海冰厚度是表征北极海冰状态和物质平衡的重要参数，而精确获取海冰干舷高度（即海冰表面高出局部海平面的高度）是利用卫星测高技术反演海冰厚度的关键，也是确定大气-海冰动量交换的关键参数。同时海冰表面粗糙度也决定着积雪的重分布和夏季融池的形成与演化。然而，现有卫星测高海冰干舷产品在信号去噪、表面类型分类和夏季适用性等方面存在不足，北极海冰干舷高度的全年、高分辨率反演仍面临挑战，尤其是在夏季融冰期，冰面融池的存在干扰了海冰与冰间水道的区分，制约了干舷高度反演的有效性和精度。

      近日，中国极地研究中心（中国极地研究所）自然资源部极地科学重点实验室极地气-冰-海相互作用研究团队，在冰冻圈领域期刊 《The Cryosphere》 上发表了题为 “Year-Round High-Resolution Sea Ice Freeboard Retrieval Using ICESat-2 ATL03 Photon Data” 的研究论文，提出了一套基于ICESat-2卫星ATL03原始光子点云数据的全年高分辨率海冰干舷高度反演方法（High-Resolution Freeboard Method, HRFM），实现了在海冰干舷高度反演精度、空间分辨率和全年覆盖能力上的提升。相关数据已提交国家极地科学数据中心。

      HRFM方法的核心创新体现在以下两个方面：

      1.高精度表面高程反演方面：通过全局-局部两阶段光子去噪策略，利用自适应光子密度阈值和高程直方图滤波，有效识别太阳背景噪声和探测器饱和产生的后脉冲噪声，在0.7米沿轨分辨率下提取表面信号光子，并重采样获取5 m分辨率表面高程。与美国国家航空航天局（NASA）机载地形测绘仪（ATM）的验证数 据对比表明，HRFM反演的海冰表面高程均方根误差（RMSE）从官方ATL07产品的0.12米降低至0.08米，精度提升约33%，具备识别表面融池和冰脊帆高的能力，能更好地保留了冰脊等表面形态特征。

图1. 利用ICESat-2（a）强光束和（b）弱光束数据反演海冰表面高程的不同方法对比。灰色点和粉色点是研究方法（HRFM）识别的信号光子和噪声光子，红色线和蓝色线是HRFM与ATL07得到的表面高程，黑色线是ATM机载测高结果，作为真值对比。

      2.表面类型分类方面：利用2019–2023年间与ICESat-2数据时空匹配的Sentinel-2光学影像，通过非监督聚类构建了约200万个标记样本的训练数据集，并基于机器学习方法区分海冰、薄冰和冰间水道。在留一交叉验证中，强波束和弱波束的总体分类精度分别达到0.98和0.97。该方法在夏季融池存在的情况下，仍能有效区分真实水道与融池覆盖的海冰，缓解了融池干扰导致的分类混淆问题，为海冰干舷高度反演提供了可靠的表面类型输入。

图2. （a）2022年4月和（b）2023年8月代表不同日期，不同冰况下研究方法与ATL07官方产品的地表类型分类结果对比，背景为Sentinel-2真彩色图像

      进一步整合以上创新方法，利用ICESat-2 ATL03原始数据计算了沿轨海冰干舷高度，并生成网格化干舷高度。结果与官方产品ATL20在北极海盆尺度上具有一致的空间分布格局。

图3. 基于ICESat-2 ATL03的2021年10月至2022年9月北极海冰干舷分布图

      此外，ICESat-2的弱波束因其信号能量仅为强波束的约四分之一而较少被用于海冰干舷反演。该研究发现，HRFM反演的弱波束干舷高度与强波束结果在月平均尺度上具有高度一致性（差异通常小于0.01米），这意味着未来可联合使用ICESat-2全部6条光束进行干舷高度反演，使有效观测覆盖率提升一倍，降低网格化产品的不确定性。

      该研究提出的HRFM方法为基于光子计数激光测高数据反演海冰干舷高度提供了一套新的技术框架，其高分辨率、全年适用的特点将有力支撑北极海冰厚度反演研究。随着ICESat-2观测时长的积累，该方法有望构建连续、跨季节的海冰干舷和厚度数据集，为北极海冰变化机制研究、预报模式参数化发展，以及航道适航性评估提供高质量的基础数据。

      论文第一作者为极地中心刘文轩博士后，通讯作者为雷瑞波研究员。此外，武汉大学、英国伦敦大学学院、挪威特罗姆瑟大学、上海交通大学的多名研究人员共同参与了此项工作。该研究得到了国家自然科学基金（42530407、42325604、W2541018）、中国博士后科学基金（2026M790244）等项目资助。

论文链接：

Liu, W., Lei, R., Jin, T., Sun, H., Tsamados, M., Glissenaar, I. A., Landy, J. C., and Zhou, Y.: Year-Round High-Resolution Sea Ice Freeboard Retrieval Using ICESat-2 ATL03 Photon Data, The Cryosphere, 20, 4839–4876, https://doi.org/10.5194/tc-20-4839-2026, 2026.

来源：中国极地研究中心（中国极地研究所）