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.     

GRACE重力卫星探测南极冰盖质量平衡及其不确定性

2002年GRACE重力卫星的成功发射为南极冰盖质量平衡的研究提供了重力探测的新纪元. 本文利用美国德克萨斯大学CSR公布的2003年1月到2013年12月期间的RL05版本GRACE月重力场数据, 采用最优平均核函数法和组合滤波法两种GRACE后处理方法反演了南极冰盖质量的时空变化. 结果表明: 在2003—2013年期间南极冰盖物质平衡呈明显的负增长状态, 质量变化趋势为-163±50 Gt/a(GW13)、-129±41 Gt/a(IJ05)、-81±27 Gt/a(W12a), 加速度为-8±10 Gt/a2, 质量消融的主要区域分布在西南极阿蒙森海岸和南极半岛的北部. 另外本文还重点探讨了可能影响到估算结果的各项误差及不确定性,分析结果显示影响南极冰盖质量平衡估算结果的最大误差源为GIA改正. 通过假设检验和信息准则对时间序列分析中拟合参数的合理选取进行了探讨和分析, 在联合周年项、半年项和S2、K2、K1潮汐混频项进行拟合分析时发现K1项对拟合结果的加速度影响比其他周期项稍大, 尽管考虑该项的合理性因当前GRACE数据时间序列长度有限而无法确切证实, 但K1项的影响值得后续关注. 对比两种GRACE后处理方法的结果发现:当采用的数据时间跨度一致, 误差改正方法相同, 两种相异的后处理方法, 其估算结果也具有较好的一致性.     

基于多源遥感数据的南极冰架与海岸线变化监测

综合使用光学与微波遥感数据,提出了南极冰架变化连续监测的系统方法,包括基于MOA的冰架基准图生成,基于相似性测度的影像匹配,及基于阈值与分水岭变换的图像分割方法.使用该方法获取了2002—2011年初全南极18个主要冰架的变化数据,并归纳了南极冰架变化的三种类别.进一步得出,近年间崩解变化为主的冰架均处于西南极,并主要集中在南极半岛;扩展变化为主的冰架集中在东南极;南极三大冰架的扩展变化明显,其中Amery冰架将在近年发生较大崩解.本研究首次获取了2002年初至2011年初每年一幅的动态的全南极海岸线数据,并得出近10年间南极海岸线扩展增加总量为5878 km2.     

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±20 Gt/a,西南极-26±6 Gt/a,南极冰盖的冰雪质量变化为-44±21 Gt/a,对全球海平面上升的影响约为0.12 mm·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.     

基于GRACE卫星RL05数据的南极冰盖质量变化分析

CSR(Centre for Space Research)最近发布了RL05数据,其空间分辨率、精度和周期变化特性等都优于RL04数据.本文采用300 km的扇形滤波及P5M11去相关滤波削弱南北条带等重力场模型误差,并采用Paulson2007模型进行冰川均衡模型改正,利用CSR RL05与RL04数据计算分析了南极2002年到2012年的质量变化序列及其变化趋势的空间分布特性,并选取8个特征点进一步分析了其质量变化序列.同时,对CSR、JPL(Jet Propulsion Laboratory)、GFZ (GeoForschungsZentrum)三个机构发布的RL05数据采用相同的滤波方法进行计算,得到整个南极的质量变化分别为-195.7±20.5 Gt/a、-203.8±23.1 Gt/a、-133.2±29.9 Gt/a,对全球海平面变化的影响分别为0.54±0.06 mm/a、0.56±0.06 mm/a、0.37±0.09 mm/a.     

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6月)和GRACE-FO(GRACE Follow-on,2018年5月至今)重力卫星,作为监测两极冰盖质量变化最直接和有效的手段,存在近一年的观测间断期.因此本文提出联合Swarm三颗低轨卫星观测资料(2015年1月—2019年6月)和ARIMA-MC(Autoregressive Integrated Moving Average Model-Monte Carlo)预测方法来填补两组重力卫星间断期两极冰盖消融质量变化观测的时间序列,从而基于完整时间序列来研究两极冰盖质量时空变化规律.研究结果表明：(1)利用Swarm卫星反演得到的时变重力场信号和ARIMA-MC预测方法可以有效填补间断期两极冰盖消融质量变化的时间序列,但两种方法得到的结果也存在一定的差异;(2)在2002年4月—2020年3月期间,GRACE/GRACE-FO探测到南极和格陵兰岛冰盖质量变化速率分别为-119±23 Gt·a^-1和-259±20 Gt·a^-1,等效于全球平均海平面每年约上升0.33 mm和0.72 mm;(3)南极威尔克斯地区在2010—2020年期间的冰盖融化速率较2002—2009年期间增加了10倍,Swarm结果也证实了该地区近年来的加速消融;(4)2019年夏季格陵兰岛冰盖明显的加速消融与夏季北大西洋涛动有关.

     

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.

     

南极冰盖极昼期间近地面湍流特征的实验观测

根据我国首次在东南极大陆冰盖上获得的超声风温仪直接测量资料,采用涡旋相关法计算和分析了极昼期间雪面上的湍流强度、湍流动能、湍流感热、粗糙度、拖曳系数和归一化方差.结果表明,南极冰盖表面的粗糙度为4.3×10~(-4)m,拖曳系数为1.8X10~(-3),湍流参数有明显的日变化.     

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1 km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;在冰穹顶部区域,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.

     

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.     

卫星热红外遥感在火山活动性监测中的应用

介绍了卫星热红外遥感在国内外火山监测研究中的应用现状,结合热红外遥感在地震中的应用成果,对利用卫星热红外遥感监测火山活动的可行性及方法进行了探讨,提出通过火山区热红外亮温旬变、月变和年变模型扣除地形地貌、岩性、植被等地表环境因素的影响,通过火山区和邻近参照区红外亮温差值运算扣除气象因素影响的火山活动性热红外异常提取方法。并以长白山火山为例,利用1999、2003和2004年的NOAA卫星影像资料,对长白山火山及周围地区的热红外影像特征进行了分析解译,对长白山火山区与外围参照区的红外亮温年变差异进行了统计分析。结果表明:1)长白山火山区的红外亮温分布特征在空间上主要受地形控制,总体表现为以天池为中心,向外围逐渐升高的漏斗状,天池则是低温背景上的明显高温标记。在时间上,长白山火山区红外亮温的演变过程主要受季节变化的影响,具有明显的夏高冬低年变特征。2)相对于1999年,2003和2004年长白山火山区均显示出明显的升温趋势,升温幅度可达2K左右。我们认为这可能是近年来天池火山活动性逐年增强的反映。这也意味着利用卫星热红外遥感监测火山活动性将是行之有效的新途径,也是值得深入研究的课题     

太湖藻类的卫星遥感监测

利用卫星遥感监测和计算机图像处理技术,调查了太湖梅染湖区灌空间分布和影响范围,并根据提取的遥感信息对藻华现象的气象成因作为实步分析。     

基于ICESat块域分析法探测2003～2008年南极冰盖质量变化

利用2003～2008年间的ICESat卫星激光测高数据,通过块域交叉点分析提取南极大陆冰盖表面高程变化信息,同时探讨了卫星激光测高不同任务间的系统偏差,结合冰盖地表粒雪密度模型探测南极大陆冰盖质量变化,并对其原因做了初步分析.结果显示南极大陆冰盖高度变化具有明显的年周期信号,平均周年振幅为2.21 cm.在南极大陆的...     

北半球冰盖融化与北半球低温暴雪的相关性

2006-2013年北半球频遭低温暴雪袭击.引力模型的计算结果表明:北极冰盖大量融化导致北极地区海平面和大气等位面的大幅度下降,压力变化迫使北极地区冷水和冷空气流向北半球中低纬度地区.太平洋海温下降导致全球变暖停止.极地冰盖融化后全球海平面都将上升,这是一个错误的观点.最新模型研究表明,如果格林兰冰盖融化可导致其附近海平面将下降100 m,北苏格兰的海平面将下降3 m,冰岛周围海平面将下降10 m,南美部分地区海平面将上升10 m.冰盖融化导致地表巨量物质转移,改变了地球内外重力场,地球内核南移100m,北极和南极海平面分别下降和上升7 cm.在海平面附近,大气等位面的变化幅度与海平面变化幅度非常接近.近期北极海冰和冰盖的融化只是最新模型的一个缩影.北极大量冷水和冷空气在下降等位面的压力下流过北半球中低纬度地区,导致北半球频遭低温暴雪袭击.在"全球变暖间断"现象持续了长达16年之后,科学家正全力探究"全球变暖间断"现象背后的深层次原因.最新研究指出,1997-1998年赤道太平洋进入一个持续很久的低温状态,抑制了全球变暖的速度.海水温度的波动被称作拉马德雷现象(PDO),这种现象是解开"间断"谜团的关键.     

东南极冰盖Lambert冰川流域的物质平衡研究

Lambert冰川流域是南极冰盖最大的冰流系统, 因而在整个南极冰盖的物质平衡中占有非常重要的地位. 近年来穿越该冰川流域的路线考察所获得的现场观测资料和浅冰芯研究结果显示, 该冰川东、西两侧的积累速率分布和近期变化有明显差异: 东侧积累速率较高且近几十年来呈增加趋势, 西侧积累速率较低且过去几十年为明显减小. 冰体运动速度测量和冰流通量计算表明, 该冰川东侧运动速度较快, 冰流量也较大, 说明该冰川冰量补给主要来源于东侧区域. 计算出的考察断面上游物质积累总量大于流出的冰通量约13%, 意味着该流域目前处于物质正平衡状态, 如果保持目前气候状态, 冰盖将会增厚.     

我国民用卫星遥感应用现状、问题与趋势

本文从遥感图像处理技术、行业应用、遥感信息产业化发展三方面总结我国民用卫星遥感应用的发展现状,分析了我国与国际遥感发展相比现存的差距,论述了民用卫星遥感应用发展趋势.研究表明,加强我国天空地一体化空间信息系统建设、扩展卫星应用范围、强化遥感信息处理能力与产品质量检验及遥感应用标准化建设,推进应用示范工程,进而实现遥感应用产业化是未来遥感应用发展的重要方向.     

一个冰盖近表层热传输模式及其对南极Dome A的温度模拟

根据南极大陆冰盖近表层的物理模型设计了一个垂直一维的冰盖近表层能量传输模式, 采取合理简化的物理过程参数化方案并构造一套完整的数值求解方法, 实现了对冰盖表面及近表层内能量传输过程的数值模拟. 利用最新获取的东南极高原Dome A自动站的气象观测资料, 通过计算冰盖表面能量通量作为模式上边界条件驱动模式求解冰盖表面及近表层内温度的季节变化过程, 将模式模拟结果与4个观测深度(0.1, 1, 3和10 m)的雪冰层温度进行了对比检验, 取得了与观测较为一致的季节变化过程, 并能够揭示出比观测更为细致的冰盖近表层内温度垂直分布结构及其季节变化特征. 通过模式结果分析得到的冰盖表面能量平衡特征表明: 1) 冰盖表面能量平衡全年主要表现为负的净辐射与正的感热通量之间的平衡, 季节差异显著; 2) 冰气相互作用机制主要是大气以感热形式输送给冰盖, 并在春季显著增强. 因Dome A特殊的地理位置, 研究结果对南极高原内陆中心地区具有较好的代表意义.     

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10 Gt/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±16.3 Gt/a,其中西南极为-142.4±10.5 Gt/a,南极半岛为-29.2±2.1 Gt/a,东南极则为52.9±8.6 Gt/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±4.1 Gt/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±2.1 Gt/a和-19.0±4.7 Gt/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±2.4 Gt/a、43.9±1.9 Gt/a和62.7±3.8 Gt/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.

     

太湖蓝藻水华遥感监测方法

利用遥感技术监测太湖蓝藻水华具有重要的现实意义.基于不同遥感数据,包括MODIS/Terra、CBERS-2 CCD、ETM和IRS.P6 LISS3,结合蓝藻水华光谱特征,采用单波段、波段差值、波段比值等方法,提取不同历史时期太湖蓝藻水华.结果表明:MODIS/Terra数据可以利用判别式Band2＞0.1和Band2/Band4＞1提取蓝藻水华;CBERS-2 CCD、ETM和IRS-P6 LISS3数据可以利用Band4大于一定阈值和Band4/Band3＞1提取蓝藻水华;波段比值(近红外,红光＞1)算法稳定,可以发展成为蓝藻水华遥感提取普适模式.同时,本文成功利用ETM和IRS.P6 LISS3数据Band4波段对蓝藻水华空间分布强度进行了五级划分.这为今后利用遥感技术,建立太湖蓝藻水华监测和预警系统莫定了基础.     

地震遥感应用趋势与中国地震卫星发展框架

在赵九章先生的倡议下,我国的人造地球卫星事业经过50年的历程,已经取得了长足的发展,卫星遥感应用范围也日益扩大。在防震减灾领域,卫星遥感也在监测预报、灾害评估和地震构造研究等许多方面得到应用并显示了巨大的发展前景,从而对发展地震卫星系统提出了现实的要求。我国地震卫星系统发展的总体思路是:基于社会公共安全事业发展和防震减灾能力建设的需要,结合国家民用遥感卫星统筹发展,优先开展地震电磁卫星的论证和研发,积极参与InSAR、重力等其他民用遥感卫星的论证;逐步建立多源遥感信息快速稳定的获取渠道和专业化处理平台,促进立体地震观测体系建设。目前,中国地震电磁试验卫星综合论证工作正在顺利进行,试验卫星的科学目标、载荷配置方案以及对卫星平台和运行能力的要求已经初步明确,将按计划推动背景型号和工程型号项目,并同步开展若干关键技术的国内外合作研究。