摘要
海冰不仅是冰冻圈重要的组成要素，同时也是极区气候系统的重要调节器和全球气候变化的敏感因子。诸多研究表明，海冰对大气、生态、环境、海洋以及人类活动等各个方面都具有重要影响。因此，监测极区海冰参数并获取其时空分布信息具有重要的科学价值和实际意义。 海冰密集度和海冰厚度是分别表征海冰在“水平方向”和“垂直方向”变化特征的两个重要海冰参量。相比传统海冰密集度和海冰厚度测量方法，遥感覆盖范围广，可实现大范围的持续观测，是进行海冰密集度和海冰厚度时空监测的有效手段。因此，开展海冰密集度和海冰厚遥感反演方法研究对于获取和理解极区海冰时空分布特征及变化趋势具有重要意义。 本论文以南北极为研究区域，针对目前被动微波遥感海冰密集度反演方法的不足以及最新发射的ICESat-2激光高度计，分别开展海冰密集度和海冰厚度遥感反演方法研究工作，并应用其进行极地区域海冰密集度及海冰范围的时空变化研究。论文的主要研究内容和结论包括以下四个方面: (1)对国际上主流的被动微波海冰密集度产品进行了全面的精度评价和一致性评估。首先利用高分辨率遥感影像(MODIS)对主流的被动微波海冰密集度算法(NT2、BT、ASI算法)生产的海冰密集度产品（SSMIS/ASI、AMSR2/BT及我国的FY3B/NT2和FY3C/NT2产品）进行了精度评价。其次，选择与被动微波海冰密集度时空分辨率相近的ERA-Interim再分析海冰密集度数据集，对不同算法的海冰密集度产品进行了长时序、全极区的一致性评估。最后，总结了各种主流的海冰密集度产品（算法）在极区的表现与误差时空分布特征，并提出相应的解决方案，为后续新发展的海冰密集度融合算法打下了基础。 (2)针对不同被动微波海冰密集度算法的误差特征，提出了被动微波海冰密集度融合新方法。通过对目前国际主流的被动微波海冰密集度产品在南北极地区的一致性评估发现，现有海冰密集度产品在南北极海冰边缘区和夏季时期误差较大，其中ASI算法和BT算法整体表现最优且分别在北极与南极地区表现最好。因此选择以ASI算法与BT算法为基准算法，针对两者在南北极海冰边缘区和夏季时期具有相反的低高估偏差特征，对两者进行有效融合，消除偏差的影响，形成新的海冰密集度融合算法。利用2012-2014年中国雪龙号南北极科考的船基观测数据验证表明新算法反演的海冰密集度精度优于ASI和BT算法，在北极的均方根误差(RMSE)为9.55％，南极的RMSE为11.37％，同时新算法反演的海冰密集度能够很好的捕捉海冰密集度的动态变化趋势，在南北极的决定系数R2值均在0.8以上，可实现高精度、长时序的极区海冰密集度产品生产。 (3)系统分析了近20年南北极地区海冰密集度、海冰面积和范围的时空变化。基于本论文发展的新的海冰密集度融合算法，结合AMSR-E和AMSR2多通道辐射计亮温数据，生成了2002-2020年的长时序日尺度海冰密集度产品。在此基础上从不同的时间尺度（年、季、月）分析了南北极及其子区域海冰密集度、海冰面积和范围的时空分布及变化趋势。结果表明整体上南北极地区年均海冰密集度在21世纪均表现出减少趋势。其中北极海冰减少趋势较南极更为明显，尤其以巴伦支海和卡拉海海冰减少最为显著。研究结果进一步揭示了极地区域海冰变化的特征，有助于进一步理解全球变暖大背景下，极地海冰的变化规律以及南极和北极海冰变化的异同。 (4)探讨了不同参数组合方案对基于ICESat-2激光高度计的北极地区海冰厚度反演结果的影响。现有基于高度计的海冰厚度获取方法主要基于静力平衡方程，在估算过程中，不同的积雪厚度、积雪密度及海冰密度输入方案对海冰厚度反演结果的不确定性具有较大影响。论文首先分析了ICESat-2激光高度计2018-2019年及2019-2020年两个冬季获取的北极地区海冰干舷空间分布及月均海冰干舷的时间变化。然后，开展了不同积雪厚度、积雪密度和海冰密度总计18种参数组合方案对ICESat-2激光高度计海冰厚度反演结果的比较工作，分析了一年冰和多年冰区域的参数化方案反演结果的差异。最后，基于ICEBird航空观测数据对不同方案的ICESat-2轨道海冰厚度反演结果进行了对比，采取优选方案，绘制了2020年冬季北极地区ICESat-2海冰厚度空间分布，并与三种公开发布的CryoSat-2海冰厚度（AWI、CMOP和GSFC）进行了对比分析，结果表明ICESat-2反演的海冰厚度与AWI、CMOP和GSFC海冰厚度的平均偏差分别为-0.15m、-0.26m和-0.13m。
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