冰盖消融的海平面指纹变化及其对GRACE监测结果的影响

全球变暖背景下的冰盖消融以及由此带来海平面上升日益明显，直接影响地球表面的陆地水质量平衡，以及固体地球瞬间弹性响应，研究冰盖质量变化的海平面指纹能够帮助深入了解未来海平面区域变化的驱动因素.本文基于海平面变化方程并考虑负荷自吸效应（SAL）与地球极移反馈的影响，借助美国德克萨斯大学空间研究中心（Center for Space Research，CSR）发布的2003年到2012年十年期间的GRACE重力场月模型数据（RL05），结合加权高斯平滑的区域核函数，反演得到格陵兰与南极地区冰盖质量变化的时空分布，并利用海平面变化方程计算得到了相对海平面的空间变化，结果表明：格陵兰与南极冰盖质量整体呈明显的消融趋势，变化速率分别为-273.31 Gt/a及-155.56 Gt/a，由此导致整个北极圈相对海平面降低，最高可达约-0.6 cm·a^-1；而南极地区冰盖质量变化趋势分布不一，导致西南极近海相对海平面下降，而东南极地区近海相对海平面上升，最高可达约0.2 cm·a^-1.远离质量负荷区域的全球海平面以上升趋势为主，平均全球相对海平面上升0.71 mm·a^-1，部分远海地区相对海平面上升更加突出（例如北美与澳大利亚），高出全球平均海平面上升速率将近30%.此外，本文也重点探讨了GRACE监测冰盖消融结果中由于极地近海海平面变化导致的泄漏影响，经此项影响校正后的结果表明：海平面指纹效应对GRACE监测格陵兰与南极地区2003-2012期间整体冰盖消融速率的贡献分别为约3%与9%，建议在后期利用GRACE更精确地估算研究区冰盖质量变化时，应考虑海平面指纹效应的渗透影响.     

1994-2014年南极沿岸验潮站海平面绝对变化确定与分析

鉴于卫星测高技术在南极周边海域会受到海面浮冰影响,且在利用测高序列分析海平面周期性动态变化时还会受到潮汐周期混叠效应的影响,为此,本文开展了基于GPS和验潮数据联合的南极大陆附近海域从1994-2014年间海平面的绝对变化研究.研究结果显示：在围绕南极大陆及附近海域的15个验潮站中,海平面绝对变化速度最大的是Diego Ramirez验潮站,达到11.10±0.04 mm·a^-1;在西南极南极半岛的德雷克海峡,海平面变化最为活跃,变化均值在8.31±0.05 mm·a^-1;在东南极,从Syowa站依次到Casey站,海平面的绝对变化速度相对平稳,四个潮位站海平面变化均值为3.35±0.04 mm·a^-1;在罗斯冰架右下侧的罗斯岛附近,由于冰川崩解入海导致Scott Base站处的海平面上升速度较快,达到了9.61±0.07 mm·a^-1.综合15个验潮站计算结果可得南极半岛德雷克海峡和罗斯岛附近海域,海平面绝对变化速度要高于同期南大洋海平面绝对变化速度,而东南极4个潮位站海平面绝对变化均值则与其相当.这也进一步反映了南极不同海域间海平面变化的差异性,相比较于对南大洋海平面变化的一个整体研究,分区研究海平面变化更具针对性,能更好地了解南极不同区域冰盖、冰架崩解和消融的情况.     

全球平均海平面上升的瞬时速率

在确定海平面上升速率时，传统方法是利用最小二乘拟合获取特定时间段内的平均速率.事实上，由于海平面是一种非稳态变化，其速率随着时间变化.本文使用集成经验模态分解获取海平面变化在2002-2014年间的非线性趋势，然后通过三次样条函数平滑拟合非线性趋势得到连续的一阶导数，即为海平面变化的瞬时速率.结果表明，全球平均海平面的瞬时速率先降后升：从2002的2.7 mm·a^-1缓慢下降至2010年的2.5 mm·a^-1，然后上升至2014年的3.8 mm·a^-1.通过分析海平面上升各个贡献成分的瞬时速率，发现该上升主要由海水质量增加引起.在2002-2014年间，格陵兰岛冰川消融对海平面上升瞬时速率的贡献从0.51 mm·a^-1上升至0.85mm·a^-1，南极冰川消融的贡献则从0.12 mm·a^-1上升至0.34 mm·a^-1.陆地水储量对海平面上升起抑制作用，但该抑制作用呈下降趋势，其瞬时速率从-0.24 mm·a^-1增加到0.03 mm·a^-1.比容海平面的瞬时速率表现为下降趋势，从1.6 mm·a^-1减小至1.0 mm·a^-1.这表明在全球尺度上，海水质量对海平面上升的贡献正在增加，截止到2014年，海水质量的贡献已经接近70%.     

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.     

利用GRACE卫星重力数据监测关中地区地下水储量变化

关中地区作为一带一路重要的工农业发达地区之一，开展针对该地区地下水储量变化的监测和分析工作对揭示地下水储量变化特征与经济社会发展具有重要现实意义.本文基于2003—2014年GRACE卫星重力场模型数据，采用组合滤波及单一尺度因子方法反演了关中地区陆地水储量变化，扣除GLDAS地表水平均结果，对关中地区地下水储量变化进行了监测分析.将陆地水储量变化与GLDAS进行相关性分析，将地下水储量变化与WGHM地下水模型及实测地下水位结果进行对比分析.研究结果表明：①关中地区陆地水变化与GLDAS模型结果具有较强的相关性，相关系数多数大于0.7，其中与模型平均结果的相关系数可达0.8.② 2003—2008年关中地区地下水呈正增长趋势，增加速率为0.25 cm·a^-1，与同期实测数据变化趋势一致；但2003—2013年地下水存在长期亏损，亏损速率为-0.37 cm·a^-1等效水高，这与同时期WGHM估算结果-0.35 cm·a^-1十分吻合.③关中地区地下水存在明显的年变化特征，在2003—2014年期间地下水减少速率为-0.44 cm·a^-1，与该地区降雨量有较好的一致性，在降雨偏少的2008、2012和2013年，地下水也显著减少.     

利用GRACE时变重力场反演青藏高原的隆升速率

青藏高原隆升对中国、亚洲乃至世界的气候都有着重要影响,研究青藏高原地壳隆升速率具有重大意义.本文利用2004—2015年期间高覆盖度的卫星重力数据,通过去除陆地储水的重力效应获得地壳隆升引起的重力变化速率,基于直立长方体垂直运动与重力变化的关系模型反演了该区域的地壳隆升速率分布.研究结果表明在300 km的空间尺度下青藏高原隆升速率分布具有不均匀的特点,表现为以冈底斯山—唐古拉山—鲜水河断裂带为界线,其两侧的速率差异较大.位于界线以南,沿喜马拉雅推覆构造带的区域平均隆升速率为2.01±0.87 mm·a^-1,其中西侧的印度板块与东侧的缅甸板块隆升速率分别为~2.43 mm·a^-1、~2.89 mm·a^-1,位于两板块之间的区域隆升速率为~0.69 mm·a^-1;位于界线以北,除了天山区域和华北板块的隆升速率为~1 mm·a^-1,其他区域隆升现象不明显,其速率为~0 mm·a^-1.我们发现存在两条均穿过正断裂带区域的隆升速率梯度带,其中一条为从加德满都到塔里木盆地,其恰好穿过青藏高原内部的正断裂带,另一条为从那加山到四川盆地,其恰好穿过大理正断裂带.本文反演的青藏高原隆升速率与以往观测到的GPS结果有很好的一致性,为青藏高原隆升、地壳增厚等科学问题提供理论支持.     

东昆仑断裂滑动速率变化及其对2017年九寨沟地震的应力加载

为了解东昆仑断裂活动对2017年8月8日九寨沟M_S7.0地震的影响，本文选取1999-2007年、2013-2017年GPS速度场作为约束，基于块体-位错模型反演计算东昆仑断裂两个时间段的块体运动速率、断裂滑动速率和滑动亏损率，并进一步研究青藏高原东缘最大剪应变率场和九寨沟震区的震间库仑应力累积速率.结果显示，东昆仑断裂中西段左旋走滑速率较高，东段走滑速率较低，自西向东逐步递减，存在明显的梯度.在两个时间段，阿坝块体刚性运动的方向顺时针偏转0.2°，运动速率由12.22 mm·a^-1增大到15.96 mm·a^-1；东昆仑断裂左旋走滑速率升高，其中西段较为明显（升高约1.2±0.3 mm·a^-1）；东昆仑断裂东段闭锁深度和闭锁程度增加；2013-2017年，东昆仑断裂滑动引起的九寨沟震区库仑应力累积速率是1999-2007年的3倍，最大剪应变率也明显升高.因此本文认为：2008年汶川地震和2013年芦山地震后，龙门山断裂部分解锁，阿坝地块活动性增强，东昆仑断裂滑动速率增大，导致九寨沟震区库仑应力加载速率增加，加速了九寨沟地震的孕育过程.     

海原断裂带老虎山段晚第四纪滑动速率精确厘定与讨论

如何准确测定断裂滑动速率是近年来活动构造研究的前沿与热点.随着高精度地形数据获取手段与第四纪测年方法的不断进步，位错量和地貌面年龄的精度均得到大大提高.在进行滑动速率计算时还要考虑地质过程是否合理，蒙特卡洛方法为获取更加符合地质过程的滑动速率提供了重要工具.本文以滑动速率研究程度较低的海原断裂带老虎山段为例，基于LiDAR高精度地形数据，测得T1—T4阶地面年龄分别为1~3 ka，9~11 ka，15~17 ka，40~45 ka，陡坎前缘的位错分别为7~14 m，28~36 m，59~66 m，180~190 m.综合多地点的左旋走滑位错量及不同时代的地貌面年龄数据，并考虑滑动历史，利用蒙特卡洛模拟方法，将位错-时间两个参数的不确定性定量化，限定老虎山断裂45 ka以来平均滑动速率为4.3±0.16 mm·a^-1，17ka以来的平均滑动速率为4.0±0.15 mm·a^-1，与前人研究得到的狭义海原断裂滑动速率4.5±1.0 mm·a^-1基本一致.综合整个海原断裂带滑动速率，本文结果更支持低滑动速率变化趋势，即海原断裂带整体滑动速率趋于稳定，向东至六盘山断裂，滑动速率开始降低，推测海原断裂带的左旋走滑在尾端主要为马东山—六盘山隆起所吸收.结合老虎山断裂历史地震资料和深部锁闭浅部蠕滑的动力学特征，推测老虎山断裂具备与相邻断裂一起触发强震的能力.     

日本MW9.0地震后沂沭断裂带两侧块体相对运动及对地震活动的影响

基于连续GPS数据，利用滑动块体模型研究了日本M_W9.0地震前后沂沭断裂带两侧块体连续的相对运动状态，并研究其对区域地震活动的影响，结果表明日本地震以来：1）两侧块体呈右旋走滑兼挤压状态，平均走滑、挤压速率分别为0.9±0.1 mm·a^-1和-0.7±0.1 mm·a^-1，相比日本地震之前，运动过程更具起伏特征，可能与日本地震前后俯冲带两侧板块间相互运动状态的改变有关；2）沂沭断裂带两侧地区地震活动频次N、总释放能量折算震级M、地震活动度S值、地震b值与两侧块体相对运动的相关系数分别为0.66、0.69、0.74、-0.6，T检验显示相关性显著.在研究区地震能量集中释放阶段两侧块体相对运动方向和研究区主压应力方向一致，相对运动速率和地震活动强度变化具有同步特征，两侧块体相对运动对区域地震活动具有控制作用；3）莱州序列和乳山震群的发生可能与两侧块体相对运动促进的局部区域应力调整有关.     

利用GRACE数据反演东海沉积物变化

GRACE卫星的成功发射为海底沉积物的监测提供了新的方法.利用2003-2014年间的GRACE RL05数据，采用同期的测高数据对海面高变化进行改正，使用水文模式数据和基于均一假设的尺度因子估计方法处理泄漏误差，反演了东海地区的沉积物变化情况，并对GIA效应进行了改正.结果表明：东海入海口处沉积物的平均变化速率为5.44±0.88 mm·a^-1，最大值出现在浙江沿海地区，变化速率为6~7 mm·a^-1；在空间分布上，呈现河口处沉积速率大，远离河口的大洋地区沉积速率小的特征.在时空分布上均与实测数据很好的吻合.沉积物变化时间序列的周年项振为6.8 cm，周年变化主要与东海泥沙扩散路径相关的海洋环流模式有关；半周年项和两周年项振幅分别为0.6 cm和0.7 cm，这两项变化主要与长江流域降水引起的土壤侵蚀变化有关.最后，分析讨论了本文沉积物监测方法推广到其他地区的适用性和局限性.     

基于偏移追踪的青藏高原卓琼冰川流速监测及成因分析

冰川作为地球系统中重要的组成部分,是全球气候变化的敏感指示器和调节器.冰川运动的遥感监测也是进行冰川研究的重要内容.本文主要采用偏移追踪的方法,利用2003-2010年期间7对雷达单视复数数据监测了青藏高原珠穆朗玛峰地区的卓琼冰川运动情况.经验证,本研究获得的冰川流速结果可靠.卓琼冰川的流向自西向东,流速自冰川末端向上游积累区逐渐增加,流速大小主要来自距离向的贡献.研究结果显示,卓琼冰川在2003-2005年期间流速较大,最大流速达到45 m·a~(-1),而在2005-2010年期间流速有所降低,最大流速在35~40 m·a~(-1)范围内波动;卓琼冰川年际间流速变化基本一致,冰川中部存在流速突变情况,突变幅度为3~7 m·a~(-1),但该尺度的突变并不会影响卓琼冰川的总体运动趋势.此外,本文还分析了气象以及地理位置因素对卓琼冰川运动的影响.     

青藏高原色林错流域区冰川消融对湖泊水量变化的影响

青藏高原大部分湖泊近年来持续扩张,湖泊水位和水量明显增加.冰川消融是流域水量平衡和水循环的重要影响因素,直接导致湖泊水量变化.由于缺乏大范围的冰川质量平衡观测结果,青藏高原冰川消融对湖泊水量变化的影响仍存在较大争议.本文选择青藏高原内流区的色林错流域区(水系编号5Z2)作为研究对象,利用SRTM DEM和TanDEM-X双站InSAR数据,精确估算该流域三个主要冰川区(普若岗日、格拉丹东和西念青唐古拉)2000—2012年的冰川质量平衡,依次为:-0.020±0.030、-0.128±0.049、-0.143±0.032m·w.e.·a~(-1).并据此采用面积加权法准确推估出5Z2流域的冰川质量变化为:-0.166±0.021Gt·a~(-1).综合ICESat和Cryosat-2卫星测高数据,计算该流域2003—2012年湖泊水量变化速率(3.006±0.202Gt·a~(-1)),并定量评估冰川质量变化对5Z2流域湖泊水量增加的贡献为:5.52%±1.07%,因此在青藏高原色林错流域区,冰川消融不是导致21世纪初期湖泊水位上升的主要因素.     

Complex kame belt morphology,stratigraphy and architecture

The development of glacier karst at the margins of melting ice sheets produces complex glaciofluvial sediment-landform assemblages that provide information on ice sheet downwasting processes. We present the first combined geomorphological, sedimentological and geophysical investigation of the Brampton Kame Belt, an important glaciofluvial depositional zone at the centre of the last British-Irish Ice Sheet. Ground-penetrating radar (GPR) data allow the broad scale internal architecture of ridges (eskers) and flat-topped hills (ice-walled lake plains) to be determined at four sites. In combination with sediment exposures, these provide information on lateral and vertical variations in accretion styles, depositional boundaries, and grain size changes. Building on existing work on the subject, we propose a refined model for the formation of ice-walled lake plains resulting from the evolution and collapse of major drainage axes into lakes as stable glacier karst develops during deglaciation. The internal structure of esker ridges demonstrates variations in sedimentation that can be linked to differences in ridge morphologies across the kame belt. This includes low energy flow conditions and multiple accretion phases identified within large S-N oriented esker ridges; and fluctuating water pressures, hyperconcentrated flows, and significant deformation within a fragmented SW–NE oriented esker ridge. In combination with updated geomorphological mapping, this work allows us to identify two main styles of drainage within the kame belt: (1) major drainage axes aligned broadly S-N that extend through the entire kame belt and collapsed into a chain of ice-walled lakes; and (2) a series of smaller, fragmented SW–NE aligned esker ridges that represent ice-marginal drainage as the ice sheet receded south-eastwards up the Vale of Eden. Our study demonstrates the importance of integrated geomorphological, sedimentological and geophysical investigations in order to understand complex and polyphase glaciofluvial sediment-landform assemblages. © 2019 John Wiley & Sons, Ltd. © 2019 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于GRACE/GRACE-FO和Swarm卫星研究2002-2020年南极和格陵兰岛冰盖质量时空变化

两极冰盖消融及其质量变化作为全球气候变化的重要指标之一,一直是联合国政府间专门气候委员会IPCC(Intergovernmental Panel on Climate Change)报告的重点关注内容.GRACE(Gravity Recovery and Climate Experiment,2002年4月-2017年...     

Recent advances in understanding ice sheet dynamics

Glaciers and ice sheets play a dynamic role in Earth's climate system, influencing regional- and global-scale climate and responding to climate change on time scales from years to millennia. They are also an integral part of Earth's landscape in alpine and polar regions, where they are an active agent in isostatic, tectonic, and Earth surface processes. This review paper summarizes recent progress in understanding and modelling ice sheet dynamics, from the microphysical processes of ice deformation in glaciers to continental-scale processes that influence ice dynamics. Based on recent insights and research directions, it can be expected that a new generation of ice sheet models will soon replace the current standard. Improvements that can be foreseen in the near future include: (i) the addition of internally-consistent evolutionary equations for ice crystal fabric (anisotropic flow laws), (ii) more generalized flow laws that include different deformation mechanisms under different stress regimes, (iii) explicit incorporation of the effects of chemical impurities and grain size (dynamic recrystallization) on ice deformation, (iv) higher-order stress solutions to the momentum balance (Stokes' equation) that governs ice sheet flow, and (v) the continued merger of ice sheet models with increasingly complex Earth systems models, which include fully-coupled subglacial hydrological and geological processes. Examples from the Greenland Ice Sheet and Vatnajökull Ice Cap, Iceland are used to illustrate several of these new directions and their importance to glacier dynamics.     

Modeled steric and mass-driven sea level change caused by Greenland Ice Sheet melting

Meltwater from the Greenland Ice Sheet (GIS) has been a major contributor to sea level change in the recent past. Global and regional sea level variations caused by melting of the GIS are investigated with the finite element sea-ice ocean model (FESOM). We consider changes of local density (steric effects), mass inflow into the ocean, redistribution of mass, and gravitational effects. Five melting scenarios are simulated, where mass losses of 100, 200, 500, and 1000 Gt/yr are converted to a continuous volume flux that is homogeneously distributed along the coast of Greenland south of 75°N. In addition, a scenario of regional melt rates is calculated from daily ice melt characteristics. The global mean sea level modeled with FESOM increases by about 0.3 mm/yr if 100 Gt/yr of ice melts, which includes eustatic and steric sea level change. In the global mean the steric contribution is one order of magnitude smaller than the eustatic contribution. Regionally, especially in the North Atlantic, the steric contribution leads to strong deviations from the global mean sea level change. The modeled pattern mainly reflects the structure of temperature and salinity change in the upper ocean. Additionally, small steric variations occur due to local variability in the heat exchange between the atmosphere and the ocean. The mass loss has also affects on the gravitational attraction by the ice sheet, causing spatially varying sea level change mainly near the GIS, but also at greater distances. This effect is accounted for by using Green's functions.     

The hydrochemistry of Lake Vostok and the potential for life in Antarctic subglacial lakes

Our understanding of Lake Vostok, the huge subglacial lake beneath the East Antarctic Ice Sheet, has improved recently through the identification of key physical and chemical interactions between the ice sheet and the lake. The north of the lake, where the overlying ice sheet is thickest, is characterized by subglacial melting, whereas freezing of lake water occurs in the south, resulting in ～210 m of ice accretion to the underside of the ice sheet. The accreted ice contains lower concentrations of the impurities normally found in glacier ice, suggesting a net transfer of material from meltwater into the lake. The small numbers of microbes found so far within the accreted ice have DNA profiles similar to those of contemporary surface microbes. Microbiologists expect, however, that Lake Vostok, and other subglacial lakes, will harbour unique species, particularly within the deeper waters and associated sediments. The extreme environments of subglacial lakes are characterized by high pressures, low temperatures, permanent darkness, limited nutrient availability, and oxygen concentrations that are derived from the ice that provides the meltwater. Copyright © 2002 John Wiley & Sons, Ltd.