基于Elmer/Ice冰盖模型的南极Gamburtsev山脉Lambert冰川冰盖系统的数值模式模拟研究

在全球变暖的背景下, 东南极冰盖显著地出现降雪增多冰厚增大的现象, 然而由于有关东南极冰盖 的观测数据相对缺乏, 因而很难对东南极冰盖大范围的冰盖动力学、热力学状态细节进行整体性评估。 Dome A 到中山站断面是横穿南极冰盖计划的核心断面之一。该断面穿越的兰伯特(Lambert)冰川上游、甘 布尔采夫(Gamburtsev)冰下山脉和Dome A 区域是南极科学研究的热点区域, 因此具有重要的研究价值。本 研究使用已多次在南极冰盖有过成功模拟应用的三维有限元冰盖模式Elmer/Ice, 对该区域的内部温度场和 速度场进行了模拟, 得到了冰盖的流速场和温度场数据, 并将模拟数据与传统估测数据进行了对比, 发现 两者在总体趋势上吻合。研究表明, 该研究区域冰盖的底部温度大部分达到了压力熔点, 只有少部分靠近内 陆的冰盖底部未达到; 在冰盖内陆区域, 水平速度场非常小, 在靠近冰架区域时, 水平速度场突然增大, 而 垂直速度场只有在冰下地形发生显著波动时, 出现显著变化。在此基础上, 对Elmer/Ice 冰盖模式的应用前 景和需改进的方面进行了探讨。     

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。     

Dome A冰川学研究进展及深冰芯计划展望

目前,位于东南极冰盖分冰岭中心的冰穹-Dome A已成为深入理解南极冰盖演化、稳定性和找寻地球气候久远记录的研究热点。通过整理总结在Dome A获得的冰川学研究进展,结合国际冰芯科学研究计划(International Partnerships in Ice Core Sciences,简称IPICS)有关寻找最古老冰芯的相关资料,对Dome A的气象要素、地貌、冰厚、冰下地形、冰体流速、冰盖内部结构等环境特征进行归纳分析,讨论Dome A冰川学的最新发展及其对深冰芯钻探计划的影响,并分析概述Dome A深冰芯钻探需考虑的问题和未来发展动向。     

PISM冰盖模式对Amery冰架流速场模拟的适用性

在全球气候变暖的背景下,冰架系统是监视和预测冰盖稳定性的理想研究区域。然而传统的冰架观测与调查方法只能从某一侧面揭示冰架的运动状态和演化信息,无法预测其未来变化;冰盖模式作为非常有潜力的数值计算方法,成为研究和预测冰盖/冰架演化的热点领域。Lambert冰川-Amery冰架系统是东南极冰盖最大的冰川系统,对于研究东南极冰盖的物质平衡和冰盖稳定性具有重要意义。使用PISM冰盖模式,对该冰川系统的流动过程进行模拟,得到冰表面流速场数据,并将模拟流速场与实测数据进行对比,发现两者在大部分区域吻合较好,但在冰架前缘处呈现出一些差异。进一步讨论差异可能的来源以及模拟可以改进的地方。     

南极冰盖的物质平衡研究:进展与展望

南极冰盖物质平衡最新的研究进展表明,西南极洲表现出两种变化模式,西部在增厚,而北面在更快地减薄。西南极冰盖总体可能正在减薄,其物质损失的速率可能足以使海平面每年上升近0.2mm。东南极冰盖物质不平衡可能很小,甚至其符号还不能被确定。南极半岛正在经历着快速变化。目前还不能可靠地估算南极冰盖的物质平衡状态。同时,大型冰川的停滞,一些冰川流速加快,冰盖大范围加速减薄,冰架大面积的快速崩解和支流冰川的加速,以及着地线强烈的底部融化等显示出南极冰盖存在快速变化。南极冰盖物质平衡未来的重点研究领域是开展冰盖表面高程变化的监测与模拟,确定表面物质平衡及其在各冰流盆地的分布,着地线的冰流通量,冰架底部的融化,了解冰后期冰盖退缩的动力过程,以及开发、对比和改进与冰盖物质平衡模拟和预测相关的各种模型。     

南极冰盖表面冰流速研究综述

冰川表面流速作为南极冰盖物质平衡估算的一项重要内容,对于研究全球变暖背景下的海平面上升具有重要意义。随着技术的进步,南极的冰流速监测方法已经从传统的花杆测量、光学仪器边角测量,发展到先进的GPS测量和遥感观测。南极冰盖冰流速总体特征是:海岸带冰流速快于内陆冰流速,冰架冰流速快于陆地冰流速,西南极冰流速快于东南极冰流速。未来加强对数据稀疏地区的冰流速监测,扩大冰流速研究的时间尺度,开发冰流速研究的新方法以及构建冰流速波动与气候变化相互关系模型等,成为南极冰流速研究的新热点。     

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。     

南极中山站-昆仑站间地壳厚度分布

自第4个国际极地年2007/2008开始至2013年,中国南极内陆冰盖科考队相继在自南极大陆边缘的中山站至东南极地形最高点昆仑站(Dome A)一线进行了低温甚宽频地震观测。本文对7个天然地震台站数据进行了分析,提取了这些台站的S波接收函数,据此反演获得了这些台站下的地壳厚度分布。结果显示:随着纬度的升高,地壳厚度由大陆边缘的中山站下的约38 km逐渐增加至CHNB台下的58 km,随后又于CHNA台站下方减薄至47 km,然后快速增大到南极地形最高点昆仑站(Dome A)下的62 km。昆仑站或Dome A是南极大陆地壳最厚的地方。从中山站至昆仑站之间地壳厚度的变化与冰下地貌变化存在明显的相关性,它们都说明了从中山站至CHNB之间地壳构造相对均匀。在距昆仑站约200 km的CHNA台下的地壳厚度(约47 km)明显比临近台站地壳偏薄,这可能说明了甘伯采夫山脉地壳侧向变化较大,即其形成时所遭受的构造作用较复杂。     

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。     

南极冰盖地形数据库BEDMAP 2述评

南极冰盖物质收支与不稳定性对全球气候变化和海平面升高有着重要影响,而冰盖厚度和冰下地形则是研究南极冰盖的物质平衡、动力及不稳定性极为重要的参数。自20世纪50年代以来,国际上针对南极冰盖开展了大量的冰雷达以及重、磁测量,这些测量结果被汇集并形成冰厚和冰下地形数据库,进而服务于冰盖模式和地球系统研究,最新推出的成果便是BEDMAP 2(Bedrock Mapping Project 2)。首先介绍了BEDMAP 2的数据来源、结构以及数据处理,并讨论了数据的质量评价,然后分析了BEDMAP 2中展示的整个南极冰盖与冰下地形及其特点。最后,对于BEDMAP 2对中国在南极冰盖考察和研究方面的作用进行了一些讨论与展望。     

利用冰雷达诊断南极冰盖底部环境的研究综述

现今南极冰盖底部的环境对冰盖的动力演化有着重要的影响,准确的冰盖底部环境信息有利于更加准确地模拟南极冰盖的起源、发展以及未来的演化。采用无线电回波技术,可有效地对冰盖进行探测。通过定量地处理雷达波在冰盖内部的介电衰减,可以获取冰盖底部的反射率,从而对冰盖底部环境,特别是冰下水文环境进行诊断。综述了雷达波在冰盖内部衰减处理的三种方法,分析了它们的适用性及局限性,并对这些方法应用于诊断冰盖底部的环境以及方法本身可能的改进进行了讨论。     

联合GPS和SARAL卫星测高数据构建南极Dome A区域DEM

南极冰盖数字高程模型(digital elevation model,DEM)对南极环境变化和地形研究具有重要作用,利用GPS实测数据和卫星测高数据建立DEM是构建南极冰盖表面DEM的重要方法。考虑到实测GPS数据的精度较高,而卫星测高的空间分辨率占优,本文探讨综合利用这两种数据构建南极Dome A区域DEM。法国国家空间研究中心和印度空间研究组织共同研制的SARAL卫星是Envisat的后续卫星,搭载的Alti Ka雷达高度计首次采用了Ka波段,可以极大减小电离层的影响,提高测距精度和卫星数据的空间分辨率。本文首先利用中国南极第29次科学考察在Dome A区域的实测GPS数据对SARAL数据进行精度评定,然后利用实测GPS数据对SARAL测高数据进行高程修正,联合GPS数据获取得到了Dome A区域300 m分辨率的DEM。结果表明SARAL的高程精度为0.615 m,而联合GPS数据能改善DEM精度,提高到0.261 m。     

2007/2008年度中国南极冰穹A考察新进展

冰穹A(DomeA)是南极冰盖最高区域,其独特的地理位置和蕴藏的科学资源受到国际科学界的普遍关注,近年来成为国际南极科学考察研究的重要前沿区域。中国第24次南极考察(CHINARE24,2007/2008年度)继续开展DomeA地区考察活动,具体执行内陆建站选址任务和国际极地年中国行动计划--PANDA计划。本次内陆冰盖队在到达DomeA后,在DomeA核心区域以及中山站-DomeA断面上开展了多学科系统性的科考工作,取得了以"南极DomeA科学考察"、"内陆建站选址"和"中国南极内陆考察支撑能力建设"为代表的新进展,提升了我国南极内陆考察的支撑保障能力和科学认知水平。     

南极冰盖数值模拟研究进展与展望

数值模拟南极冰盖是提升人们认识南极冰盖演化行为的重要手段。通过数值模拟研究可以揭示某些观测数据包含的冰盖物理机理以及在缺乏观测数据的情形下预测冰盖的演化行为。本文在综述南极冰盖数值研究国际进展的基础上,分析了南极冰盖数值模拟方面几个主要模型的特点,特别针对南极冰盖的三维数值模拟展开讨论,分析并探讨了冰盖数值模拟可能会遇到的潜在不稳定源以及在拓展模型研究范围时会遇到的障碍。对目前三维冰盖数值模拟存在的几个问题进行了讨论,并对未来发展进行了展望。     

我国测得迄今南极内陆冰盖最低年平均温度

国家海洋局8日授权新华社发布了中国南极冰盖昆仑科考队的有关情况，向全国人民进行“汇报”：在历时63天的考察中，中国南极内陆冰盖昆仑科考队开展了大量科学考察工作，硕果累累。目前12名科考队员精神状态良好，身体健康。     

东南极内陆格罗夫山地区基岩暴露年龄研究

采自东南极内陆格罗夫山地区两个冰原岛峰的五个基岩样品的原地生成宇宙成因核素1 0 Be和2 6Al测试结果表明 ,这五个样品的最小暴露年龄都在 2Ma左右 ,远远早于末次冰期极盛期 (LGM )。结合野外工作表明 ,格罗夫山地区中晚上新世以来至今冰盖厚度至少下降了 2 0 0m ,从那时起到现在 ,包括末次冰期极盛期 (LGM)在内 ,东南极冰盖表面高程都未曾再达到中晚上新世以前的冰盖表面高度     

基于深度学习算法的冰雷达图像冰面与基岩界面提取

极地冰盖底部的冰-基岩界面记录了冰盖的历史演变,反映了冰层的几何特征和冰底环境属性,是推断冰盖动力学和解释冰下地貌的重要指标。机载冰雷达是一种有效的极地冰盖探测方法,但雷达数据受探测环境和仪器自身局限性的影响,会包含各类噪声。为了高效准确地提取冰雷达图像中基岩界面和冰面、降低噪声干扰,利用2015—2016年度中国第32次南极科学考察在伊丽莎白公主地的航空冰雷达观测数据,基于深度学习的pix2pix算法建立了一种自动化提取雷达图像冰面和基岩界面的模型。实验结果表明,该模型提取冰面/基岩界面的精确率为0.863/0.948,峰值信噪比为24.814 dB,均高于以往的K-SVD和CycleGAN同类算法,能更有效地去除噪声、提高图像质量,更高精度地还原现在通用的人工提取效果。     

南极格罗夫山核心区冰下地形测绘

格罗夫山地区位于中山站和冰穹A之间,是中国进行南极内陆科学综合考察的重点区。我们先后组织过5次格罗夫山地区的考察工作,开展了地质构造、古气候环境、陨石、冰盖运动监测、基础测绘和气象观测等多学科考察研究。2010年中国第26次南极科学考察期间,格罗夫山考察队利用专业探地雷达对格罗夫山东部核心区进行了冰下地形测绘工作。本文利用野外采集的测量数据(GPS/GPR数据),经数据处理后,利用专业的制图软件Corel Draw首次绘制出了格罗夫山核心区两幅冰下地形图,初步揭开了这一区域冰原岛峰冰下的地貌形态,对于今后研究整个格罗夫山地区真实的基岩地貌和可能存在的上新世古冰下沉积盆地具有探索性意义。本文还对哈丁山-萨哈罗夫岭间横截面进行分析,发现这两个冰原岛峰之间的槽谷形态已经发育成熟。     

基于Landsat-8的东南极达尔克冰川季节性表面消融信息提取

冰盖表面消融是气候变化和全球变暖的敏感指示剂。冰雪消融会降低地表反照率进而影响全球能量平衡,表面融水会加剧裂隙的传播,降低冰架稳定性进而影响冰盖物质平衡。当前,高时空分辨率消融区分布数据的缺乏限制了南极冰盖消融发生机理和时空特征的深入探索。围绕南极冰盖大范围消融区(蓝冰、湿雪和融水)的提取研究,提出了一种基于改进的冰雪归一化消融指数(Modified Normalized Difference Water Index Adapted for Ice, MND WI_(ice))的消融区自动提取方法,采用2016年9月—2017年4月18景30 m分辨率的Landsat-8数据,获取了消融区自动提取的MND WI_(ice)阈值,并以东南极达尔克冰川为例,实现了高空间分辨率的季节性消融信息提取和分析。结果表明:在云和地形阴影干扰较小的情况下,基于Landsat-8反射率数据计算的MND WI_(ice)采用单一阈值(0.136)对消融区的提取精度在67.7%—94.2%之间,平均精度为81.5%;达尔克冰川消融面积、消融区MND WI_(ice)均值表现出明显的季节性时空变化特征;消融发生的时间不晚于Landsat-8数据观测的最早时间(9月7日);消融最早出现和主要分布区在地形下降剧烈的东部接地线处。     

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。