北極海冰監測 不要錯覺要真相

北極，地球的頂點，這裡一直在激發著人類探求的慾望和無盡的想像。

影像中的北極，很容易給人呈現出大陸的錯覺，但其絕大部分地區其實沒有半寸土地。那一望無際白茫茫的場景，實際上是被冰雪封住的大海。

是美麗風景，也是搞沉泰坦尼克的麻煩製造者

海冰既有由海水直接形成的鹹水冰，也有從陸地上冰凍的河流和冰川破碎入海的淡水冰。海水結成的冰千奇百怪，可能如鏡面一般綿延上百公里，可能支離破碎成不同形狀，還可能相互碰撞形成突出的冰脊。而淡水冰的代表就要數最有「性格」的冰山了，它們造型各異，是海上美麗的風景，也是因搞沉了泰坦尼克而聲名狼藉的麻煩製造者。

海冰只在遙遠的北極出沒，比如我國北部海域的近海，每年冬季都會出現。今冬寒流帶來的持續低溫，就把大連渤海港口和黃海近海的海域凍了個瓷實，連同大量的漁船一起遭殃。這類海冰神出鬼沒，在氣溫降低時形成，氣溫升高之後便會融化消失，所以一般稱之為一年期海冰。北極地區由於地處高緯，終年氣候寒冷，有條件形成更加厚實的海冰，即使到了夏天也不會完全融化，被稱作多年期海冰。

現在全球氣候的劇烈變化卻又打破了這一常識。北極多年累積的海冰正在加速消融，其他海域卻經歷著更多的驟冷和「速凍」。伴隨著科學圈、政治圈、經濟圈的不斷發聲，北極首當其衝地成為了當下最熱的熱點。這不僅是由於北極的變暖趨勢遠遠超過全球變暖的理論預期，更是因為消融的海冰所帶來的新航道、新資源以及新的利益博弈。

在暗無天日的漫漫極夜穿透雲霧

人類對北極海冰的監測由來已久，從早期的雪橇探險，到飛機測繪，到潛艇、破冰船、無人設備的使用，到先進的衛星遙感技術。從技術層面上說，我們已經具備了相當的能力，並且產生了大量的觀測數據。尤其是衛星搭載的各類感測器，對地球表面觀測的覆蓋面積和數據精度都實現了極大的提升。

這其中最直接的手段要算光學遙感。簡單地說，就是放置一台精密的數碼相機在衛星上，讓它在繞著地球飛行時不停拍照片，再把照片發回到地面上。但是拍照有個世界級的難題，那就是必須有可見光！對北極高緯度地區來說，不僅常見的雲霧等複雜天氣情況會對光線有遮擋，最無法解決的是，每年長達幾個月的暗無天日的漫漫極夜。

幸運的是，雷達技術，特別是合成孔徑雷達技術的發展，通過主動發射可以穿透雲霧的各種波長的微波，實現對包括海冰集中區域在內的地表高清成像。

北極探測全自動化，不再是科學幻想

傳統意義上，海冰專家繪製海冰分布圖時，費時費力且非常依賴個人主觀判斷。如今，不斷進步的觀測技術，不僅帶來了更加豐富的數據，也對數據的處理、解譯和傳輸提出了更為苛刻的要求。這一工作已經不能再單獨依靠經驗豐富的海冰專家和海員來完成，而急需一套更加可靠的自動化系統。

近年來人工智慧和深度學習領域的飛速發展，大大降低了人為監督的程度，自動化和信息化正逐步變為可能。舉例來說，在北極航道通行的船隻，往往依靠尋找海上薄冰區和冰上裂縫（冰區高速公路）來更加高效安全的航行，但是依靠船上的雷達系統可見範圍十分有限，海冰分布圖的更新也遠遠達不到實時和準確度的要求，就更不要提可靠的預報了。

國際上新一代的導航系統，以及人工智慧通過「對抗學習」「增強學習」等演算法，對包括海冰在內的複雜信息的理解能力進一步發揮。實現在複雜北極海冰區域的航道規劃和通航全自動化，也已不再只是停留在科學幻想中了。

（作者系復旦大學信息科學與工程學院副研究員）

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