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1、中国科学院研究生院教程（中国科学院研究生院教程（20112011）冰冻圈科学概论冰冻圈科学概论冰冻圈监测技术的现状、缺冰冻圈监测技术的现状、缺陷与发展陷与发展效存德效存德（中国科学院冰冻圈科学国家重点实验室）2011年12月1日冰冻圈冰冻圈：地球表层水以固态形式存在的圈层地球表层水以固态形式存在的圈层? 冰川、冰盖冰川、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%陆地积雪陆地积雪参数的观测能力和要求参数的观测能力和要求积雪：影响地表水和能量通量、大气动力
2、和天气、季节冻土和多年冻土、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生物地球化学通量和生态系统动力学C 分辨率 观测范围 观测精度 参数 T 空间 时间 备注/主要驱O 动器 L H U V U V U V U C 20 100 % 15-20 % 1 km day 如：MODIS 积雪 T 0 100 % 10 % 0.5 km 1 day 水文气象 O 0 100 % 5 % 0.1 km 12 hr C 0 0.2 m 2-10 cm 25 km 1 day 如：AMSR-E 雪水当量、卫星（浅） T 0 0.3 m 3 cm 0.
3、5 km 6 day 水文气象 O 0 0.3 m 2 cm 0.1 km 12 hr C 无 需HF SAR 雪水当量、卫星（深） T 0.3 3 m 10 % 0.5 km 6 day 水文气象 O 0.3 3 m 7 % 0.1 km 12 hr C 0 3 m 1 cm 1 m 30 day 水文气象 雪水当量、定点（浅） T 0 3 m 1 cm 1 m 7 day 水文气象 O 0 3 m 1 cm 1 m 1 day C 0 0.7 m 6-35 cm 25 km 1 day 如：AMSR-E 雪深、卫星（浅） T 0 1 m 10 cm 0.5 km 6 day 水文气象 O
4、0 1 m 6 cm 0.1 km 1 hr 传输 C 无 需HF SAR 雪深、卫星（深） T 1 10 m 10 % 0.5 km 6 day 水文气象 O 1 10 m 6 % 0.1 km 1 hr 传输 C 0 10 m 1 cm 1 m 1 day 水文气象 雪深、定点 T 0 10 m 1 cm 1 m 6 hr 水文气象 O 0 10 m 1 cm 1 m 1 hr 代码如下：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；观测现状观测现状? 观测参数单一，不全面?
5、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
6、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冻土参数的观测能力和要求参数的观测能力和要求C 分辨率 观测范
7、围 观测精度 参数 T 空间 时间 备注/主要驱动器 O L H U V U V U V U 多年冻土多年冻土1 C -20 0 C 0.05 K 1 a GTN-P主要参数、多年冻土热状况 T -20 0 C 0.01 K 垂直剖面 1 a 实测（每年上部20-100m, 深度5O -20 0 C 0.01 K 1 a 年） C 0 1600 m 1 m 10-100 a 温度剖面中观测多年冻土厚或内插求得、根据度 T 0 1600 m 0.5 m 点 10 a 地球物理测井或表层观测推断、模O 0 1600 m 0.5 m 10 a 型参数 C 0 100 % % 10 km 10 a 多
8、年冻土分根据地温、 照片土布（大陆） T 0 100 % 2 % 1 km 10 a 质判读、 地球物理O 0 100 % 1 % 1 km 1 a 推断 C 0 100 % % 25 m 1 a 此分布式模型以多年冻土分布（山区） T 0 100 % 2 % 25 m 1 a DEM基础、经BTS校核、 根据海O 0 100 % 1 % 25 m 1 a 拔分布（ m） 横断面观测、多重多年冻土向C 0.01 15 m/yr 1 cm 点 1 a 高分辨率图像、雷下坡的蠕动达、InSAR 速度 T 0.01 15 m/yr 1 cm 点 1 a 同上， InSAR O 0.01 15 m/y
9、r 1 cm 点 1 a 同上， InSAR C 0 1 m 1 cm 点 1 a 表面高度年变化 T 0.05 8 m 10 % 500 m 1 a 定点横断面观测、LIDAR图、 InSAR O 0.01 5 m 5 % 100 m 1 m 地下冰体积 C 0 100 Vol % 5-10 Vol 实测（钻孔时取% 点 一次 样） 活动层活动层1 此处指多年冻土此处指多年冻土区的活动层区的活动层 C 0 5 m 1 cm 1 a 实测（夏末最大活动层厚度 T 0 5 m 1 cm 点 7 d 值、 GTN-P主要O 0 5 m 1 cm 7 d 参数） C -60 35 C 0.1 K 1
10、 a 至 1.2m深度土壤温度2 T -60 35 C 0.05 K 垂直剖面 7 d 10cm间隔的数据记录、 GTOS TEM O -60 35 C 0.05 K 7 d 参数 C -70 45 C 1 K 1 km 1 d MODIS 地表温度 T -70 45 C 1 K 100 m 1 d O -70 45 C 1 K 10 m 0.5 d 对某些位置连续C 0 Vol % 1-5 Vol 监测、 或根据钻探% 点 或土坑取样、土壤水分2 1 d GTOS TEM 参数 T 0 Vol % 1-5 Vol % 1 m 同上， SAR O 0 Vol % 1-5 Vol % 0.1 m
11、 同上， SAR C 0 365 days 14 d 点 根据气象记录和解冻持续日数 T 0 365 days 7 d 1 km 1 d 推断计算、或根据土壤温度观测、连O 0 365 days 7 d 100 m 续微波 季节性冻胀/融沉 C 0 100 cm 1 cm 点 0.5 a 定点横断面观测、LIDAR图、 InSAR 季节冻土季节冻土1 C 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 d d d cm cm cm d d d 1 100 25 10 1 1 100 点 km m 14 7 7 1 d 非多年冻土且不非多年冻土且不包含下覆于多年包含下覆于多年冻土的区域冻土的区域
12、 365 days 14 365 days 365 days 4 4 4 m m m 7 7 1 1 1 季节冻结开始 T O C 根据土壤温度剖d 面或霜冻管的资料内插、 被动微波 d 根据土壤温度剖d 面或霜冻管的资料内插、 被动微波 d d 根据气象记录和推断计算、 或根据土壤温度观测、 连续微波 区域尺度的微波（被动的和主动的）传感器、连续微波 a 季节冻结深度 T O C 点 7 7 365 days 14 365 days 365 days 100 100 100 % % % 7 7 点 km m 1 冻结持续时间 T O C % % % km 5 km km d 季节冻结区分布
13、T O 观测现状观测现状? 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? 发展建议发展建议? 拓展观测网络，冻土观测中增加其他要素（如雪
14、）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 C 分辨率 观测范围 观测精度 参数 T 空间 时间 备注 /主要驱动器 O L H U V U V U V U C 1 % 5 m 30 a 航空 O 3 % 30 m 5 a 地球资源（探测）面积 卫星等 T 0.01 km2 3 % 50 m 5 a 高分辨率光学影O 0.01 km2 3 % 15 m 1 a 像 O 航空 地形 T 0 8500 msl. 5 m
15、100 m 5 a 模拟 C 0 8500 msl. 0.1 m 30 m 1 a 物质平衡 O 1 % 点 1 a 实测 运动速度 T 0 10 km/a 5 % 10 m 1 a InSAR、高分辨率 C 0 10 km/a 1 % 20 m 1 a 光学影像等 O 1 % 1 m 1 a 航空 冰川堰塞湖 T 0.05 10 km2 3 % 50 m 1 m InSAR、高分辨率 C 0.05 10 km2 1 % 15 m 5 d 光学影像 C 点 实测 形状、雪线 T class 200 m 100 m 1 m 边界线位置 O class 30 m 30 m 10 d C 5 % 点
16、 实测 积累率 T 0.05 8 m 10 % 500 m 1 a Ku-、X-SAR O 0.01 5 m 5 % 100 m 1 m C 0.10 m 点 实测 物质平衡 T 0 5 m 0.20 m 500 m 1 m 过程模型和SAR O 0 5 m 0.05 m 100 m 1 a 冰厚度 C 0 200 m 2-5 m 100 m 30 yr 实测、航空探测 冰川冰川参数的观测能力参数的观测能力和要求和要求观测现状观测现状? 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
17、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；Co
18、reH2O-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 )? 雪雪/冰温度和反照率冰温度和反照率参数的观测能力和要求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 C T O C 雪/冰反照率 （宽波段） T O C 雪/冰表面温度 T O 分辨率 观测范围 L 30 0 0 190 200 200 H 100 100 100 290 275 275 U % % % K K K 观测精度 空
19、间 V 7 1 0.5 2-3 1 0.1 U % % % K K K V 1 8 5 1 1 0.1 U km km km km km km 时间 V 1 1 30 100 1 30 U day hr min min hr min 水文气象 如：MODIS 水文气象 备注/主要驱动器 参数 观测现状观测现状? 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
20、? 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），
21、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。降雪参数降雪参数的观测能力和要求的观测能力和要求 参数 C T O C 降雪量 T O C 降水/降雪率 T O C 降水类型 T O C 雪粒大小 T O 分辨率 观测范围 L 0 0 0 0 0 0 N.A. 0.3 0.3 0 0 0 H 100 100 100 100 100 100 3 3 0.7 1 1 U mm mm mm 观测精度 空间 V 1 1 1 U mm mm mm cm cm cm % % V 1 0.5 0.1 25 0.5 0.1 0.5 0.1 25
22、 0.5 0.1 U km km km km km km km km km km km 时间 V 1 1 12 1 1 12 1 12 1 1 1 U day day 水文气象 hr day AMSR-E/TRMM day 水文气象、运输 mm/hr 2 10 7 6-35 10 6 hr day hr day day day 如：AMSR-E 水文气象 需要 HF SAR 水文气象 MODIS/SSMI 备注/主要驱动器 mm/hr 39123 mm/hr 3 支撑冰冻圈观测的卫星任务支撑冰冻圈观测的卫星任务运行中已正式批准计划/申请中19911991以来冰盖物质平衡监测的主要技术进展（卫星
23、）以来冰盖物质平衡监测的主要技术进展（卫星）GRACESARRadar/laser三种空间技术三种空间技术 : :直接测量冰盖高度变化（高度计）直接测量冰盖高度变化（高度计）测量冰盖质量测量冰盖质量 (重力卫星重力卫星GRACE)估算物质通量变化估算物质通量变化(SAR-冰流速率冰流速率& 高度计高度计-厚度厚度)?南极冰盖物质平衡南极冰盖物质平衡体积变化高度计ICESat机载高度计机载高度计优点:时间序列相对较长(1991-今) 缺点:雪密度未知,空间覆盖度不够Pritchard et al., Nature 2009南极冰盖物质平衡南极冰盖物质平衡物质平衡变化重力场测量GRACE卫星优点:
24、直接测量缺点:时间序列尚短GIA 校正空间分辨率低(2?2?)Velicogna & Wahr, Science 2006南极冰盖物质平衡南极冰盖物质平衡冰盖动力与区域气候Rignot et al., 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 “Third Pole” (Himalaya and Tibetan Plateau)Main issues for regional sustainable development are cryospheric, and should be addressed by the Global Cryosphere Watch (GCW) Location of High Asian cryosphereGlacierHydrologyObservation sites of UACFrozen groundSnow cover任重道任重道远远，十年能否磨一，十年能否磨一剑剑？！？！
