利用MODIS产品数据研究分析南极海岸带雪盖面积变化

1、极地研究ch in ese journal o f polar r esearch第 20卷第 4期2008年 12月vo l. 20 , no. 4d ecem be r 2008利用mod is产品数据研究分析南极海岸带雪盖面积变化陈静 1 , 2李仁东 1 叶明 3 陆洋 1( 1中国科学院测量与地球物理研究所 ,武汉 430077;2中国科学院研究生院 ,北京 100049;3 中国石油天然气管道工程有限公司 ,河北 065000 )提要 本文利用 mod is雪产品数据研究分析了 2003 2006 年南极大陆海岸带雪盖面积的总体变化规律 ,并在此基础上选取 18个典型区作进一步研究

2、 ,分析了其局地特征 。研究表明 ,南 极大陆海岸带地区积雪覆盖面积总体上呈波动下降趋势 ,暖季比寒季波动显著 。从积雪时间变化看 :季节尺度上 ,南极海岸带地区寒季 ( 4 10月 )雪盖面积迅速增加 ,暖季 ( 113 月 )雪盖面 积的变化趋势表现不一致 , 2004年和 2006年表现为先减少后增加 , 2005 年为先增加后减少 ,但总体呈现减少的趋势 ,寒暖两季雪盖面积变化的特征与气候因素呈正反馈 ; 年际尺度上 , 2003年的雪盖面积高于其他年份 , 2004 年锐减之 后再缓慢增加 , 总体上显现出波动伴 随下降的趋 势 。从积雪空间上看 ,雪盖变化主要集中在南极大陆海岸线一

3、带 ,大陆腹地的变化很小 ,可以忽 略 。另外 ,西南极雪盖变化比东南极显著 。关键词 mod is 雪盖 南极 n s idc1 前言当前 ,全球气候变化是国际社会关注的热点问题 ,常年为冰雪覆盖的南极地区是全球气候变化的关键地区 1 。南极冰雪覆盖范围 、表面反射率的年际变化对全球水气环流的 强度 、全球热平衡和气候变化等都有明显的影响 。南极对全球气候具有“放大器 ”的作 用 ,是全球气候变化最显著 、响应最敏感的区域 。因此 ,研究南极地区积雪分布及其变化 ,对于研究全球和区域气候变化有着重要意义 。近几十 年 来 , 遥 感 资 料 已 成 为 积 雪 监 测 的 主 要 数 据 源

4、 , 其 中 应 用 最 广 泛 的 有 tm / etm + ( them a tic m app e r / enhanced them a tic m app e r) , avhrr ( a dvanced v e ry h igh r e so lu tion r ad iom e te r) , mod is (mode ra te r e so lu tion im aging sp ec tro rad iom e te r)等光学传感收稿日期 基金项目 作者简介 2008 年 7 月收到来稿 , 2008 年 10 月收到修改稿 。863 课题“综合遥感前沿技术研究冰体变化的

5、应用分析软件平台 ”( 2006aa12 z128 )资助 。 陈静 ,女 , 1984 年生 。硕士研究生 ,研究方向主要为 3 s技术在资源与环境中的应用 。研究论文器数据 ,以及 ssm / i及合成孔径雷达 sar 2c 波段等微波数据 2 , 3 。其中 , 1999 年发射的te rra /mod is有 36 个光谱通道 ,分布在 0. 4 14. 3 m 电磁波谱范围内 ,其 4、6、7、13、16、20、26、31 波段都能用来提取积雪信息 4 7 。mod is具有高时间 、高空间和高光谱分辨率 以及免费接收的优势 ,国内外应用 mod is数据监测积雪以及雪盖制图的研究越

6、来越广 泛 8 , 9 。本文根据 mod is卫星影像数据资料 ( 2003 2006 年 )对南极地区积雪覆盖面积 进行了研究 ,总结了南极雪盖变化的总体趋势及局地特征 。2 研究区域与数据2. 1 研究区域本研究区域为南极洲 ,包括南极大陆及其周围岛屿 ,总面积约 1. 4 107 km2 ,其中大 陆面积为 1. 239 107 km2 ,岛屿面积 7. 6 104 km2 ,海岸线长 2. 47 104 km。南极洲另有约 1. 582 106 km2 的冰架 ,其中最著名的有 : am e ry、ro ss、ronne三大冰架 。因冰雪覆盖 , 南极大陆是地球上最高的大陆 , 其平

7、 均海 拔高 程为 2350 m。横 贯南 极的 tran san ta rc tic moun ta in s将南极大陆分为东西两部分 。南极没有四季之分 ,仅有暖 、寒季的区别 ,暖季为11月至次年 3 月 ,寒季为 4 月至 10 月 。南极是全球气候变化最显著 , 响应最敏感的区 域 ,因而对该地区积雪研究尤为重要 。南极大陆 98 %以上均为积雪覆盖 ,裸土或裸岩绝大多数见于海岸线地区 ,内陆地区 常年为积雪覆盖 。因此本研究监测南极大陆的积雪覆盖面积变化趋势 ,为减少数据量 ,仅 监测海岸带地区积雪面积变化 。为保证能全面监测积雪覆盖的消融或扩张情况 ,在南极 大陆海岸线左右两侧作

8、 300 km 缓冲区 ,以此区域为研究对象 ,即 ,如图 1 所示的环形带状 区域 。图 1 2005年 2月南极海岸带积雪覆盖图 . 白色为雪 ,黑色为非雪 (冻土 、裸岩等 ) ,深灰色为海洋 ,浅灰色为填充部分f ig. 1. snow cove r m ap of a n ta rc tic coa stline region on feb, 2005. w h ite: snow; b lack: no snow ( pe rm afro st and b a re rock) ; da rk grey: ocean; flee t grey: filled2. 2 数据源积雪遥感

9、监测的原理是利用雪的光谱特性与云 、裸地 、岩石 、植被等地表覆盖类型光 谱特性的差异 ,提取积雪信息 。在可见光波段 ,雪和云的反射率较高且相近 ,而地表的反射率较低 ,可用来区分云雪和地表 。在近红外波段 ( 0. 8 1. 1m ) ,云和雪的反射率仍较高 ,而水体和裸地的反射很低 ,植被的反射率介于其中 。雪在可见光波段有较高的反射 率 ,在短波近红外波段有较强的吸收特性 ;而大多数云在短波近红外波段的反射率仍然比 较高 10 。因此 ,根据这一特征即可将雪和云区分开来 。根据雪 、云 、裸地 、水体等目标的光谱特性 ,利用不同光谱波段的资料 ,提取积雪信息 。本文采用美国冰雪数据中心

10、 (n a tiona l snow and ice d a ta cen te r, n s idc )制作提供的 mod is / te rra 500 m 分辨率雪产品作为研究分析数据 。选取了 2003 2006 年每年的 10 月至次年 3月的经纬网格的积雪覆盖资料 ( 12 月数据不全 ,未采用 ) 。n s idc 提供的雪产 品数据主要有 swa th和 gr id 两种数据格式 ,本文选用 gr id 格式的 500 m 分辨率的 8 d合成数据 ,版本为 v e rsion004 ,即 mod is / te rra snow cove r 8 2d ay l3 globa

11、 l 500 s in grid v004数据集 。n s idc的 mod is雪产品是由每天的 mod is数据计算得到的积雪覆盖范 围 。利用单日生成的积雪二值图数据 , 根据需要生成旬 、月或每 8 天等积雪监测产品 。 n s idc采用归一化积雪指数 (nd s i)进行云雪的初步分离判识 11 , 12 ,并采用一定的云检测 算法对上述结果图像进行进一步的云遮盖判识 。mod is云检测算法是在原有的由卫星数据探测全球云分布的算法基础上 ,充分利用 mod is的多光谱特性而设计的 ,并依此计 算得到 mod35云掩膜产品 。详细云检测算法请参见文献 13 , 14 。考虑太阳同

12、步卫星 轨道对地观测覆盖区域的周期性变化 ,因考虑 8 d 周期较短可能无法比较全面地剔除云 的影响 ,同时考虑到 te rra卫星轨道回归周期为 16 d,因而选取连续 2个 8 d合成产品 ,利 用 idl 编程 ,对连续 2 个 8 d雪产品的最大值进行合成 ,生成 16 d的积雪监测产品 ,尽可能去除云的影响 。因数据量过大 ,本研究采用 16 d 的雪盖产品来表征每个月的雪盖状 况 。3 数据处理与分析3. 1 数据处理结果受南极地区极夜的影响 ,在南极大陆地区能获取的理想的 mod is遥感影像为每年10月至次年 3月份 。根据 n s idc雪产品数据轨道号排列规律及南极大陆的地

13、理位置 ,本 研究选的卫星轨道列号 、行号范围分别为 h9 h26 , v14 v16 ,共 25 景数据 。将这些数据 应用 na sa 提供的 mr t软件作重投影 ,镶嵌拼接并裁减出感兴趣区域 。南极地区大范围区域制图 ,为能 很 好 地 保 持 形 状 不 变 , 采 用 极 方 位 立 体 投 影 ( po la r ste reograp h ic p ro jec2 tion) ,其投影参数为 : p ro jec tion: po la r ste reograp h ic, d a tum: w gs_84 , l a titude: - 71 , lon2 gitude:

14、0。该投影是一种平面透视投影 ,在这种投影中 ,南极点是从北极点看过来的 。为 准确地比较出面积变化 ,还必须将等角投影转换为等积投影 ,本研究采用 a rcgis软件 ,将 其转换 为 sou th po le l am be rt a zim u tha l equa l a rea 投 影 。具 体 投 影 参 数 为 : p ro jec tion:l am be rt_a zim u tha l_equa l_a rea, l a titude _o f_o rigin: - 90. 000000; geograp h ic coo rd ina tesystem: gcs_w gs

15、_1984。为消除云的影响 ,本研究采用每月内 16 天最大积雪覆盖合成值代表该月的雪盖面积 。如图 1 ,即为 2005 年 2 月份海岸带积雪覆盖图 ,白色部分为积 雪覆盖 ,黑色为非雪 (冻土和裸岩 ) ,深灰色为海洋 ,浅灰色为填充部分 。获取南极海岸带 10月至次年 3月的数据 ,分别制作雪盖图 ,以此来监测 2003 2006年 4 年间雪盖范围变化情况 。为计算出面积变化 ,需将各幅雪盖图由极方位等角投影转 换为等积投影 。各分类类别的总面积即是该类别的像元数与每个像元面积 ( 0. 25 km2 ) 的乘积 ,将计算结果统计如表 1所示 ,直方如图 2、图 3 所示 。表 1

16、20032006年南极大陆海岸带区域各月积雪面积统计表 (单位 : km 2 )tab le 1.a rea sta tistic s of ice2snow cove r in a n ta rc tic coa stline region du ring 2003 20063. 2 总体趋势分析根据统计结果并借助 env i、erda s和 a rcg is等软件 ,对各时期数据进行比较分析 ,年份1 月2 月3 月10 月11 月雪非雪雪非雪雪非雪雪非雪雪非雪2003200420052006512761850598115074294505971011143. 55882543562. 7

17、557328512480150655085079969506613616399. 255305438894. 552456. 75511637850802835059044508176120670. 538083. 2560245. 7535896. 255110198509637051087115100675895422713. 2510643. 7518438. 75509915450608465084670510304815150. 52457530636. 7515629. 75( 1 )由图 2 可以看出 , 2003 2006 年间的雪盖面积 ,总体上 2003 年比其他年份的大

18、,2004年急剧减少 ,而后缓慢增加 ,呈现减少 增加的态势 。( 2 )研究区雪盖在年内有较大的波动 。 2003 2006 年间 ,各月雪盖面积处于波动下 降的态势 。从积雪的月际变率 (该月与 4 年间积雪面积最大 、最小值之差与平均值之比 ) 来看 ,雪盖变化最大值出现在 1月 ,最小值出现在 10月 。说明积雪在寒季 ( 10 月 )变化相 对较小 ,暖季变化较大 。而从图 3 可以看出 ,非雪盖 (冻土和裸岩 ) 面积呈现相反的波动 趋势 ,这与事实常理相吻合 。( 3 )从图 2 可知 ,以 10 月为代表的寒季雪盖面积总体显著大于暖季雪盖面积 。由表1 可知 , 2003 20

19、06 年 ,分别以 10 月和 1 月为代表的寒暖两季雪盖面积平均每年相差约2. 35 104 km2 。( 4 )分析比较各时期的图像数据可以看出 ,非雪盖地区 ,即冻土和裸岩 ,主要分布于 南极半岛和岛屿及海岸带附近 ,尤其南极半岛最为显著 。南极科学委员会 ( scar ) 下属的“南极 与 全 球 气 候 系 统 (a gcs) 计 划 ”专 家 委 员 会 发 布 了“南 极 与 南 大 洋 气 候 系 统 ( sa socs) ”白皮书 ,认为南极半岛地区升温明显 ,半岛及亚南极岛屿上的冰川均处于退 缩状态 。由此可见 ,雪盖退缩及冻土和裸岩的出露受温度升高的影响 。( 5 )将研

20、究区分为东南极和西南极两部分 ,统计得到西南极海岸带非雪盖 (冻土和裸 岩 )像元较多 ,占南极海岸带研究区全部非雪盖的 70 % ,这与西南极气温相对较高相吻合 。3. 3 典型区分析为了进一步分析海岸带地区积雪覆盖区域的内部差异 ,本文在上述研究基础上 ,沿南 极大陆海岸线选取了 18个积雪覆盖面积变化明显的典型区域 (如图 4 ) ,对南极大陆海岸 带积雪覆盖变化的区域差异特征进行了分析研究 。因暖季雪盖面积波动相对明显 ,本研究选取 1月份数据资料进行分析 。所选取的典型区 ,平均每年总的非雪盖像元数占整个 海岸带研究区非雪盖像元数的 85 % 。 4 年间 ,典型区雪盖面积总体波动量

21、对海岸带总的 雪盖波动量的贡献率都在 80 %以上 。典型区 r1 r8 , r16 位于西南极 ,其余典型区位于 东南极 。图 4 沿海岸带选取的 18个典型区分布图f ig. 4. d istribu tion of 18 typ ica l region s图 5 东南极 ( a) 、西南极 ( b)典型区积雪覆盖面积变化f ig. 5. change s of snow cove r in ea st a n ta rc tica ( a) and w e st a n ta rc tica ( b)对东 、西南极各 9 个典型区的积雪覆盖面积进行 4 年观测数据的统计分析 ,结果显示

22、 , 1月份雪盖的最大年际变率 (年平均雪盖面积最大 、最小值之差与平均值之比 ) ,西南 极明显比东南极大 ;东 、西南极的积雪覆盖面积变化有明显不同的趋势 ,如图 5所示 ,在东南极地区 , 2003 年 、2005 年为较高值 , 2004年和 2006 年为两个较低值 ; 而西南极地区 ,除南极半岛以外 ,则是从 2003 2004年急剧下降 , 2005、2006 年再缓慢抬升 ,与总体趋势一 致 ; 2003 2006 年 ,南极半岛 (典型区 r1 )的积雪覆盖面积变化趋势较特殊 ,呈“梯形 ”,即2003年积雪面积为极低值 , 2004年 、2005 年为两个较高值 ,随后的

23、2006 年又降至一个次低值 。图 6中 ( a) 、( b)分别为西南极典型区 r3和东南极典型区 r17在 2003 2006 年积 雪覆盖面积变化的示意图 。图中所反映出的变化规律与图 5 两幅折线图的规律相吻合 。图 6 西南极 e igh ts coa st ( r3 ) ( a)和东南极 syowa p rince o lav coa st ( r17 ) ( b)雪盖范围变化示意图f ig. 6. samp le of snow cove r change in e igh ts coa st ( r3 ) , w e st a n ta rc tica ( a) and in

24、syowa p rince o lavcoa st ( r17) , ea st a n ta rc tica ( b)4 结语本文利用 mod is雪产品数据研究分析了 2003 2006 这 4年间南极大陆海岸带积雪面积的总体变化规律 ,并在此基础上选取 18 个典型区作进一步研究 。研究表明 ,南极大 陆海岸带雪盖面积总体上呈波动下降趋势 ,暖季比寒季波动显著 。从积雪时间变化看 :季 节尺度上 ,南极海岸带地区寒季 ( 4 10月 )雪盖面积迅速增加 ,暖季 ( 11 3 月 )雪盖面积 的变化趋势表现不一致 , 2004 年和 2006 年表现为先减少后增加 , 2005 年为先增加

25、后减少 ,但总体表现为减少的趋势 ,寒暖两季雪盖面积变化的特征与气候因素呈正反馈 ; 年际尺度上 , 2003 年的雪盖高于其他年份 , 2004年锐减之后再缓慢增加 ,总体上呈现出波动伴 随下降的趋势 。从积雪空间上看 ,雪盖变化主要集中在南极大陆海岸线一带 ,大陆腹地的变化很小 ,可以忽略 ,另外 ,从雪盖变化典型区的分析结果来看 ,西南极雪盖面积变化比东 南极显著 ,尤其南极半岛的雪盖面积变化最为显著 。本研究采用的 mod is数据 ,虽然具有其明显的优势 ,但因南极地区极夜的影响 ,可用 的数据只有每年的 10 月至次年 3 月 ,今后可考虑结合应用微波数据来对南极雪盖状况进行连续监

26、测 。参考文献康建成 , 王芳 ,吴涛. 南极冰雪圈与全球变化研究 冰盖与全球气候环境记录. 自然杂志 , 2005 , 27 ( 6 ) : 351 356.王光宇. 用于冰雪遥感的卫星传感器. 冰川冻土 , 1990 , 12 ( 4 ) : 359 364.黄新宇 ,冯筠. 冰雪微波遥感研究进展. 遥感技术与应用 , 2004 , 19 ( 6 ) : 533 536.季泉. 利用 mod is资料对积雪的遥感监测. 广西气象 , 2005 , 26 ( 4 ) : 21 22.h a ll d k, r iggs ga and sa lomon son vv. d evelopm en

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