【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】冰蓋的變化是全球變化的關(guān)鍵要素。冰蓋內(nèi)部溫度和密度廓線(xiàn)指的是冰蓋內(nèi)部溫度和密度的垂直分布特征，是影響冰蓋內(nèi)部動(dòng)力和熱力過(guò)程的主要因素，也是冰蓋物質(zhì)平衡與演化等科學(xué)問(wèn)題的重要輸入?yún)?shù)。現(xiàn)有的冰芯和鉆孔等現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量方式不能夠提供冰蓋空間分布觀測(cè)信息，而衛(wèi)星遙感手段主要獲取冰蓋覆蓋范圍和表面狀態(tài)信息。
基于低頻微波的穿透特性發(fā)展新的主被動(dòng)低頻微波探測(cè)技術(shù)是冰蓋探測(cè)的前沿技術(shù)和方向。其中，探冰雷達(dá)主要提供內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息，低頻超寬帶微波輻射計(jì)具有獲取內(nèi)部溫度和狀態(tài)信息的潛力。探測(cè)冰蓋內(nèi)部溫度廓線(xiàn)的方法主要受到冰蓋內(nèi)部分層結(jié)構(gòu)、積雪層密度波動(dòng)特征等因素的影響，克服積雪層密度波動(dòng)特征的干擾是反演冰蓋內(nèi)部溫度廓線(xiàn)時(shí)所面臨的主要挑戰(zhàn)，而目前尚未有研究提出利用遙感探測(cè)手段對(duì)冰蓋積雪層密度波動(dòng)特征進(jìn)行有效估計(jì)的方法。此外，輻射亮溫對(duì)冰蓋內(nèi)部溫度的約束能力會(huì)隨深度增加而減弱，深層冰蓋溫度的反演精度也將受到較大限制。
為進(jìn)一步提高冰蓋內(nèi)部溫度和密度廓線(xiàn)的探測(cè)能力，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心微波遙感技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員董曉龍、博士研究生白東錦、研究員朱迪，提出一種冰蓋內(nèi)部溫度和密度廓線(xiàn)的主被動(dòng)微波聯(lián)合遙感探測(cè)方法，并獲國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利授權(quán)。該技術(shù)綜合考慮主被動(dòng)探測(cè)通道提供的冰蓋內(nèi)部物理性質(zhì)分布與冰蓋內(nèi)部結(jié)構(gòu)和反射特征的約束信息，將是實(shí)現(xiàn)冰蓋內(nèi)部溫度和密度垂直分布特征有效探測(cè)的新的技術(shù)發(fā)展方向。
近期，白東錦、董曉龍、朱迪同國(guó)外學(xué)者合作，在冰蓋內(nèi)部溫度和密度廓線(xiàn)的主被動(dòng)微波聯(lián)合遙感探測(cè)方法方面取得重要成果，并利用現(xiàn)有主被動(dòng)遙感觀測(cè)數(shù)據(jù)條件下應(yīng)用到實(shí)際冰蓋區(qū)域進(jìn)行有效性驗(yàn)證。研究基于物理散射算子架構(gòu)建立了能夠全面考慮分層冰蓋媒質(zhì)中非相干散射作用和層間相干作用的分層媒質(zhì)綜合輻射與散射前向模型，并提出了利用UHF和VHF波段探冰雷達(dá)回波剖面測(cè)量估計(jì)冰蓋積雪層密度波動(dòng)特征的方法。在此基礎(chǔ)上，研究利用發(fā)展的積雪層輻射修正模型對(duì)輻射亮溫中積雪層作用的影響進(jìn)行有效估計(jì)和修正。進(jìn)而，聯(lián)合探冰雷達(dá)回波剖面測(cè)量估計(jì)的冰體介電吸收衰減與P-L波段寬帶輻射亮溫觀測(cè)提供的互補(bǔ)約束信息，研究基于貝葉斯估計(jì)架構(gòu)提出了冰蓋內(nèi)部溫度廓線(xiàn)的主被動(dòng)聯(lián)合反演算法，并基于機(jī)載主被動(dòng)遙感探測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)格陵蘭冰蓋測(cè)線(xiàn)上的內(nèi)部溫度廓線(xiàn)和積雪層密度隨機(jī)波動(dòng)特征進(jìn)行反演和驗(yàn)證。結(jié)果表明，利用主被動(dòng)聯(lián)合遙感探測(cè)方法能夠顯著提高冰蓋內(nèi)部溫度和密度垂直分布特征的探測(cè)能力。在與實(shí)際冰芯測(cè)量的比較中看到，根據(jù)探冰雷達(dá)回波剖面估計(jì)的密度波動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差分布是對(duì)冰芯測(cè)量的密度波動(dòng)隨深度變化特征的有效描述。密度波動(dòng)參數(shù)的估計(jì)結(jié)果能夠用于修正冰蓋輻射前向模擬，降低積雪層密度波動(dòng)特征引入的不確定度。此外，相比于單獨(dú)利用被動(dòng)輻射探測(cè)通道反演冰蓋溫度廓線(xiàn)的方式，聯(lián)合探冰雷達(dá)回波衰減特征與寬帶輻射亮溫觀測(cè)能夠顯著提高深層冰蓋溫度的反演精度，實(shí)現(xiàn)冰蓋內(nèi)部溫度廓線(xiàn)的有效約束。這將為未來(lái)冰蓋主被動(dòng)聯(lián)合遙感探測(cè)的研究和發(fā)展打下重要基礎(chǔ)。
在前期關(guān)于利用探冰雷達(dá)回波剖面約束的積雪層密度波動(dòng)特征提高輻射前向模型對(duì)冰蓋實(shí)測(cè)亮溫模擬能力的成果(IGARSS 2020和IGARSS 2022)的基礎(chǔ)上，關(guān)于分層媒質(zhì)綜合輻射模型的成果已被IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing接收。
研究工作得到中科院科研儀器設(shè)備研制項(xiàng)目“空基主被動(dòng)冰川探測(cè)儀”、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“高分辨率極區(qū)冰凍圈主被動(dòng)微波探測(cè)技術(shù)”等的支持。
格陵蘭冰蓋積雪層密度波動(dòng)特征估計(jì)及輻射亮溫修正結(jié)果。(a)B29冰芯區(qū)域密度估計(jì)與測(cè)量值比較，(b)GRIP區(qū)域輻射亮溫中積雪層作用的修正。
冰蓋內(nèi)部溫度廓線(xiàn)反演分析區(qū)域及反演結(jié)果。(a)分析區(qū)域測(cè)線(xiàn)，(b)冰蓋溫度廓線(xiàn)反演，(c)鉆孔區(qū)域溫度反演結(jié)果比較。
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