中國網/中國發展門戶網訊 冰凍圈是地球氣候系統五大圈層之一，其組成包括冰川（含冰蓋）、凍土、積雪、河冰、湖冰、海冰、冰架、冰山，以及大氣圈內的冰晶和過冷水雲、降雪、冰雹與霰。冰凍圈的變化與氣候、水循環和生態系統的變化有密切關係，其不僅直接影響全球氣候、海平面、湖泊和河流的變化，還會對生態與環境及社會經濟可持續發展帶來影響，因此冰凍圈科學在地球科學和人文科學中有著特殊地位。
冰凍圈科學主要研究自然背景條件下地球冰凍圈各組成要素的形成、發育、演化規律，以及各要素之間相互作用的過程；冰凍圈各要素和整體與氣候系統其他圈層之間的相互作用、轉化和影響；冰凍圈與經濟社會可持續發展之間的關係——特別是全球和區域冰凍圈變化的適應、減緩和對策。
冰凍圈各要素主要分佈在高緯度和高海拔地區，開展地面觀測較困難，難以佈設高密度觀測網絡，因此遙感觀測成為冰凍圈研究不可或缺的手段。冰凍圈遙感是指採用非接觸式觀測手段，獲取冰凍圈各要素的幾何、物質和能量特性的技術。目前，冰凍圈遙感手段涵蓋可見光/近紅外、熱紅外、微波、激光、無線電及重力測量遙感方法。遙感平臺以衛星為主，航空和地基遙感也是冰凍圈遙感的重要實驗手段，近年來興起的無人機遙感更是豐富了冰凍圈遙感手段。
冰凍圈遙感學作為冰凍圈科學體系中的一個重要分支，該學科與冰凍圈科學體系中其他分支（如冰凍圈水文學、冰凍圈氣候學）相互借鑑、相互促進，但也自成體系。本文介紹了冰凍圈遙感學的基本研究內容和方法，進一步回顧國內外冰凍圈遙感的相關研究進展，並分析我國冰凍圈遙感的優勢與不足，最後探討了冰凍圈遙感如何助力“三極”大科學計劃。
冰凍圈遙感概述
冰凍圈遙感學由遙感科學的基本原理髮展而來，其研究對象又是具有特殊電磁波特性的冰凍圈要素。例如，積雪在可見光波段的高反射率與近紅外波段的低反射率，這一特性使得利用多光譜遙感可以非常容易將積雪從其他地物中識別出來；又如，液態水在微波波段的介電常數約為 80，而在凍結為冰晶時則下降到約為 3，這就給利用微波遙感判識土壤或者水體表面是否凍結提供科學的判別標準，如海冰和地表凍融過程。因此，相對於植被、土地利用等遙感，冰凍圈遙感有其特殊的研究方法。
冰凍圈遙感學從研究對象大體可以分為陸地冰凍圈遙感、海洋冰凍圈遙感和大氣冰凍圈遙感 3 個方面。陸地冰凍圈主要包括積雪、冰川與冰蓋、凍土及河冰和湖冰，針對其的研究內容和手段最為豐富；海洋冰凍圈主要包括海冰、冰架、冰山等；大氣冰凍圈主要是大氣圈內的冰晶和過冷水雲、降雪、冰雹與霰。表 1 列出了大部分冰凍圈遙感內容及相應的遙感技術。可以看出，可見光/近紅外及合成孔徑雷達（SAR）可監測的參數最多，且同一個參數也可以用不同的遙感方法監測。但是，不同的方法優勢不同。以雪深遙感反演為例，SAR和微波輻射計都可以反演雪深。微波輻射計雖然空間分辨率低，但可以獲取逐日的積雪變化過程。因此，需要根據研究目標選擇相應的技術手段。此外，由於每種遙感方法有各自的優、缺點，往往需要聯合多源遙感數據開展監測。以積雪面積為例，可見光遙感可以準確獲取積雪面積，但受雲層影響會缺失很多地表信息，此時可以聯合具有穿透性的微波遙感來補充雲層下的積雪信息。
冰凍圈遙感研究進展
冰凍圈遙感技術研究進展
冰凍圈遙感始於 1961 年，但直到 1990 年以後，隨著對地觀測技術的飛速發展，冰凍圈遙感才取得了迅猛發展。特別是 21 世紀以來，新型、先進傳感器的湧現，以及專門針對冰凍圈研究的衛星成功發射和運行，如 NASA 的 ICESAT 衛星和歐洲航天局 CryoSat 衛星，使冰凍圈遙感的發展生機勃勃。
用於冰凍圈觀測的遙感技術主要包括： 可見光/紅外遙感技術。目前，正朝著長時序、高光譜、高空間和高時間分辨率、大幅寬和三維信息獲取等觀測能力方向發展。 微波遙感技術。作為主動微波遙感核心傳感器的 SAR 技術發展迅速，應用該技術的衛星及後續的雷達衛星任務計劃大多具有雙站/或星座協同觀測、極化干涉測量、三維/四維信息獲取、高分寬幅數據採集或超高分辨率觀測能力，可實現冰凍圈表面動態過程高精細、大尺度和時間連續的監測與評估。 激光、重力及其他新型遙感技術。激光雷達衛星也從單個點觀測向點雲觀測發展，已有的重力衛星已經在大尺度物質平衡中取得了創新性的進展。未來，該類技術將在提升空間分辨率方面取得突破，其他新型遙感技術（如微光遙感）也嘗試用於冰凍圈要素提取。
冰凍圈遙感應用研究進展
遙感技術最大的優勢在於獲取大範圍冰凍圈要素的信息，最為顯著的成就為利用多源遙感數據評估全球冰川物質平衡及對海平面上升的貢獻量。而南極、北極和山地冰凍圈遙感應用具有不同區域的科學問題和技術手段。山地冰凍圈遙感主要圍繞冰川、積雪、凍土製圖與變化監測，以及這些冰凍圈要素變化對區域生態環境和水資源的影響等開展遙感應用研究。南極冰凍圈遙感應用研究除了評估南極冰蓋物質平衡以外，主要針對冰架崩解、觸地線、海冰等開展遙感監測；其中，南極製圖也是一項重要的科學任務。根據被動微波亮度溫度遙感數據獲取的長時間序列海冰產品發現，與北極海冰快速減少不同，南極海冰過去數十年變化不大，甚至略有增加。
在北極地區，主要科學問題包括格陵蘭冰蓋快速融化、北極海冰快速減少，以及冰凍圈退縮對北極航道的影響等；此外，北極氣候放大效應、泛北極地區積雪變化、多年凍土退化產生的生態與工程效應也受到廣泛關注。星載、機載和地基遙感觀測在北極開展的研究較多，對於北極變化的認知有了較大提升；同時，全球也已發起較多北極觀測研究的國際計劃，如國際北極漂流冰站計劃（MOSAiC）、全球冰凍圈觀測計劃（GCW）、北極綜合觀測系統項目（INTAROS）等。格陵蘭冰蓋與南極冰蓋物質平衡均為負，但是其消融機理存在差異。主被動微波遙感資料均顯示：格陵蘭冰蓋表面消融逐年增強，這使得冰蓋表面反照率進一步降低以吸收更多的熱量，加速了融化；南極冰蓋的消融主要在冰蓋邊緣，其物質損失以冰架崩解為主，事實上近年來也觀測到南極冰蓋表面的消融在加劇。毫無疑問，北極海冰快速減少是最值得關注的問題。利用遙感技術不僅能監測到海冰範圍的減少，還能識別出海冰類型的變化，而遙感觀測到的海冰表面融池的大小和數量正在成為海冰消融的關鍵因素。
綜上所述，對於區域冰凍圈遙感，北極地區目前被認為最重要，投入項目最多且成果也最多，是研究熱點區域；南極地區主要是根據各國家的國力配置和科學家自由探索為主；山地冰凍圈則由各地區自主開展相關研究。
我國冰凍圈遙感進展
我國冰凍圈遙感的特點
我國冰凍圈遙感研究區域以青藏高原為主，進展較多、成果豐富；其中，最具有代表性的工作體現在冰川、積雪、凍土 3 個方面。
在冰川遙感方面。冰川遙感技術的不斷成熟，為完成我國第一次冰川編目和第二次冰川編目作出了重要貢獻；其歷程經歷了航空遙感解譯、陸地衛星資料的大量應用、冰川自動化分類方法發展、冰川屬性自動提取等階段。近年來，我國學者在提取冰川物質平衡、冰川表面流速等方面也取得了突出成績。
在積雪遙感方面。我國學者建立了長時間序列的積雪面積、雪深和雪水當量遙感產品，得到了廣泛應用。特別是利用“風雲”氣象衛星的被動微波亮度溫度發展了我國的雪深反演算法。此外，在光學遙感積雪面積產品去雲方面也取得了具有特色的研究貢獻，初步解釋了青藏高原地區過去 40 年積雪面積和雪深的時空變化。受到青藏高原地形複雜等因素影響，目前遙感雪深產品的空間分辨率還有待進一步提高，以滿足水文水資源研究的需求。
在凍土及冰緣環境遙感方面。融合多源遙感信息的綜合觀測已經成為凍土製圖的重要方法。目前，我國學者已得到了青藏高原熱穩定性凍土分佈及其長序列變化。我國的主動微波遙感技術在地表形變、活動層厚度反演等方面也取得了快速進展，特別是合成孔徑干涉雷達（InSAR）方面，具有代表性的是利用被動微波亮度溫度發展了地表凍融狀態的決策樹算法，製備了長時間序列地表凍融循環過程數據 。
我國北極冰凍圈遙感
近年來，我國北極冰凍圈遙感逐步開展，目前側重在北極海冰監測和通航能力的研究。北極海冰遙感研究主要集中在兩方面：海冰範圍、類型、密集度等參數反演；海冰與全球氣候變化關係。已在利用遙感衛星數據研究航道上海冰的季節和年際變化，分析通航影響因子，以及評估通航能力等方面取得了較好的進展。
如前所述，北極地區除了海冰遙感，還涉及格陵蘭冰蓋、河冰和湖冰、積雪等諸多研究內容。我國學者近年來也逐步開展相關研究，整體上側重於遙感數據的分析和產品應用，而在遙感機理與反演方法方面開展較少。隨著我國“冰上絲綢之路”倡議的提出和《中國的北極政策》白皮書的發佈，北極即將成為我國冰凍圈遙感研究的熱點地區。
我國南極冰凍圈遙感的特點
我國自 1983 年加入《南極條約》以來，南極測繪與遙感得到了很好的發展，主要涉及極地測繪、海冰、冰蓋及冰架遙感監測等研究內容。在極地測繪方面，我國先後完成了典型地區大比例尺地形圖測圖，近年來開始冰下地形和海底地形測繪研究。在海冰遙感方面，針對南極海冰範圍、海冰類型、海冰密集度、表面反照率等遙感監測方面取得了諸多研究成果。在南極冰蓋及冰架遙感監測方面，對地形地貌、冰川流速、物質平衡、觸地線、冰面特徵、表面凍融、冰下湖等方面開展了實質性的研究工作，特別是冰架崩解對南極冰蓋物質損失的貢獻。利用陸地資源衛星影像和衛星測高資料，研製了迄今全南極最高分辨率的冰川流速產品（圖 ）；並在國際上首次發現東南極威爾克斯地冰川質量持續虧損，繞極洋流變暖可能是導致該冰川加速消融的主要原因。隨著我國南極航空探測計劃的實施和多顆國產遙感衛星的先後發射，南極冰蓋冰厚及其冰下地形、冰下湖泊遙感探測，以及國產衛星南極遙感應用可望形成新的研究熱點。
冰凍圈遙感學科發展展望
加強冰凍圈遙感學理論和應用體系研究
冰凍圈遙感學目前仍是一個新興的學科。隨著多種新型遙感傳感器的出現，冰凍圈遙感正面臨新的機遇和需求。從學科本身發展的角度，需要進一步加強對冰凍圈要素，如冰川、凍土、積雪、河冰、湖冰、海冰及大氣圈冰凍圈等要素的電磁散射和輻射模型的認識，深入理解冰凍圈要素的遙感散射和輻射機理與過程，為冰凍圈要素遙感反演提供理論支撐。尤其是大氣冰凍圈遙感研究基礎相對薄弱，需要給予特別關注。
冰凍圈涉及生態、水文、大氣、海洋、災害等相關學科。通過加強與這些學科的交叉融合，增強冰凍圈遙感在冰凍圈氣候、水文、生態環境和災害等方法的應用能力，從而在解決這些應用領域的科學問題方面發揮更大的作用。同時，冰凍圈科學與不同學科領域的發展又為冰凍圈遙感學提供新的科學問題和應用機遇。例如，光學、電子學、材料科學等學科的發展為冰凍圈遙感獲取數據提供先進的儀器設備，促進冰凍圈遙感學的發展。
隨著冰凍圈變化對國家和地區的政治、社會、經濟和可持續發展的影響不斷增強，我國從事冰凍圈遙感學基礎理論研究的人員和機構明顯不足。因此，有必要在高等院校和研究所開設相關本科和研究生課程，增強公眾對於冰凍圈遙感的認識，培養有志於從事冰凍圈遙感科學的人才和隊伍。
助力國家“三極”科學計劃
南極、北極和以青藏高原為主體的亞洲高山區是地球的“三極”，也是全球冰凍圈的核心分佈區域 。“三極”不僅蘊藏著全球最大的淡水資源，且油氣資源豐富，是全球資源、能源開發潛在的戰略性儲備區域，對我國未來發展、國家利益和安全戰略具有特殊的重要意義。同時，“三極”是全球氣候變暖最為劇烈的地區和全球氣候系統多圈層相互作用的典型區，也是影響全球氣候與環境變化的關鍵區和敏感區，其在全球能量和水分循環中發揮著重要作用。因此，“三極”研究是地球系統科學多圈層耦合研究及“未來地球”自然-社會科學交叉研究的制高點，國內外科學家正在呼籲開展“三極”科學研究計劃。
受自然條件和社會發展滯後等因素影響，“三極”地區生態環境地面觀測能力非常有限，而遙感獲取時空分佈的對地觀測數據能力則具有得天獨厚的優勢。儘管遙感已經為“三極”地區提供了大量的冰凍圈數據，但除了 ICESAT 衛星和 CryoSat 衛星之外，現有遙感計劃的目標並不是為冰凍圈觀測量身設計，“三極”地區的冰凍圈觀測的優先度和數據獲取能力都很低。例如，歐洲航天局計劃 2021 年發射的 BIOMASS 衛星，在科學目標上將極地觀測作為第二優先級。雖然近年來日本和中國等發射了一些專門針對極區觀測的小衛星，但總體上並沒有改變極區觀測系統缺乏的局面。因此，為了開展“三極”科學研究計劃，未來需加強研發空-天-地一體化的冰凍圈遙感觀測系統。針對冰凍圈遙感的特殊觀測手段和技術方法，需要加強 3 個方面的研究。
充分利用現有衛星數據，製備極地基礎地理信息和生態環境數據集。例如，利用高分辨率遙感數據摸清極地地形、海情、冰情、植被等基礎地理環境信息，利用中低分辨率但時間序列較長的遙感數據獲取歷史時期冰川、冰蓋、積雪、海冰等冰凍圈和生態環境變化信息，從而為開展“三極”科學研究奠定基礎數據支撐。
發展針對冰凍圈科學研究的專門衛星遙感技術。微波波段的優勢在於其穿透性。因此，可以考慮發射低頻波段（如 P 波段）微波輻射計或者 SAR 衛星，開展以往探測不到的冰凍圈要素如冰川厚度、冰蓋層析結構、凍土活動層厚度等。
在提高極地環境觀測重訪週期方面，可以開展雙星聯合觀測或者衛星組網觀測，實現對極地海冰、冰川和冰蓋等的快速變化監測。通過雙星聯合或者衛星組網還可以大幅提高幹涉 SAR 測量數據質量，實現冰凍圈表面地形和形變監測。
高空間分辨率重力衛星和大橢圓軌道通訊衛星也是未來極地冰凍圈科學研究的重要內容。我國目前正在制定和研發一些專門針對冰凍圈觀測的衛星計劃，需要快速推進。
（作者：車 濤，中國科學院西北生態環境資源研究院遙感與地理信息科學研究室副主任、研究員，中國科學院黑河遙感站站長；李 新，中國科學院青藏高原地球科學卓越創新中心，中國科學院青藏高原研究所 國家青藏高原科學數據中心； 李新武，中國科學院空天信息創新研究院 ； 江利明，中國科學院精密測量科學與技術創新研究院 大地測量與地球動力學國家重點實驗室、中國科學院大學 地球與行星科學學院。《中國科學院院刊》供稿）
