冰冻圈遥感：助力“三极”大科学计划
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中国网/中国发展门户网讯 冰冻圈是地球气候系统五大圈层之一，其组成包括冰川（含冰盖）、冻土、积雪、河冰、湖冰、海冰、冰架、冰山，以及大气圈内的冰晶和过冷水云、降雪、冰雹与霰。冰冻圈的变化与气候、水循环和生态系统的变化有密切关系，其不仅直接影响全球气候、海平面、湖泊和河流的变化，还会对生态与环境及社会经济可持续发展带来影响，因此冰冻圈科学在地球科学和人文科学中有着特殊地位。
冰冻圈科学主要研究自然背景条件下地球冰冻圈各组成要素的形成、发育、演化规律，以及各要素之间相互作用的过程；冰冻圈各要素和整体与气候系统其他圈层之间的相互作用、转化和影响；冰冻圈与经济社会可持续发展之间的关系——特别是全球和区域冰冻圈变化的适应、减缓和对策。
冰冻圈各要素主要分布在高纬度和高海拔地区，开展地面观测较困难，难以布设高密度观测网络，因此遥感观测成为冰冻圈研究不可或缺的手段。冰冻圈遥感是指采用非接触式观测手段，获取冰冻圈各要素的几何、物质和能量特性的技术。目前，冰冻圈遥感手段涵盖可见光/近红外、热红外、微波、激光、无线电及重力测量遥感方法。遥感平台以卫星为主，航空和地基遥感也是冰冻圈遥感的重要实验手段，近年来兴起的无人机遥感更是丰富了冰冻圈遥感手段。
冰冻圈遥感学作为冰冻圈科学体系中的一个重要分支，该学科与冰冻圈科学体系中其他分支（如冰冻圈水文学、冰冻圈气候学）相互借鉴、相互促进，但也自成体系。本文介绍了冰冻圈遥感学的基本研究内容和方法，进一步回顾国内外冰冻圈遥感的相关研究进展，并分析我国冰冻圈遥感的优势与不足，最后探讨了冰冻圈遥感如何助力“三极”大科学计划。
冰冻圈遥感概述
冰冻圈遥感学由遥感科学的基本原理发展而来，其研究对象又是具有特殊电磁波特性的冰冻圈要素。例如，积雪在可见光波段的高反射率与近红外波段的低反射率，这一特性使得利用多光谱遥感可以非常容易将积雪从其他地物中识别出来；又如，液态水在微波波段的介电常数约为 80，而在冻结为冰晶时则下降到约为 3，这就给利用微波遥感判识土壤或者水体表面是否冻结提供科学的判别标准，如海冰和地表冻融过程。因此，相对于植被、土地利用等遥感，冰冻圈遥感有其特殊的研究方法。
冰冻圈遥感学从研究对象大体可以分为陆地冰冻圈遥感、海洋冰冻圈遥感和大气冰冻圈遥感 3 个方面。陆地冰冻圈主要包括积雪、冰川与冰盖、冻土及河冰和湖冰，针对其的研究内容和手段最为丰富；海洋冰冻圈主要包括海冰、冰架、冰山等；大气冰冻圈主要是大气圈内的冰晶和过冷水云、降雪、冰雹与霰。表 1 列出了大部分冰冻圈遥感内容及相应的遥感技术。可以看出，可见光/近红外及合成孔径雷达（SAR）可监测的参数最多，且同一个参数也可以用不同的遥感方法监测。但是，不同的方法优势不同。以雪深遥感反演为例，SAR和微波辐射计都可以反演雪深。微波辐射计虽然空间分辨率低，但可以获取逐日的积雪变化过程。因此，需要根据研究目标选择相应的技术手段。此外，由于每种遥感方法有各自的优、缺点，往往需要联合多源遥感数据开展监测。以积雪面积为例，可见光遥感可以准确获取积雪面积，但受云层影响会缺失很多地表信息，此时可以联合具有穿透性的微波遥感来补充云层下的积雪信息。