[科普中國]-北極海冰監(jiān)測 不要錯(cuò)覺要真相

北極，地球的頂點(diǎn)，這里一直在激發(fā)著人類探求的欲望和無盡的想象。影像中的北極，很容易給人呈現(xiàn)出大陸的錯(cuò)覺，但其絕大部分地區(qū)其實(shí)沒有半寸土地。那一望無際白茫茫的場景，實(shí)際上是被冰雪封住的大海。是美麗風(fēng)景，也是搞沉泰坦尼克的麻煩制造者海冰既有由海水直接形成的咸水冰，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(jié)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(shù)最有“性格”的冰山了，它們造型各異，是海上美麗的風(fēng)景，也是因搞沉了泰坦尼克而聲名狼藉的麻煩制造者。海冰只在遙遠(yuǎn)的北極出沒，比如我國北部海域的近海，每年冬季都會出現(xiàn)。今冬寒流帶來的持續(xù)低溫，就把大連渤海港口和黃海近海的海域凍了個(gè)瓷實(shí)，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(shí)形成，氣溫升高之后便會融化消失，所以一般稱之為一年期海冰。北極地區(qū)由于地處高緯，終年氣候寒冷，有條件形成更加厚實(shí)的海冰，即使到了夏天也不會完全融化，被稱作多年期海冰?，F(xiàn)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(jīng)歷著更多的驟冷和“速凍”。伴隨著科學(xué)圈、政治圈、經(jīng)濟(jì)圈的不斷發(fā)聲，北極首當(dāng)其沖地成為了當(dāng)下最熱的熱點(diǎn)。這不僅是由于北極的變暖趨勢遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過全球變暖的理論預(yù)期，更是因?yàn)橄诘暮１鶐淼男潞降馈⑿沦Y源以及新的利益博弈。在暗無天日的漫漫極夜穿透云霧人類對北極海冰的監(jiān)測由來已久，從早期的雪橇探險(xiǎn)，到飛機(jī)測繪，到潛艇、破冰船、無人設(shè)備的使用，到先進(jìn)的衛(wèi)星遙感技術(shù)。從技術(shù)層面上說，我們已經(jīng)具備了相當(dāng)?shù)哪芰?，并且產(chǎn)生了大量的觀測數(shù)據(jù)。尤其是衛(wèi)星搭載的各類傳感器，對地球表面觀測的覆蓋面積和數(shù)據(jù)精度都實(shí)現(xiàn)了極大的提升。這其中最直接的手段要算光學(xué)遙感。簡單地說，就是放置一臺精密的數(shù)碼相機(jī)在衛(wèi)星上，讓它在繞著地球飛行時(shí)不停拍照片，再把照片發(fā)回到地面上。但是拍照有個(gè)世界級的難題，那就是必須有可見光！對北極高緯度地區(qū)來說，不僅常見的云霧等復(fù)雜天氣情況會對光線有遮擋，最無法解決的是，每年長達(dá)幾個(gè)月的暗無天日的漫漫極夜。幸運(yùn)的是，雷達(dá)技術(shù)，特別是合成孔徑雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，通過主動(dòng)發(fā)射可以穿透云霧的各種波長的微波，實(shí)現(xiàn)對包括海冰集中區(qū)域在內(nèi)的地表高清成像。北極探測全自動(dòng)化，不再是科學(xué)幻想傳統(tǒng)意義上，海冰專家繪制海冰分布圖時(shí)，費(fèi)時(shí)費(fèi)力且非常依賴個(gè)人主觀判斷。如今，不斷進(jìn)步的觀測技術(shù)，不僅帶來了更加豐富的數(shù)據(jù)，也對數(shù)據(jù)的處理、解譯和傳輸提出了更為苛刻的要求。這一工作已經(jīng)不能再單獨(dú)依靠經(jīng)驗(yàn)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(dòng)化系統(tǒng)。近年來人工智能和深度學(xué)習(xí)領(lǐng)域的飛速發(fā)展，大大降低了人為監(jiān)督的程度，自動(dòng)化和信息化正逐步變?yōu)榭赡?。舉例來說，在北極航道通行的船只，往往依靠尋找海上薄冰區(qū)和冰上裂縫（冰區(qū)高速公路）來更加高效安全的航行，但是依靠船上的雷達(dá)系統(tǒng)可見范圍十分有限，海冰分布圖的更新也遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到實(shí)時(shí)和準(zhǔn)確度的要求，就更不要提可靠的預(yù)報(bào)了。國際上新一代的導(dǎo)航系統(tǒng)，以及人工智能通過“對抗學(xué)習(xí)”“增強(qiáng)學(xué)習(xí)”等算法，對包括海冰在內(nèi)的復(fù)雜信息的理解能力進(jìn)一步發(fā)揮。實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜北極海冰區(qū)域的航道規(guī)劃和通航全自動(dòng)化，也已不再只是停留在科學(xué)幻想中了。（作者系復(fù)旦大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院副研究員）