北极海冰监测 不要错觉要真相

北极,地球的顶点,这里一直在激发着人类探求的欲望和无尽的想象。

影像中的北极,很容易给人呈现出大陆的错觉,但其绝大部分地区其实没有半寸土地。那一望无际白茫茫的场景,实际上是被冰雪封住的大海。

是美丽风景,也是搞沉泰坦尼克的麻烦制造者

海冰既有由海水直接形成的咸水冰,也有从陆地上冰冻的河流和冰川破碎入海的淡水冰。海水结成的冰千奇百怪,可能如镜面一般绵延上百公里,可能支离破碎成不同形状,还可能相互碰撞形成突出的冰脊。而淡水冰的代表就要数最有“性格”的冰山了,它们造型各异,是海上美丽的风景,也是因搞沉了泰坦尼克而声名狼藉的麻烦制造者。

海冰只在遥远的北极出没,比如我国北部海域的近海,每年冬季都会出现。今冬寒流带来的持续低温,就把大连渤海港口和黄海近海的海域冻了个瓷实,连同大量的渔船一起遭殃。这类海冰神出鬼没,在气温降低时形成,气温升高之后便会融化消失,所以一般称之为一年期海冰。北极地区由于地处高纬,终年气候寒冷,有条件形成更加厚实的海冰,即使到了夏天也不会完全融化,被称作多年期海冰。

现在全球气候的剧烈变化却又打破了这一常识。北极多年累积的海冰正在加速消融,其他海域却经历着更多的骤冷和“速冻”。伴随着科学圈、政治圈、经济圈的不断发声,北极首当其冲地成为了当下最热的热点。这不仅是由于北极的变暖趋势远远超过全球变暖的理论预期,更是因为消融的海冰所带来的新航道、新资源以及新的利益博弈。

在暗无天日的漫漫极夜穿透云雾

人类对北极海冰的监测由来已久,从早期的雪橇探险,到飞机测绘,到潜艇、破冰船、无人设备的使用,到先进的卫星遥感技术。从技术层面上说,我们已经具备了相当的能力,并且产生了大量的观测数据。尤其是卫星搭载的各类传感器,对地球表面观测的覆盖面积和数据精度都实现了极大的提升。

这其中最直接的手段要算光学遥感。简单地说,就是放置一台精密的数码相机在卫星上,让它在绕着地球飞行时不停拍照片,再把照片发回到地面上。但是拍照有个世界级的难题,那就是必须有可见光!对北极高纬度地区来说,不仅常见的云雾等复杂天气情况会对光线有遮挡,最无法解决的是,每年长达几个月的暗无天日的漫漫极夜。

幸运的是,雷达技术,特别是合成孔径雷达技术的发展,通过主动发射可以穿透云雾的各种波长的微波,实现对包括海冰集中区域在内的地表高清成像。

北极探测全自动化,不再是科学幻想

传统意义上,海冰专家绘制海冰分布图时,费时费力且非常依赖个人主观判断。如今,不断进步的观测技术,不仅带来了更加丰富的数据,也对数据的处理、解译和传输提出了更为苛刻的要求。这一工作已经不能再单独依靠经验丰富的海冰专家和海员来完成,而急需一套更加可靠的自动化系统。

近年来人工智能和深度学习领域的飞速发展,大大降低了人为监督的程度,自动化和信息化正逐步变为可能。举例来说,在北极航道通行的船只,往往依靠寻找海上薄冰区和冰上裂缝(冰区高速公路)来更加高效安全的航行,但是依靠船上的雷达系统可见范围十分有限,海冰分布图的更新也远远达不到实时和准确度的要求,就更不要提可靠的预报了。

国际上新一代的导航系统,以及人工智能通过“对抗学习”“增强学习”等算法,对包括海冰在内的复杂信息的理解能力进一步发挥。实现在复杂北极海冰区域的航道规划和通航全自动化,也已不再只是停留在科学幻想中了。

(作者系复旦大学信息科学与工程学院副研究员)

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[责任编辑:wyqinglli]

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