全球冰冻圈观测

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cdxiao（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,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,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,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）；19721981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),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（BRDF）的特征发展卫星的雪冰光谱反照率的估算方法。未来的卫星应该装载分光仪。,降雪参数的观测能力和要求,运行中,已正式批准,计划/申请中,支撑冰冻圈观测的卫星任务,三种空间技术:直接测量冰盖高度变化（高度计）测量冰盖质量(重力卫星GRACE)估算物质通量变化(SAR-冰流速率&高度计-厚度),1991以来冰盖物质平衡监测的主要技术进展（卫星）,南极冰盖物质平衡,体积变化高度计,Pritchardetal.,Nature2009,优点:时间序列相对较长(1991-今)缺点:雪密度未知,空间覆盖度不够,ICESat,机载高度计,物质平衡变化重力场测量,南极冰盖物质平衡,Velicogna&Wahr,Science2006,优点:直接测量缺点:时间序列尚短GIA校正空间分辨率低(22),GRACE卫星,冰盖动力与区域气候,南极冰盖物质平衡,Rignotetal.,NatGeo,2008,优点:监测到冰川加速运动缺点:需高精度气候学和冰川学参数,The“ThirdPole”(HimalayaandTibetanPlateau)Mainissuesforregionalsustainabledevelopmentarecryospheric,andshouldbeaddr