【儀表網 研發快訊】冰蓋的變化是全球變化的關鍵要素。冰蓋內部溫度和密度廓線指的是冰蓋內部溫度和密度的垂直分布特征，是影響冰蓋內部動力和熱力過程的主要因素，也是冰蓋物質平衡與演化等科學問題的重要輸入參數。現有的冰芯和鉆孔等現場測量方式不能夠提供冰蓋空間分布觀測信息，而衛星遙感手段主要獲取冰蓋覆蓋范圍和表面狀態信息。
 

　　基于低頻微波的穿透特性發展新的主被動低頻微波探測技術是冰蓋探測的前沿技術和方向。其中，探冰雷達主要提供內部結構信息，低頻超寬帶微波輻射計具有獲取內部溫度和狀態信息的潛力。探測冰蓋內部溫度廓線的方法主要受到冰蓋內部分層結構、積雪層密度波動特征等因素的影響，克服積雪層密度波動特征的干擾是反演冰蓋內部溫度廓線時所面臨的主要挑戰，而目前尚未有研究提出利用遙感探測手段對冰蓋積雪層密度波動特征進行有效估計的方法。此外，輻射亮溫對冰蓋內部溫度的約束能力會隨深度增加而減弱，深層冰蓋溫度的反演精度也將受到較大限制。
 

　　為進一步提高冰蓋內部溫度和密度廓線的探測能力，中國科學院國家空間科學中心微波遙感技術重點實驗室研究員董曉龍、博士研究生白東錦、研究員朱迪，提出一種冰蓋內部溫度和密度廓線的主被動微波聯合遙感探測方法，并獲國家發明專利授權。該技術綜合考慮主被動探測通道提供的冰蓋內部物理性質分布與冰蓋內部結構和反射特征的約束信息，將是實現冰蓋內部溫度和密度垂直分布特征有效探測的新的技術發展方向。
 

　　近期，白東錦、董曉龍、朱迪同國外學者合作，在冰蓋內部溫度和密度廓線的主被動微波聯合遙感探測方法方面取得重要成果，并利用現有主被動遙感觀測數據條件下應用到實際冰蓋區域進行有效性驗證。研究基于物理散射算子架構建立了能夠全面考慮分層冰蓋媒質中非相干散射作用和層間相干作用的分層媒質綜合輻射與散射前向模型，并提出了利用UHF和VHF波段探冰雷達回波剖面測量估計冰蓋積雪層密度波動特征的方法。在此基礎上，研究利用發展的積雪層輻射修正模型對輻射亮溫中積雪層作用的影響進行有效估計和修正。進而，聯合探冰雷達回波剖面測量估計的冰體介電吸收衰減與P-L波段寬帶輻射亮溫觀測提供的互補約束信息，研究基于貝葉斯估計架構提出了冰蓋內部溫度廓線的主被動聯合反演算法，并基于機載主被動遙感探測數據，對格陵蘭冰蓋測線上的內部溫度廓線和積雪層密度隨機波動特征進行反演和驗證。結果表明，利用主被動聯合遙感探測方法能夠顯著提高冰蓋內部溫度和密度垂直分布特征的探測能力。在與實際冰芯測量的比較中看到，根據探冰雷達回波剖面估計的密度波動標準差分布是對冰芯測量的密度波動隨深度變化特征的有效描述。密度波動參數的估計結果能夠用于修正冰蓋輻射前向模擬，降低積雪層密度波動特征引入的不確定度。此外，相比于單獨利用被動輻射探測通道反演冰蓋溫度廓線的方式，聯合探冰雷達回波衰減特征與寬帶輻射亮溫觀測能夠顯著提高深層冰蓋溫度的反演精度，實現冰蓋內部溫度廓線的有效約束。這將為未來冰蓋主被動聯合遙感探測的研究和發展打下重要基礎。
 

　　在前期關于利用探冰雷達回波剖面約束的積雪層密度波動特征提高輻射前向模型對冰蓋實測亮溫模擬能力的成果(IGARSS 2020和IGARSS 2022)的基礎上，關于分層媒質綜合輻射模型的成果已被IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing接收。
 

　　研究工作得到中科院科研儀器設備研制項目“空基主被動冰川探測儀”、國家重點研發計劃“高分辨率極區冰凍圈主被動微波探測技術”等的支持。
 

　　格陵蘭冰蓋積雪層密度波動特征估計及輻射亮溫修正結果。(a)B29冰芯區域密度估計與測量值比較，(b)GRIP區域輻射亮溫中積雪層作用的修正。
 

　　冰蓋內部溫度廓線反演分析區域及反演結果。(a)分析區域測線，(b)冰蓋溫度廓線反演，(c)鉆孔區域溫度反演結果比較。