位置预测和形状提取能力均有提升，减少了海冰“黏连”的情况。此外，该算法对薄云干扰下的海冰运动依然具备良好的预测能力，可以为北极航线的动态规划和航线修正提供较为准确的技术支撑。
北极航道 风云三号卫星 独立海冰 Multiloss-SAM-ConvLSTM 运动预测 Arctic route FY-3 satellite independent sea ice Multiloss-SAM-ConvLSTM motion prediction
中国海洋大学信息科学与工程学部海洋技术学院, 山东 青岛 266100
为了解亚北极太平洋大气对海洋的长期影响, 利用 2003-2018 年 MODIS 卫星遥感数据, 对部分区域 (40° N～50° N, 160° E～160° W) 进行研究。将研究区域按照经度每 10° 划分为 4 个子域进行比较研究, 分析了各区域气溶胶光学厚度 (AOD) 和海洋净初级生产力 (NPP) 的变化特征及相关性。结果表明各区域 AOD 及 NPP 均具有年际周期性, AOD 于 7 月达到峰值, NPP 于 8、9 月达到峰值, 且二者均存在明显的自西向东递减趋势。根据时滞相关性分析发现, 各区域 AOD 均与滞后 1～2 个月的 NPP 有较强相关性, 自西向东四个研究子域的最高 Pearson 相关系数分别为 0.75、0.84、0.79、0.74。利用 7 月 AOD 峰值对气溶胶进行分类, 发现沙尘为影响该区域 NPP 的重要气溶胶类型。对各区域的海表温度 (SST) 和光合有效辐射 (PAR) 的研究发现, 二者均无明显的自西向东变化趋势, 较好地排除了这两种因素对 NPP 自西向东趋势的影响。
亚北极太平洋 气溶胶光学厚度 海洋净初级生产力 中分辨率成像光谱仪 相关性分析 subarctic Pacific aerosol optical depth net primary productivity moderate-resolution imaging spectroradiometer correlation analysis 大气与环境光学学报
2022, 17(5): 558
国家卫星气象中心 中国气象局中国遥感卫星辐射测量和定标重点开放实验室 许健民气象卫星创新中心，北京 100081
基于我国风云极轨气象卫星FY-3D/MERSI-II（FengYun-3D/ Medium Resolution Spectral Imager-II）红外通道数据，结合星载激光雷达主动探测数据，开展北极地区夏季云检测模型研究。采用概率密度函数分析方法，并引入损失率，对相关阈值进行优化，提出适用于北极夏季的红外云检测方案，构建了基于置信度结果的云检测模型。精度检验结果表明，所构建的云检测模型的检测结果与时空匹配的星载主动探测结果具有较高的一致性，个例统计结果显示置信度高于0.8，云像元检测一致性100%。当置信度低于0.2时，存在10.15%云像元误判为晴空像元，误判云像元多为云顶高度在4~6 km之间的单层云，可能是卷云引起的误判。
大气科学 北极 云检测 FY-3D/MERSI-II 夏季 atmospheric sciences Arctic cloud detection FY-3D/MERSI-II summer
1 中国科学院大学，北京 100049
2 中国科学院上海技术物理研究所 中国科学院红外探测与成像技术重点实验室，上海 200083
基于风云三号卫星MERSI-Ⅱ影像的特性，提出了一种基于U-ASPP-Net的独立海冰分割算法，该算法在U-Net的基础上引入了空洞空间金字塔池化模块和空洞深度可分离卷积，构建了新型独立海冰分割网络U-ASPP-Net，并在网络后端将FDWloss作为损失函数，最后利用重叠消边策略生成最终的独立海冰分割图。为验证U-ASPP-Net的准确性与有效性，选取U-Net、Deeplab v3+和分区梯度差分与双峰阈值分割法作为对照方法进行实验，实验结果表明，基于U-ASPP-Net的独立海冰精细化分割方法在OA、Kappa系数、IOU、Dice系数四种指标上均优于其他方法，对细节与边缘的提取能力较强，对极小块海冰的还原度较高。此外，算法在一定程度上能够解决基于中分辨率遥感影像提取独立海冰时无法解决的薄云干扰问题，对薄云下的海冰依然具有良好的提取能力，能够为北极航线的动态规划提供较为准确的技术支持。
北极航线 风云三号卫星 独立海冰 U-ASPP-Net 精细化分割 arctic route FY-3 satellite independent sea ice U-ASPP-Net refined segmentation
1 武汉大学 遥感信息工程学院, 武汉 430072
2 中国科学院上海技术物理研究所 中国科学院红外探测与成像技术重点实验室, 上海 200083
风云三号卫星MERSI影像的空间分辨率达到250 m, 不仅可以长期宏观监测海冰整体分布变化, 而且能够观测分析破碎冰块的面积、圆度等细节形态特征.从海冰光谱特征和冰块灰度分布特征出发, 给出MERSI影像提取海冰整体分布参数和冰块形态参数方法, 包括海冰识别、冰块分离提取以及海冰参数提取, 利用这些方法成功提取了2014年夏季弗拉姆海峡海冰边缘区的海冰细节信息.给出的方法可为研究分析北极海冰变化及海气相互作用提供方法支持和信息保障.
MERSI影像 海冰分布 冰块形态 特征参数 北极 MERSI imagery sea ice distribution ice block shape characteristic parameter Arctic
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所 大气成分与光学重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 光学辐射重点实验室, 北京 100854
利用2011~2014年MODIS云产品数据对北极地区夏季卷云的出现概率、云顶温度、云顶高度、光学厚度、有效粒径大小进行统计分析, 并讨论了北极地区夏季卷云有效粒径大小和卷云高度的关系。结果表明, 北极地区上空夏季卷云出现概率最高, 水云较少。卷云云顶温度主要分布在230～272 K(即-43～-5 ℃), 其云顶高度主要在2～8 km, 4.5～6 km出现概率最大。卷云的光学厚度主要在小于10范围内。卷云的有效粒径在5～40 μm之间, 10～20 μm出现概率最大。卷云的有效粒径和高度的关系与中纬度地区相反, 北极地区卷云高度越高, 卷云有效粒径越大。北极地区卷云随着纬度增大, 卷云出现概率增加, 卷云云顶温度降低, 卷云高度增加, 卷云有效粒径增大, 卷云光学厚度增大。
卷云 北极地区 光学厚度 有效尺度 cirrus clouds Arctic optical thickness effective radius 红外与激光工程
2016, 45(4): 0432002
1 中国科学技术大学地球与空间科学学院极地环境研究室, 安徽 合肥 230026
2 中国科学院安徽光学精密机械研究所, 安徽 合肥 230031
多轴差分吸收光谱技术(MAX-DOAS)作为一种观测痕量气体成分的地基遥感手段, 在反演过程中利用天顶谱扣除了平流层的影响, 因而对底层大气的测定较为敏锐。 采用地基被动MAX-DOAS在2011年7月5日—8月1日对北极新奥尔松地区的NO2柱浓度进行观测。 观测期间4个离轴观测角的NO2差分斜柱浓度(DSCDs)结果显示, NO2主要集中在对流层底部。 观测期间新奥尔松地区NO2的平均混合比为1.023E11 molec·cm-3(0～1 km), 其含量的波动与轮船的化石燃料燃烧和大气光化学反应有关。 3 km内NO2的垂直分布图显示, NO2主要来自海洋边界层的释放, 且随时间呈现波动变化。
对流层 北极新奥尔松 垂直分布 NO2 NO2 Troposphere MAX-DOAS MAX-DOAS Ny-lesund Vertical distribution 光谱学与光谱分析
2012, 32(9): 2336
1 南京大学地理与海洋科学学院, 江苏 南京 210093
2 Department of Geological Sciences, University of Texas at San Antonio, Texas 78249, USA
3 中国极地研究中心, 上海 200136
辐照度变化影响着北极冰雪的消融速率, 是全球气候变化研究的一个重要组成部分。 基于2010年中国第4次北极科学考察光谱测量数据, 通过对比、 主成分变换等分析了北极地区夏季辐照度的变化, 并探讨了其变化原因。 太阳辐照度的变化与多种因素有关, 最直接的影响因素是天气以及太阳高度; 在北极高纬度地区, 太阳高度角极低, 太阳辐射能量受到的大气衰减作用明显, 研究表明, 较短波长的光谱对太阳高度变化更敏感, 而天气对辐照度的影响随着波长的增大而增大。 此外, 大气中水分含量也影响着到达地面的太阳辐射, 水分影响主要表现在特定的波段而不是整个光谱区间内。
太阳辐照度 主成分分析 变化 光谱曲线 北极 Irradiance Principal component analysis Variation Spectral curve Arctic 光谱学与光谱分析
2012, 32(8): 2037
1 南京大学地理与海洋科学学院， 江苏 南京， 210093
2 Department of Geological Sciences, University of Texas at San Antonio, Texas78249, USA
3 中国极地研究中心， 上海200136
北极海冰对全球气候变化有着举足轻重的作用， 它的快速变化及其影响是国内外关注的焦点。 采用ASD FieldSpec 3便携式地物光谱仪， 在2010年中国第4次北极科学考察的长期冰站观测期间对不同类型的海冰进行了野外光谱测量， 系统分析了光谱特征。 结果表明积雪覆盖海冰的光谱反射率最高， 裸露海冰其次， 表层消融的海冰（有融池）最低。 厚雪、 薄雪、 湿雪、 雪晶的光谱曲线峰谷特征明显， 基本都随波长的增加反射率降低。 天然海冰、 白冰、 蓝冰的反射率随波长的变化基本一致， 反射率居于中等， 灰冰的反射率远低于天然海冰、 白冰和蓝冰。 分析北极海冰的波谱特性， 探索北极海冰的定量遥感研究， 进而分析其对全球变暖的响应， 具有重要的科学意义。
海冰 光谱特征 北极 Sea ice Spectral features Arctic Ocean 光谱学与光谱分析
2012, 32(4): 1081
