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.     

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.     

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

联合GRACE、Swarm、GRACE-FO卫星观测确定格陵兰岛冰盖质量时空变化特征

GRACE(Gravity Recovery and Climate Experiment)重力卫星任务的成功实施,极大推进了极地冰盖质量平衡、全球水循环和海水质量变化等领域的研究,其后续任务GRACE-FO(Gravity Recovery and Climate Experiment Follow-On)于2018年5月成功发射,但两个卫星任务存在近一年的观测空白期.Swarm卫星于2013年11月成功发射,其任务由三颗在低轨道高度绕地球运行的卫星组成,搭载有GPS接收器、加速度计等装置,使得Swarm卫星具有恢复静态和时变重力场的能力.本文利用Swarm卫星观测反演格陵兰岛冰盖质量变化,通过与GRACE、GRACE-FO结果进行对比,验证其确定地表质量变化的能力,并基于GRACE、Swarm和GRACE-FO数据建立了2002年4月-2020年5月格陵兰岛冰盖质量变化时间序列,进一步利用温度和降水数据探讨冰盖消融的原因.结果表明:1)2013年12月-2017年6月,利用GRACE数据和Swarm数据确定的格陵兰岛冰盖质量变化时间序列的相关系数为0.652;2)2018年6月-2019年6月,基于GRACE-FO数据和Swarm数据得到格陵兰岛冰盖质量变化时间序列的相关系数为0.518;3)2002年4月-2020年5月格陵兰岛冰盖质量下降速率为-11.174±0.109 cm·a-1,非季节性冰盖质量异常在2013年4月出现极小值;4)在2010年8月-2017年6月,格陵兰岛地区温度异常和径流量异常升高,以及降水量异常减少,在一定程度上,加剧了该地区的冰盖消融.本文研究表明Swarm卫星具有探测地球时变重力场的能力,可填补GRACE和GRACE-FO任务之间的空白.     

基于ICESat轨道交叉点分析的东南极Lambert-Amery系统当前高程变化特征分析

南极冰盖物质平衡仍然是全球海平面变化估计的最大不确定因素.本文使用2003～2007年ICESat/GLAS获取的高精度冰盖测高数据,利用我们开发的高精度高程变化提取程序,首次获取了东南极最大冰流系统-Lambert-Amery地区在ICESat卫星轨道交叉点处的高程变化序列.依据冰川动力学原理,对该流域进行详细划分,...     

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±50Gt/a(GW13)、-129±41Gt/a(IJ05)、-81±27Gt/a(W12a),加速度为-8±10Gt/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.     

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CryoSat-2波形数据建立南极Lambert冰川流域DEM

Lambert冰川-Amery冰架系统是南极冰盖最大的冰流系统之一,对南极冰盖物质平衡研究有着重要的作用.数字高程模型(DEM)是进行南极冰盖研究的基础.本文基于CryoSat-2 L1b波形数据,研究建立了Lambert冰川流域高分辨率DEM.测高卫星返回波形在冰盖区域存在变形,需进行波形重跟踪处理.利用交叉点分析方法对重心偏移法(OCOG)、阈值法和β参数法等常用的波形重跟踪方法对不同类型的CryoSat-2波形的适用性进行了研究.最后,利用克里金插值方法建立了500 m分辨率的Lambert冰川流域DEM——LAS DEM (Lambert Glacier-Amery Ice Shelf system DEM).利用ICESat卫星测高数据和GPS地面实测数据对LAS DEM进行精度验证,并与另外两种基于CryoSat-2数据的南极DEM进行了对比.结果表明:LAS DEM的整体精度约为0.295±2.7 m,优于另外两种CryoSat-2 DEM;在冰盖内陆地区,LAS DEM的高程误差在2 m之内;在Amery冰架上,LAS DEM的精度优于1 m.     

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±20Gt/a,西南极-26±6Gt/a,南极冰盖的冰雪质量变化为-44±21Gt/a,对全球海平面上升的影响约为0.12mm·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资料研究南极冰盖消减对海平面的影响

利用5年的GRACE重力数据,计算了南极1°×1°等效水量时间序列,得到每个格网的趋势项,结果表明在西南极Amundsen区域有明显的负增长,超过-80 mm/a,南极半岛存在着负增长,东南极Enderby Land地区质量增长;计算得到2002年7月到2007年9月南极、东南极和西南极冰盖的等效体积变化分别为-78±37 km³/a,-3±46 km³/a和-75±50 km³/a,对应海平面变化的贡献为0.21±0.1 mm/a,0.008±0.127 mm/a和0.2±0.14 mm/a.该结果与国际最新研究结果一致.同时发现冰后回弹是影响利用GRACE研究南极冰盖质量变化的关键因素.     

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.     

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.     

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.     

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...     

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%.     

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.     

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.