机器学习方法融合北半球长时间序列逐日雪深数据集(1980-2019)

在地球大数据科学工程专项时空三极环境项目第一课题“三极大数据共享与集成” (XDA19070100)资助下,中国科学院西北生态环境资源研究院车涛课题组利用机器学习方法结合多源雪深产品数据、环境因子变量及地面观测雪深数据等制备了北半球长时间序列逐日雪深数据集。 首先将人工神经网络、支持向量机和随机森林方法在积雪深度融合的适用性进行对比研究,发现随机森林方法在雪深数据融合上表现出较强优势。其次,利用随机森林方法,结合AMSR-E,AMSR2,NHSD和GlobSnow等遥感雪深产品及ERA-Interim和MERRA2等再分析资料格网雪深产品和环境因子变量等作为模型的输入自变量,用中国气象台站数据(945)、俄罗斯气象台站(620)、俄罗斯积雪调查数据(514)和全球历史气象网络逐日数据(41261)等43340个地面观测站点的雪深数据作为参考真值对模型训练与验证,在专项“地球大数据科学工程”提供的云平台上制备1980~2019年积雪水文年(上一年9月1日至本年度5月31日)的逐日格网雪深数据集。由于1980~1987年微波亮温数据为隔日数据,所以这段时间的数据会出现少量条带缺失现象。利用全球积雪模型对比计划及独立的地面观测数据进行验证,融合数据集的质量在整体上有所提升。利用地面观测数据及融合前的雪深产品对比来看,融合数据的决定系数(R2)从6种融合前产品中最高的0.23(GlobSnow雪深产品)提升至0.81,而相应的均方根误差(RMSE)和平均绝对误差(MAE)也减小至7.7 cm 和2.7 cm。

南极冰盖表面高程时间序列(2002-2019)

冰盖的表面高程对气候变化非常敏感,因此冰盖的高程变化被认为是评估气候变化的一个重要变量。长期的冰盖表面高程变化的时间序列是对理解气候变化有着重要作用的基础数据。将微波雷达卫星测高的观测数据连接起来可以建立目前最长的冰盖表面高程时间序列。但是,已有的任务间偏差改正方法在交叉标定不同的观测任务时仍然有误差残留。我们通过对常用的平面拟合模型进行修改,通过任务间偏差和升降轨道偏差的同时约束改正来确保不同任务间表面高程时间序列的自洽和连贯。基于这种方法,我们使用Envisat和CryoSat-2数据构建了2002-2019年间的南极冰盖高程变化时间序列。该时间序列是月均的格网数据,格网的空间分辨率为5-km。使用机载和星载激光测高数据对结果评估发现,与传统的方法相比,该方法可以将任务间偏差改正的精度提高40%。使用解算得到的高程时间序列,结合由密实化模型得到的表面过程造成的冰盖体积变化,我们发现冰动力过程使得阿蒙森海沿岸区域的冰盖成为南极冰盖体积损失最大的区域,而表面过程则主导了托腾冰川、毛德皇后地、伊丽莎白公主地和别林斯高晋海沿岸等冰盖的体积变化过程。西南极的冰体积损失超过了东南的体积积累。在2002–2019期间,南极冰盖的体积以初始速率−68.7 ± 8.1 km3/yr,加速度−5.5 ± 0.9 km3/yr2加速损失。

格陵兰冰盖表面高程时间序列(1991-2020)

冰盖的高程变化是冰动力过程和冰盖表面过程综合作用的结果,对气候变化敏感。长期的冰盖表面高程时间序列对研究冰盖的稳定性及其对全球气候变化的响应具有重要的科学价值。卫星测高数据为我们提供了大量的冰盖表面高程观测。但是单个卫星测高任务的寿命有限,要获得长时间的冰盖表面高程时间序列,需要将不同的卫星测高任务连接起来。我们使用一种新的平面最小二乘回归策略,在更完善地改正升轨道-降轨道偏差后,使用更大量的观测数据,有效地改正了任务间偏差的影响。同时,使用基于EOF重建方法插值方法对缺少观测值的网格进行插值以削弱插值误差的影响。最终,联合ERS-1、ERS-2、Envisat和CryoSat-2四个卫星测高任务的观测值,我们成功构建了1991-2020期间长达30年的格陵兰冰盖5公里格网分辨率的月均表面高程时间序列。随后,我们使用1993年以来的Operation IceBridge机载激光雷达测高数据以及ESA全球气候变化项目提供的格陵兰冰盖表面高程变化产品对该时间序列进行了验证。发现,我们的时间序列是可靠的。由其得到的冰盖表面高程变化的精度比ESA全球气候变化项目产品的精度和误差的离散度分别提高了19.3%和8.9%。受益于我们更精确的任务间偏差的改正,在Envisat和CryoSat-2两个测高任务连接的时期的冰盖表面高程变化的精度和误差的离散度提高的更多,分别达到30.9%和19.0%。基于该套数据,我们发现近30年来格陵兰冰盖的体积以初始速率-53.8 ± 4.5 km3/yr,加速度-2.2 ± 0.3 km3/yr2加速损失。同时,我们还发现北大西洋涛动的相位转换对格陵兰冰盖表面高程的变化有着显著的影响。此外,该数据还是评估格陵兰冰盖质量平衡及其对全球海平面的贡献和研究格陵兰冰盖对气候变化的响应过程与机制的重要基础数据。