基于短周期地震仪内置GPS位置数据的东南极冰流速测定

冰川表面流速是冰川和冰盖的基本特征,冰流速的测定对于南北极冰盖物质平衡估算至关重要.常见的冰流速测定方法包括采用花杆、雪坑及现场GPS地面测量以及遥感测量法.地面GPS测量技术具有高精度优点,然而目前南极大陆冰盖地面GPS监测点覆盖较少;基于遥感测量技术的冰盖表面流速测量其分辨率和精度较低.短周期地震仪内置的导航级GPS接收器记录的位置数据,尽管其精度不如大地测量GPS的位置精度,但是可以通过在足够长的时间内采集的导航级GPS数据来准确测量冰流速.本文利用中国第36次南极科学考察期间被动源地震观测时获得的导航级GPS位置信息,准确的对东南极拉斯曼丘陵冰盖和泰山站区冰盖运动特征进行了追踪.结果表明,两地的冰盖基本都向西偏北运动,且月均位移大小约1m;本文在泰山站区的结果与通过大地测量GPS结果基本吻合,说明利用短周期地震仪内置GPS位置信息进行冰盖运动特征的追踪是可行的.靠近中山站的拉斯曼丘陵局部冰流复杂,本文获得的间距200m的测量结果有助于认识该冰流.总之,本文结果对于冰盖动力学研究、冰川质量平衡研究和在地震成像中评估由冰盖流动带来的系统误差具有重要意义.     

基于ICESat轨道交叉点分析的东南极Lambert-Amery系统当前高程变化特征分析

南极冰盖物质平衡仍然是全球海平面变化估计的最大不确定因素.本文使用2003～2007年ICESat/GLAS获取的高精度冰盖测高数据,利用我们开发的高精度高程变化提取程序,首次获取了东南极最大冰流系统-Lambert-Amery地区在ICESat卫星轨道交叉点处的高程变化序列.依据冰川动力学原理,对该流域进行详细划分,...     

利用CryoSat-2波形数据建立南极Lambert冰川流域DEM

Lambert冰川-Amery冰架系统是南极冰盖最大的冰流系统之一,对南极冰盖物质平衡研究有着重要的作用.数字高程模型(DEM)是进行南极冰盖研究的基础.本文基于CryoSat-2 L1b波形数据,研究建立了Lambert冰川流域高分辨率DEM.测高卫星返回波形在冰盖区域存在变形,需进行波形重跟踪处理.利用交叉点分析方法对重心偏移法(OCOG)、阈值法和β参数法等常用的波形重跟踪方法对不同类型的CryoSat-2波形的适用性进行了研究.最后,利用克里金插值方法建立了500 m分辨率的Lambert冰川流域DEM——LAS DEM (Lambert Glacier-Amery Ice Shelf system DEM).利用ICESat卫星测高数据和GPS地面实测数据对LAS DEM进行精度验证,并与另外两种基于CryoSat-2数据的南极DEM进行了对比.结果表明:LAS DEM的整体精度约为0.295±2.7 m,优于另外两种CryoSat-2 DEM;在冰盖内陆地区,LAS DEM的高程误差在2 m之内;在Amery冰架上,LAS DEM的精度优于1 m.     

基于GRACE RL06数据监测和分析南极冰盖27个流域质量变化

本文基于CSR最新公布的GRACE RL06版本数据,采用Slepian空域反演法估算了南极冰盖27个流域的质量变化.Slepian空域反演法结合了Slepian空间谱集中法和空域反演法的技术优势,能够有效降低GRACE在小区域反演时信号出现的严重泄漏和衰减,进而精确获得南极冰盖在每个流域的质量变化.相对于GRACE RL05版本数据,RL06在条带误差的控制上要更加优化,获得的南极冰盖质量变化时间序列也更加平滑,但在趋势估算上差别并不明显(小于10Gt/a).本文的估算结果显示:在2002年4月至2016年8月期间,整个南极冰盖质量变化速率为-118.6±16.3Gt/a,其中西南极为-142.4±10.5Gt/a,南极半岛为-29.2±2.1Gt/a,东南极则为52.9±8.6Gt/a.南极冰盖损失最大的区域集中在西南极Amundsen Sea Embayment(流域20-23),该地区质量变化速率为-203.5±4.1Gt/a,其次为南极半岛(流域24-27)以及东南极Victoria-Wilkes Land (流域13-15),质量变化速率分别为-29.2±2.1Gt/a和-19.0±4.7Gt/a,其中Amundsen Sea Embayment和南极半岛南部两个地区的冰排放呈现加速状态.南极冰盖质量显著增加的区域主要有西南极的Ellsworth Land(流域1)和Siple Coast(流域18和19)以及东南极的Coats-Queen Maud-Enderby Land (流域3-8),三个地区质量变化速率分别为17.2±2.4Gt/a、43.9±1.9Gt/a和62.7±3.8Gt/a,质量增加大多来自降雪累积,比如:Coats-Queen Maud-Enderby Land在2009年和2011年发生的大规模降雪事件,但也有来自冰川的增厚,如:Siple Coast地区Kamb冰流的持续加厚.此外,对GRACE估算的南极冰盖质量变化年际信号进行初步分析发现,GRACE年际信号与气候模型估算的冰盖表面质量平衡年际信号存在显著的线性相关关系,但与主要影响南极气候年际变化的气候事件之间却不存在线性相关关系,这说明南极冰盖质量变化的年际信号主要受冰盖表面质量平衡的支配,而气候事件对冰盖表面质量平衡的影响可能是复杂的非线性耦合过程.     

1961~2016年全球变暖背景下冰川物质亏损加速度研究

过去几十年间,全球冰川物质亏损的加速趋势日益显著,而这种加速趋势将对全球海平面上升、流域水资源以及冰冻圈灾害等方面产生深远的影响.针对目前关于冰川物质亏损加速度的研究仍然比较贫乏的问题,本研究利用实测冰川物质平衡记录和最新的融合实测资料与大地测量法表面高程变化的冰川物质变化数据,对全球冰川物质亏损加速度进行研究.结果表明,1961~2016年全球冰川物质亏损经历了显著的加速过程.在全球尺度上,冰川物质亏损加速度分别为(5.76±1.35)Gt a^-2(冰量损失加速度)和(0.0074±0.0016)m w.e.a^-2(单位面积冰量损失加速度).在区域尺度上,冰川主要分布区(除南极冰盖边缘地区)的冰量损失加速度大于冰川储量较小的区域,其中阿拉斯加地区的冰量损失加速度最大((1.33±0.47)Gt a^-2).对单位面积冰量变化而言,冰川分布面积较小的区域和几个主要冰川分布区都呈现出较大的冰川消融加速度,其中欧洲中部的冰川单位面积物质亏损的加速度最大((0.024±0.0088)m w.e.a^-2).全球气候变暖是冰川物质亏损加速的主要驱动力.通过对比研究,发现格陵兰冰盖和南极冰盖对全球海平面上升贡献的加速度均大于冰川.本研究将有助于提升对冰川变化机理的认识,为应对冰川变化的影响提供科学依据.     

基于远震接收函数的南极大陆冰盖厚度研究

冰盖厚度是研究南极冰盖质量、建立冰盖动力学模型的基本参数,对于冰川均衡调整、冰盖物质平衡及全球气候变化研究具有重要意义.基于地震学的远震接收函数和H-Kappa格网搜索方法可以用于地震台站下方冰盖厚度的可靠探测,不仅能与冰雷达获得的冰盖厚度进行独立对比,还可以与冰雷达方法相互补充,进一步填补南极大陆冰盖厚度探测空白区.本文利用布设于南极大陆冰盖上方的流动地震台阵记录到的远震波形数据,基于接收函数方法对台阵下方的冰盖厚度进行了研究.结果显示:基于远震接收函数方法的冰盖厚度与Bedmap2冰厚格网模型相比,二者差别大多在200 m以内;少数台站差值达到600 m左右,这一差别可能与Bedmap2测线分布空区、冰雷达测深不确定性以及冰盖内部复杂波速结构等因素有关.本文研究结果表明:利用南极大陆冰盖上方的流动地震台阵,基于远震接收函数方法可以获得比较可靠的南极冰盖厚度,为独立验证冰雷达的探测结果并弥补冰雷达探测空白区提供了有效方法.同时,部分台站接收函数波形的复杂性可能暗示了南极大陆数千米厚的冰盖内部结构不是均一的,仍然存在比较复杂的内部结构变化.因此,有必要进一步利用包括接收函数波形拟合、地震面波反演等方法对南极大陆冰盖厚度及其内部精细结构进行更为深入的研究.     

冰川均衡调整对南极冰质量平衡监测的影响及其不确定性

本文研究了新的全球冰川均衡调整(GIA)模型对南极冰盖质量平衡监测的影响,考虑现有冰川负荷模型和地幔黏滞度模型的差异,完整评估了结果的不确定性,最后结合GRACE和卫星测高的结果进行了对比分析.结果表明,GIA对GRACE监测的等效水柱变化有重大影响,较大的GIA影响出现在西南极,沿罗斯冰架-卡姆布冰流-罗尼冰架-南极...     

联合GRACE和ICESat数据分离南极冰川均衡调整(GIA)信号

2002年发射的GRACE重力卫星为南极冰盖质量平衡提供了一种新的测量方式,但由于南极GIA模型的不确定较大,进而影响GRACE结果的可靠性.本文联合2003—2009年的GRACE和ICESat等数据实现了南极GIA信号的分离,联合方法所分离的GIA不依赖于不确定性很大的冰负荷等假设模型,而是直接基于卫星观测数据估算而来的,具有更大的可靠性.在分离过程中,本文提出了冰流速度加权改正法和GPS球谐拟合改正法对GIA结果进行精化,同时引入了南极GPS观测站的位移数据对分离的GIA进行详细的评估和验证,GPS验证表明经过冰流速度加权和GPS球谐拟合双改正后的GIA结果精度明显得到提高.最后本文利用所分离的GIA对GRACE和ICESat结果进行了改正,得到2003—2009年南极冰盖质量变化的趋势为-66.7±54.5 Gt/a(GRACE)和-77.2±21.5Gt/a(ICESat),相比采用其他的GIA模型,本文的GIA结果使GRACE和ICESat这两种不同观测技术得到的南极冰盖质量变化结果更加趋于一致.     

南极Lambert, Mellor和Fisher冰川的物质平衡及Amery冰架底部物质通量的估算

利用现场观测与遥感数据对Lambert, Mellor和Fisher冰川的物质平衡及其在Amery冰架的底部融化与冻结状况进行了估算. 结果表明, 澳大利亚组织的Lambert冰川盆地(LGB)考察路线的上游地区, Lambert与Mellor冰川分别为(3.9±2.1)和(2.1±2.4) Gt·a^-1的正平衡, 而Fisher冰川基本处于平衡状态. 上游地区总的正平衡为(5.9±4.9) Gt·a^-1. 考察路线以下, 3条冰川均处于负平衡, 总的负平衡为(-8.5±5.8) Gt·a^-1. 整个Lambert, Mellor和Fisher冰川均接近于平衡状态. 3条冰川总净平衡为(-2.6±6.5) Gt·a^-1. 前人认为GL线(1970年代初澳大利亚在LGB建立的冰川运动观测点的连线)以上的内陆盆地处于显著正平衡, 可能是因为过高地估算了总积累量, 并低估了穿过GL线的冰通量. 靠近Amery冰架南端着地线, 冰架底部的平均融化速率为(-23.0±3.5) m冰·a^-1, 向下游方向快速减小, 并在距冰架最南端约300 km处过渡为底部冻结. 沿3条冰川在Amery冰架的冰流带(flowband), 冻结速率约介于(0.5±0.1)~(1.5±0.2) m 冰·a^-1. 由于冰流带底部的融化, 流入冰架的内陆冰损失了大约80%±5%. 3条冰流带底部总融化和总冻结分别为(50.3±7.5)和(7.0±1.1) Gt 冰·a^-1, 这要比前人通过模拟和海洋观测估算的整个Amery冰架底部总融化和总冻结还要大很多.     

利用黏弹性有限元模型研究挪威北海北部地区末次冰期以来的冰后回弹和应力演化

挪威北海北部在末次冰期存在较大范围的冰盖,其冰盖的加载和卸载会对地表变形和内部应力调整产生重要影响.本文基于Maxwell黏弹性本构关系,根据初应力法自主开发了一套Maxwell黏弹性体有限元程序,它可以考虑重力和构造加载、地球介质弹性的纵向和横向不均匀性以及黏性的分层性,可以计算冰川载荷变化引起的地球表面变形及内部应力状态的变化.利用它研究了挪威北海北部1.1 Ma以来的冰川载荷变化、特别是两万多年以来冰盖的消退引起的地表冰后回弹.结果表明,自2万年以来,冰后回弹效应在冰盖载荷变化的不同阶段呈现明显的时空变化,现今地表垂直变化速率为几个毫米/年,与观测结果一致.下地壳和上地幔的黏弹性松弛效应明显,上地壳的应力状态在现今海岸线两侧存在差异性,水平和垂直正应力变化可达几十兆帕,剪应力变化有一个先增加后迅速减小至零的过程,与古地震、现今地震时空分布及应力测量结果也比较符合,研究结果有助于加深对冰后回弹的动力学过程的认识.     

南极冰盖物质平衡最新研究进展

探明南极冰盖物质平衡状况,对研究全球变暖背景下海平面变化具有重要意义,也是南极冰川学的重要基础工作.在ITASE计划(International Trans Antarctic Scientific Expedition)和ISMASS计划(Ice Sheet MassBalance and Sea Level)的指导下,各国科学家对南极几个主要流域进行了大范围的实地观测,获取了一些重要成果.此外,由于极地测高卫星和重力卫星的应用,南极冰盖整体物质平衡状况评估在近期得到长足发展.无论是实地研究还是卫星遥感,都有其局限性,两者结合可以弥补各自的缺陷,是未来研究的主要发展方向,但目前仍未引起足够的重视.因此,本文综述了南极冰盖物质平衡研究的最新研究进展,将有关研究分局域和洲际尺度进行了介绍,并对国内的研究提出建议.     

利用ICESat数据确定格陵兰冰盖高程和体积变化

两极冰盖消融是造成海平面上升的重要原因,作为世界第二大冰盖,格陵兰冰盖消融速度在进入21世纪以后明显加快,引起了广泛关注.本文利用ICESat卫星激光测高数据,探讨了坡度改正的方法,通过改进平差模型解决了病态问题,并采用重复轨道方法计算了2003年9月至2009年10月间格陵兰冰盖的体积和高程变化趋势,对格陵兰冰盖各冰川流域系统的变化情况进行了详细分析.结果表明,格陵兰冰盖在这6年间平均高程变化趋势为-16.79±0.84cm·a^-1,体积变化速率为-301.37±15.16km^3·a^-1,体积流失主要发生在冰盖边缘,其中DS1、DS8等流域的体积损失正在加剧,而高程在2000m以上的冰盖内陆地区表现出高程积聚的状态,但增长速度明显减缓.与现有研究成果的对比表明,算法优化后的本文结果更具可靠性.     

南极冰盖内部结构特性研究——基于三维各向异性电磁波时域有限差分方法

冰雷达技术已成为目前探测南极冰盖内部结构的主要技术手段.近年发展起来的多极化雷达技术可根据不同方向雷达反射功率的变化推断冰盖内部冰晶组构特征和变化规律,进而推断冰盖内部应力应变历史,这对于理解冰流机制和动力过程以及解释冰盖过去、现在和未来的变化规律具有非常重要的作用.本文从Maxwell方程出发,推导出适于介电常数各向异性的三维电磁波时域有限差分方程,进而建立模型模拟各向异性介质的响应输出及其时空分布特征.模拟结果表明： (1) 电磁波在各向异性介质中传播时,波前面为椭圆形,长轴位于介电常数小的主轴方向; (2) 横向各向异性介质反射波振幅在水平面内具有180°的变化周期.通过对现场常用三种天线装置类型模拟对比分析发现,不同天线类型各向异性层底界面反射波存在“时差”现象,并且时差大小和正负与上下层介电常数差异以及同层各向异性差异有关.在模拟计算的基础上,作者讨论了由于介电常数各向异性导致的“时间延迟”和水平面内振幅“周期性变化”的原因.模拟结果和结论对于南极冰盖冰雷达数据处理和解释工作具有指导意义.     

利用ICESat数据解算南极冰盖冰雪质量变化

南极冰盖冰雪质量变化反映了全球气候变化,并且直接影响着全球海平面变化.ICESat测高卫星的主要任务之一就是要确定南北两极冰盖的质量变化情况并评估其对全球海平面变化的影响.本文利用2003年10月至2008年12月的ICESat测高数据,针对南极DEM分辨率有限的特殊性,通过求解坡度改正值,解决重复轨道地面脚点不重合的问题,计算了南极大陆(86°S以北区域,后文所述南极冰盖均不包括86°S以南区域)在这5年里的冰雪质量变化情况,得到东南极冰盖的质量变化为-18±20Gt/a,西南极-26±6Gt/a,南极冰盖的冰雪质量变化为-44±21Gt/a,对全球海平面上升的影响约为0.12mm·a~(-1).解算结果表明,南极冰盖质量亏损主要集中在西南极阿蒙森海岸附近冰川以及东南极波因塞特角区域.     

东南极Lambert冰盆-Amery冰架区域雪面相对高程变化的精确监测

采用自动气象站对东南极冰盖Lambert冰盆-Amery冰架雪面相对高程(SSH)变化进行了连续监测, 通过Argos卫星传输的逐时数据精确分析了冰盖LGB69地点和Amery冰架G3地点SSH的年内变化过程. 2002年2月至2003年1月一个整年资料得出, LGB69全年积累量为0.68 m, 与花杆网阵所得结果接近. 10月至次年4月南极夏季为主要积累期, 占全年SSH变化量的101.6%; 5~9月南极冬季期间雪面高度几无变化, 雪层密实化作用使之略有下降, 为全年SSH变化量的−1.6%. LGB69和G3雪面上升主要由雪面突升事件导致, 而且在LGB69较G3更频发. G3点每年有2~3次雪面突升事件, 均发生在夏季, 1999~2002年共发生8次明显突升事件. 2002年LGB69点4次突升事件均伴随空气湿度增加和太阳总辐射下降, 说明因降水过程导致. 下降风对LGB69点SSH变化有正向作用, 主要积累期风速的增大伴随着积雪增加, 大于7 m/s的吹雪临界风速引起表面高程的显著增加. 因大风天气有时伴随降水过程, 目前尚难于精确计算吹雪再堆积在全年物质积累中的百分比, 但估计其贡献率在35%以上.     

基于多源空间测量技术的南极冰下湖研究进展

冰下湖是南极冰盖底部地形环境的重要组成部分,其存在对冰盖物质平衡及稳定性、全球气候和海平面变化有重要的影响.近50年来,随着多种探测技术的发展,南极冰下湖的研究取得了显著的进展.本文总结分析了南极冰下湖的研究进展,重点介绍了动态冰下湖和冰下水系的发现过程和研究意义.并在此基础上,对南极冰下湖研究领域的一些主要成果及基于大地测量手段开展冰下湖研究进行了详细评述.提出监测冰下融水迁移的可行性方案,并评述了其实现途径.     

藏南冰前湖枪勇错近百年沉积速率变化及冰川进退反演

青藏高原上分布着大量的大陆性冰川,其对区域及全球气候变化响应极其敏感.工业革命以来,随着全球升温速率加快(特别是北半球),青藏高原部分地区的冰川在近百年显著退缩.冰前湖沉积物是最直接的冰川变化记录载体之一,但其沉积速率如何响应冰川及气候变化,能否反演冰川进退过程却知之甚少.本文依据~(210)Pb和~(137)Cs限定藏南冰前湖枪勇错QY5沉积岩芯的年龄,计算出不同深度沉积物的沉积速率,且与前人(QY-3)的沉积速率进行对比,揭示了近百年来枪勇错流域冰川变化历史及其与气温之间的关系.结果表明,枪勇错QY5近百年来的平均沉积速率为0.21 cm/a,比湖心(QY-3)快2倍左右,但两者的变化基本同步,高沉积速率对应温度上升期,是冰川退缩的直接响应:(1)1900—1960年,枪勇错沉积速率整体增加且变幅较大,与1890—1950年之间西藏温度波动式升高相对应,反映枪勇冰川总体处于退缩状态;(2)1960—1985年,沉积速率低且变幅较小,同期气温下降,枪勇冰川退缩程度相对较低且保持平稳;(3)1985年以来,枪勇错沉积速率呈上升趋势,是全球增暖下冰川显著退缩的直接响应.在短时间尺度内冰前湖沉积速率所揭示的枪勇冰川变化主要受控于温度,降水量对冰川变化的影响较小,但冰川对温度变化的响应滞后5～10 a.由于全球变暖和冰川对温度响应的滞后,在未来几十年高原冰川的融化速率可能会加快,亚洲水塔将面临着新的挑战.     

东南极昆仑站周边沿“中国墙”的冰厚和冰下地形分布（英文）

冰厚和冰下地形是南极冰盖的基本特征参数,是南极冰盖底部环境和物质平衡研究的基础。2007/08年,中国第24次南极科学考察期间,运用深部探测冰雷达系统,在东南极位于Dome A区域的我国南极昆仑站周边,开展了沿"中国墙"的冰厚和冰下地形探测。结果显示:沿"中国墙"的冰厚主要分布在1600m-2800m之间,冰厚最大达到3444m,最小为1255m;冰下地形平均高程为1722m,但是最低仅有604 m;相较于分冰岭北侧,分冰岭南侧冰厚较大,冰下地形较低,并且发育了4个明显的冰下深谷。不过,没有发现Gamburtsev冰下山脉区域典型的冰底再冻结现象以及冰下湖和水体的存在。Bedmap 2中沿"中国墙"的冰厚和冰下地形数据与冰雷达测量结果存在一致性,但是分辨率和在冰下地形起伏剧烈区域的准确性上非常有限。通过冰雷达探测得到的沿"中国墙"的冰厚和冰下地形分布,进一步揭示了这一"不可接近区域"的冰盖特征,对于Dome A区域冰盖动力学研究和未来针对Gamburtsev冰下山脉的地质钻探以及深冰芯钻探选址具有重要参考价值。     

南极冰盖物质平衡变化的卫星遥感监测现状与发展趋势

南极冰盖物质平衡对全球海平面变化影响巨大,提高南极冰盖物质平衡估算精度对实现全球海平面变化趋势准确预测至关重要.卫星遥感技术的发展,特别是极地卫星对南极冰盖系统监测能力的提升,有助于认识、保护和利用南极,解决极地科学国际前沿难题.揭示南极冰盖对全球气候环境的响应及其反馈机制,对深化人类对南极的科学认知也具有重要意义.本文首先系统总结了用于南极冰盖监测卫星的发展现状及现有的卫星遥感数据产品序列,然后讨论了运用遥感卫星监测南极物质平衡的主要方法和研究进展,并对南极卫星遥感技术的最新进展进行了分析.最后在我国极地遥感卫星发展方面提出了建议,旨在进一步提升我国对极地冰盖变化和全球海平面上升的长期观测及预测能力,为相关应对策略的制定提供有力的科学支撑.     

东南极冰盖伊丽莎白公主地中国泰山站站址所在区域的冰厚、内部等时层、表面和冰下地形（英文）

中国第21次(2004/2005,CHINARE 21)和第29次(2012/2013,CHINARE 29)南极科学考察在东南极冰盖伊丽莎白公主地中国泰山考察站站址所在区域,通过探地冰雷达和GPS进行了两次地球物理探测。使用中心频率分别为60MHz和150MHz的冰雷达探测,首次(2004/2005)获得该地区的冰厚与冰内部等时层结构。GPS观测显示以泰山站站址为中心约2km×2km范围内的冰盖表面地形起伏很小,海拔为2607-2636m。冰盖雷达断面显示该区域的平均冰厚为1900m,最大冰厚为1949m,最小冰厚为1856m。在泰山站站址下方冰厚为1870m。冰盖表面高程与冰厚数据联合分析发现该地区的冰下地形相对起伏剧烈,海拔为662-770m,反映出冰下地形为山地地貌。该2km×2km测量网格下方的冰量为7.6km3。60MHz冰雷达数据给出一条长17.6km,穿越泰山站的冰盖断面内部等时层结构图。从中识别分析出一些内部等时层,结果表明该处的冰盖内部等时层受到了冰流的扰动,内部等时层的几何形态暗示了泰山站所处的冰盖下方很可能经历了一个复杂的沉积过程。