利用卫星测高雷达回波波形确定南极海冰密集度

海冰密集度是描述海冰的重要参数之一.海冰现场数据采集受观测环境和观测范围的限制,难以用于大范围海冰密集度的研究,而测高卫星具有全天时、全天候、大范围、高分辨率和长时间观测等多种优点,可弥补现场观测手段的不足.本文利用测高卫星雷达回波波形与反射面反射特性的关系,进行回波波形的波形分类,提出了利用测高卫星雷达回波波形确定南极海冰密集度的算法.以南极普里兹湾为实验区域,采用该算法由ERS-1/GM回波波形确定其一年和各季节的海冰密集度,并与SSMRSSM/I遥感海冰密集度数据进行比较.结果表明两种方法的海冰空间分布范围和极大海冰密集区一致,因此提供了监测海冰的一种新方法.     

裂缝宽度探地雷达波场响应的数值研究

裂缝是沥青混凝土公路路面的常见病害,为了研究沥青混凝土中隐含裂缝的宽度与其探地雷达波场之间的对应变化关系,本文基于各结构层沥青混凝土的多相离散随机介质模型参数,应用量化约束多相离散随机介质模型建模算法,构建了与公路各结构层实际情况更相符的多相离散随机介质三维模型,并基于商用探地雷达蝶形天线三维模型,数值模拟与对比分析了探地雷达波在多相离散随机介质和均匀介质中的传播特征,研究了探地雷达波场随裂缝宽度变化的函数关系.研究结果表明:探地雷达波在多相离散随机介质中发生了散射,致使其数值模拟剖面具有明显的随机扰动特征和"噪声",降低了探地雷达对裂缝的成像能力;随着裂缝宽度由窄变宽,其在探地雷达剖面图上的横向异常宽度差异较小,但裂缝顶端绕射波振幅强度与裂缝宽度之间具有明显的规律性,这为探地雷达定量估算公路结构层隐含裂缝宽度提供了理论依据.     

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.     

奋进新时代 南极前行者

正在新中国70华诞之际,我国南极科考事业走过了35个春秋。作为一项造福人类的崇高事业,南极科学考察的意义重大而深远。南极科考站的中国科考队员用顽强的意志、坚韧的毅力、沸腾的热血创立了南极精神,以卓越成就向祖国交上了一份满意的答卷。截止到目前,我国已初步建成了涵盖空基、岸基、船基、海基、冰基、海床基的国家南极观测网和"二船四站一基地"的南极考察保障平台。中国用实际行动,成为南极国际治理的重要参与者、南极科学探索的有力推动者、南极环境保护的积极践行者。     

探地雷达在探测隐伏活动断层中的应用

以东昆仑断裂带东部采用探地雷达探测隐伏活动断层为例。 在浅覆盖区, 利用合理的采集参数和数据处理流程; 雷达剖面图像能够清晰地显示出隐伏断层的形态特征和岩土分层; 结合沉积序列, 可以分析和评价断层的活动性。 实验证明, 探地雷达是一种有效探测浅覆盖区隐伏活动断层的方法。     

东南极昆仑站周边沿“中国墙”的冰厚和冰下地形分布（英文）

冰厚和冰下地形是南极冰盖的基本特征参数,是南极冰盖底部环境和物质平衡研究的基础。2007/08年,中国第24次南极科学考察期间,运用深部探测冰雷达系统,在东南极位于Dome A区域的我国南极昆仑站周边,开展了沿"中国墙"的冰厚和冰下地形探测。结果显示:沿"中国墙"的冰厚主要分布在1600m-2800m之间,冰厚最大达到3444m,最小为1255m;冰下地形平均高程为1722m,但是最低仅有604 m;相较于分冰岭北侧,分冰岭南侧冰厚较大,冰下地形较低,并且发育了4个明显的冰下深谷。不过,没有发现Gamburtsev冰下山脉区域典型的冰底再冻结现象以及冰下湖和水体的存在。Bedmap 2中沿"中国墙"的冰厚和冰下地形数据与冰雷达测量结果存在一致性,但是分辨率和在冰下地形起伏剧烈区域的准确性上非常有限。通过冰雷达探测得到的沿"中国墙"的冰厚和冰下地形分布,进一步揭示了这一"不可接近区域"的冰盖特征,对于Dome A区域冰盖动力学研究和未来针对Gamburtsev冰下山脉的地质钻探以及深冰芯钻探选址具有重要参考价值。     

北冰洋海冰厚度穿透雷达探测与下表面形态特征分析

通过对北冰洋海冰穿透雷达的探测与分析, 讨论了雷达电磁波探测海冰厚度和海冰下表面形态特征的能力. 结果表明, 雷达波可穿透超过6 m厚度的北极盛夏海冰, 雷达波在海冰内的传播速度是0.142~0.154 m/ns. 雷达图像表现出海冰下表面粗糙起伏的微形态特征, 这种微形态特征与海冰类型关系紧密, 反映出雷达探测有助于识别和划分海冰类型. 基于雷达图像同时显示海冰上、下界线的特点, 统计分析了二者界线实际长度的差异, 提出一个新的长度因子数值概念, 可用于海冰上、下表面面积差异的研究.     

澳大利亚夏季大雪与南极海冰三个气候开关

通过对澳大利亚气温资料和环南极海冰资料对比验证,我们发现澳大利亚夏季大雪与对面南极大陆海冰增加在时间上有一一对应关系.我们在2003年就提出,环南极海冰变化是全球气候变化的调节器,德雷克海峡海冰在全球气候变化中起重要作用.2006年澳大利亚夏季大雪验证了这一结论:气候和构造是地球系统中的两个相关因素,它们受天文周期控制.德雷克海峡海冰的减少加快了环南极西风漂流,减慢了南太平洋环流,使东澳大利亚暖流变弱,为南极冷空气袭击澳大利亚东南部的塔斯马尼亚岛创造了条件.特别值得指出的是,潮汐有1.1、2.06、2.2、10、11、22、31、56、62年变化周期,潮汐周期与太阳黑子周期的叠加效应为解释厄尔尼诺、气温、海温、海冰、地磁、地震的11年和22年周期变化提供了理论根据.     

基于探地雷达波速层析的金属矿区勘探仿真

探地雷达技术在金属矿区得到广泛应用.由于金属矿区地质构造复杂,使用于探测层状介质的反射波探地雷达勘探方法在金属矿探查中受到限制.为提高接收信号能量强度以提高探测结果分辨率,实现探测复杂地质构造及隐伏岩体,将层析成像方法用于探地雷达对金属矿区的勘查中.建立了典型的金属矿区速度模型,并选取了代表性的切片,采用LSQR算法反演计算.仿真结果误差都在1‰的数量级,证明了雷达层析成像技术应用于金属矿区勘察的有效性.     

“白色杀手”正消失 却未必是好消息

正海冰是淡水冰晶、"卤水"和含有盐分的气泡混合体,包括来自大陆的淡水冰(冰川和河冰)和由海水直接冻结而成的咸水冰,一般多指后者。广义的海冰还包括在海洋中的河冰、冰山等。咸水冰是固体冰和卤水(包括一些盐类结晶体)等组成的混合物,其盐度比海水低2‰～10‰,物理性质(如密度、比热、溶解热,蒸发潜热、热传导性及膨胀性)不同于淡水冰。海冰对高纬度地区乃至极地地区的水文、热力循环、洋流和生态系统都有重大影响。它是海洋5种主要灾害之一,素有"白色杀手"之称。     

探地雷达检测公路结构层隐含裂缝实用方法研究

本文在简要介绍探地雷达基本原理的基础上,详细介绍了作者最近完成的“多层均匀层状介质中的垂直裂缝对雷达波场响应的数值模拟和物理模拟实验研究”成果,通过与实际的公路工程检测结果对比,三者表现出很好的一致性. 研究结果表明,采用探地雷达检测公路结构层中的隐含裂缝,理论条件是充分的,实践上是可行的,检测方法本身实用性较大,检测结果直观、可靠.     

南极普里兹湾海水中冰川融化水和海冰融化水的含量

根据中国第13, 14次南极科学考察普里兹湾的实测的dD及盐度, 运用质量平衡方程, 计算得第13次南极考察航次(1996年夏季)普里兹湾海水中冰川(雪)融化水的比例为0%~3.82%, 海冰融化水的比例为-3.19%~4.78%. 在第14次南极考察航次(1997年夏季)中, 冰川(雪)融化水和海冰融化水的比例分别为1.53%~3.98%和-3.80%~4.52%. 冰川(雪)融化水和海冰融化水的水平分布均凸现绕极深层水的涌升, 而不同深度处的水团图像存在显著的偏转, 这一现象可用Ekman深海漂流理论予以圆满的解释. 普里兹湾内冰川(雪)融化水的垂直分布呈均匀分布态势, 原因可能在于冰川(雪)的消融相对于湾内水体的垂直混合是一速率缓慢的过程. 海冰融化水的比例则随深度的增加而降低, 该分布模式显然系海冰的季节性消长造成的.     

东南极冰盖伊丽莎白公主地中国泰山站站址所在区域的冰厚、内部等时层、表面和冰下地形（英文）

中国第21次(2004/2005,CHINARE 21)和第29次(2012/2013,CHINARE 29)南极科学考察在东南极冰盖伊丽莎白公主地中国泰山考察站站址所在区域,通过探地冰雷达和GPS进行了两次地球物理探测。使用中心频率分别为60MHz和150MHz的冰雷达探测,首次(2004/2005)获得该地区的冰厚与冰内部等时层结构。GPS观测显示以泰山站站址为中心约2km×2km范围内的冰盖表面地形起伏很小,海拔为2607-2636m。冰盖雷达断面显示该区域的平均冰厚为1900m,最大冰厚为1949m,最小冰厚为1856m。在泰山站站址下方冰厚为1870m。冰盖表面高程与冰厚数据联合分析发现该地区的冰下地形相对起伏剧烈,海拔为662-770m,反映出冰下地形为山地地貌。该2km×2km测量网格下方的冰量为7.6km3。60MHz冰雷达数据给出一条长17.6km,穿越泰山站的冰盖断面内部等时层结构图。从中识别分析出一些内部等时层,结果表明该处的冰盖内部等时层受到了冰流的扰动,内部等时层的几何形态暗示了泰山站所处的冰盖下方很可能经历了一个复杂的沉积过程。     

南极冰盖内部结构特性研究——基于三维各向异性电磁波时域有限差分方法

冰雷达技术已成为目前探测南极冰盖内部结构的主要技术手段.近年发展起来的多极化雷达技术可根据不同方向雷达反射功率的变化推断冰盖内部冰晶组构特征和变化规律,进而推断冰盖内部应力应变历史,这对于理解冰流机制和动力过程以及解释冰盖过去、现在和未来的变化规律具有非常重要的作用.本文从Maxwell方程出发,推导出适于介电常数各向异性的三维电磁波时域有限差分方程,进而建立模型模拟各向异性介质的响应输出及其时空分布特征.模拟结果表明： (1) 电磁波在各向异性介质中传播时,波前面为椭圆形,长轴位于介电常数小的主轴方向; (2) 横向各向异性介质反射波振幅在水平面内具有180°的变化周期.通过对现场常用三种天线装置类型模拟对比分析发现,不同天线类型各向异性层底界面反射波存在“时差”现象,并且时差大小和正负与上下层介电常数差异以及同层各向异性差异有关.在模拟计算的基础上,作者讨论了由于介电常数各向异性导致的“时间延迟”和水平面内振幅“周期性变化”的原因.模拟结果和结论对于南极冰盖冰雷达数据处理和解释工作具有指导意义.     

水库冰气泡含量和密度对探地雷达测厚的影响分析(英文)

在水库现场试验了RIS K2型探地雷达探测水库冰厚度的能力,试验时所用天线频率为600MHz;同步钻孔测量雷达探测处的冰厚度;以及在一个点上取样测试分析冰晶体、冰内气泡和冰密度。试验时冰面积雪厚度0.03-0.05m,冰层上部有0.24m粒状冰,其下均为柱状冰;冰内气泡含量呈表层高底层低分布;冰密度随气泡含量变化;冰厚度在平面内不均一。通过探测厚度和实测厚度的对比分析以及气泡含量对介电系数影响的理论分析,建立了积雪、粒状冰和柱状冰三层介质模型,获取雷达波在冰内的理论传递时间。结果发现:能够利用等效介电常数或等效传播速度评价雷达波传递时间,结冰期冰层1/3深度处的对应介电常数或传递速度可以作为等效值;另外因冰内大气泡造成的理论传递时间大于雷达探测时间,其差值随理论传递时间或冰厚的增加呈非线性增加。     

基于CryoSat-2卫星测高数据的北极海冰厚度变化研究

北极海冰是地球气候系统的重要因子,获取精确的海冰厚度及其变化信息对于开展北极和全球变化研究等有着重要的意义.卫星测高是获取连续、大范围海冰厚度的主要方法之一.冰间水道识别是卫星测高方法估算海冰厚度的关键之一.基于CryoSat-2数据,利用遥感影像对两种主要的冰间水道识别方法进行了对比,发现波形特征法能够更好地识别冰间...     

探地雷达的发展历程及其前景探讨

在总结近年来众多探地雷达研究者成果基础上,概述了探地雷达在仪器设备研制、数据处理及解释、应用范围这三方面的发展历程.指出了当前雷达设备研制所存在的问题、数据处理及解释技术的不足之处.并针对探地雷达以后的发展方向作了预测.希望通过此文能使读者对探地雷达有一个更深刻的了解,也希望本文对探地雷达工作有一定的指导作用.     

探地雷达在公路路面变形沉降检测中的应用

路面变形沉降是公路深层隐性病害的外在表现,不仅会降低路面平整度和行车舒适度,甚至会诱发翻车、撞车等严重交通事故,而且也是路面塌陷的前期征兆.探地雷达是一种有效的浅地表地球物理成像方法,利用探地雷达对其进行精细化检测,可以快速查清路面变形沉降区域下方潜伏的深层隐性病害,依据探地雷达波场特征识别隐性病害的类型(如裂缝、土质疏松、沉降、脱空、空洞等),定位其水平位置、埋深、空间范围和走向,评价其严重程度或病害等级,找到路面变形沉降的根本原因,从而为对症下药,制定针对性的非开挖处治设计和维修治理提供科学依据.     

南极普里兹湾海冰厚度的电磁感应探测方法研究

本文介绍一种由EM31-ICE型电磁感应仪和激光测距仪组合而成的船载电磁感应海冰厚度探测系统. 针对海冰和海水的电学特征,运用电磁感应技术提取探测系统至海冰下底面的距离,运用激光测距仪测量冰面粗糙度和探测系统至海冰上表面的距离,两组数据结合,实现了海冰厚度的探测. 通过南极现场探测数据分析,并与钻孔实测冰厚数据对比研究,定量分析了探测系统距离冰面的高度效应,建立了该系统冰厚测定值随高度变化的修正关系式,并对船载航行数据进行了系统校正. 与SCAR ASPeCt的冰厚数据对比分析,表明该系统能够获得可靠的海冰厚度并具有较高的精度,且能满足对极区大范围海冰厚度观测的需求.     

物化探方法在隐伏活动断裂探测中综合研究——以安宁河秧财沟断裂为例

利用地球物理方法寻找隐伏活动断裂,是解决工程地质问题的重要方法手段之一.本文在综合分析、研究了隐伏活动断层物化探技术方法的基础上,优选高密度电阻率法、大地电磁测深和氡气测量等3种综合物化探方法技术组合,结合地质、钻探资料进行综合处理与解释,准确地对安宁河东支秧财沟隐伏活动断裂进行定位.物化探方法技术组合综合解释推断的结果与钻孔实际情况基本吻合,证明该方法组合能经济、快速、有效地确定隐伏活动断裂位置、深度和产状,为后期工程地质勘察提供技术支撑.本文首次提出安宁河东支断裂的地球物理勘探模式,为后期开展相关工作提供技术支撑.