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。     

基于航空高程的玛丽伯德地西部地区表面粗糙度的研究

基于1998年12月—1999年1月德克萨斯大学地球物理研究所(UTIG)航空地球物理研究支持办公室(SOAR)对南极洲玛丽伯德西部区域航空调查获得的冰盖表面高程数据,研究了该区域表面粗糙度分布。通过分析,同时考虑表面在垂直方向和水平方向的变化,使用有效坡度可以有效地表征玛丽伯德地西部区域的表面粗糙度特征,文中给出了该区域表面的有效坡度分布,并简要探讨了其分布成因。从结果中可知该研究区域的98%地区的有效坡度分布小于10°,最小值为0.0126°;有效坡度在10°以上的位置主要分布在靠近海岸地区,爱德华七世半岛、谢里斯海岸附近的部分地区有效坡度值达到30°以上,最大有效坡度为39.9736°。结合bedmap2的高程数据,对罗斯冰架附近、福特山脉附近以及爱德华七世半岛附近的粗糙度和地形的对应关系进行了讨论。     

南极冰盖的物质平衡研究:进展与展望

南极冰盖物质平衡最新的研究进展表明,西南极洲表现出两种变化模式,西部在增厚,而北面在更快地减薄。西南极冰盖总体可能正在减薄,其物质损失的速率可能足以使海平面每年上升近0.2mm。东南极冰盖物质不平衡可能很小,甚至其符号还不能被确定。南极半岛正在经历着快速变化。目前还不能可靠地估算南极冰盖的物质平衡状态。同时,大型冰川的停滞,一些冰川流速加快,冰盖大范围加速减薄,冰架大面积的快速崩解和支流冰川的加速,以及着地线强烈的底部融化等显示出南极冰盖存在快速变化。南极冰盖物质平衡未来的重点研究领域是开展冰盖表面高程变化的监测与模拟,确定表面物质平衡及其在各冰流盆地的分布,着地线的冰流通量,冰架底部的融化,了解冰后期冰盖退缩的动力过程,以及开发、对比和改进与冰盖物质平衡模拟和预测相关的各种模型。     

南极冰盖表面冰流速研究综述

冰川表面流速作为南极冰盖物质平衡估算的一项重要内容,对于研究全球变暖背景下的海平面上升具有重要意义。随着技术的进步,南极的冰流速监测方法已经从传统的花杆测量、光学仪器边角测量,发展到先进的GPS测量和遥感观测。南极冰盖冰流速总体特征是:海岸带冰流速快于内陆冰流速,冰架冰流速快于陆地冰流速,西南极冰流速快于东南极冰流速。未来加强对数据稀疏地区的冰流速监测,扩大冰流速研究的时间尺度,开发冰流速研究的新方法以及构建冰流速波动与气候变化相互关系模型等,成为南极冰流速研究的新热点。     

南极冰盖数值模拟研究进展与展望

数值模拟南极冰盖是提升人们认识南极冰盖演化行为的重要手段。通过数值模拟研究可以揭示某些观测数据包含的冰盖物理机理以及在缺乏观测数据的情形下预测冰盖的演化行为。本文在综述南极冰盖数值研究国际进展的基础上,分析了南极冰盖数值模拟方面几个主要模型的特点,特别针对南极冰盖的三维数值模拟展开讨论,分析并探讨了冰盖数值模拟可能会遇到的潜在不稳定源以及在拓展模型研究范围时会遇到的障碍。对目前三维冰盖数值模拟存在的几个问题进行了讨论,并对未来发展进行了展望。     

北极海冰厚度的热力学和动力学影响因素研究评述

全球变化背景下,在过去的40年中,北极海冰范围快速减少,厚度显著变薄,同时多年冰向一年冰转化,这对区域乃至全球气候系统具有重要影响。海冰厚度作为气候变化的指示器,在大气-海冰-海洋之间的物质和能量交换过程中起着重要作用。本文通过综述国内外北极海冰厚度影响因子的研究进展,对影响北极海冰厚度的热力学和动力学过程进行了梳理和总结。在热力学方面,海冰厚度会受到大气-海冰和海冰-海洋两个界面处的热通量影响,其中,大气-海冰热力学过程的影响因素包括冰面特征、气温、水汽、降雨/降雪和云量等,主要通过海冰表面辐射收支和湍流热交换(感热和潜热)产生影响;而海冰-海洋界面处的热通量作为海冰厚度的重要影响因素,主要受太阳辐射对上层海洋的加热、风应力导致的垂向混合以及中低纬暖流输送的影响。在动力学方面,海冰厚度变化主要通过风和海流的共同驱动引起海冰输运和海冰的形变。大尺度环流异常也会通过大气-海冰-海洋相互作用对北极冰厚的热力学和动力学过程产生显著影响。     

极地冰盖物质平衡的最新进展与未来挑战

准确地探明冰盖物质平衡状况,对于研究全球变暖背景下海平面变化具有重要的意义,自IPCC AR4(政府间气候变化专门委员会第四次报告)以来,极地冰盖物质平衡的研究取得了很大进展。本文总结并对比了用卫星测高(雷达测高和激光测高)、物质收支测量和重力测量等方法得到的冰盖物质平衡评估结果,综述了冰盖数值模拟研究在预测冰盖未来的变化趋势以及由此对海平面造成的影响等方面取得的进展,并立足于中国当前的极地冰盖物质平衡研究现状,提出了该研究所面临的挑战。     

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。     

南极冰盖地表能量平衡的研究进展

南极冰盖地表能量平衡研究,是耦合冰冻圈、大气圈和水圈过程的基础之一,对了解冰盖表面物质平衡过程、提升极地天气气候预报水平有着极其重要的意义。随着近年来极地观测水平的提升,南极冰盖地表能量平衡研究取得了长足的进步,特别是在辐射参数化和有效热传导系数模拟等方面。但在南极广袤的地域和多样的天气条件下,已有的研究大都适用于局地环境,限制了我们的模拟和预测能力。因此,适用于极地特殊环境的传感器的研发、关键气候区的科学试验的开展和基础的气象站网建设,能加深我们对冰/雪-气相互作用过程的理解,进而改进已有的参数化方案,应用于多圈层模式的耦合。     

京津冀地区人口规模调控政策参数化路径与系统模拟

政策调控是实现区域社会经济均衡发展的主要手段,采用系统分析方法评估和预测政策实施效果是进行决策的重要依据。然而,当前政策制定存在目标指向性不具体、调控力度不明确、协同作用机制不清晰等问题,既阻碍了政策的有效落实,更无法开展政策实施效果分析和决策优化。其根本症结在于缺少能够量化具体的政策目标并精确指导区域管理对策的政策参数。本文提出了面向系统动力学(System Dynamic, SD)模拟的区域调控政策参数化路径。通过细化政策指标、量化政策参数和区间化调控范围等方法,将政策调控转变为系统变量形式,代入到政策交互作用的系统动力学模型中,实现对政策调控效果的模拟。本文以区域人口规模调控政策为切入点,选择京津冀地区为案例区进行实证研究。结果显示,面向系统动力学模拟的政策参数化方案很好地重现了区域人口规模政策调控过程,能有效提高调控政策实施的精确性和可操作度,并为区域调控政策的配置和优化提供理论和方法的支撑。     

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。     

海冰流变学方案对比模拟试验

利用美国麻省理工学院开发的数值模式MITgcm设计了区域冰·洋耦合数值模拟试验,开展了海冰动力学过程中两种流变学方案(黏性-塑性流变学和弹性-黏性-塑性流变学)的对比研究.结果表明,两种方案模拟的海冰内部应力张量分量σ<,11>和σ<,22>总体分布形式相近.冬季,大值区主要位于加拿大北极群岛和格陵兰岛北侧以及格陵兰岛...     

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。     

一个北极区域冰海耦合模式的设置与应用

介绍了一个北极区域冰-海耦合数值模式的设置与应用。海洋模式基于MIT海洋环流数值模式,海冰动力学过程由Hibler的粘-塑模型发展而来。海冰的热力过程基于Winton提出的三层热力学模型。给出了耦合模式的基本框架,重点介绍了区域冰-海耦合系统中较为重要的程序包,如正交网格生成技术,中尺度涡的参数化,冰-海耦合及开边界处理等。以NCEP再分析资料为大气强迫场,模拟研究了北极夏季海冰范围异常的变化特征(1992—2007),模拟得到的海冰面积变化趋势与SSM/I观测资料进行了对比,两者相关系数达到0.88,模式基本反映了海冰的年际变化特征。以2007年为例,对比分析了9月份海冰密集度分布特征,模式结果得到的海冰范围略大于观测,但基本反映了2007年夏季海冰范围的衰减形态。     

西南极菲尔德斯半岛海豹粪土沉积物有机地球化学特征

本文研究了位于西南极菲尔德斯半岛海豹粪土的沉积泥芯HN1的分子地球化学组成特征.HN1沉积物的正烷烃以短链及n-C23为主,主要来源可能为湖相沉积的藻类、细菌和苔藓的输入.醇类组分以高浓度的植物甾醇和粪便甾醇为主,分别代表了植被和海豹粪土沉积的输入,指示了研究区域历史时期的生态变化.脂肪酸组分偶奇优势明显,以C16,C...     

溶解动力学和结晶动力学研究的参数优化

溶解动力学和结晶动力学研究的参数优化对研究物质的溶解、结晶转化机理和热力学行为具有重要的意义。我们将Ｒｕｎｇｅ-Ｋｕｔｔａ法与单纯形优化法相结合,针对几种适合于该法求解的微分动力学方程进行了讨论,从而为动力学研究中机理模型参数的优化提供了一种行之有效的方法。     

南极冰盖与冰川的快速变化

近10年的观测研究表明,南极冰盖和冰川存在快速的变化阿蒙森海扇区的主要冰流系统正在迅速变薄,减薄趋势可上溯至内陆150km处;罗斯冰流出现了停滞或明显减速,有的流动方向发生了改变,引发冰流袭夺;南极半岛冰架大面积崩塌,补给冰川加速,冰川出现了跃动;变暖的海水进一步侵蚀了冰架,着地线附近底部冰层融化强烈。上述发现改变了南极冰盖缓慢变化的传统观点,并对今后的冰川动力学研究,冰流模型模拟,冰盖物质平衡研究及预测具有重要意义。     

城市与区域定量研究进展

本文系统地梳理了城市与区域的定量研究方法,主要包括数理模型和模拟方法、单个城市增长和动力系统研究、城市系统动力学模型及其发展过程模拟研究、空间一般均衡模型研究以及多模型复合/集成系统研究等。主要结论为：1950年以前的城市与区域研究主要采取时间序列预测法,依靠历史资料的时间数列进行趋势外推研究;1960-1970年代主要采用数理统计分析方法,应用人口统计学模型和线性回归方法进行研究;1970-1980年代,随着系统科学的发展,采用系统分析方法发展了诸如交通、人口、土地等专业模型,展开对城市与区域问题的深入分析;1990-2000年代,研究数据的获取手段得到极大的改善,利用数据模型、地计算分析、模拟预测等分析手段使得研究的深度和广度均有了长足进步。近年来,由于空间数据挖掘的突破,大数据、云计算和巨型模型系统开始进入城市与区域研究领域,多模型复合/集成系统研究成为主要研究方向。     

植被与风蚀耦合动力学模型及其应用

 利用植被-风蚀耦合动力学研究了植被生长发育与风蚀发生、发展之间的动力学关系,考虑了植被覆盖度V和风蚀比S之间的相互耦合作用,以及在外力作用尤其是人类活动影响下的植被与风蚀的演变规律,以此建立了植被-风蚀动力学模型。将模型应用于京津风沙源治理工程区等区域,采用试算法探索了模型中参数的取值,模拟了区域植被盖度与风蚀比发展演变过程,发现模拟结果与实际演变过程符合精度较高,进而分析并利用模型进行预测,结果表明,植树造林等增加植被的措施对风蚀发展的控制作用比较缓慢,是一个长期作用效果,需要坚持不懈的努力才可能达到预期的治理效果。     

北极冰间湖时空变化过程及其形成机制研究进展

在北极气候快速变化的背景下,北极冰间湖作为北极最活跃的区域,其产生和维持以及该区域结冰析盐过程对北极地区的水文环境、海洋生物的生存和发展以及北极航道路线的选择等产生深远的影响。然而,现有的研究对北极各冰间湖形成的位置、大小和时间等变化缺乏较为细致的研究,且对各冰间湖具体形成因素以及影响其变化的机制研究不足,国内对于北极冰间湖时空变化过程及形成机制的系统性介绍及概述较少。因此,本文梳理了目前国内外关于北极冰间湖的研究方法、时空变化过程和形成机制等方面的研究进展,总结了北极冰间湖在北极区域的综合作用与影响,阐述了影响北极冰间湖变化的热力学与动力学因素,并在前人研究的基础上对目前冰间湖研究中亟待解决的问题和目标进行展望。