科研动态｜空天基遥感协同观测揭示南极固定冰融池演化特征与冰面运输风险

研究背景

       在全球变暖背景下，近年来南极海冰范围持续缩减，海冰融化过程显著增强。夏季形成于海冰表面的融池会显著降低海冰反照率，进一步加速海冰消融，并对南大洋环境及全球气候系统产生重要影响。然而，相较于北极，当前针对南极融池的研究十分有限，尤其缺乏对其形态特征及时空分布规律的系统认知。

       与此同时，随着我国南极科考活动的不断深入，科考站物资运输对固定冰通道安全性评估的需求正不断增加。由于船舶吃水深度受限，破冰船无法直接靠泊中山站，大量物资需经固定冰运输至站区。在作业期间，固定冰表面会发育大量融池，显著增加运输风险，威胁人员与物资安全（图1）。因此，开展南极固定冰融池监测研究，对于深化南极海冰融化过程认识以及保障极地科考安全具有重要意义。

图1. 中山站附近固定冰运输路线上的融池（郑雷拍摄于2021年12月17日）

研究内容

       针对南极固定冰融池监测不足以及冰面运输安全保障的实际需求，本研究依托中国第34次、第36次和第38次南极科学考察期间获取的无人机观测数据与现场光谱调查结果，结合大尺度光学卫星遥感数据，创新性地构建了一套固定冰融池多尺度遥感监测技术框架（图2）。该框架联合厘米级无人机观测与30 米卫星遥感监测，可实现融池参数的自动化提取以及区域融池覆盖率的长时序动态监测。

图2. 基于空天基遥感的多尺度融池监测技术框架

       基于该监测框架，研究团队系统揭示了中山站附近南极固定冰融池“小尺度、碎片化、高度不规则”的形态特征（图3）。结合无人机和卫星遥感监测手段，进一步获取了2021—2022年融化季中山站固定冰融池的动态演化过程。监测结果表明，该区域融池主要集中分布于裸岩岸线西侧冰区，并随着融化季的推进快速扩张。依据现场光谱实测结果，研究认为，这一分布特征主要受到裸岩吸收太阳辐射增强局地融化，以及持续东风输送裸岩粉尘、降低裸岩西侧固定冰表面反照率等因素的共同影响（图4）。

图3. 基于无人机影像获取的融池面积（a）融池面积分布的统计结果；（b）2021 年 12 月 16 日无人机正射影像局部放大面积分级图

图4. 中山站附近现场观测的地表特征及其光谱信息（a）中山站西侧裸岩粉尘促进固定冰融池发育（郑雷拍摄于2021年12月17日）；（b）中山站周边洁净冰雪、受粉尘影响冰雪和裸岩的光谱反射率（赵羲采集于2019年12月28日）

       在融池覆盖率监测基础上，研究进一步结合归一化水体指数，对中山站固定冰表面运输风险进行了综合评估（图5）。相关成果可为南极科考固定冰面运输路线规划、作业窗口期选择提供科学依据。

图5. 2021—2022年融化季中山站附近固定冰融池覆盖率与表面运输风险评估结果

研究意义

       本研究系统构建了适用于南极固定冰融池的多尺度遥感监测技术框架，实现了融池从厘米级到十米级的协同观测，提升了南极融池监测能力。相关成果为进一步开展南极海冰融化过程研究提供了新的技术手段，同时可为极地科考夏季固定冰面运输路线规划及作业安全保障提供科学参考。

论文信息

       上述研究近期以“Integrated UAV and Satellite Observations for Antarctic Melt Pond Monitoring: Assessing the Melt-induced Risk for Transportation on Landfast Ice”为题，发表在遥感领域国际期刊《IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing》。中山大学遥感科学与技术学院极地与海洋遥感团队硕士研究生魏硕为论文第一作者，郑雷教授为通讯作者，程晓教授、赵羲教授、梁琦副教授、李腾副教授、赵秋阳助理实验师、中国极地研究中心肖恩照副研究员与夏寅月高级工程师为论文合作作者。该研究得到国家自然科学基金（42422606、42476257）、国家重点研发计划（2024YFC2813601）以及南方海洋科学与工程广东省实验室（珠海）创新团队建设项目的支持。

原文链接：https://doi.org/10.1109/TGRS.2026.3695914