卫星助力南极科考航线海冰监测

2016-03-28北京师范大学全球变化与地球科学研究院张宝钢赵天成李新情

卫星应用 2016年1期

●　文|北京师范大学全球变化与地球科学研究院　张宝钢　赵天成　李新情

卫星助力南极科考航线海冰监测

●文|北京师范大学全球变化与地球科学研究院张宝钢赵天成李新情

好莱坞大片《全民公敌》中最令人印象深刻的，莫过于全天候无死角的卫星侦察技术了。随着技术的进步，遥感技术在空间分辨率已突破亚米级，可以辨别停靠在路边的车辆型号。但是想要做到电影中随时随地想看哪就看哪的程度尚很难实现。从原理上很容易理解：分辨率越高，图像幅宽越窄，也意味着卫星需要绕更多的圈数才可能再对同一地点进行监测。因此在很多卫星遥感应用中，时间分辨率比空间分辨率更为关键。以发生在2014年的我国“雪龙号”极地科考船脱困与救援事件为例，从2014年1月3日被困到1月7日脱困仅有5天，在南极多变的天气下，脱困的窗口期转瞬即逝，如果不能在此时间获得数据，再高的分辨率也是没有意义的。

一、 “雪龙号”脱困事件回顾

2014年1月3日，正在南极执行我国第30次南极考察任务的“雪龙号”破冰船在成功转移被困南极浮冰的俄罗斯“绍卡利斯基院士号”科考船上的52名乘客后，随即遇上了大麻烦。由于气象条件的持续恶化，“雪龙号”所在地区周围的浮冰范围迅速扩大，船上101名人员被困密集浮冰区。如无法迅速脱困，“雪龙号”随时会面临冰山的威胁，情况十分危急。“雪龙号”被困引起了国内各界的广泛关注，习近平总书记立即指示各有关方面要协调配合，指导帮助“雪龙号”脱困，确保人员安全，希望他们保重身体、坚定信心、沉着应对、科学施策，争取早日平安返回。而卫星遥感技术也成为了“雪龙号”最终脱困的关键。

2014年1月7日，北京师范大学全球变化与地球系统科学研究院的程晓教授凭借对最新卫星遥感数据的分析，建议“雪龙号”从东南向突围。指挥部在结合了气象、潮流、海冰等综合因素后，最终采纳该建议，“雪龙号”按照规划的航线最终得以迅速脱困。“雪龙号”的被困与脱困，让程晓和他的极地遥感团队从幕后走向台前，也让卫星遥感技术在极地科考船导航上的应用为大众所知。实际上，这已经不是程晓和他的极地遥感团队第一次为“雪龙号”提供卫星遥感导航了。2011年我国第28次南极考察，就在“雪龙号”船即将到达坚硬的陆缘冰开始破冰前往中山站时，程晓和他的团队在最近的卫星雷达影像上发现了别国破冰船的破冰轨迹。“雪龙号”沿着这条冰间“高速通道”以平均4节的速度抵达中山站，几乎比往年快了一倍。这也是我国首次成功应用实时卫星雷达数据进行考察船的破冰导航工作。之后，当“雪龙号”在澳大利亚弗里曼特尔补给结束后出发前往中山站时，团队惠凤鸣博士对比几天前的遥感影像，准确发现了中山站附近的一个冰间湖，以此为主要航行区域，成功缩短了“雪龙号”的破冰时间。借助于卫星遥感技术，该团队帮助“雪龙号”缩短了航程，节省了大量燃油，更保障了航行的安全。

从那一次考察之后，团队每年都会为“雪龙号”在南北极的科考活动提供卫星遥感的导航服务。凭借多年的工作经验和技术积累，团队形成了完整的快速响应能力，在获取卫星影像的3个小时内即可完成数据处理、冰情分析、航线规划、方案制定的整套流程。因此在“雪龙号”出现突发情况时卫星遥感技术经受住了实战的检验。

2015年11月7日，“雪龙号”极地科考船从上海扬帆起航前往南极执行我国第32次南极考察任务。“雪龙号”此行的第一站，是位于东南极大陆拉斯曼丘陵上的我国“中山”南极考察站。为了到达中山站，“雪龙号”必须穿过站外普里兹湾复杂的海冰区域。程晓和他的团队同往年一样，继续默默地为雪龙号的破冰之旅提供第一时间的海冰监测报告。

二、普里兹湾及邻近海域冰情分析

“雪龙号”的破冰之旅从普里兹湾邻近海域开始，受洋流、风、潮汐等多种因素影响，海冰的分布会随时发生变化。通常可以根据海冰密集度结合船只的破冰能力决定航线。而夹杂在海冰中的，还有大大小小的冰山，则是对船只更大的威胁。船只一旦不幸被困密集海冰动弹不得又恰逢有冰山漂来，后果不堪设想。通过卫星遥感技术对冰情进行分析，为其提供航向指导，保障科考人员、科考船和科考设备的安全。

1.卫星影像为“雪龙号”挺进南极保驾护航

首先，从Aqua的AMSR-2海冰密集度图上看（如图1所示），2015年11月15日在70ºE-80ºE之间，63ºS以北的冰区内有大量的无冰水域和低密集度冰区。在63ºS以南则以密集度大于80%的海冰为主。

图1　2015年11月15日普里兹湾及附近海域Aqua卫星AMSR-2海冰密集度分布图

从当天的分辨率为250m Aqua卫星的MODIS可见光影像上（如图2和图3所示）可以看到，实际上该区域并没有连续的、大面积的密实冰区，冰区中有很多大块的浮冰，浮冰之间存在冰间水道和开阔水域可供船只航行。

图2　2015年11月15日普里兹湾及北部海域Aqua-MODIS可见光影像

图3　2015年11月15日普里兹湾及北部海域Terra-MODIS可见光影像

2.“雪龙号”将要抵达普里兹湾时的冰情分析

如图4所示，从2015年11月27日的海冰密集度图上看，普里兹湾高密度冰区主要分布在65ºS-67ºS之间，冰区外围是密集度很小的碎浮冰，冰区以南的普里兹湾以内是开阔的无冰海域。

图4　2015年11月27日Aqua卫星AMSR-2海冰密集度数据

如图5所示，由于近几天普里兹湾上空被厚云覆盖，通过11月23日获取的Terra-MODIS和Aqua-MODIS影像进行了合成处理，减少了云的覆盖。从MODIS影像上可以看到，在Aqua卫星的AMSR-2上的密集冰区中实际以大块的浮冰和碎浮冰为主，中间有很多冰间水道，团队因此判断，以雪龙号的破冰能力完全可以在该冰区航行。

正如报告中分析的，2015年12月5日，搭载中国第32次南极科考队的“雪龙号”极地科考船顺利地穿过普里兹湾到达中山站外的陆缘冰，比原计划提前3天到达。

三、中山站固定冰区分析

穿越普里兹湾海冰仅仅是到达中山站的第一步，站区外围的陆缘冰也是一大考验。“雪龙号”需要综合考虑陆缘冰厚度、裂隙和破冰路程，选择一条最经济便捷的破冰路线。陆缘冰离站区通常只有几十千米路程，这就需要借助具有更高空间分辨率的Landsat-8数据进行监测和分析。

2015年11月15日，中山站固定冰区的范围较大，固定冰区边缘离中山站最短距离约为25km，如图6所示。

图6　2015年11月15日中山站固定冰区Landsat-8影像

从2015年11月17日Landsat-8真彩色及全色影像上分析，中山站固定冰区边缘到中山站最小距离为24km。结合站上的探冰结果，在中山站北侧固定冰区中分布有多条裂痕，距离中山站6km至16km不等。中山站正北到正北偏东有一条冰坝，其东西走向部分距离中山站约18km。裂痕的分布于长度有待于现场的进一步验证，如图7所示。