利用冰床粗糙度研究南极冰下环境和过程综述

冰下地形是冰盖运动和冰底侵蚀过程作用于冰前地形的结果。冰床粗糙度是对冰下地形不规则程度的定量刻画,是反映冰下环境和过程的重要指标,可用于研究冰下基岩物质组成、冰下侵蚀过程和冰底滑动状况、冰下地貌形成演化以及冰流运动等。首先,对冰床粗糙度量化方法的发展进行了介绍,详述了基于冰雷达数据的沿轨迹地形统计特性和基于冰床回波波形电磁散射特性这两类刻画冰床粗糙度的方法的演变和进展;其次,通过分析冰床粗糙度与冰动力学、冰下地貌、冰盖底部热机制、冰下地质等的联系,归纳了利用冰床粗糙度研究南极冰盖冰下环境和过程的相关进展;最后,对利用冰床粗糙度研究南极冰盖冰下环境和过程的现状及其未来发展趋势进行了总结和展望。     

南极冰盖地形数据库BEDMAP 2述评

南极冰盖物质收支与不稳定性对全球气候变化和海平面升高有着重要影响,而冰盖厚度和冰下地形则是研究南极冰盖的物质平衡、动力及不稳定性极为重要的参数。自20世纪50年代以来,国际上针对南极冰盖开展了大量的冰雷达以及重、磁测量,这些测量结果被汇集并形成冰厚和冰下地形数据库,进而服务于冰盖模式和地球系统研究,最新推出的成果便是BEDMAP 2(Bedrock Mapping Project 2)。首先介绍了BEDMAP 2的数据来源、结构以及数据处理,并讨论了数据的质量评价,然后分析了BEDMAP 2中展示的整个南极冰盖与冰下地形及其特点。最后,对于BEDMAP 2对中国在南极冰盖考察和研究方面的作用进行了一些讨论与展望。     

南极研究科学委员会(SCAR)行动计划“南极环RINGS”进展

<正>IPCC最近的《气候变化中的海洋和冰冻圈特别报告》(SROCC)探讨了南极冰盖对海平面迅速上升的影响。SROCC报告指出定量预估海平面变化不确定性的重要原因之一是计算南极冰损失时缺乏对冰盖边缘及其邻近区域冰下地形的了解,特别是缺乏南极冰盖边缘触地区的冰厚数据。考虑到整个南极冰盖的边缘长度达62000 km的规模,对任何一个国家而言,要完成环南极边缘的航空地球物理高精度探测都是一个巨大的挑战。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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(～1800 km2)作为研究区,以32 m空间分...     

南极冰盖边缘近250年来气温变化的地域分布特征

通过对南极冰盖边缘17支浅冰芯氧同位素的对比研究,揭示了整个南极冰盖边缘近50年来、150年来和250年来气温变化的地域分布特征。近50年来,南极冰盖边缘的氧同位素温度有的呈现上升趋势,有的呈现下降趋势,但气温变化的地域规律性不强;近150年来,南极冰盖边缘的同位素温度的升高和降低趋势大致呈现出一种交替分布的态势;近250年来,南极冰盖边缘所有的氧同位素温度都记录了小冰期的降温事件。气温的这种地域分布特征可能是南大洋独特的环流形式--环南极波 (ACW) --在特殊地形 (如大的冰盆) 影响下,在南极冰盖边缘的表现形式,并且随着时间尺度的不同,南大洋独特的环流形式 、ACW和地形的影响强度各异。     

南极中山站附近海域水深地形特征

南极普里兹湾是我国南极中山站建站的重要依托海域 ,是科考船前往中山站进出的必由之路。本文根据普里兹湾近岸的中山站附近海域概略水深 ,研究分析了地形基本概况 ,崎岖不平的中山站近海湾部水下地形 ,沿其湾顶部轴线SN向形成了一条绵延弯曲的水深达 80 0m以浅的海底峡谷 ,通往冰盖底部。峡谷两侧地形复杂 ,水下丘岭嶙峋。从冰盖沿峡谷崩裂下来的冰山 ,最终依其适宜的水深 ,绕过地形障碍 ,沿海底峡谷西侧随风和流往西离去。除中山锚地抛锚区域属于浅水低洼的平缓台地外 ,湾内其它水域可供科考船抛锚的优越水下地形极少     

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。     

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。     

黄河源区更新世冰盖初步研究

黄河源区广泛分布的冰川遗迹，如流线型地形、贯穿型谷地、浑圆状山顶、冰碛沉积、花岗闪长岩漂砾、带擦面的擦痕石、冰砾阜等表明本区曾发育过更新世冰盖。据上述各种地貌和沉积物复原，冰盖面积约达到８００００ｋｍ２，中心厚度约１３６０ｍ，发育时间在倒数第二或第三次冰期。现代黄河源区是青藏高原最寒冷和降水相对丰裕的地区，倒数第二和第三次冰期时雪线降低到了４３００ｍ以下，有条件形成冰盖。     

PISM冰盖模式对Amery冰架流速场模拟的适用性

在全球气候变暖的背景下,冰架系统是监视和预测冰盖稳定性的理想研究区域。然而传统的冰架观测与调查方法只能从某一侧面揭示冰架的运动状态和演化信息,无法预测其未来变化;冰盖模式作为非常有潜力的数值计算方法,成为研究和预测冰盖/冰架演化的热点领域。Lambert冰川-Amery冰架系统是东南极冰盖最大的冰川系统,对于研究东南极冰盖的物质平衡和冰盖稳定性具有重要意义。使用PISM冰盖模式,对该冰川系统的流动过程进行模拟,得到冰表面流速场数据,并将模拟流速场与实测数据进行对比,发现两者在大部分区域吻合较好,但在冰架前缘处呈现出一些差异。进一步讨论差异可能的来源以及模拟可以改进的地方。     

基于JERS-1雷达干涉测量的格罗夫山冰盖信息提取

东南极格罗夫山地区是由我国科学家最新发现的南极内陆冰盖陨石富集地。本文采用该地区1996年三个时相的JERS-1合成孔径雷达(SAR)原始数据,进行了成像和干涉处理;分析了该地区的雷达图像特征,干涉条纹图与冰面地形、干涉基线(时相、空间)和冰川流动的关系,干涉相干性与基线和冰面变化的关系;定性地揭示了格罗夫山地区冰流的模式,发现了存在于角峰群内部的冰流。此外,本文还分析了该地区干涉去相干的主导因素。     

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。     

南极中山站-昆仑站间地壳厚度分布

自第4个国际极地年2007/2008开始至2013年,中国南极内陆冰盖科考队相继在自南极大陆边缘的中山站至东南极地形最高点昆仑站(Dome A)一线进行了低温甚宽频地震观测。本文对7个天然地震台站数据进行了分析,提取了这些台站的S波接收函数,据此反演获得了这些台站下的地壳厚度分布。结果显示:随着纬度的升高,地壳厚度由大陆边缘的中山站下的约38 km逐渐增加至CHNB台下的58 km,随后又于CHNA台站下方减薄至47 km,然后快速增大到南极地形最高点昆仑站(Dome A)下的62 km。昆仑站或Dome A是南极大陆地壳最厚的地方。从中山站至昆仑站之间地壳厚度的变化与冰下地貌变化存在明显的相关性,它们都说明了从中山站至CHNB之间地壳构造相对均匀。在距昆仑站约200 km的CHNA台下的地壳厚度(约47 km)明显比临近台站地壳偏薄,这可能说明了甘伯采夫山脉地壳侧向变化较大,即其形成时所遭受的构造作用较复杂。