基于GPS的北极冰川表面地形测量与制图

自2005年以来,我国科考队员利用双频GPS在北极黄河站附近的Austre Lovénbreen 和 Pedersenbreen两条冰川上每年一次开展高精度的冰川运动观测,获取了冰川表面监测标杆的精确位置和运动速度。2009年4月,我国考察队员在这两条冰川上开展了密集的GPS点位数据采集,藉此开展北极两条冰川的冰面地形测量。在分析单频GPS动态单点定位数据用于冰面地形测量的可行性基础上,经过平差计算获得了两条冰川的冰面地形数据,进而生成冰面DEM和等高线,制作冰面地形图。经与高精度控制点比较,冰面DEM高程的误差为0.78m,在冰川季节性高程波动和年消融的变化范围之内。由于SMART-V1型GPS设备是当前冰川研究工作中应用较多的pulseEKKO型探地雷达配套的一个重要部件,本文的结论对于同类仪器开展冰川测量工作具有参考价值,对基于高密度的GPS动态单点定位测量方法用于冰面地形测量的数据处理具有指导意义。     

斯瓦尔巴群岛冰川学研究进展与我国北极冰川监测系统建设

北极斯瓦尔巴群岛冰川大多数属于亚极地型(sub-polar)或多热型(polythermal)。Austre Br(?)ggerbreen和Midre Lovénbreen冰川(＜10km~2)长时间系列物质平衡研究显示,自小冰期结束以来几乎所有的观测年中夏季消融比冬季积累更大,导致冰体稳定地减小;而面积更大、海拔高度更高的冰川如Kongsvegen冰川(105km~2)则更加接近稳定态的平衡。斯瓦尔巴群岛冰川流动速率一般较低,但跃动相当频繁,控制跃动型冰川空间分布的因素包括冰川长度、基底岩性和多热场。可通过冰川水文特征、钻孔温度测量和无线电回波探测获取斯瓦尔巴群岛冰川热场的信息。斯瓦尔巴群岛冰川的低流速和多热性结构对冰川上的排水系统相当重要,整个群岛淡水径流的四个主要来源分别是冰川消融、雪融化、夏季降雨和冰崩解,经验回归方法和模式方法用于计算淡水径流量。因夏季融水渗浸作用、采样分辨率低和化学成分分析有限,早期斯瓦尔巴群岛冰芯的准确定年受到严重影响,但最近的研究显示,来自斯瓦尔巴群岛冰帽的冰芯数据仍然能够提供重要的气候和环境信息。通过我国北极黄河站2005年度科学考察,我们已初步建立了Austre Lovénbreen冰川和Pedersenbreen冰川监测系统,并计划在Austre Lovénbreen冰川进行钻孔温度测量、冰川气象要素观测、冰川前缘水文观测以及冰川厚度和内部结构测量,重点开展斯瓦尔巴群岛冰川基本特征和发育条件、冰川表面能量和物质平衡、冰川波动与气候变化关系、淡水径流年际和季节性变化和气/雪/冰界面过程等方面的研究。     

北极考察与GPS定位研究初探

本文叙述了作者 1 996年参加“北极追踪”科学考察队进行首次北极测绘科学考察期间 ,使用 GPS全球定位观测系统 ,沿雷索柳特 ( Resolute)—夸那 ( Qaanaaq)—卡波郁科 ( Kap Yok)—尤里科 ( Eureke)—北极点 ( North Pole)—尤里科—雷索柳特的考察路线 ,进行了冰海考察路线导航、寻找北极点、夸那及雷索柳特定点观测。事后采用高精度 GPS数据处理科研软件 GAMIT对采集得到的数据进行了处理、分析 ,得到了观测点的地心及大地坐标和各点到北京的空间基线长。结果表明 ,利用 GPS定位系统在北极地区进行大规模范围内、高精度监测地壳运动和环境动态变化是完全可行的。     

北极Svalbard群岛Austre Lovénbreen和Pedersenbreen冰川表面运动特征

以野外实测数据为基础,分析北极Svalbard群岛Austre Lovénbreen和Pedersenbreen冰川表面运动特征。结果表明:(1)Austre Lovénbreen和Pedersenbreen冰川表面水平运动速度平均分别为2.14 m·a-1和6.28 m·a-1,变差系数平均分别为0.24和0.14,夏季水平运动速度略高于冬季,水平运动速度与其所处海拔高度具有多项式型关系,冰川主流线表面水平运动速度高于两侧,冰川两侧的表面水平运动速度不对称,Austre Lovénbreen冰川从源头至末端依次表现为运动的压缩区、拉伸区和压缩区;(2)Austre Lovénbreen和Pedersenbreen冰川表面垂直运动速度平均分别为0.76 m·a-1和0.90 m·a-1,两条冰川表面夏季垂直运动速度均大于冬季且夏季变差系数小,垂直运动速度与海拔高度具有一元线性相关性,表面物质平衡造成的高程变化对垂直运动速度的贡献率最大;(3)Austre Lovénbreen和Pedersenbreen冰川表面应变率分布表现为沿主流线方向逐渐减小然后负向增加,且其变差系数平均分别为0.19和0.15。     

北极冰川槽谷发育的形态特征分析

Austre Lovénbreen冰川和Pedersenbreen冰川是位于北极斯瓦尔巴群岛的两条典型的多温山谷冰川,中国北极黄河站冰川考察组于2009年在两条冰川上开展了密集的GPS/GPR测量工作。基于现场实测数据,结合冰川槽谷数值研究的幂函数模型,本文解算了Austre Lovénbreen冰川和Pedersenbreen冰川的模型参数,根据两条冰川不同断面模型参数的变化规律,确定冰川槽谷发育的形态特征;分析冰川侵蚀在槽谷发育过程中的作用,比较两冰川地形和冰流速差异对冰川槽谷发育的影响,探究冰川槽谷形态发育状态与冰流速的关系。结果表明Pedersenbreen冰川槽谷发育优于Austre Lovénbreen冰川,两条冰川槽谷地形更接近于V型而非U型。尽管两条冰川相邻,当前的发育状态却呈现出明显的差异, Pedersenbreen冰川流速较快,冰川侵蚀过程以侧蚀作用为主; Austre Lovénbreen冰川流速较慢,冰川侵蚀过程以下蚀作用为主;这主要是由于两条冰川所处的山谷地形不一致造成的。     

北极黄河站生态环境考察与研究进展

北极黄河站位于北极斯瓦尔巴群岛新奥尔松地区,是生态系统对全球变化响应监测与研究的理想之地。我国自2004年建站以来,开展了系统的王湾海域生态断面和陆地植被样方的长期监测与研究,同时开展了环境污染和鸟类种群变迁等方面的考察与研究。结果表明:冰川退缩迹地上的物种更替明显,而范氏藓等可很好地反映该地区同时期的气温变化;从北极黄河站周边区域的海底沉积物、土壤、湖沉积物和冰川冰碛中分离获得了3个北极新属和21个北极新种,并发现了部分活性菌株;王湾海域微型浮游生物存在较高的生物多样性,其表层水存在潜在氮限制;微藻对温度有较好的适应性,具有通过自身调节来适应北极环境变化的能力;苔原植物对重金属具富集能力,大气传输是持久性有机污染物(POPs)污染来源的最主要途径;鸟类方面,在距今9 400年海鸟就已在该地区生活繁衍,种群数量存在明显波动并在距今7 650年左右达到最大。未来应坚持监测断面和样方的长期监测,进一步掌握生物群落的变化趋势;融合我国在该地区的大气、冰川、样方和海洋监测,开展大气-冰雪-陆地-海洋相互作用研究,聚焦科学问题并形成我国在该地区的研究特色。     

北极黄河站站区虚拟现实建设的方法与实践

中国在北极第一个科学考察站--黄河站的建成,将极大地提高中国极地科考能力。鉴于人们对北极了解得还不多,建立一个虚拟的北极黄河站,使我们足不出户就可以进入虚拟的黄河站进行漫游。本文介绍了虚拟现实建设的几种方法,选择其中一条技术路线并完成北极黄河站站区虚拟现实建设。     

2009年喀喇昆仑山叶尔羌河冰川阻塞湖及冰川跃动监测

在气候变化的影响下,喀喇昆仑山叶尔羌河冰川突发洪水近几年频繁发生.2009-05-09,利用中国环境减灾卫星(HJ-1A/1B)影像,对叶尔羌河上游冰川突发洪水的源头进行了动态监测.在克亚吉尔冰川末端发现了冰川阻塞湖,并监测到其不断扩大.2009-08初该处冰川湖突然消失,同期影像显示其消失后,河谷中残留大量冰体,与往年情况差异巨大.结合相关水文记录及历史资料分析认为,极有可能是冰川末端突然前进(跃动)使冰川坝遭到破坏,导致冰川阻塞湖泄水.由此推测克亚吉尔冰川发生了罕见跃动现象,但需要进一步研究验证.     

北极Svalbard地区Austre Lovénbreen和Pedersenbreen冰川表面物质平衡和运动特征分析

对位于北极Svalbard群岛新奥尔松﹙Ny-(A)lesund﹚的Austre Lovénbreen和Pedersenbreen冰川首个物质平衡年(2005/06年度)的冰川表面物质平衡及其运动特征进行研究,并阐述了Austre Lovénbreen冰川末端位置的变化状况.结果表明: (1) Austre Lovénbreen和Pedersenbreen冰川净物质平衡分别为-0.44和-0.20 m w.e.,年消融量分别为0.99和0.94 m w.e.,对应冰川零平衡线高度分别为478.10和494.87 m.(2) 两条冰川符合Svalbard地区跃动冰川运动的特征模式.运动速度矢量的水平分量表现为:向主流线辐合或平行于主流线.下游运动速度较慢,而在中上游运动相对较快.Austre Lovénbreen冰川表面各观测点的运动速度平均值为2.28 m·a-1,运动速度最大值和最小值分别为3.91和0.81 m·a-1;Pedersenbreen冰川表面观测点运动速度平均值为6.74 m·a-1,运动速度最大值和最小值分别为8.13和5.49 m·a-1.运动速度矢量的垂直分量表现为:消融区冰川消融量随海拔升高而减弱,Austre Lovénbreen冰川至E断面表现出微弱的积累,海拔高度略有升高.实际垂直运动量总体符合冰川运动的一般形式,即积累区向下运动,消融区向上运动.(3) Austre Lovénbreen冰川末端2005/06年度处于退缩状态,平均退缩量达21.83 m·a-1,各观测点中最大、最小退缩量分别为77.30和2.76 m·a-1,差异显著.     

北极Svalbard地区Austre Lovénbreen和Pedersenbreen冰川表面物质平衡和运动特征分析

对位于北极Svalbard群岛新奥尔松(Ny-lesund)的Austre Lovénbreen和Pedersenbreen冰川首个物质平衡年(2005/06年度)的冰川表面物质平衡及其运动特征进行研究,并阐述了Austre Lovénbreen冰川末端位置的变化状况。结果表明:(1)Austre Lovénbreen和Pedersenbreen冰川净物质平衡分别为-0.44和-0.20m w.e.,年消融量分别为0.99和0.94m w.e.,对应冰川零平衡线高度分别为478.10和494.87m。(2)两条冰川符合Svalbard地区跃动冰川运动的特征模式。运动速度矢量的水平分量表现为:向主流线辐合或平行于主流线。下游运动速度较慢,而在中上游运动相对较快。Austre Lovénbreen冰川表面各观测点的运动速度平均值为2.28m·a-1,运动速度最大值和最小值分别为3.91和0.81m·a-1;Pedersenbreen冰川表面观测点运动速度平均值为6.74m·a-1,运动速度最大值和最小值分别为8.13和5.49m·a-1。运动速度矢量的垂直分量表现为:消融区冰川消融量随海拔升高而减弱,Austr...     

2014年夏季北极东北航道冰情分析

使用2003—2014年6—9月份的AMSR-E和AMSR-2海冰密集度数据计算了北极海冰范围, 并获得海冰空间分布图。通过分析得出, 2014年北极夏季海冰范围在数值上与2003—2013年的多年平均值很接近, 在空间分布上与多年中值范围相比主要表现为两个方面的不同：(1)2014年夏季拉普捷夫海及其以北海域海冰明显少于多年中值范围, 9月份冰区最北边界超过了85°N;(2)巴伦支海北部斯瓦尔巴群岛至法兰士约瑟夫地群岛区域海冰范围明显多于多年中值范围, 而且海冰范围在8月份不减反增, 冰区边界较7月份往南扩张了约0.8个纬度。2014年夏季在拉普捷夫海以南风为主, 而在巴伦支海以北风为主。南风将俄罗斯大陆上温暖的空气吹向高纬地区, 造成高纬地区温度偏高, 促进拉普捷夫海海冰融化, 并使海冰往北退缩。北风将北冰洋上的冷空气吹向低纬地区, 造成巴伦支海的气温偏低, 不利于海冰的融化, 同时北风使海冰往南漂移扩散, 造成巴伦支海北部海冰范围在2014年偏多。2014年北地群岛航线开通时间范围大约在8月上旬到10月上旬, 时长约两个月。新西伯利亚群岛及附近海域的开通时间稍早于北地群岛, 但关闭时间比北地群岛晚, 所以 2014年东北航道全线开通的时间主要受制于北地群岛附近海冰变化。     

南北极海冰变化及其影响因素的对比分析

海冰是海洋-大气交互系统的重要组成部分,与全球气候系统间存在灵敏的响应和反馈机制。本文选用欧洲空间局发布的1992—2008年海冰密集度数据分析了南北极海冰在时间和空间上的变化规律与趋势,并结合由美国环境预报中心(National Centers for Environmental Prediction,NCEP)和美国大气研究中心(National Center for Atmospheric Research, NCAR)联合制作的NCEP/NCAR气温数据和ENSO指数探讨了南北极海冰变化的影响因素。结果表明,北极海冰面积呈明显的减少趋势,其中夏季海冰最小月的减少更快。北冰洋中央海盆区、巴伦支海、喀拉海、巴芬湾和拉布拉多海的减少最明显。南极海冰面积呈微弱增加趋势,罗斯海、太平洋扇区和大西洋扇区的海冰增加。北极海冰面积与气温有显著的滞后1个月的负相关关系(P0.01)。北极升温显著,北冰洋中央海盆区、喀拉海、巴伦支海、巴芬湾和楚科奇海升温趋势最大,海冰减少很明显。南极在南大西洋、南太平洋呈降温趋势,海冰增加。北极海冰减少与39个月之后ONI的下降、40个月之后SOI的上升密切相关;南极海冰增加与7个月之后ONI的下降、6个月之后SOI的上升存在很好的响应关系。南北极海冰变化与三次ENSO的强暖与强冷事件有很好的对应关系。     

Measurements of physical characteristics of summer snow cover on sea ice during the Third Chinese Arctic Expedition

The spatial distribution of snow cover on the central Arctic sea ice is investigated here based on the observations made during the Third Chinese Arctic Expedition. Six types of snow were observed during the expedition: new/recent snow, melt-freeze crust, icy layer, depth hoar, coarse-grained, and chains of depth hoar. Across most measurement areas, the snow surface was covered by a melt-freeze crust 2-3 cm thick, which was produced by alternate strong solar radiation and the sharp temperature decrease over the summer Arctic Ocean. There was an intermittent layer of snow and ice at the base of the snow pack. The mean bulk density of the snow was 304.01±29.00 kg/m3 along the expedition line, and the surface values were generally smaller than those of the subsurface, confirming the principle of snow densification. In addition, the thicknesses and water equivalents of the new/recent and total-layer snow showed a decreasing trend with latitude, suggesting that the amount of snow cover and its spatial variations were mainly determined by precipitation. Snow temperature also presented significant variations in the vertical profile, and ablation and evaporation were not the primary factors in the snow assessment in late summer. The mean temperature of the surface snow was 2.01±0.96°C, which was much higher than that observed in theinterface of snow and sea ice.     

基于多源遥感数据的中山站附近地区冰架和冰川变化监测

南极冰架和冰川的变化是全南极动态变化的主要过程之一。利用MODIS L1B级250 m分辨率数据和Landsat陆地卫星15 m分辨率数据,针对不同尺度试验区域,分别监测2000—2016年间中山站附近地区的埃默里冰架、极时代冰川、极记录冰川和达尔克冰川的动态变化过程,并对试验区的动态变化进行分析。结果表明,埃默里冰架在近16年间一直处于向外扩展状态,前缘年扩展速率和扩展面积量较为稳定;极时代和极记录冰川不断向海洋流动,极时代冰川于2007年发生大型崩解,而极记录冰川前端的冰山在2014年发生崩解,冰山面积逐年递减,于2016年完全漂离冰川前缘;达尔克冰川则在监测年份内呈现出了交替性扩展和崩解的变化规律。     

夏季南极固定冰单轴压缩强度及试样破碎规律研究

2012年11月—2013年4月中国第29次南极科学考察期间,针对南极夏季固定冰单轴压缩性质开展了研究。使用冰芯钻直接在平整冰层钻取力学试样,取样冰厚为149 cm,其中颗粒冰、柱状冰和片状冰分别占采样冰芯总长度的15.4%、72.5%和12.1%;单轴压缩试样只采用柱状冰部分,加工好的力学冰样尺寸为直径9 cm,长度为18 cm;共设置5个试验温度(-2、-4、-6、-8和-10℃),加载应变速率在10-6—10-2s-1。利用统计方法分析试验结果,建立了南极夏季海冰单轴压缩强度与孔隙率和应变速率的关系式,以及综合考虑应变速率和温度影响下的单轴压缩强度定量表达式;同时,基于分形理论对单轴压缩试样破碎块分布规律进行了分析,结果显示碎块长度分形维数随着温度和应变速率的降低有增大趋势。在特别低应变速率下海冰试样整体发生蠕变时,无法采用分形方法讨论海冰内部破碎程度。     

Glacier changes in the Sanjiangyuan Nature Reserve of China during 2000–2018

The glaciers in the Sanjiangyuan Nature Reserve of China (SNRC) are a significant water resource for the Yangtze,Yellow,and Mekong rivers.Based on Landsat Thematic Mapper(TM)/Operational Land Imager (OLI) images acquired in 2000,2010,and 2018,the outlines of glaciers in the SNRC were obtained by combining band ratio method with manual interpretation.There were 1714 glaciers in the SNRC in 2018,with an area of 2331.15±54.84 km2,an ice volume of 188.90±6.41 km3,and an average length of 1475.4±15 m.During 2000-2018,the corresponding values of glaciers decreased by 69,271.95±132.06 km2,18.59±8.83 km3,and 84.75±34 m,respectively.Glaciers in the Yangtze River source area witnessed the largest area loss (-154.45 km2),whereas glaciers in the Mekong River source area experienced the fastest area loss (-2.02％·a-1) and the maximum reduction of the average length (-125.82 m).Overall,the retreat of glaciers in the SNRC exhibited an accelerating trend.Especially,the loss rate of glacier area in the Yellow River source area in 2010-2018 was more than twice that in 2000-2010.The glacier change is primarily attributed to the significant rise in temperature during the ablation period.Some other factors including the size,orientation and terminus elevation of glaciers also contributed to the heterogeneity of glacier change.     

气候变化背景下北极海冰对我国冬季气温的影响研究

利用1961—2015年中国冬季气温资料、中国气象局逐月北极海冰密集度指数资料和美国国家海洋和大气管理局(NCEP/NCAR)环流资料,采用滑动相关、时滞相关及偏相关等分析方法,探讨了秋季北极海冰对中国冬季气温的影响。结果表明,秋季北极海冰改变了后期冬季西西伯利亚高压和华北高压强弱,导致我国西北地区和长江与黄河之间地区冬季气温异常。进一步分析发现,西北地区冬季气温的异常主要是受西西伯利亚高压影响,而长江与黄河之间冬季气温的异常主要是受华北高压影响。而秋季北极海冰通过改变后期冬季欧亚中高纬度环流,进一步影响高原地区冬季气温。     

近40a阿尔金山冰川与气候变化关系研究

以Landsat MSS/TM/ETM⁺/OLI 遥感影像和数字高程模型为数据源,在遥感和地理信息技术支持下,分析了阿尔金山地区1973、1999、2010、2015 四期冰川变化特征。研究表明：（1）1973-2015 年,冰川总面积共退缩了58.78 km²,年均退缩率为0.40%·a^-1,东段退缩速率最快,其次是西段,中段最慢,且冰川退缩速率呈现出先变快后变慢的变化趋势。（2）各个坡向都出现不同程度的退缩,偏南坡比偏北坡冰川退缩严重。（3）冰川面积退缩速率与规模等级呈现反相关关系,小规模冰川退缩速率快。（4）冰川分布随海拔变化呈正态分布,海拔越低退缩速率越快。统计分析气象数据表明,气候变暖是冰川退缩的主要原因,同时地形与冰川规模也影响冰川变化。