基于Elmer/Ice冰盖模式的南极Gamburtsev山脉Lambert冰流区域的数值模拟研究

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。     

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。     

南极冰盖表面物质平衡实测技术综述

研究南极冰盖的物质平衡状况是研究冰盖与全球海平面变化关系的基础性工作,也对重建冰芯古气候记录有重要意义。积累率是冰盖物质平衡计算中最重要的收入项。大空间尺度上的表面物质平衡信息只能通过遥感技术来获取。但因存在多源误差,仅靠遥感手段,冰盖物质平衡的信息难以准确获取,这是南极冰川学面临的最大挑战之一。因此实测数据不可或缺。表面物质平衡的实地测量有多种方法,如花杆、超声高度计(雪深仪)、雪层物理／化学层位法(比如雪坑、冰芯／雪芯积累率恢复,探冰雷达连续测量冰内等时层结构等)。本文对南极冰盖表面物质平衡的实地测量技术做一概述,对每种方法的特点进行了比较和讨论。     

基于GIS的中山站至Dome A冰盖考察数据处理和信息提取

中山站至DomeA冰川学考察断面是国际ITASE计划的核心断面之一。首次利用GIS开展了该断面的数据处理与信息提取 ,采样点的布设与管理。介绍了ADD数字地图拼接与裁剪 ,野外数据和BEDMAP数据地理坐标投影变换的方法。利用ArcView内插等高线方法对GPS导航仪高程数据进行了校正。沿考察路线提取了BEDMAP的冰下基岩高程和冰厚度数据 ,以及冰盖表面的坡度与坡向数据。指出应进一步开展该断面以及兰伯特冰川盆地GIS应用研究。     

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。     

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。     

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。     

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。     

极地冰雪探测冰雷达技术发展回顾与展望

冰雷达是用于极地冰雪探测的主要技术手段,为研究极地冰雪的几何特征、内部结构、冰下地形地貌和冰底环境提供了重要的基础观测数据。20世纪50年代,人类首次发现特定频段的电磁波可以“穿透”南极冰盖,进而在60年代研制出用于极地冰盖冰下探测的冰雷达系统。之后60多年里,随着计算机、电子信息和卫星定位导航等技术的发展,冰雷达技术研究取得快速发展,形成了适用于极地冰盖、海冰及其上覆积雪不同探测需求的多样化冰雷达系统。本文在简要回顾了早期冰雷达技术发展的基础上,着重从极地冰盖深部探测、极地冰盖和海冰浅表层探测以及新型极地冰雪探测冰雷达技术3个方面,回顾总结了近10年来国内外主要进展。未来,为适应极地冰盖、海冰及其上覆积雪观测研究的多种需求,需要进一步提升冰雷达系统性能(探测深度、跨轨迹向分辨率、垂向分辨率等),并且研制满足新型平台(无人机、卫星等)搭载需求的小型、低功耗冰雷达系统,以及发展多通道、多频、多极化集同观测模式的综合冰雷达技术。     

A preliminary application GIS in glaciological research along the traverse route from Zhongshan Station to Dome A, Antarctica

GIS is applied in glaciological research along the traverse route from Zhongshan Station to Dome A, one of the key routes in ITASE project, to display, process, manage and analyze the data obtained mainly by the 3rd Chinese Inland Expedition, together with Antarctic databases provided by ADD and BEDMAP project. The ways of ADD data merging and clipping, and coordinate projection transformation of field data and BEDMAP data are introduced. Elevation data derived by GPS navigator are corrected using ADD and ArcView's contour interpolation. Sub ice topography and ice thickness along the route are extracted from BEDMAP database. Slope and aspect data are derived at each positioning station. GIS is a convenient and useful tool for us to record, query and display a variety of data in detail along the traverse route.     

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。     

南极冰盖物质平衡与海平面变化研究新进展

本文在简要介绍冰盖物质平衡及其对海平面影响的基础上,从整体法和分量法两个方面总结了南极冰盖物质平衡研究的最新进展,并分析了影响其物质平衡的不确定因素。研究表明,整个南极冰盖物质平衡呈现负增长的趋势,其中西南极Amundsen海湾附近的冰盖物质流失最为明显。另外,南极冰盖边缘的大部分地区还呈现变薄的趋势。南极冰盖物质流失是引起海平面上升的最大潜在因素之一,其冰架的缓冲作用、冰盖的不稳定性和冰盖底部融水的作用等不确定因素对南极冰盖物质平衡具有重要的影响。未来随着观测技术和数据处理技术的不断提高,南极冰盖物质平衡的估算及其不确定因素有望得到进一步的认识,从而为预测海平面的上升范围提供更多的理论和技术支撑。     

南极内陆冰盖表面地貌特征监测系统设计及应用分析

南极内陆冰盖表面的特征与冰盖表面年际降雪量、冰盖表面风速有关,冰盖表面地貌特征主要包括雪面粗糙度、雪层软硬度,这些特征对内陆车队行进过程中的设备运输具有重要的参考价值。文中提出了车载自动化监测冰盖雪面特征的方法,并进行了监测系统的设计与数据分析;该系统包括以雪地车颠簸幅度代表的雪面凹凸程度(即雪面粗糙度),以GPS模块监测车辆行进距离,以激光测距监测雪地车车辙深度来表征雪面软硬度。通过数据采集系统的实时监测软件平台,实现了冰盖表面地貌特征的监测;该系统分别于2012年11月和2014年11月在中国第29次南极和31次南极考察中进行了监测应用,通过对以上监测数据的分析,初步给出了中山站至昆仑站沿途的冰盖表面粗糙度及雪面软硬度结果。     

Englacial hydrological characteristics of a typical continental-type glacier in China as detected by ground-penetrating radar

The englacial structures and ice thickness of the Laohugou No. 12 (L12) Glacier in the Qilian Mountains, China, were retrieved from ground-penetrating radar (GPR) profile data acquired in August of 2007. Here the interpretation of a typical GPR image is validated using two-dimensional, Finite-Difference Time-Domain (FDTD) numerical modeling. Data analyses revealed many englacial characteristics, such as temperate ice, crevasses, and cavities at the position of convergence between the eastern and western glacial branches of L12, and at an altitude between 4,600 and 4,750 m a.s.l. on the east branch. Combining ice thickness, englacial structures, subglacial topography, and surface flow velocities of this glacier, we analyzed the reasons for the distribution of temperate ice. The results show that greater englacial water content is associated with englacial crevassing and surface moulins, which allow water to be channeled to the temperate ice aquifer beneath the surface cold ice layer. Analysis of air temperature data shows that as more meltwater imports into the ice body, this has a great effect on water conservation and dynamics conditions. With climate warming, and under the influence of crevasses, subglacial structures, and ice thickness, ice thickness reduction on the L12 east branch is more rapid than that on the west branch.