Shi Q and Su J. 2020. Assessment of Arctic remote sensing ice motion products based on ice drift buoys. Journal of Remote Sensing（Chinese），24（7）：867-882［DOI：10./jrs.］

1 引 言

在近30年全球气候变暖大背景下，北极海冰变化尤为剧烈。1979年—2010年，北冰洋海冰范围以每10年4%的速度减小（Comiso，2012）。与此同时，越来越多的一年冰取代了多年冰，使整个北冰洋平均冰厚显著减小（Maslanik 等，2007；Kwok等，2009，2013）。冰厚减薄的同时，北冰洋冬季和夏季的冰速分别增加了23.6%/dec和17.7%/dec（Rampal 等2009）。海冰冰速变化导致海冰密集度和冰厚重新分布，势必影响整个北极气候系统，甚至对全球的气候变化产生巨大影响。因此冰速变化研究也成为当前的研究热点。

北冰洋海域大部分地区远离陆地，现场观测资料匮乏。随着卫星遥感技术飞速发展，1979年以来覆盖北极地区的持续海冰遥感资料成为监测北极海冰运动的最有效手段。当下最常用的极区卫星遥感冰速产品主要依赖被动微波传感器（Ezraty 等，2007；Lavergne 等，2010；Tschudi 等，2016）。由被动微波数据反演得到的冰速时空覆盖率和时间分辨率较高，且不受极夜以及云的影响，能够全天时全天候保证每天覆盖两极地区。欧洲气象卫星中心（EUMETSAT）下属的海洋和海冰卫星遥感分部OSISAF 和法国CERSAT-Ifremer 发布的卫星遥感冰速场是比较具有代表性的被动微波遥感冰速产品。美国冰雪数据中心（NSIDC）发布的基于被动微波的融合冰速产品Polar Pathfinder 也被广泛运用于数值模式验证以及数据同化的研究之 中（Stark 等，2008；Dai 等，2006）。根 据Hwang（2013）总结以往的不同冰速产品验证结果（表1）可知，源数据、反演时间间隔以及反演算法的不同，会导致遥感冰速产品精度存在差异。此外，不同冰速产品误差之间的差异不仅来自遥感冰速本身，也来自用于验证的浮标数据。表1 归纳了已有的对于各类冰速的独立验证工作，这些工作中采用的验证数据（浮标）精度及时空分布均存在差异，难以通过这些独立验证工作确定不同冰速产品的优劣。Hwang（2013）基于2008年—2009年和2009年—2010年两个冬季冰基剖面浮标ITP（Ice-Tethered Profile）的冰速对3种被动微波和3种分辨率更高的冰速数据（包括合成孔径雷达及可见光）进行了较为全面的评估。其结果指出使用CMCC 算法的OSISAF-AMSR 冰速在整个北冰洋以及弗拉姆海峡区域误差均低于其他被动微波冰速产品，尤其是在冰速较低情形下这种特征更为明显。弗拉姆海峡是北冰洋平均冰速最大的区域之一，其年平均冰速接近北冰洋内区平均冰速的两倍（Tschudi等，2016），月平均误差也大于北冰洋内区（Sumata 等，2014）。该区域海冰运动对于研究北极海冰总量变化具有重要的意义，当前对该海域冰速产品评估还存在很大空白。

表1 各类遥感冰速误差分析结果汇总Table 1 Error estimates of satellite sea ice velocity documented in the literature注：本表引自Hwang（2013）文献。?

目前各类公开冰速产品均有了对应的验证工作（Ezraty等，2007；Lavergne等，2010），但这些相互独立验证结果之间缺乏可比性。Hwang（2013）对6 种冰速产品评估工作中所涉及的时间长度较短，冰速产品的类型也偏少，没有涵盖常用冰速产品。在冰速和冰速误差较大的弗拉姆海峡，受到浮标数量限制，鲜有研究对该区域冰速进行全面评估。本文将基于从IABP 浮标提取的海冰运动速度，分别在北冰洋内区（包括北极中央区、楚科奇海、喀拉海、拉普捷夫海以及波弗特海）和弗拉姆海峡海域对现有的卫星遥感微波冰速产品进行全面的评估。

2 数据和方法

2.1 卫星遥感微波冰速产品

现有的极区全天候海冰运动产品主要源自卫星遥感的被动微波图像，通过区域追踪技术可从被动微波图像中提取一定时间间隔内海冰的平均位移，即卫星遥感的海冰速度（表2）。目前业务化的覆盖全北极的卫星遥感冰速产品有3套，分别由美国国家冰雪中心（NSIDC）、法国海洋开发研究院（Ifremer/Cersat）和欧洲气象卫星中心下属的海洋与冰遥感分部（EMUSAT/OSISAF）发布。美国冰雪中心（NSIDC）发布的Pathfinder 冰速产品是目前国际上最为常用的极区冰速产品（Tschudi等，2016）。该产品冬季冰速以被动微波数据为基础，采用最优化插值方法，融合了风场和冰基浮标的数据；在被动数据失效的夏季，冰速由风场估算值和浮标冰速融合得到。NSIDC 南北两极日平均冰速产品的空间分辨为25 km。法国海洋开发研究院（Ifremer/Cersat）基于最大互相关（MCC）算法，针对不同源数据，反演了多套不同时间间隔（2 d、3 d 及6 d）的北极冰速资料。由于源数据的空间分辨率不同，此套数据有31.25 km 和62.5 km 分辨率两种（Ezraty 等，2007）。此外，欧洲气象卫星组织（EMUSAT）下属的海洋和海冰分部（OSISAF）也发布准实时的北冰洋的冰速产品，包括AMSR、ASCAT 和SSMI等3种单源冰速和1种融合冰速。OSISAF 冰速反演采用的是基于MCC算法的改进的连续最大互相关算法CMCC（Continuous Maximum Cross Correlation）（Lavergne等，2010）。这4种冰速产品的时间跨度从9—20年不等（表2），反演时间间隔均为2 d，空间分辨率均为62.5 km。

文章来源：《北极光》 网址: http://www.bjgzzs.cn/qikandaodu/2021/0120/595.html