极地冰盖物质平衡的最新进展与未来挑战

准确地探明冰盖物质平衡状况,对于研究全球变暖背景下海平面变化具有重要的意义,自IPCC AR4(政府间气候变化专门委员会第四次报告)以来,极地冰盖物质平衡的研究取得了很大进展。本文总结并对比了用卫星测高(雷达测高和激光测高)、物质收支测量和重力测量等方法得到的冰盖物质平衡评估结果,综述了冰盖数值模拟研究在预测冰盖未来的变化趋势以及由此对海平面造成的影响等方面取得的进展,并立足于中国当前的极地冰盖物质平衡研究现状,提出了该研究所面临的挑战。     

冰雷达探测数据处理方法研究——以南极冰盖Dome A地区的数据处理为例

提出了冰雷达数据处理的流程,详细论述了冰雷达数据处理中常规修正的关键技术：静态校正、增益控制、带通滤波以及偏移处理等。以中国第24次南极科学考察（CHINARE 24）所获取的Dome A 地区30 km×30 km范围冰雷达原始数据处理作为实例,提取得到了该区域冰盖内部等时层埋深以及冰盖的冰厚数据。通过插值展现了冰盖等时层以及冰岩界面的三维空间形态。结合该区域ICESat冰盖表面高程数据,构建出了Dome A地区涵盖冰盖表面、冰盖等时层以及冰岩界面形态特征的三维模型。     

第三纪前的南极古地理与南极冰盖

在第三纪以前,南极洲不在现今的位置,而是在热带和温带地区.南极冰盖的形成始于距今26百万年前的渐新世.冰川作用比地球上其他任何大陆都早得多.从晚第三纪到第四纪,南极冰盖经历了复杂的变化.距今18000年前,冰盖比现在厚450—1000米,陆架差不多均被冰盖所覆.估计当时海面下降了100—150米.冬季和夏季的海冰范围分别比现在大10倍和2倍.目前,南极冰盖(包括冰架)在后退,但内陆的年积雪量在增加.这同南极地区气温升高有关.     

东南极极记录冰川表面冰面湖变化监测

南极冰盖表面冰面湖的形成和变化是衡量南极冰盖表面融化的重要指示器,对研究全球气候系统具有重要意义.本文利用Landsat和Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer(ASTER)光学数据,对2000—2017年间的东南极极记录冰川地区的冰...     

南极冰盖内部等时层研究进展综述

南极冰盖内部等时层记录了不同时期冰盖表面的特征及其演变,蕴含了丰富的冰下环境信息。目前,已成为研究大空间尺度与长时间尺度上南极冰盖演化及其底部环境的重要媒介。地球物理观测和数值模拟技术的综合使用,实现了南极冰盖内部等时层在大陆尺度上的可视化。通过这些内部等时层,冰川学研究将南极冰盖内部的古冰流与千年至百万年时间尺度的地貌及冰下环境的变化细节联系起来,得到了一系列数量化的结果。针对南极冰盖,综述产生内部等时层的冰盖动力学物理机理及其在冰川学上的应用,评估在五个方面的运用:(1)深冰芯断代与选址;(2)冰盖动力学过程;(3)冰盖物质平衡;(4)冰盖稳定性;(5)冰下环境。另外,基于对内部等时层的已有认识,对未来在内部等时层研究中可能需要强化的领域进行了归纳:(1)发展更精细描述并测试内部等时层结构时空变化的数值模拟技术框架面临的挑战;(2)如何从内部等时层蕴含的信息推断鉴别以目前南极冰盖作为初始条件的冰盖质量变化;(3)为获得更高分辨率的内部等时层结构图像,得到关于冰盖内部冰体形变与演化的更多数量化信息,如何强化冰盖冰下环境的重复观测。     

南极冰盖接地线研究综述

接地线是内陆固定冰盖和漂浮冰架的分界线,其位置的准确界定直接影响到南极冰盖物质平衡的计算。随着技术的发展,接地线的提取手段已经逐步从小范围的实地无线电回波测厚和GPS探测,发展到大范围的遥感观测。遥感观测主要包括4种技术手段,即流体静力学平衡、坡度分析、重复轨道分析以及差分干涉测量。以遥感观测为基础,国际上已发布5种全南极接地线产品,包括MOA、ASAID、ICESat、MEaSUREs以及Synthesized接地线产品。随着卫星数据源的丰富,改进接地线提取方法并高精度提取接地线,扩大接地线研究的时间尺度并对全南极进行长时序的接地线动态变化监测,结合冰架底部消融、冰底地形和海洋温度等参数,深入分析其变化原因和机制以及接地线变化与气候变化相互关系的建模等,将会成为南极接地线研究的新热点。     

西北格陵兰冰盖英格尔菲尔德地区冰面-冰前流域水系遥感监测

近年来格陵兰冰盖物质损失加速,冰面消融是造成冰盖物质损失的重要原因。每年消融期,西北格陵兰冰盖表面都会形成规模庞大、结构复杂的冰面水系,将大量冰面融水输送至冰盖边缘,汇集至冰前水系并最终进入大洋,显著影响冰盖物质平衡。然而,目前对西北格陵兰冰盖冰面水系与冰前水系的研究很少,冰面水系与冰前水系的形态结构特征尚不清楚。本研究选取2018年7—8月西北格陵兰盖英格尔菲尔德地区(面积4 624 km~2)12景10 m空间分辨率的Sentinel-2卫星遥感影像,增强河流横纵剖面特征,提取了西北格陵兰冰盖的冰面水系与冰前水系,并以水系密度与河流宽度为代表性指标,监测冰面水系与冰前水系动态变化。结果表明:在2018年消融期内,西北格陵兰冰盖形成了平行状的冰面水系和树枝状的冰前水系;冰面水系由低高程地区(800m)逐步向高高程地区(1000m)推进;流域出口附近冰前河河宽与冰面水系密度的变化具有较好的一致性,8月份的冰前水系新发育河宽较窄(10～30m)的冰前河,反映了冰面水系对冰前水系的供给作用。     

南极冰盖边缘近250年来气温变化的地域分布特征

通过对南极冰盖边缘17支浅冰芯氧同位素的对比研究,揭示了整个南极冰盖边缘近50年来、150年来和250年来气温变化的地域分布特征。近50年来,南极冰盖边缘的氧同位素温度有的呈现上升趋势,有的呈现下降趋势,但气温变化的地域规律性不强;近150年来,南极冰盖边缘的同位素温度的升高和降低趋势大致呈现出一种交替分布的态势;近250年来,南极冰盖边缘所有的氧同位素温度都记录了小冰期的降温事件。气温的这种地域分布特征可能是南大洋独特的环流形式--环南极波 (ACW) --在特殊地形 (如大的冰盆) 影响下,在南极冰盖边缘的表现形式,并且随着时间尺度的不同,南大洋独特的环流形式 、ACW和地形的影响强度各异。     

基于Elmer/Ice对玛丽伯德地西部区域的冰盖数值模拟

西南极冰盖对全球气候变化和海平面升高有着重要的影响,其动力学和热力学过程是极地研究的重点之一。冰盖数值模式的模拟可以在缺乏观测数据的情况下获得研究区域的动力学和热力学过程,已经成为研究南极的一种重要手段。西南极玛丽伯德地靠近福特山脉和罗斯冰架,本文使用Elmer/Ice模拟了玛丽伯德地西部区域的冰流速场、温度场和应力场。研究发现,该区域冰盖底部温度场变化较小,大部分都达到了压力融点,只有小部分区域的冰盖底部仍处于压力融点以下。使用三个不同的地热通量(80 mW·m~(-2),100mW·m~(-2),120 mW·m~(-2))模拟得到的底部温度场无明显差异。冰盖表面流速较快,冰盖表面的冰总体上从地势较高的区域流向地势较低的区域,垂直方向对表面冰流速影响最大;冰盖底部应力场的大小大致和冰厚的变化相反。通过高程剖面图简要分析了冰流速和冰盖应力场的变化原因,认为冰下深谷的存在可能对冰盖流速场和应力场有很大的影响。     

用雷达电磁波探测研究南极冰盖浅层散射特征:以中山站至Dome A冰盖断面为例

本研究运用双频雷达(60MHz和179MHz)获取的南极中山站-Dome A断面的雷达回波探测数据,对冰盖浅部100-700m的雷达内部反射层和接收功率变化定量计算分析表明,60MHz的雷达回波能量比179MHz衰减得更快;中山站-Dome A断面冰盖浅层700m以上的雷达反射层形成的主导原因是冰密度的变化;断面上不同测站点间同一深度的接收功率差值达到10dB,表明冰盖浅层散射存在显著差异。     

CryoSat-2卫星测高计划及其应用

作为欧空局地球探测计划的一项重要任务,Cryo Sat-2卫星于2010年携带着Ku波段SIRAL(干涉/合成孔径雷达高度计)发射升空。Cryo Sat-2任务的优势在于高精度地测量两极海冰厚度以及监测南极大陆和格陵兰冰盖的变化,同时92°的近极地轨道一定程度上填补了先前遥测卫星的高纬数据缺口。本文对Cryo Sat-2卫星的科学目标、科学需求、任务概况、仪器载荷以及数据产品等方面做了详细的介绍,重点强调了Cryo Sat-2的首要载荷SIRAL和数据校准,最后探讨了Cryo Sat-2在极地领域的应用。     

基于光学立体和InSAR的Grove山地区DEM建立和分析

本文分别利用光学立体和In SAR技术生成了东南极Grove山地区15 m分辨率的ASTER DEM和20 m分辨率的In SAR DEM。在利用ASTER立体像对生成DEM的过程中引入ICESat测高数据作为高程控制以减少错误匹配,提高DEM垂直精度;而在利用ERS tandem数据生成DEM后,选取ICESat测高数据对In SAR DEM进行倾斜面纠正,以消除基线不精确估计等带来的影响。通过与未作控制的ICESat测高数据进行比较,评价了两种DEM的精度并对误差进行了分析。同时,比较了两种DEM的差异,并分析了造成这些差异的原因,探讨了两种技术生成南极冰盖DEM的优势和不足。最后结合两DEM的优势,融合生成了Grove山地区高精度的DEM。     

极地冰雪环境地球化学指标及其指示意义

极地冰雪中可以反映气候环境的环境地球化学指标主要是可溶性杂质和不可溶性微粒。可溶性杂质主要包括H+、Na+、Mg2 +、Ca2 +、NH4+、Cl- 、NO3- 、SO42 - 、CH3SO3- 等。本文在概述冰雪中的这些化学杂质的来源影响因素和时空分布特征的基础上 ,概述了冰雪中NO3- 沉积的主要来源 (即闪电作用和高层大气光化学作用产生的含氮化合物等 )及其影响因素 (包括太阳活动、火山活动、超新星活动、核爆炸试验和沉积后的蒸发及迁移作用等 ) ,SO42 - 的主要来源 (即海洋生物释放和火山喷发等 )、影响因素 (包括源区温度、ENSO事件及海冰面积等 )和它们的时空变化特点 ;讨论了南、北极地区冰雪中微粒沉积的主要源区和变化特征。。     

极地冰雪氢氧同位素指标及其指示意义

本文综述了水汽来源状况、降水季节变化、火山喷发、太阳活动等气候环境因素对极地冰雪中同位素含量的可能影响及其程度 ,以及降水区域不均衡性、降水年际不均衡性、逆温层和同位素在冰雪中的扩散迁移作用等几种不稳定因素可能对冰雪同位素分析造成的干扰 ;在此基础上 ,综述了极地冰雪中δ1 8O、δD和其差值d(d =δD - 8δ1 8O)与局部或全球气温之间的一些线性关系 (包括全球尺度 ,格陵兰地区 ,南极地区等 )及它们在空间分布上的变化规律     

星载微波散射计技术及其在极地的应用

简要介绍了微波散射计的原理、星载微波散射计的发展状况及用于提高散射计图像空间分辨率的图像滤波重建算法。在此基础上结合几种星载微波散射计数据简要介绍了微波散射计在南北两极的应用情况 (海冰图测绘、海冰运动监测、海冰分类、极地冰盖研究等 )及其未来研究展望。     

基于图像阈值法的森林雪灾损失遥感估测——以云南省为例

雪灾是森林生态系统的严重生态干扰之一, 会严重影响林木生长并降低生态系统功能。利用2000-2011年SPOT NDVI长时间序列影像数据, 基于SG滤波函数进行时序重建, 采用灾后同期影像的图像阈值法, 以常年多灾的云南省2008 年雪灾为例, 进行雪灾森林植被受损评估。评估结果与全国灾情月报中的云南省雪灾范围基本一致, 全省森林雪灾受损面积达12.09%, 主要分布在滇西北的迪庆州、怒江州。对森林雪灾受损程度分析表明, 全省重度受灾县7 个, 中度受灾县13 个, 轻度受灾县45 个。对海拔、坡度、坡向、坡位等地形条件的叠加分析表明, 海拔3300~4000 m、坡度5~15°、处于东坡或东北坡中坡位的森林植被受损最严重。本研究有助于实现森林雪灾损失的快速评估, 对有效规避次生灾害、开展灾后恢复重建规划具有重要意义。     

揭示气候变化的南极冰盖研究新进展

南极冰盖是气候的产物，对气候也有反馈作用，冰盖物质平衡变化与全球海平面升降息息相关，并引发地球系统内的一系列变化，南极冰盖是记录全球变化信息的良好载体，具有信息量大，时间序列长，保真性能强，分辨率高以及可进行现代过程定量研究等其他介质无法取代的独特优点，随着科学技术的发展和人类对全球问题的日益重视，南极冰盖与全球变化研究这一领域将会以高起点，多学科互相交叉，渗透为特色，成为未来南极研究的热点领域。     

南极数字高程模型研究进展

本文首先结合卫星测高技术的发展,回顾了20多年来南极数字高程模型(DEM)研究发展的历史,并重点介绍了为处理Radarsat南极测图计划(RAMP)SAR影像进行地面验证而制作的高精度RAMP/DEM的构建过程。然后,介绍了南极局部地区,尤其是我国利用地面实测数据及遥感数据在南极地区进行DEM研究的状况。最后,结合冰、云和陆地高程卫星(ICESat)的研究进展,对最新的南极DEM研究进行了展望。