基于CryoSat-2测高数据的全南极冰盖DEM的建立与精度评估

数字高程模型(DEM)是南极冰盖变化研究的基础,由于现场实测数据的稀缺,卫星测高数据是南极地区构建DEM的'主要数据来源.CryoSat-2是新一代用于极地冰盖、海冰监测的测高卫星,本文利用2012-12-2015-01两个完整周期的CryoSat-2测高数据建立一个新的南极冰盖DEM.坡度是影响卫星测高精度的重要因素之一,利用改进的重定位方法对CryoSat-2数据进行坡度改正.插值方法是影响DEM精度的重要因素,通过对几种常用插值方法的比较,最后选用克里金插值方法对测高数据进行插值,建立了1km分辨率的南极DEM.在88°S以南的CryoSat-2数据空白区,利用南极数字数据库(ADD)的等高线数据对DEM进行填补,建立了全南极冰盖DEM.利用ICESat卫星测高数据、IceBridge航空测高数据以及GPS地面实测数据对新建立的CryoSat-2 DEM进行精度验证,并与Bamber 1 km DEM、ICESat DEM、RAMPv2 DEM以及JLB97 DEM等四种国际上常用的南极DEM进行比较.结果表明:新建立的CryoSat-2 DEM的整体精度约为0.730±8.398 m;在冰弯顶部区域,DEM精度优于1 m;在冰架上,DEM精度约为4 m;在内陆冰盖大部分地区,DEM精度优于10 m;在地形复杂的山区和沿海边缘地区,DEM误差超过150 m.     

乌梁素海冰封期湖泊冰盖组构特征对污染物分布的影响

为探究富营养化浅水湖泊季节性冰盖污染物分布规律,于2013-2014年冰封期,钻取乌梁素海湖泊冰盖冰芯试样,观测冰厚并对冰芯晶体结构、气泡含量、污染物浓度(总氮、总磷和COD_(Cr))进行分析.结果表明:冰盖可分为4层,中间2层冰晶体粒径较大且气泡含量较少,为冰盖热力生长区.冰盖以柱状晶体居多,粒径随深度增加而增加,气泡含量随冰盖密度增加而减少.冰盖结构特征与污染物分布具有相关关系,冰芯密度及气泡分布与总氮、总磷和COD_(Cr)相关关系分别为0.8965、0.8718、0.8184,并建立多元回归模型揭示冰封期湖泊水质特征,为季节性湖泊冰盖研究及冰封期湖泊水资源规划和管理提供理论依据.     

基于地形指数的格陵兰冰面水系建模与评价

每年消融期,冰面融水通过冰面水系输送至冰盖边缘,造成格陵兰冰盖物质损失。冰面水系的动态变化决定了冰面融水输送的方式与效率,显著影响格陵兰冰盖物质平衡。作为决定冰面水系动态变化的关键因素之一,冰面地形对冰面水系动态变化的控制程度有待研究。本研究选取格陵兰冰盖西南部典型区域(～1800km~2)作为研究区,以32m空间分辨率ArcticDEM作为实验数据,利用地形湿度指数(Topographic Wetness Index, TWI)和最邻近河网高差指数(Height Above the Nearest Drainage, HAND)两种地形指数模拟冰面水系分布,结合2016—2019年消融期29景10 m空间分辨率Sentinel-2和30 m空间分辨率Landsat-8影像提取冰面水系作为验证数据,通过模糊比较揭示了地形指数建模冰面水系的精度。研究结果表明:地形指数能够较好地建模冰面水系分布(总体精度72%),冰面水系分布主要受地形因素控制,将地形指数引入冰面水文的研究,有助于加强对于冰面水文过程的理解。     

新一代冰流模式乌阿及其在南极埃默里冰架的应用

南极冰盖不仅是全球环境变化的指示器, 其消融所产生成的淡水输入也是未来海平面上升的主要不确定性来源。数值模式是诊断冰流动力机制、 评估冰盖物质损耗的重要手段。本文首先介绍了乌阿（冰岛语úa或英语Ua）冰流模式的基本原理, 并利用该模式模拟东南极埃默里冰架的动态变化。乌阿冰流模式基于质量和动量守恒方程的垂直积分, 在自适应不规则三角网格上求解微分方程, 仅用少数参数规则即可构造适应冰流动力特征的网格结构, 有效缩减运算时间。采用当前主流的模式边界数据集, 针对埃默里冰架设计了两个试验。试验一为反演试验, 试验中模式的代价函数在100次迭代后下降三个数量级, 表明模拟的流速与遥感观测吻合（RMSE = 13.35 m·a^-1）, 但高频细节仍有待提高; 试验二为预测试验, 测试了模拟冰厚变化率的不确定性, 以自由漂移量接近零为标准选出一组最优模型参数, 最后假设埃默里冰架解体情景开展模拟, 结果表明冰架解体会导致海平面上升（45.36 ± 0.08） mm。随着资料更新迭代, 基于最新发布的南极底部地形数据模拟效果是否提升还有待未来检验。     

东南极历史冰流速过估改正

南极冰盖表面冰流速是准确估算冰盖物质平衡和预测全球海平面变化的关键参数之一。针对冰流速提取中存在的流速过估现象,采用东南极20世纪60-80年代历史冰流速重建数据集,分析了整个东南极冰盖及不同海洋扇区、冰架/冰川过估改正量的空间分布规律。统计结果表明,东南极过估改正量的平均值约为28 m/a;在接地区和冰架前缘附近,过估改正量峰值高于其他区域,其中接地区最大过估改正量超过300 m/a。在海域尺度上,东印度洋海域在接地区和冰架区冰流速过估的现象较其余海域更加明显,其冰架区的平均过估改正量约为62 m/a;在冰架/冰川尺度上,Shirase冰川、Holmes冰川、Ninnis冰川、Publications冰架以及Totten冰川的平均改正量均超过50 m/a,高于整个东南极改正量的平均值。结合过估改正量与历史冰流速提取结果,证明改正量的分布在一定程度上符合冰流空间加速的规律。流速改正已应用于东南极20世纪60-80年代历史冰流速产品,对研究冰架稳定性、进一步研究全球变暖影响下的南极冰盖动态稳定具有重要意义。     

基于PlanetScope影像的格陵兰冰面融水监测

格陵兰冰盖的消融及其对海平面上升的贡献成为国际上研究的热点。每年消融期,格陵兰冰盖表面消融,融水会导致冰面形成冰面湖、冰面河、注水冰裂隙等形态。格陵兰冰面融水规模庞大、结构复杂、变化迅速,区域气候模型难以准确模拟冰面融水分布,中等分辨率卫星影像难以反映冰面融水的时空变化。以PlanetScope为代表的CubeSat小卫星空间分辨率高达3 m,理想情况下重访周期可达1 d,这为精细化动态监测格陵兰冰面融水提供了可能。本研究利用PlanetScope高空间分辨率小卫星遥感影像提取格陵兰冰盖西南部典型流域冰面融水遥感信息,构建了针对PlanetScope遥感影像的冰面融水深度反演公式,对比了MAR v3.11区域气候模型模拟的融水径流量与遥感反演的融水体积。结果表明:在2019年7—8月,流域内冰面融水开放水体比率先上升后下降,在7月12日达到峰值8.7%;流域内冰面融水深度介于0.2～1.5 m之间,冰面湖最深(0.9 m±0.2 m),冰面河干流次之(0.6 m±0.1 m),冰面河支流最浅(0.5 m±0.1 m);遥感观测的开放水体比率、冰面融水体积与区域气候模型MAR模拟的融水日...     

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。     

中国南极昆仑站胜利建成

我国第一个南极内陆科学考察站同时也是我国第三个南极科考站昆仑站，于2009年1月27日在南极内陆冰盖的最高点冰穹A地区胜利建成。     

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。     

2005年—2016年南极冰盖物质平衡精细评估

在全球变暖背景下，精细评估南极冰盖物质平衡可以深入探索南极冰盖变化对海平面上升的影响。基于最新的多源遥感冰盖产品，本文改进了通量法（IOM）在触地线处冰通量的评估方法，并逐年逐流域评估了2005年—2016年南极冰盖物质平衡及变化，探讨了其变化的动力学和气候学原因。本文实现了触地线处冰通量的精细评估，与国际同期结果比较此方法结果更合理；同时，对比结果显示细微的数据差异和方法差异会造成IOM法物质平衡估算结果的明显差异。2005年—2016年期间，南极年冰盖物质平衡基本处于物质流失状态，年均物质损耗量为109.1±34.9 Gt/a，年际间波动为±84.1 Gt/a。南极冰盖物质损耗由西南极主导，占总物质损耗量的65.1%；东南极整体处于正平衡状态，但威尔克斯地流域存在明显的物质损耗；南极半岛地区在零平衡状态下波动；岛屿冰通量首次被单独评估，处于负物质平衡状态。冰盖物质平衡变化从整体来看是由表面物质平衡主导的，受年际变化的气候学因素影响；从小尺度范围来看，冰架变薄、冰川崩解导致的触地线处冰通量的动力学变化影响了部分物质损耗严重区域的物质平衡变化，使其在崩解事件发生的年份流失的冰物质量增加...