衛(wèi)星助力南極科考航線海冰監(jiān)測

●　文|北京師范大學(xué)全球變化與地球科學(xué)研究院　張寶鋼　趙天成　李新情

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衛(wèi)星助力南極科考航線海冰監(jiān)測

●文|北京師范大學(xué)全球變化與地球科學(xué)研究院張寶鋼趙天成李新情

好萊塢大片《全民公敵》中最令人印象深刻的，莫過于全天候無死角的衛(wèi)星偵察技術(shù)了。隨著技術(shù)的進(jìn)步，遙感技術(shù)在空間分辨率已突破亞米級，可以辨別?？吭诼愤叺能囕v型號。但是想要做到電影中隨時隨地想看哪就看哪的程度尚很難實(shí)現(xiàn)。從原理上很容易理解：分辨率越高，圖像幅寬越窄，也意味著衛(wèi)星需要繞更多的圈數(shù)才可能再對同一地點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測。因此在很多衛(wèi)星遙感應(yīng)用中，時間分辨率比空間分辨率更為關(guān)鍵。以發(fā)生在2014年的我國“雪龍?zhí)枴睒O地科考船脫困與救援事件為例，從2014年1月3日被困到1月7日脫困僅有5天，在南極多變的天氣下，脫困的窗口期轉(zhuǎn)瞬即逝，如果不能在此時間獲得數(shù)據(jù)，再高的分辨率也是沒有意義的。

一、 “雪龍?zhí)枴泵摾录仡?/h2>

2014年1月3日，正在南極執(zhí)行我國第30次南極考察任務(wù)的“雪龍?zhí)枴逼票诔晒D(zhuǎn)移被困南極浮冰的俄羅斯“紹卡利斯基院士號”科考船上的52名乘客后，隨即遇上了大麻煩。由于氣象條件的持續(xù)惡化，“雪龍?zhí)枴彼诘貐^(qū)周圍的浮冰范圍迅速擴(kuò)大，船上101名人員被困密集浮冰區(qū)。如無法迅速脫困，“雪龍?zhí)枴彪S時會面臨冰山的威脅，情況十分危急。“雪龍?zhí)枴北焕б鹆藝鴥?nèi)各界的廣泛關(guān)注，習(xí)近平總書記立即指示各有關(guān)方面要協(xié)調(diào)配合，指導(dǎo)幫助“雪龍?zhí)枴泵摾?，確保人員安全，希望他們保重身體、堅(jiān)定信心、沉著應(yīng)對、科學(xué)施策，爭取早日平安返回。而衛(wèi)星遙感技術(shù)也成為了“雪龍?zhí)枴弊罱K脫困的關(guān)鍵。

2014年1月7日，北京師范大學(xué)全球變化與地球系統(tǒng)科學(xué)研究院的程曉教授憑借對最新衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的分析，建議“雪龍?zhí)枴睆臇|南向突圍。指揮部在結(jié)合了氣象、潮流、海冰等綜合因素后，最終采納該建議，“雪龍?zhí)枴卑凑找?guī)劃的航線最終得以迅速脫困?！把?zhí)枴钡谋焕c脫困，讓程曉和他的極地遙感團(tuán)隊(duì)從幕后走向臺前，也讓衛(wèi)星遙感技術(shù)在極地科考船導(dǎo)航上的應(yīng)用為大眾所知。實(shí)際上，這已經(jīng)不是程曉和他的極地遙感團(tuán)隊(duì)第一次為“雪龍?zhí)枴碧峁┬l(wèi)星遙感導(dǎo)航了。2011年我國第28次南極考察，就在“雪龍?zhí)枴贝磳⒌竭_(dá)堅(jiān)硬的陸緣冰開始破冰前往中山站時，程曉和他的團(tuán)隊(duì)在最近的衛(wèi)星雷達(dá)影像上發(fā)現(xiàn)了別國破冰船的破冰軌跡?！把?zhí)枴毖刂@條冰間“高速通道”以平均4節(jié)的速度抵達(dá)中山站，幾乎比往年快了一倍。這也是我國首次成功應(yīng)用實(shí)時衛(wèi)星雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行考察船的破冰導(dǎo)航工作。之后，當(dāng)“雪龍?zhí)枴痹诎拇罄麃喐ダ锫貭栄a(bǔ)給結(jié)束后出發(fā)前往中山站時，團(tuán)隊(duì)惠鳳鳴博士對比幾天前的遙感影像，準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)了中山站附近的一個冰間湖，以此為主要航行區(qū)域，成功縮短了“雪龍?zhí)枴钡钠票鶗r間。借助于衛(wèi)星遙感技術(shù)，該團(tuán)隊(duì)幫助“雪龍?zhí)枴笨s短了航程，節(jié)省了大量燃油，更保障了航行的安全。

從那一次考察之后，團(tuán)隊(duì)每年都會為“雪龍?zhí)枴痹谀媳睒O的科考活動提供衛(wèi)星遙感的導(dǎo)航服務(wù)。憑借多年的工作經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)積累，團(tuán)隊(duì)形成了完整的快速響應(yīng)能力，在獲取衛(wèi)星影像的3個小時內(nèi)即可完成數(shù)據(jù)處理、冰情分析、航線規(guī)劃、方案制定的整套流程。因此在“雪龍?zhí)枴背霈F(xiàn)突發(fā)情況時衛(wèi)星遙感技術(shù)經(jīng)受住了實(shí)戰(zhàn)的檢驗(yàn)。

2015年11月7日，“雪龍?zhí)枴睒O地科考船從上海揚(yáng)帆起航前往南極執(zhí)行我國第32次南極考察任務(wù)?！把?zhí)枴贝诵械牡谝徽?，是位于東南極大陸拉斯曼丘陵上的我國“中山”南極考察站。為了到達(dá)中山站，“雪龍?zhí)枴北仨毚┻^站外普里茲灣復(fù)雜的海冰區(qū)域。程曉和他的團(tuán)隊(duì)同往年一樣，繼續(xù)默默地為雪龍?zhí)柕钠票锰峁┑谝粫r間的海冰監(jiān)測報(bào)告。

二、普里茲灣及鄰近海域冰情分析

“雪龍?zhí)枴钡钠票脧钠绽锲潪赤徑Ｓ蜷_始，受洋流、風(fēng)、潮汐等多種因素影響，海冰的分布會隨時發(fā)生變化。通?？梢愿鶕?jù)海冰密集度結(jié)合船只的破冰能力決定航線。而夾雜在海冰中的，還有大大小小的冰山，則是對船只更大的威脅。船只一旦不幸被困密集海冰動彈不得又恰逢有冰山漂來，后果不堪設(shè)想。通過衛(wèi)星遙感技術(shù)對冰情進(jìn)行分析，為其提供航向指導(dǎo)，保障科考人員、科考船和科考設(shè)備的安全。

1.衛(wèi)星影像為“雪龍?zhí)枴蓖M(jìn)南極保駕護(hù)航

首先，從Aqua的AMSR-2海冰密集度圖上看（如圖1所示），2015年11月15日在70oE-80oE之間，63oS以北的冰區(qū)內(nèi)有大量的無冰水域和低密集度冰區(qū)。在63oS以南則以密集度大于80%的海冰為主。

圖1　2015年11月15日普里茲灣及附近海域Aqua衛(wèi)星AMSR-2海冰密集度分布圖

從當(dāng)天的分辨率為250m Aqua衛(wèi)星的MODIS可見光影像上（如圖2和圖3所示）可以看到，實(shí)際上該區(qū)域并沒有連續(xù)的、大面積的密實(shí)冰區(qū)，冰區(qū)中有很多大塊的浮冰，浮冰之間存在冰間水道和開闊水域可供船只航行。

圖2　2015年11月15日普里茲灣及北部海域Aqua-MODIS可見光影像

圖3　2015年11月15日普里茲灣及北部海域Terra-MODIS可見光影像

2.“雪龍?zhí)枴睂⒁诌_(dá)普里茲灣時的冰情分析

如圖4所示，從2015年11月27日的海冰密集度圖上看，普里茲灣高密度冰區(qū)主要分布在65oS-67oS之間，冰區(qū)外圍是密集度很小的碎浮冰，冰區(qū)以南的普里茲灣以內(nèi)是開闊的無冰海域。

圖4　2015年11月27日Aqua衛(wèi)星AMSR-2海冰密集度數(shù)據(jù)

如圖5所示，由于近幾天普里茲灣上空被厚云覆蓋，通過11月23日獲取的Terra-MODIS和Aqua-MODIS影像進(jìn)行了合成處理，減少了云的覆蓋。從MODIS影像上可以看到，在Aqua衛(wèi)星的AMSR-2上的密集冰區(qū)中實(shí)際以大塊的浮冰和碎浮冰為主，中間有很多冰間水道，團(tuán)隊(duì)因此判斷，以雪龍?zhí)柕钠票芰ν耆梢栽谠摫鶇^(qū)航行。

正如報(bào)告中分析的，2015年12月5日，搭載中國第32次南極科考隊(duì)的“雪龍?zhí)枴睒O地科考船順利地穿過普里茲灣到達(dá)中山站外的陸緣冰，比原計(jì)劃提前3天到達(dá)。

三、中山站固定冰區(qū)分析

穿越普里茲灣海冰僅僅是到達(dá)中山站的第一步，站區(qū)外圍的陸緣冰也是一大考驗(yàn)。“雪龍?zhí)枴毙枰C合考慮陸緣冰厚度、裂隙和破冰路程，選擇一條最經(jīng)濟(jì)便捷的破冰路線。陸緣冰離站區(qū)通常只有幾十千米路程，這就需要借助具有更高空間分辨率的Landsat-8數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測和分析。

2015年11月15日，中山站固定冰區(qū)的范圍較大，固定冰區(qū)邊緣離中山站最短距離約為25km，如圖6所示。

圖6　2015年11月15日中山站固定冰區(qū)Landsat-8影像

從2015年11月17日Landsat-8真彩色及全色影像上分析，中山站固定冰區(qū)邊緣到中山站最小距離為24km。結(jié)合站上的探冰結(jié)果，在中山站北側(cè)固定冰區(qū)中分布有多條裂痕，距離中山站6km至16km不等。中山站正北到正北偏東有一條冰壩，其東西走向部分距離中山站約18km。裂痕的分布于長度有待于現(xiàn)場的進(jìn)一步驗(yàn)證，如圖7所示。

圖7　2015年11月17日中山站固定冰區(qū)裂隙及冰壩分布

由于“雪龍?zhí)枴逼票芰τ邢蓿ǔx擇在離站區(qū)一定距離外的陸緣冰上?？?，然后利用車輛從冰面將人員和貨物運(yùn)送至中山站。而遍布冰面的冰裂隙和冰壩，有時候會給冰面運(yùn)輸帶來麻煩。

2015年12月9日，中國第32次南極科考團(tuán)隊(duì)進(jìn)駐中山站，中國科考隊(duì)員在南極中山站舉行升旗儀式并進(jìn)行新老隊(duì)員交接。