第1章北极环境卫星遥感概况
1.1北极的特殊地理位置1.1.1北极地理位置概况
北极是指66°34別（北极圈）以北的区域，包括极区北冰洋、边缘陆地海岸带及岛屿、北极苔原和*外侧的泰加林带等区域。北极圈以北的北极地区总面积达到2100万km2，其中位于北极圈内的北冰洋面积为1475万km2，是世界四个大洋中*小的一个。北冰洋占北极地区面积的60%以上，冬季平均冰厚可达2m，中央区的冰厚达到4m（Landyetal.，2022）。
1.1.2北极区域特点
北极地区包括整个北冰洋以及周边国家的部分地区，特殊的地理位置决定了北极地区是从东西半球到另一半球的*短海上航运路线。北极海域*早的航行者应该是在北极地区生活了数千年的土著民族。他们在数千年的历史中，为了寻找食物、适宜居住地而不断迁徙并探索着神秘的北极海域。从中世纪开始，欧洲人认为从挪威海北上，沿着海岸向东或者向西一直航行，就可以到达东方的中国。但是当时受制于恶劣的自然条件和不发达的航海技术，穿越北极区域的航行是一个几乎不可能完成的、非常艰难的任务。随着科技的发展，许多探险家锲而不舍、前仆后继，通过不懈的努力打通了欧亚大陆与北美大陆之间的东北航线和西北航线。近年来，随着全球气候变暖和北极海冰的消融加剧，北极航道潜在的重要商业价值渐渐被人发现。
北极航道是指穿过北冰洋，连接大西洋和太平洋的海上航道，该航道主要可分为三条：东北航道、西北航道和极点航道，与传统的经过苏伊士运河或巴拿马运河的商业航道相比，这三条航道均是连接大西洋北部与太平洋北部的快捷通道，可以使欧洲、亚洲和北美洲更加紧密地联系到一起。
东北航道大部分航段位于俄罗斯北部沿海的北冰洋离岸海域，是连接大西洋和太平洋的海上捷径，全长约5620海里（顾维国等，2011），即从北欧出发，向东穿过巴伦支海、喀拉海、拉普捷夫海、新西伯利亚海和楚科奇海五大海域，直到白令海峡，该航线开通于20世纪30年代，目前该航道每年可维持通航2～3个月，部分航段需要岸基支持和破冰船协助。
西北航道大部分航段位于加拿大北极群岛水域，全长约800海里，东起加拿大北部巴芬岛以北，途经戴维斯海峡和巴芬湾，向西穿过加拿大北极群岛水域，到达美国阿拉斯加州北面的波弗特海，是连接大西洋和太平洋的一条航道。
受天气和海冰等环境因素的影响，极点航道为一条理论航线，这条航线从白令海峡出发，不经过俄罗斯或加拿大沿岸，直接穿过北冰洋中心区域到达格陵兰海或挪威海，属于大圆航线，共跨越40个纬度，航程约为2100海里。由于北冰洋中央海域常年被厚厚的冰盖所覆盖，短期内难以融化，因此该航线还不具备商船的通航条件，只有少量科学考察船只在夏季进入该航道区域开展科学考察，通过北冰洋极点的商船贸易航线还处于探索阶段。
1.2北极海洋环境与卫星遥感监测
由于极地地区气候恶劣，常年冰封，因此在全年中的大部分时间里，北极航道都不具备基本的通航条件，仅有7～9月能够在破冰船的协助下通航。近几年来，全球气候呈不断变暖之势，海冰随之加速融化，加上各国不断更新升级其自身的破冰技术和增强其北极航海保障服务能力，促使北极通航得到了极大的改善，全年的通航时间不断延长（贾世娜，2019）。《中国的北极政策》白皮书中明确表示：中国是“近北极国家”，以“利益攸关方”的身份定位参与北极事务，以“尊重、合作、共赢、可持续”的基本原则参与北极治理，而对北极航线航海保障的贡献是我国参与北极航运治理的重要着力点之一（吴昊，2022）。
极地地区对全球气象、气候变化起着重要作用，直接影响大气环流和气候的变化，海冰作为两极地区反照率*高的地表类型，可以将大部分入射辐射能量反射回天空，极区海冰的变化对整个地表-大气辐射平衡系统和全球气候变化都会有重要影响。在全球气候变化背景下，南北极逐渐成为全球海洋学研究的热点区域，我国每年都要开展南北极的业务化科学考察。准确地获取北极海冰、海洋、大气、陆地多种的要素相关信息及其变化信息成为顺利开展科学考察的重要保障内容之一（谭继强等，2014）。
由于北极特殊的地理位置和恶劣的极端环境，长时间运行的现场观测网络布设及运维成本较高。卫星遥感以其全天候、多频次、近实时和长期连续的优势，成为获取北极多要素分布特征和变化信息的重要观测手段。立足自主卫星开展北极环境观测，可以形成覆盖极地重点关注区域的业务化观测能力和运行保障能力，实现我国全球海洋立体观测网向极地区域的拓展。随着全球气候变化加快，极地区域变化尤为突出，这对全球的社会、经济和生态系统都将产生显著的影响。开展北极冰海气陆卫星遥感观测，可以为研究海冰和全球气候系统耦合作用提供数据支持，为国家制定气候变化应对策略提供科学依据。另外，与美国、俄罗斯和加拿大等北极理事会成员国相比，我国在北极圈以内并没有领土，北极海域的开发和北极权益方面在国际法上处于不利地位。长此以往，必将影响我国未来在北极和全球战略中的长远利益。开展卫星遥感北极环境业务化观测，有利于弥补上述短板，可以为北极商业船舶航行提供环境保障信息，也有助于我国参与北极地区的资源开发，提升我国在北极政治和战略的国际话语权。
1.3北极卫星遥感监测的现状
我国己经发射气象、海洋、资源、高分等多个系列卫星，其中大部分卫星为极轨卫星，可对极地开展多分辨率、多谱段、主被动、多频次联合观测，初步具备了北极冰海气陆环境观测能力，但是还没有形成体系化的监测产品，与美欧等发达国家和地区相比还存在一定的差距。在极区卫星遥感地面站建设方面，发达国家在极区建有多个地面卫星接收站，如美国费尔班克斯地面站、欧洲气象卫星开发组织斯瓦尔巴群岛地面站等。我国气象卫星和陆地卫星数据接收系统在瑞典基律纳建成并正式投入业务运行；国家卫星海洋应用中心利用芬兰北极地面站开展了海洋卫星数据接收，在中国南极长城站建立了静止卫星遥感数据接收系统，在极地科考船“雪龙”号上建立了船载卫星移动接收处理系统，实现了我国自主海洋卫星的极区接收、处理和产品制作；上述卫星遥感接收站的建立，提高了我国遥感卫星全球数据获取量。
在北极卫星遥感环境信息提取方面，国外海洋大气研究主要集中在美、德等国，我国相关研究工作较少，这是由于高纬极区具有低太阳高度角、地表常年覆盖冰雪的特点，为水色、云、海雾等海气观测带来困难，相应算法不成熟，缺少业务化产品。在极地海岸带遥感监测方面，由于日照、天气和缺少地面接收站等原因，北极海岸带卫星数据时空覆盖较差，缺乏相应监测产品。与海洋、大气和海岸带遥感监测相比，北极区域的海冰遥感的研究工作较多，业务化监测也相对更加成熟。
早期，北极海冰观测主要是近岸观测和船舶航行中的站点观测，主要观测要素是海冰厚度、海冰密集度、海冰类型等。而后随着卫星遥感技术的发展，许多国家开展卫星遥感研究试验，近年来海冰卫星遥感己发展成为北极观测*主要的工具和手段。在过去的几十年里，为了能在冰雪覆盖的海洋上安全运行，北极国家的海冰和冰山监测运营体系己取得长足发展。北极国家的工业和贸易都直接依赖于高纬度上的海洋运输，而海上运输又严重受制于海冰和冰山的形貌。1912年泰坦尼克号的灾难直接促成了国际冰情巡逻队的建立，以监测北大西洋上的冰山。20世纪，航运或其他航海活动受海冰影响的国家都己经建立了海冰监测体系，欧洲的德国、丹麦、芬兰、瑞典和俄罗斯等多个国家都建立了海冰监测部门。
国外海冰监测机构主要有两类，**类是北极理事会国家，以科研和服务为目的，如加拿大冰中心（Canadian Ice Service）、美国国家冰雪数据中心（National Snow and Ice Data Center，NSIDC）、美国国家冰情中心（USNational Ice Center）和俄罗斯南北极研究所（Arctic and Antarctic Research Institute）等。这些国外海冰监测机构主要的服务对象为冰区航运、商业捕捞、近岸开发利用、旅游观光和科学研究等。例如，加拿大冰中心的主要服务区域为北冰洋、北极东部和西部、北冰洋东岸、哈得逊湾和北美五大湖，主要提供每天或每周的冰情图（海冰密集度、海冰类型）和冰山情况。第二类是非北极理事会国家，以科研为目的，如欧洲气象卫星开发组织等。
1.美国国家冰雪数据中心（NSIDC）
美国国家冰雪数据中心（NSIDC）是科罗拉多大学博尔德分校环境科学研究合作研究所的重要组成部分，主要开展创新性研究并提供开放数据，以了解冰冻圈对地球的其他圈层和社会的影响。该机构提供的海冰产品主要包括海冰密集度、海冰范围、海冰分类、海冰高程、海冰干舷、海冰厚度、海冰漂移、海冰年龄等冰冻圈海冰产品，主要作为气候模式的输入数据进行气候变化研究，同时对商业航运也具有重要意义。图1-1是该机构发布的海冰指数产品（G02135），提供了1978年至今的海冰范围、海冰密集度等多个参数的PNG、GeoTiff、ASCII格式的数据。该产品使用1981～2010年的30年平均值来计算海冰变化趋势和异常情况。
图1-1NSIDC发布的北极海冰范围和海冰密集度产品
2.美国国家冰情中心（US National Ice Center）
美国国家冰情中心是美国海军（国防部）、美国国家海洋和大气管理局（商务部）和美国海岸警卫队（国土安全部）多机构联合运营中心，其任务是为美国政府机构的武装部队提供全球航行冰情分析。该中心业务范围包括北极和亚北极海域、五大湖和美国东北部海域、南极海域60°S以南的海域。
3.加拿大冰中心（Canadian Ice Service）
加拿大冰中心隶属于加拿大环境和气候变化部，负责提供加拿大周边海域的冰情信息，是加拿大通航水域海冰和冰山信息的权威机构。该机构整合包括卫星图像在内的所有信息，并使用模型分析数据，制作描述作业区域冰情的每日图表和公告。该机构充分利用RADARSAT星座任务（RCM）和Sentinel-1遥感图像的镶嵌图为加拿大五个通航水域制作每周区域海冰图，该产品每周发布1次，将*新的SAR图像放在前景中，*先使用RCM图像，然后再用Sentinel-1图像填充剩余的空白。图1-2为2022年10月8～10日北冰洋西部海域SAR镶嵌图及解译结果，其中镶嵌图为HV、HH和HH三个波段合成的RGB伪彩色图，图中绿色线为1991～2020年平均的海冰边缘，蓝色线为解译获取的海冰边缘。
图1-22022年10月8～10日北冰洋西部海域SAR镶嵌图及解译结果
4.海洋海冰应用中心
海洋海冰应用中心（Ocean and Sea Ice Satellite Application Facility，OSISAF）是欧
洲气象卫星应用组织的重要组成部分，准实时地处理和分发海洋-大气界面关键参数产品，主要包括风场、海面温度、海冰等相关要素产品。其中，海冰处理是在高纬度数据处理组织下进行的，它们由挪威气象局和丹麦气象局联合完成，发布海冰密集度、海冰边缘（范围）、海冰类型、海冰表面比辐射率和海冰漂移矢量等产品。图1-3为该机构发布的2022年10月11日北极海冰的5种参数产品。
5.Meereisportal
Meereisportal是就海冰这一宽泛主题，由阿尔弗雷德？魏格纳研究所、亥姆霍兹极地和海洋研究中心与不来梅大学共同合作提出的一个倡议（网址：https://www.meereisportal.de/en/）。其目的是收集所有与海冰有关的重要和*新的信息并进行处
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