CN111103262B - 一种基于散射计数据的北极多年冰密集度反演方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于散射计数据的北极多年冰密集度反演方法。对ASCAT散射计获取的后向散射系数数据进行转换和掩膜，去掉陆地区域的数据，利用反演公式获取多年冰密集度数据，利用NSIDC海冰密集度和QuikSCAT海冰年龄数据对反演结果进行后处理，消除无冰海域和一年冰海域处的噪声。本发明解决了极地区域缺少大范围、长时序、高时空分辨率的多年冰密集度数据的问题，基于此数据进行研究有助于理解新气候环境下两极区域多年冰的变率和长期趋势。本方法采用的基础数据易于获取，反演结果的科学性和准确性较高，且用户可根据需求计算极地任意感兴趣区域某天或者长时间序列的多年冰密集度数据。

Description

一种基于散射计数据的北极多年冰密集度反演方法
技术领域
本发明涉及一种基于散射计数据的北极多年冰密集度反演方法，具体说是一种计算多年冰密集度的流程算法。
背景技术
作为重要的气候指示因子，北极海冰在近年来发生大规模退缩，受到了各方面的广泛关注，其中，多年冰(在北极度过多个夏季而未融尽的古老冰层)的覆盖范围大幅度减小，被一年冰覆盖的海域面积逐渐增加。海冰密集度是了解、评估和研究海冰变化和物质平衡的重要参数，但是现存的多年冰密集度数据非常稀缺。此外，美国国家冰雪中心(NSIDC)提供的海冰密集度数据虽然覆盖整个北极区域，且时序较长，但是其多年冰密集度的准确性较低。
发明内容
针对上述技术不足，本发明的目的提供一种基于散射计数据的北极多年冰密集度反演方法。本方法基于ASCAT散射计获取的后向散射系数数据、陆地掩膜数据、NSIDC提供的海冰密集度数据和QuikSCAT获取的海冰年龄数据。为了统一位置并方便出图，首先根据海冰密集度数据存储方式所记录的位置关系，将其他三种数据按照行进行反转，对后向散射系数数据根据陆地位置进行掩膜操作，然后进行多年冰密集度的反演。由于基础数据的特点，反演得到的结果存在大量噪声，需要根据海冰密集度数据和海冰年龄数据进行后处理，消除开放海域和一年冰覆盖范围内的噪声。因此，本方法基于散射计数据反演得到的长时序多年冰密集度数据弥补了上述背景中的不足，有较高的科学性和准确性，且逻辑清晰、易于实现。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于散射计数据的北极多年冰密集度反演方法，包括以下步骤：
一种基于散射计数据的北极多年冰密集度反演方法，包括以下步骤：
1)读取感兴趣区域的预设日期散射计后向散射系数数据、陆地掩膜数据、海冰密集度数据和海冰年龄数据，
2)统一上述数据网格坐标的位置；
3)对散射计后向散射系数数据进行陆地掩膜预处理；
4)进行反演，获取多年冰密集度数据；
5)根据海冰密集度数据对反演结果进行后处理，消除无冰海域的噪声；
6)根据海冰年龄数据对反演结果进行后处理，消除一年冰海域的噪声；
7)重复步骤1)-6)，对感兴趣区域内预设时间内的数据进行迭代处理，获取感兴趣区域长时间序列的多年冰密集度数据。
所述统一上述数据的网格位置，包括：
按照海冰密集度数据存储的地理位置，对后向散射系数数据、陆地掩膜数据和海冰年龄数据按行进行反转，使得四种基础数据的网格位置统一。
所述四种基础数据的网格位置统一的结果为：
使得-45°经线从北极点垂直向下。
所述陆地掩膜预处理，包括：
从陆地掩膜数据中获取陆地所在的网格位置，将后向散射系数数据σo中的相应网格位置处的数据置为0，得到去除陆地像元的后向散射系数数据σo’。
所述进行反演获取多年冰密集度数据，包括：
将去除陆地的后向散射系数数据σo’作为自变量，多年冰密集度myic作为因变量，根据多年冰密集度和后向散射数据之间的函数关系进行反演。
所述海冰密集度数据对反演结果进行后处理，消除无冰海域的噪声，具体为：
从海冰密集度数据中获取无冰的开阔海域所覆盖的网格位置，将多年冰密集度反演结果myic中的相应网格位置处的数据置为0，得到去除开阔海域噪声之后的结果myic’。
所述根据海冰年龄数据对反演结果进行后处理，消除一年冰海域的噪声，具体为：
从海冰年龄数据中获取一年冰覆盖区域的网格位置，将将消除无冰海域噪声后的多年冰密集度结果中的相应网格位置处的数据置为0，得到去除一年冰覆盖海域噪声之后的结果myic”。
该方法以IDL程序语言实现。
本发明具有以下有益效果及优点：
1.本发明为一种基于散射计数据的北极多年冰密集度反演方法，可提供从数据读取、数据处理、迭代运算一整套流程算法。
2.本方法采用的基础数据经过大量验证，精度和可信度较高，且易于获取。
3.本方法可采用多种程序语言完成，简洁方便，易于实现。
4.本方法灵活度较高，可以基于ASCAT散射计数据进行反演，亦可基于QuikSCAT散射计数据进行反演。
附图说明
图1是本发明方法的流程图；
图2是散射计后向散射系数数据经过位置反转预处理前后的对比图；
图3是散射计后向散射数据经过掩膜处理后的示例图；
图4是多年冰密集度反演结果示例图；
图5是反演结果依据海冰密集度去除噪声后的示例图；
图6是海冰年龄分布示例图；
图7是反演结果依据海冰年龄去除噪声后的示例图；
其中，图中标尺表示数据取值。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明。结合附图对方法步骤进行说明。以下实施中以北极海域2007年1月1日的数据为例，仅用于说明本发明的目的，不用于限定本发明的范围。
如图1所示，首先读取散射计后向散射系数数据、陆地掩膜数据、海冰密集度数据和海冰年龄数据，对射计后向散射系数数据、陆地掩膜数据和海冰年龄数据进行预处理，调整数据网格的位置，使得-45°经线从北极点垂直向下。利用陆地掩膜数据对后向散射系数数据进行掩膜预处理后，根据反演公式获取多年冰密集度数据。根据海冰密集度和海冰年龄对反演结果进行后处理，消除无冰海域和一年冰覆盖海域的噪声；对感兴趣区域内每年所有天数的数据进行迭代处理，获取特定区域长时间序列的多年冰密集度数据。方法主要包括以下步骤：
利用IDL程序语言读取四种数据：散射计后向散射系数数据、陆地掩膜数据、海冰密集度数据和海冰年龄数据。
按照海冰密集度数据存储的地理位置，对后向散射系数数据、陆地掩膜数据和海冰年龄数据按行进行反转，使得四种基础数据的网格位置统一。如图2所示，为以后向散射系数数据为例，进行反转前后数据对比实例图。
本方法过程中，后向散射系数数据记录的陆地像元不参与计算，因此，从陆地掩膜数据中获取陆地所在的网格位置(ci,ri)，将后向散射系数数据σo中的相应网格位置处的数据置为0，如公式一，得到去除陆地的后向散射系数数据σo’，得到散射计后向散射数据经过掩膜处理后的结果，如图3所示。
公式一：σo(ci,ri)＝0
预处理完成后，四种数据位置统一、陆地被排除，将去除陆地的后向散射系数数据σo’作为自变量，多年冰密集度myic作为因变量，即可根据反演公式，如公式二，进行反演。
公式二：
Figure BDA0002327446440000041
其中，a1,b1,……g1，a2……d2为系数，具体取值见表一。
表一：
Figure BDA0002327446440000051
图4为多年冰密集度反演结果示例图，由于原始数据覆盖面积较大导致了开阔水域存在多年冰海冰密集度大于0的问题(例如，如图4中蓝框指示的区域)，因此，需要借助海冰密集度数据对反演结果进行后处理，从海冰密集度数据中获取开阔水域覆盖的所有网格位置(cj,rj)，将多年冰密集度反演结果myic中的相应网格位置处的数据置为0，如公式三，得到去除开阔海域噪声之后的结果myic’，如图5所示。
公式三：myic(cj,rj)＝0
图6为海冰年龄分布示例图，其中蓝色区域代表一年冰覆盖的海域，红色区域代表多年冰覆盖的海域，从海冰年龄数据中获取一年冰覆盖区域的网格位置(ck,rk)，将多年冰密集度结果中的相应网格位置处的数据置为0，如公式四，得到去除一年冰覆盖海域噪声之后的结果myic”，如图7所示。
公式四：myic’(ck,rk)＝0
本发明的一种基于散射计数据的北极多年冰密集度反演方法以IDL程序语言实现。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于散射计数据的北极多年冰密集度反演方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)读取感兴趣区域的预设日期散射计后向散射系数数据、陆地掩膜数据、海冰密集度数据和海冰年龄数据，
2)按照海冰密集度数据存储的地理位置，对后向散射系数数据、陆地掩膜数据和海冰年龄数据按行进行反转，使得四种基础数据的网格位置统一；
3)对散射计后向散射系数数据进行陆地掩膜预处理；
4)进行反演，获取多年冰密集度数据；
5)根据海冰密集度数据对反演结果进行后处理，消除无冰海域的噪声；
6)根据海冰年龄数据对反演结果进行后处理，消除一年冰海域的噪声；
7)重复步骤1)-6)，对感兴趣区域内预设时间内的数据进行迭代处理，获取感兴趣区域长时间序列的多年冰密集度数据。
2.根据权利要求1所述的一种基于散射计数据的北极多年冰密集度反演方法，其特征在于，所述四种基础数据的网格位置统一的结果为：
使得-45°经线从北极点垂直向下。
3.根据权利要求1所述的一种基于散射计数据的北极多年冰密集度反演方法，其特征在于，所述陆地掩膜预处理，包括：
从陆地掩膜数据中获取陆地所在的网格位置，将后向散射系数数据σo中的相应网格位置处的数据置为0，得到去除陆地像元的后向散射系数数据σo’。
4.根据权利要求1所述的一种基于散射计数据的北极多年冰密集度反演方法，其特征在于，所述进行反演获取多年冰密集度数据，包括：
将去除陆地的后向散射系数数据σo’作为自变量，多年冰密集度myic作为因变量，根据多年冰密集度和后向散射数据之间的函数关系进行反演。
5.根据权利要求1所述的一种基于散射计数据的北极多年冰密集度反演方法，其特征在于，所述海冰密集度数据对反演结果进行后处理，消除无冰海域的噪声，具体为：
从海冰密集度数据中获取无冰的开阔海域所覆盖的网格位置，将多年冰密集度反演结果myic中的相应网格位置处的数据置为0，得到去除开阔海域噪声之后的结果myic’。
6.根据权利要求1所述的一种基于散射计数据的北极多年冰密集度反演方法，其特征在于，所述根据海冰年龄数据对反演结果进行后处理，消除一年冰海域的噪声，具体为：
从海冰年龄数据中获取一年冰覆盖区域的网格位置，将将消除无冰海域噪声后的多年冰密集度结果中的相应网格位置处的数据置为0，得到去除一年冰覆盖海域噪声之后的结果myic”。
7.根据权利要求1所述的一种基于散射计数据的北极多年冰密集度反演方法，其特征在于，该方法以IDL程序语言实现。
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