2011-2020年弗拉姆海峡夏季海冰漂移跟踪及变化分析.pdf

第6 6 卷第7 期2023年7 月方岩，王雪，陈卓奇等.2 0 2 3.2 0 11一2 0 2 0 年弗拉姆海峡夏季海冰漂移跟踪及变化分析.地球物理学报，6 6（7）：2 7 2 6-2 7 40，doi:10.6038/cjg2022Q0025.Fang Y,Wang X,Chen Z Q,et al.2023.Summer sea ice drift tracking and variation analysis in Fram Strait from 201l to2020.Chinese J.Geophys.(in Chinese),66(7):2726-2740,doi:10.6038/cjg2022Q0025.地球物理学报CHINESE JOURNAL OF GEOPHYSICSVol.66,No.7Jul.,20232011一2 0 2 0 年弗拉姆海峡夏季海冰漂移跟踪及变化分析方岩1.2，王雪1.2*，陈卓奇1-2，李刚1-2，惠凤鸣1-2，程晓1.21中山大学测绘科学与技术学院，南方海洋科学与工程广东省实验室（珠海），广东珠海519 0 8 22极地环境立体观测与应用教育部重点实验室（中山大学），广东珠海519 0 8 2摘要准确的弗拉姆海峡海冰漂移监测对于量化弗拉姆海峡的海冰输出量，减少北极海冰流失量估计的不确定性具有十分重要的意义.由于数据源和算法的限制，现有的方法在夏季海冰漂移中应用效果不佳，难以监测到准确的海冰运动.本研究发展了一种基于MODIS时序数据和A-KAZE算法的夏季逐日海冰漂移跟踪方法，并基于该方法开展了2 0 11一2 0 2 0 年弗拉姆海峡夏季（49 月）逐日的海冰漂移监测研究，分析了近10 年弗拉姆海峡海冰流速的变化规律.研究选取2 0 2 0 年4月2 9 日到5月5日弗拉姆海峡局部区域作为实验区对研究提出的方法进行了验证.实验结果表明，本研究提出的方法相比于经典的MCC模式匹配算法在跟踪精度上有很大提高，其中速度的均方根误差减少了2.13kmd-1（7 3%），角度的均方根误差减少了10（38%）.相比于常用的SIFT、SU RF特征跟踪算法，本方法提取到的海冰漂移矢量在数量上更多，空间分布更广.同时，相比于使用MODIS每日合成数据，本方法使用的时序MODIS影像在实验区获取了更大的海冰漂移跟踪范围，平均每日的跟踪面积提升了8 6 2.6 2 km（近16倍），有效减少了云覆盖对光学数据跟踪效果的影响.此外，研究发现近10 年弗拉姆海峡区域夏季海冰流速的空间分布比较一致，呈现出海峡南部流速高于北部，远离海岸流速高于近岸流速的规律.弗拉姆海峡夏季平均海冰流速在年际上不存在明显的增加或减少的趋势，但是在月尺度上总体呈现出4一7 月下降，7 一9 月回升的趋势.本研究提出的海冰漂移跟踪方法可为夏季的海冰漂移研究提供新的思路，针对近10 年弗拉姆海峡夏季海冰流速的分析结果也可应用于北极海冰快速变化等相关研究中。关键词海冰漂移；弗拉姆海峡；夏季；时序MODIS；A-K A ZE算法doi:10.6038/cjg2022Q0025中图分类号P229收稿日期2 0 2 2-0 1-11，2 0 2 3-0 5-0 4收修定稿Summer sea ice drift tracking and variation analysis in Fram Strait from 2011 to 2020FANG Yan*2,WANG Xuel*,CHEN ZhuoQil-,LI Gang2,HUI FengMing*-,CHENG Xiaol-1 School of Geospatial Engineering and Science,SunYatsen University,and Southern Marine Science and Engineering GuangdongLaboratory（Zh u h a i)，Zh u h a iG u a n g d o n g 519 0 8 2,C h in a2 Key Laboratory of Comprehensive Observation of Polar Environment(Sun Yat-sen University),Ministry of Education,ZhuhaiGuangdong519082,ChinaAbstract Accurate sea ice drift information in Fram Strait plays important roles in quantifyingthe sea ice export through Fram Strait and reducing the uncertainty of the Arctic sea ice loss基金项目国家自然科学基金青年科学基金项目（42 2 0 6 2 47），国家重点研发计划课题（2 0 19 YFC1509104，2 0 19 YFC150 9 10 5)及广东省基础与应用基础研究基金项目（2 0 2 1A1515110779）联合资助。第一作者简介方岩，男，19 9 8 年生，博士研究生，从事海冰漂移方面的研究工作.E-mail：f a n g y 59 m a il2.s y s u.e d u.c n*通讯作者王雪，女，19 9 0 年生，博士，助理教授，主要从事极地遥感，海冰漂移研究E-mail：w a n g x u e 2 5 ma i l.s y s u.e d u.c n7期estimation.Due to the limitations of data sources and algorithms,the existing methods showpoor performance in summer sea ice drift retrieval.In this study,a summer daily sea ice driftmonitoring method based on time series MODIS data and A-KAZE algorithm was proposed.Furthermore,daily sea ice motions in Fram Strait for 20112020 summers(April to September)were retrieved based on the proposed method and the characteristics of sea ice motion in FramStrait for these ten years were analyzed based on the tracking results.The proposed method wasevaluated over a portion of Fram Strait from April 29 to May 5,2020.The results showed thatthe proposed method outperformed the classic MCC algorithm in sea ice drift retrieval,with velocity anddirection RMSE decreases of 2.13 km d-1(73%)and 10(38%),respectively.Furthermore,theproposed method retrieved more sea ice drift vectors with larger spatial coverage compared withthe displacements SIFT and SURF algorithms retrieved.Meanwhile,compared with the daily seaice motion vectors generated with daily synthetic data,the motion vectors obtained by theproposed method using time series MODIS images covered more areas,with an average increaseof 862.62 km(nearly 16 times),which demonstrated that the proposed method greatly reducedthe cloud effect on optical data.Furthermore,it was found that the spatial distribution of sea icevelocity in Fram Strait for the last ten years is relatively consistent,showing that the ice velocityin the south of the Strait is higher than that in the north,and the velocity away from the coast ishigher than that in the near shore.The annual average summer sea ice velocity in Fram Straitdoes not show a significant increase or decrease trend,but it shows a downward trend from Aprilto July and an upward trend from August to September.The proposed method provides new ideafor daily sea ice drift monitoring in summer and the analysis on summer sea ice velocity in FramStrait for the last ten years is applicable to the researches such as rapid change of Arctic sea ice.Keywords Sea ice drift;Fram Strait;Summer;Time series MODIS data;A-KAZE algorithm0引言在全球变暖和“北极放大”效应的背景下，北极海冰快速变化，给全球气候带来重要影响（曹云锋和梁顺林，2 0 18）.海冰变化包含两种表现形式：热力作用引发的海冰冻结和融化以及动力作用引发的海冰运动（Kwoketal.，2 0 13).随着风、洋流和海冰条件的变化而产生的海冰漂移运动，导致海冰空间位置的变化和再分布，是影响北冰洋质量平衡的重要动力机制.弗拉姆海峡（FramStrait）是北冰洋海冰流速最快的区域之一，也是北极海冰输出的重要通道，全北极每年大约有10%的海冰从此处流向格陵兰海和北大西洋（毕海波等，2 0 18；李瑜洁等，2 0 19；施骞和苏洁，2 0 2 0).因此弗拉姆海峡区域海冰漂移跟踪对于研究北极海冰输出和质量平衡有重要的价值（Minetal.，2 0 19).然而，弗拉姆海峡区域海冰流速复杂（Hanetal.，2 0 2 0），同时夏季还伴随着海冰融化等现象，导致海冰漂移的监测难度较大目前，由于数据源和算法的限制，针对弗拉姆海峡夏季方岩等：2 0 11一2 0 2 0 年弗拉姆海峡夏季海冰漂移跟踪及变化分析2727海冰漂移的长期监测研究较少（Krumpen et al.，2016).在海冰漂移监测数据源的选取上，由于北极特殊