《冰凍圈科學綜述》冰凍圈監(jiān)測技術的現(xiàn)狀、常見缺陷和發(fā)展

1、冰凍圈科學綜述冰凍圈監(jiān)測技術的現(xiàn)狀、常見缺陷和發(fā)展 冰川、冰蓋面積：約占陸地面積10% 凍土（季節(jié)凍土和多年凍土）：總計約占陸地面積2/3；多年凍土約占1/4 積雪面積：1月覆蓋陸地面積30（北半球近50%） 海冰面積：約占海洋面積7%冰凍圈：地球表層水以固態(tài)形式存在的圈層陸地積雪參數(shù)的觀測能力和要求代碼如下：C=目前能力,T=閾值要求（最低要求）,O=客觀要求（目標），L=觀測范圍低端值,U=單位,H=觀測范圍高端值，V=數(shù)值，cl=氣候，op=業(yè)務要求；積雪：影響地表水和能量通量、大氣動力和天氣、季節(jié)凍土和多年凍土、生物地球化學通量和生態(tài)系統(tǒng)動力學 觀測現(xiàn)狀觀測參數(shù)單一，不全面積雪觀測網(wǎng)絡

2、萎縮或完全消失大多數(shù)地面觀測方法都是在單點進行的單一積雪觀測1966年以來，已廣泛應用近地軌道（LEO）和地球靜止衛(wèi)星（GEO）的可見光、近紅外和微波傳感器觀測積雪范圍 星載衛(wèi)星對雪深和SWE的觀測能力相當有限。 微波傳感器的出現(xiàn)彌補了這一缺陷，但是目前的傳感器對頻率和分辨率的組合沒有做到最佳。 SAR觀測克服了分辨率的問題，但是當前的傳感器掃描頻率太低，對絕大部分積雪都不適用觀測缺陷地面觀測缺少全面信息，無法對積雪數(shù)據(jù)有效使用和數(shù)據(jù)融合SWE的觀測少，許多地區(qū)完全沒有觀測方法、頻率和報告時次與標準存在許多不一致性積雪觀測的可信度極大地依賴于觀測的精度和全面的元數(shù)據(jù)信息，很多地面觀測不提供元數(shù)

3、據(jù)現(xiàn)有觀測大多是針對特定用戶和應用領域而存在的，而沒有更宏大的目標或更高協(xié)調(diào)機構(gòu)遙感觀測需要增加和補充地面觀測仍然存在雪與云的判別問題。 。 。 。 。 。 發(fā)展建議地面積雪觀測網(wǎng)絡的協(xié)調(diào)計劃，先國內(nèi)，后國際提高衛(wèi)星觀測的能力：需要高空間分辨率和譜分辨率的改進型儀器，高頻率（Ku-，X-波段）的SAR應該是對全球雪水當量觀測的首選發(fā)展不同植被狀況下觀測SWE的算法和新傳感器發(fā)展實測和衛(wèi)星反演數(shù)據(jù)的融合技術集成多傳感器數(shù)據(jù)的合成和融合所有積雪觀測資源的全球分析系統(tǒng)凍土參數(shù)的觀測能力和要求 觀測現(xiàn)狀全球陸地多年凍土觀測網(wǎng)（GTN-P）：多年凍土熱狀況（即地面溫度），活動層厚度；GTOS陸地生態(tài)系統(tǒng)

4、監(jiān)測網(wǎng)點 ：土壤溫度和凍土深度 ；北極海岸動力學計劃（ACD）：北極海盆海岸線25個關鍵站點組成的網(wǎng)絡 ；多年凍土地區(qū)的屬性不能通過遙感平臺直接探測。 但許多地表特征和冰緣地貌可以通過很多傳感器觀測 觀測缺陷觀測網(wǎng)絡不健全，觀測主題各地不統(tǒng)一；凍土遙感沒有大的突破，需要發(fā)展新遙感技術，間接觀測凍土參數(shù)；寒區(qū)DEMs空間元網(wǎng)格分辨率（1km）不夠高，不足以描述凍土區(qū)的地面變形發(fā)展建議拓展觀測網(wǎng)絡，凍土觀測中增加其他要素（如雪）觀測，發(fā)展觀測自動化；建立季節(jié)凍土網(wǎng)絡，突出土壤溫度、凍結(jié)深度發(fā)展土壤凍結(jié)/融化循環(huán)（微波被動和主動傳感器）監(jiān)測的遙感算法；發(fā)展從觀測站點向多年凍土觀測網(wǎng)絡轉(zhuǎn)化的升尺度新技

5、術流域尺度凍土融化：重力衛(wèi)星資料冰川參數(shù)的觀測能力和要求 觀測現(xiàn)狀全球陸地冰川網(wǎng)絡（GTN-G） ，世界冰川監(jiān)測服務中心（WGMS）；19721981年間的地球資源探測衛(wèi)星MSS圖編纂了11卷地圖集 全球冰川衛(wèi)星圖片地圖集 （2008年全部完成）；軌道式ASTER立體傳感器和類似傳感器（如SPOT5-HRS或ALOS）提供了產(chǎn)生冰川DEM方法 重復軌道（差分）干涉測量法（D-InSAR）繪制冰川表面地形圖，提供表面運動速度圖 觀測缺陷全球冰川目錄數(shù)據(jù)庫存在很大空白 GLIMS計劃覆蓋到5級觀測站點,確保GTN-G內(nèi)部全面綜合的、多層次的冰川觀測體系冰川物質(zhì)平衡數(shù)據(jù)非常稀少，不能滿足區(qū)域的和/或

6、全球水資源管理 綜合方法監(jiān)測冰川流速：挑戰(zhàn)發(fā)展建議完成全球冰川編目，改進氣象數(shù)據(jù)、冰川物質(zhì)平衡及其動態(tài)響應之間關系的模式 開展高精度的冰川地形繪圖 ,InSAR-冰流速；CoreH2O-空間分布式積累區(qū)信息維持穩(wěn)定的地面冰川觀測網(wǎng)絡 建立一套全球性二維(2D)冰川目錄（如冰川幾何形態(tài) )雪/冰溫度和反照率參數(shù)的觀測能力和要求 表面溫度是冰凍圈研究的最重要參數(shù)之一，它提供雪、冰、陸地或海洋表面狀態(tài)的直接信息，與全球氣候變化之間有直接關系雪和冰的反照率相對較高，因此冰凍圈在氣候變化研究中具有特殊性 觀測現(xiàn)狀海冰和陸地冰表面溫度的地面觀測很少，因為冰蓋和海冰幅員遼闊且難以到達 紅外傳感器測量：Nim

7、bus衛(wèi)星，NOAA衛(wèi)星，AVHRR，MODIS ；反照率：AVHRR 和 MODIS 觀測缺陷寒區(qū)氣象站分布不均且稀疏，表面溫度觀測不能準確估算極區(qū)和高海拔地區(qū)溫度的變化趨勢由于云的高頻發(fā)性和高持續(xù)性，熱紅外衛(wèi)星傳感器在極地區(qū)域的應用很不理想 利用表面觀測的溫度檢驗反演的衛(wèi)星數(shù)據(jù)是有問題的，因為絕大多數(shù)氣象站上報的都是2m高度的大氣溫度，而不是地面表層（輻射）溫度逆溫問題反照率估算的不確定性主要源于校準的不確定性 驗證衛(wèi)星數(shù)據(jù)需要確保反演結(jié)果的精確性 ，但觀測向上和向下短波輻射的氣象站很少，反照率的實測尤為稀少。 發(fā)展建議拓展輻射觀測的地表網(wǎng)絡，以驗證衛(wèi)星觀測的表面反照率和溫度 拓展MODI

8、S 雪反照率的日資料，使之包括海冰 紅外和被動微波數(shù)據(jù)的結(jié)合，將有助于提高精度和時空覆蓋度 多角度衛(wèi)星觀測（如利用MISR 和 PARASOL），更好地揭示雪冰的雙向反射函數(shù)（BRDF）的特征 發(fā)展衛(wèi)星的雪冰光譜反照率的估算方法。 未來的衛(wèi)星應該裝載分光儀。 降雪參數(shù)的觀測能力和要求 運行中 已正式批準 計劃/申請中支撐冰凍圈觀測的衛(wèi)星任務 三種空間技術 : 直接測量冰蓋高度變化（高度計） 測量冰蓋質(zhì)量 (重力衛(wèi)星GRACE) 估算物質(zhì)通量變化 (SAR-冰流速率& 高度計-厚度)Radar/laserSARGRACE1991以來冰蓋物質(zhì)平衡監(jiān)測的主要技術進展（衛(wèi)星）南極冰蓋物質(zhì)平衡體積變化高

9、度計Pritchard et al., Nature 2009優(yōu)點:時間序列相對較長(1991-今) 缺點:雪密度未知,空間覆蓋度不夠 ICESat機載高度計物質(zhì)平衡變化重力場測量南極冰蓋物質(zhì)平衡Velicogna & Wahr, Science 2006優(yōu)點:直接測量缺點:時間序列尚短 GIA 校正 空間分辨率低(22)GRACE衛(wèi)星冰蓋動力與區(qū)域氣候南極冰蓋物質(zhì)平衡Rignot et al., NatGeo, 2008優(yōu)點:監(jiān)測到冰川加速運動缺點:需高精度氣候?qū)W和冰川學參數(shù)The “Third Pole” (Himalaya and Tibetan Plateau) Main issues for regional sustainable development are cryospheric, and should