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1、一种利用 ENVISAT RA2 雷达高度计探测极地海冰的方法杨 磊 1,4 常晓涛 2 郭金运 1,3 柯宝贵 4（1.山东科技大学测绘学院，青岛 266590；2.国家测绘地理信息局卫星测绘中心，北京 100830；3.海岛（礁）测绘技术国家测绘地理信息局重点实验室，青岛 266590；4.中国测绘科学研究院，北京 100830）摘 要 了解极地海冰覆盖范围和表面湿度对于全球温度趋势估计和建立全球气候模型非常关键，严酷自然环境使得卫星测量成为极地海冰观测的主要方式。本文利用海水和海冰的不同散射特征，给出一种使用 ENVISAT 雷达高度计（RA-2）后向散射系数数据，研究海冰月平均覆盖范围
2、和表面属性变化的方法，通过与常规辐射计观测的海冰边界和面积比较，证明雷达高度计后向散射系数可准确断海冰覆盖范围，并可以反映海冰表面干湿程度，是一种有效的海冰探测方法。关键词 大地测量学；后向散射系数；海冰探测；ENVISAT RA2；雷达高度计A method of polar sea ice detection using backscatter coefficients by ENVISAT RA-2 altimeterLei Yang1,4, Xiaotao Chang2, Jinyun Guo1,3, Baogui Ke4（1.College of Geodesy and Geomat
3、ics, Shandong University of Science and Technology, Qingdao, 266590 China；2. Satellite Surveying and Mapping Application Center of NASMG, Beijing 100830, China ；3. Key Laboratory of Surveying and Mapping on Island and Reef of NASMG, Qingdao 266590, China；4. Chinese Academy of Surveying and Mapping,
4、Beijing100830, China）Abstract：The changes in sea ice cover and surface humidity are crucial to the prediction of future temperature research and the establishment of global climate model. For the severely polar environment, satellite observations have been used as the main method to monitor sea ice.
5、 Considering the variations of scattering characteristics of the sea water and sea ice surface, we developed a method using backscatter coefficients of the ENVISAT satellite radar altimeter RA-2 over polar areas to detect the extent of sea ice and the changes of surface properties. Compared with the
6、 radiometer result, it proved to be a effective method to monitor sea ice cover and its variationsKey words：geoddecy, backscatter coefficient, sea ice detection, ENVISAT RA-2, radar altimetry1 引言海冰占据全球海洋总面积的 5%-8%，可以反射 85%的太阳辐射，消弱极地大气和海洋的热交换，在气候系统中占有重要位置，另外海冰分布对航海和海洋基础设施建设也有影响 1。近年来受全球温室气体排放影响，极地海冰尤
7、其是北极海冰在明显减少，有科学家预计全球 2/3 的海冰将在本世界中期消失，夏季北极海冰将在本世纪末全部消失，海冰的消失将对极地生态系统和全球环境气候产生巨大影响 2。准确获取高分辨率的海冰时空分布十分关键。目前海冰监测通常是基于被动微波遥感，使用 SMMR（Scanning Multi-channel Microwave Radiometer，发射于 1978 年）、SSM/I（Special Sensor Microwave Imagers，发射于 1987 年）以及日本的 ASTER-E（Advanced Microwave Scanning Radiometer for EOS，200
8、2 年发射）等多通道辐射计观测的亮度温度数据研究海冰范围和积雪厚度 1, 3。但辐射计分辨率较低（ SSM/I 足迹为 1315km2，尽管 ASTER-E 的 89GHz 高频段可达 46km2，但受大气云层和水汽影响较显著），另外辐射计对海冰的敏感性不如雷达。作为主动微波探测仪，雷达高度计向地球表面发射雷达脉冲并接受反射回波，利用可以精确计算海面高，并可从回波波形中提取丰富的雷达波反射面信息，在地球科学领域领域中发挥重要作用 4。由于高度计自身轨迹覆盖和设计性能的限制，一些高度计如T/P、Jason-1&2 的研究应范围主要局限于海洋和内陆湖泊 5。而 ESA-1&2 及 ENVISAT
9、卫星雷达高度计则可覆盖至南北纬 82，为雷达高度计在两极区域的研究应用提供宝贵的数据 6-8。雷达高度计的海冰探测目前主要集中在海冰厚度及其变化的研究 9-11，但利用测高波形特征识别海冰的能力也已得到证明 12, 13。本文从主动微波遥感角度，使用ENVISATRA-2 雷达高度计探测的海冰后向散射系数研究两极海冰覆盖及其变化规律，分析不同月份海冰表面的物理属性差异，并将结果与美国冰雪数据中心（National Snow and Ice Data Center）公布的基于被动微波遥感获取的海冰数据进行比较。2 原理和数据2.1 雷达高度计探测海冰的原理雷达高度计属于一种主动微波遥感探测器，通
10、过向地球表面发射高频雷达窄脉冲，并接受地球反射面的后向散射能量形成雷达回波。雷达高度计接受的返回能量 取决于反射rP面的散射特征、雷达系统和大气衰减，其公式如下：（1）dAGRPtfAtr20432)(其中 为标准化的雷达散射截面，也称后向散射系数，用分贝（db）表示； 表示波0 t长为 的电磁波大气透射比； 表示雷达高度计的发射能量； 表示雷达高度计的接受能t rP量； 表示雷达足迹面积； 表示天线增益， 在积分内部是因为和雷达脉冲的轴偏角有fAG关，不同积分单元 上的天线增益有变化。在公式（1）的右侧，除 外其他参数都是固d 0定的雷达系统参数（ ， ， ）或者大气传播介质的物理参数（ ，
11、 ），如果认为雷tPRt达足迹内的 相同，或是足迹内均值，便可以将公式（1）转换成如下公式：0（2）rtefAtR20430)(其中 表示天线中轴方向增益； 表示有效足迹面积，为 在波束宽度 内的积0Gf 0)(G分。公式（2）右侧都是已知的雷达系统参数或是可被测量的量，因此反射面的后向散射系数 可以由雷达高度计探测得到 15。 反映了雷达波反射面的散射特性，和表面粗糙度、0介电常数以及是否存在次表层反射有关 16, 17，Papa 等人（2003）使用 9 年的 T/P 双频后向散射系数研究了陆地表面散射特征，证明其监测不同地物及其季节变化的能力 18，Legresy等人（2005）使用 I
12、CE-2 算法处理 Ku 和 S 波段的 ENVISAT RA-2 高度计波形数据，研究了 2002 年秋天全球陆地及南极和格林兰冰盖的后向散射系数空间分布 19。图 1 典型的海水和海冰雷达波形。海水和海冰各有显著的散射差异，海水仅存在表面后向散射，而海冰内部有卤水泡以及盐粒等散射体，使得海冰的散射包含了面散射和体散射，另外海冰表面粗糙度和海水面也有很大的差异，使得海冰和海水的雷达回波能量不同。图（1）显示了由 ENVISAT RA-2雷达高度计波形数据提取的典型海面和海冰面的回波波形，由于海水面服从高斯分布，其特征是波形前缘斜率大而后缘斜率小，而海冰则表现出明显的镜面反射特征，前缘和后缘的
13、斜率都很大。另外在海冰融化过程中其表面属性（湿度、盐度）的变化可改变其后向散射特性，因此雷达高度计也可探测海冰表面的属性变化。2.2 数据ENVISAT 是欧空局于 2002 年发射的一颗继 ESA-1&2 之后的地球环境观测卫星，新一代双频雷达高度计 RA-2 是其搭载仪器之一。其轨道倾角为 98.55，重访周期为 35 天，覆盖地球-82.4S 到 82.4N 之间的大陆和海洋，赤道附近卫星地面轨迹间隔为 85km，越往两极间隔越小。为延长工作时间， 2010 年 10 月 ENVISAT 变轨，周期改为 30 天，卫星倾角改为 98.476。 2012 年 5 月由于系统故障，ENVIS
14、AT RA-2 任务结束。和 T/P 及其他高度计类似，RA-2 使用 Ku 波段（13.575GHz）为主要工作频率，不同的是 RA-2 增加了新的 S 波段（ 3.2GHz）用以提供大气延迟改正。RA-2 雷达高度计另外一个重要的特征是模式自由跟踪，可针对不同反射面类型作出快速调整以避免信号失锁，使得在海冰边缘、沿海、陆地以及湖泊区域也可提供可靠数据 19, 20。地面数据处理中心对所有地面类型的雷达回波数据都采取 4 中不同的重定算法（Ocean，Ice-1，Ice-2，Seaice）进行处理，并集成在地球物理数据 GDR 中。本文将使用包含 2011 年全年的 097 至 110 周期
15、GDR 数据，计算出由 seacie 算法确定的 Ku 波段两极后向散射系数的月均分布、年均分布以及标准差分布，并计算海冰覆盖的月均面积，分析极地海冰时空分布。3 两极海冰时空分布图（2）为研究海域内使用 Seaice 重定算法得到的 ENVISAT RA-2 雷达高度计 Ku 波段后向散射系数的月均值空间分布，和美国冰雪中心 NSIDC 发布的基于 DMSP SSM/I-SSMIS 被动遥感数据获取的海冰范围边界（ftp:/sidads.colorado.edu） 。结果表明：（1）海冰和海水散射特征区别显著，海水后向散射系数一般在 10db 左右，而海冰的后向散射系数则一般高于 15db，
16、由雷达高度计后向散射系数探测的海冰范围和被动微波遥感探测海冰范围基本一致；（2）两极海冰覆盖的季节变化都非常明显，其中南极东部海冰在 2 月份几乎全部融化，到冬季末 9 月份海冰增长到最大范围，在南极海冰的融化和形成过程中，后向散射系数大小未显著变化；（3）北极海冰在 2 月份达到最大范围，6 月之后海冰后向散射系数开始增大，七月后向散射系数均值达到最大，这是因为 7 月是北半球夏季最炎热时期，在海冰未完全融的情况下表层产生水面，从而增强海冰反射雷达脉冲的能力，提高雷达回波功率，后向散射系数显著增加；（4）北极海冰覆盖在 9 月达到最小，海冰增长主要集中在 10-12 月，10 月后向散射系数变小，说明海冰表面水层结成新冰，新一轮海冰重造过程开始。图 2 Ku 波段 2011 年两极海冰月均后向散射系数空间分布及 NSIDC 海冰范围（黑线表示） 。图（3）是研究海域内后向散射系数 12 个月份的均值序列。因为南极
