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.     

东南极冰盖Lambert冰川流域的物质平衡研究

Lambert冰川流域是南极冰盖最大的冰流系统, 因而在整个南极冰盖的物质平衡中占有非常重要的地位. 近年来穿越该冰川流域的路线考察所获得的现场观测资料和浅冰芯研究结果显示, 该冰川东、西两侧的积累速率分布和近期变化有明显差异: 东侧积累速率较高且近几十年来呈增加趋势, 西侧积累速率较低且过去几十年为明显减小. 冰体运动速度测量和冰流通量计算表明, 该冰川东侧运动速度较快, 冰流量也较大, 说明该冰川冰量补给主要来源于东侧区域. 计算出的考察断面上游物质积累总量大于流出的冰通量约13%, 意味着该流域目前处于物质正平衡状态, 如果保持目前气候状态, 冰盖将会增厚.     

南极冰川地震学研究进展

冰川地震学是冰川学与地震学的交叉学科,其核心内容是运用地震学方法开展冰震、冰川结构及变化等研究.南极冰川类型丰富,拥有大量快速冰流以及大型冰架,其冰盖内部及边缘地区拥有丰富的冰震来源,各类冰震发震频繁,冰震信号频带宽、震级跨度大,在全球冰冻圈中具有代表性.南极冰川结构变化与物质平衡密切相关,冰川地震学研究可以通过监测各类冰川结构变化事件,为南极内部结构变化带来新的认识.本文首先介绍了南极地区冰川地震学研究开展情况,总结出5类具有代表性的南极冰震,并结合南极部分冰流、溢出冰川、冰架以及冰山详细描述其类型及特征.其次,对Rutford冰流、Whillans冰流、Ross冰架以及Thwaites冰川4个典型区域的冰川地震学研究情况进行介绍.最后,针对在南极开展冰川地震学研究面临的机遇和挑战,进行了探讨.     

联合GRACE和ICESat数据分离南极冰川均衡调整(GIA)信号

2002年发射的GRACE重力卫星为南极冰盖质量平衡提供了一种新的测量方式,但由于南极GIA模型的不确定较大,进而影响GRACE结果的可靠性.本文联合2003—2009年的GRACE和ICESat等数据实现了南极GIA信号的分离,联合方法所分离的GIA不依赖于不确定性很大的冰负荷等假设模型,而是直接基于卫星观测数据估算而来的,具有更大的可靠性.在分离过程中,本文提出了冰流速度加权改正法和GPS球谐拟合改正法对GIA结果进行精化,同时引入了南极GPS观测站的位移数据对分离的GIA进行详细的评估和验证,GPS验证表明经过冰流速度加权和GPS球谐拟合双改正后的GIA结果精度明显得到提高.最后本文利用所分离的GIA对GRACE和ICESat结果进行了改正,得到2003—2009年南极冰盖质量变化的趋势为-66.7±54.5 Gt/a(GRACE)和-77.2±21.5Gt/a(ICESat),相比采用其他的GIA模型,本文的GIA结果使GRACE和ICESat这两种不同观测技术得到的南极冰盖质量变化结果更加趋于一致.     

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。     

基于CryoSat-2测高数据的全南极冰盖DEM的建立与精度评估

数字高程模型(DEM)是南极冰盖变化研究的基础,由于现场实测数据的稀缺,卫星测高数据是南极地区构建DEM的'主要数据来源.CryoSat-2是新一代用于极地冰盖、海冰监测的测高卫星,本文利用2012-12-2015-01两个完整周期的CryoSat-2测高数据建立一个新的南极冰盖DEM.坡度是影响卫星测高精度的重要因素之一,利用改进的重定位方法对CryoSat-2数据进行坡度改正.插值方法是影响DEM精度的重要因素,通过对几种常用插值方法的比较,最后选用克里金插值方法对测高数据进行插值,建立了1km分辨率的南极DEM.在88°S以南的CryoSat-2数据空白区,利用南极数字数据库(ADD)的等高线数据对DEM进行填补,建立了全南极冰盖DEM.利用ICESat卫星测高数据、IceBridge航空测高数据以及GPS地面实测数据对新建立的CryoSat-2 DEM进行精度验证,并与Bamber 1 km DEM、ICESat DEM、RAMPv2 DEM以及JLB97 DEM等四种国际上常用的南极DEM进行比较.结果表明:新建立的CryoSat-2 DEM的整体精度约为0.730±8.398 m;在冰弯顶部区域,DEM精度优于1 m;在冰架上,DEM精度约为4 m;在内陆冰盖大部分地区,DEM精度优于10 m;在地形复杂的山区和沿海边缘地区,DEM误差超过150 m.     

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.     

利用高频GPS技术进行强震地面运动监测的研究进展

回顾了高频(1 Hz) GPS在地学应用中的研究进展和主要的数据处理方法,全面比较了高频GPS与地震仪的工作原理与性能,认为高频GPS可为后者进行有效的补充;分析了高频GPS应用于监测短周期强震地面运动的技术优势,以及在处理方法和实际的地学应用中存在的不足;通过对高频GPS的应用领域与发展前景的研究,对我国开展高频GPS数据的处理方法与地学应用研究提出了自己的观点和看法.     

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.     

冰川地震学研究进展

冰川地震学结合了冰川学和地震学的综合优势,形成一门年轻的交叉学科.冰震是指冰川运动和破裂过程中产生的振动,包括从微小的嘎吱声到相当于7级地震的突发性破裂或滑动.当前,根据冰震发生的位置以及发生机理的不同,将冰震大概分为五类:冰川表层破裂、冰川终端崩解、冰内水力压裂、冰腔水流震荡、冰层基底黏滑.冰震研究除了可以采用传统地震学方法外,也可以结合GPS、数值模拟、冰川物性等多学科综合方法来研究,进一步可以探究冰崩的发生过程及危险性评估.本文回顾了国内外冰川地震学的研究进展,介绍了我国研究人员在青藏高原地区开展的冰川地震研究工作,综合探讨了冰川地震对天然地震研究的启示.     

用前3秒P波估计地震大小的早期预警方法是否适用于短周期记录？-1999年集集地震序列的模拟实验

现有的地震早期预警系统大多采用宽频带记录或强震记录, 然而很多地震台站仍然使用短周期地震仪. 用短周期地震记录估计大地震震级时会出现饱和的现象早已众所周知. 但需要研究的问题是tau;c和Pd方法估计地震震级时出现饱和的震级到底是多少.为研究使用短周期记录进行地震早期预警的可能性,本文使用1999年集集地震序列的强震数据（包括主震和31次余震）进行模拟实验,所选地震序列的震级在4级到7.6级范围内. 用强震记录与短周期地震仪响应函数的卷积模拟短周期记录,利用其前3秒波形计算参数tau;c和Pd,并与用原始的强地面运动记录计算得到的结果进行比较. 结果表明, 在一定程度上,短周期地震记录仍可用作地震的早期阈值预警,并且Pd方法直到6.5级才出现饱和,好于tau;c方法.      

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.     

南极Lambert, Mellor和Fisher冰川的物质平衡及Amery冰架底部物质通量的估算

利用现场观测与遥感数据对Lambert, Mellor和Fisher冰川的物质平衡及其在Amery冰架的底部融化与冻结状况进行了估算. 结果表明, 澳大利亚组织的Lambert冰川盆地(LGB)考察路线的上游地区, Lambert与Mellor冰川分别为(3.9±2.1)和(2.1±2.4) Gt·a^-1的正平衡, 而Fisher冰川基本处于平衡状态. 上游地区总的正平衡为(5.9±4.9) Gt·a^-1. 考察路线以下, 3条冰川均处于负平衡, 总的负平衡为(-8.5±5.8) Gt·a^-1. 整个Lambert, Mellor和Fisher冰川均接近于平衡状态. 3条冰川总净平衡为(-2.6±6.5) Gt·a^-1. 前人认为GL线(1970年代初澳大利亚在LGB建立的冰川运动观测点的连线)以上的内陆盆地处于显著正平衡, 可能是因为过高地估算了总积累量, 并低估了穿过GL线的冰通量. 靠近Amery冰架南端着地线, 冰架底部的平均融化速率为(-23.0±3.5) m冰·a^-1, 向下游方向快速减小, 并在距冰架最南端约300 km处过渡为底部冻结. 沿3条冰川在Amery冰架的冰流带(flowband), 冻结速率约介于(0.5±0.1)~(1.5±0.2) m 冰·a^-1. 由于冰流带底部的融化, 流入冰架的内陆冰损失了大约80%±5%. 3条冰流带底部总融化和总冻结分别为(50.3±7.5)和(7.0±1.1) Gt 冰·a^-1, 这要比前人通过模拟和海洋观测估算的整个Amery冰架底部总融化和总冻结还要大很多.     

南极1992～2009年接地线遥感产品精度综合评估和分析

本文利用多源遥感数据,对五种主流的南极接地线遥感产品的精度进行了综合评估和分析.采用全新的评估策略和评估流程实现了接地线产品精度的系统评估.评估流程主要分成两大步骤:首先提出一组评估指标自动处理了84.4%的接地线数据,再根据多源遥感数据完成了剩余15.6%部分数据的人工评估.结果显示, InSAR接地线(InSAR GL)产品质量比较高(不一致度为0.3%),被推荐在有该类数据时优先使用.基于光学影像提取的接地线产品质量相对较低(不一致度为3～12%),但其覆盖范围更完整,尤其是覆盖了潮汐较弱的地区.在完成了全部五种接地线产品(1992～2009年)的精度评估后,发现有9.5%的南极接地线表现出后退或前进的趋势,这部分接地线被归类为"变化"状态.文章对南极不同流域尺度上的接地线变化进行了分析,发现其中接地线后退最快的区域为流域22(含松岛冰川),速率为(544±51)m a–1,前进最快的区域为流域14(包括默茨冰川),速率为(304±16)m a–1.西南极冰盖和东南极冰盖的接地线平均变化速度分别为(–370±8)和(5±7)m a–1.结果表明,西南极冰盖的接地线有显著的后退趋势,而东南极冰盖的接地线介于平衡和轻微前进趋势之间(除托滕冰架区域外).     

2005珠峰高程测定的技术进展

2005年中国对珠穆朗玛峰高程进行了新的测定. 重点介绍了2005珠峰测高中大地测量数据获取和处理方面的技术进步: 其中峰顶GPS测量是整个珠峰测高中的关键, 总结了以往珠峰峰顶GPS测量的经验教训, 采取多种技术措施, 大幅度提高了峰顶GPS测量的精度; 增加地面测站对峰顶觇标的激光测距, 以提高测定珠峰觇标平面位置和高程的精度; 采用雷达探测结合GPS技术, 测定珠峰峰顶冰雪覆盖层的厚度, 提高了测量峰顶冰雪覆盖层厚度的精度和可靠性; 利用珠峰地区的重力、GPS水准和DTM资料, 结合不同的地球重力场模型, 计算了珠峰地区两种栅格(30"×30"和2.5′×2.5′)的重力异常, 精化了珠峰地区局域重力场和似大地水准面. 最后给出了2005珠峰测高的成果: 珠峰峰顶雪面正常高为8846.67 m, 珠峰峰顶雪面正高(海拔高)为8847.93 m, 珠峰峰顶岩面正高为8844.43 m, 珠峰峰顶冰雪层厚度为3.50 m.     

用于监测旋转地震现象的光纤系统

概述了自主式光纤旋转地震仪(AFORS)野外测试的应用和发展,此地震仪利用萨格奈克效应直接测量地面地震源的旋转。自主式光纤旋转地震仪的主要优势在于它不受直线运动影响,可以直接测量地震期间产生的旋转分量。该系统包含一个专用的自主式信号处理装置,可以对旋转运动的测量计算进行优化,而基于互联网的遥感系统可以对自主式光纤旋转地震仪远程控制。实验研究表明,这两种设备在检测频带为0.83~106.15Hz时,可以保持精度不低于5.1×10~(-9)~5.5×10~(-8)rad/s,并且灵敏度呈线性变化。文中还给出了一些用AFORS-1连续监测波兰克雄日地震观测站旋转事件的实验结果。     

卫星激光测高探测极地冰架表面裂隙方法

冰架崩解是南极洲物质损耗的主要途径,崩解是应力作用引起的裂隙(或裂缝)传播的结果,裂隙位置和深度的探测是理解崩解机理过程的重要基础.本文提出了一种利用卫星激光测高ICESat-1/GLAS高程数据产品提取冰架表面冰裂隙的方法,并以南极洲埃默里冰架为例验证了这种方法探测裂隙位置的准确性和深度探测精度.同时,基于提取的裂隙点深度分布特征提出了裂隙峰值应力点的探测方法,可用于追踪冰裂隙初始裂口位置和探测导致冰架崩解的高危区.利用2003～2008年间16个运行时期内132条ICESat-1/GLAS高程轨迹线分析了埃默里冰架冰裂隙深度的时空分布和裂隙峰值应力点的空间分布.结果显示,探测到的裂隙点深度在2.0～31.7 m均在海平面以上;裂隙深度变化未显示出随时间推移和冰流移动而增加的趋势,说明平流移动到冰架前缘的裂隙基本不会直接导致冰架的崩解;冰架局部应力集中区主要分布在冰流的缝合区内.     

基于GPS测站垂向速度的南极地区冰川均衡调整(GIA)模型分析

由于数据稀缺,南极冰川均衡调整(glacial isostatic adjustment, GIA)建模相比北美和北欧古冰盖区域更为困难,现有GIA模型在南极地区还存在较大的不确定性.空间大地测量技术不断发展和进步,为GIA建模提供了外部检核和新的约束.利用GAMIT/GLOBK10.5软件对南极及周边区域73个测站1996～2014年的GPS数据进行解算和平差,并考虑有色噪声估计其地壳垂向运动速度.为了研究不同因素对地壳垂向运动的影响,将GPS测站垂向速度与Argus等(2014)、Thomas等(2011)的GPS结果以及各GIA模型预测结果划分区域进行比较,主要包括南极半岛北部、龙尼-菲尔希纳冰架、阿蒙森海沿岸、罗斯冰架、埃里伯斯火山、西南极内陆、东南极沿海等七个区域,结果表明在南极半岛北部和阿蒙森海沿岸派恩艾兰湾地区存在现今冰雪负荷变化引起的显著地壳弹性抬升,在埃尔伯斯火山区域存在的显著下沉可能与其地下岩浆活动有关,东南极沿海测站垂向运动速度都不显著,其他区域的测站垂向运动主要受到GIA的影响.对文章GPS结果与各GIA模型的相关性和GIA模型的不确定性进行分析,结果表明ICE-6G(VM5a)模型与文章GPS结果的一致性最好,其次是Geruo13模型,而W12a和IJ05_R2系列模型与本文GPS结果一致性相对较差.虽然目前南极GIA模型相比以前版本的模型有了很大改进,但是南极地区GIA建模的状况仍然不容乐观:GIA模型相比北美地区不确定性偏大,在BENN等部分测站上存在较大不符值,在现今冰雪负荷变化显著地区由于弹性改正模型不确定性偏大而缺乏精确GPS约束.     

北斗导航定位系统（BDS）下地壳运动监测精度分析

为分析北斗导航定位系统（BDS）在地壳运动监测领域的数据精度,选取中国大陆构造环境监测网络（陆态网络）2018—2019年川滇地区GPS、BDS多系统观测站点数据,分别对GPS、BDS记录的数据进行解算,从三维坐标解、位置时间序列及速度场等方面,对比分析二者在地壳运动监测中的不同,综合分析BDS对地壳运动监测精度。结果表明,BDS定位精度达到cm级,但仍低于GPS精度,BDS、GPS速度场模型运动方位和速度值有所不同,垂向差异较为明显。总体来看,北斗系统数据满足高精度定位解算要求,可用于监测形变量较大的区域地壳运动。     

地震灾后区域无人机GPS遥感定位技术研究

传统基于云计算的地理位置定位方法进行目标定位时需要分析大量的地理数据信息,造成目标定位过程复杂且容易出现定位差错。提出新的地震灾后区域无人机GPS遥感定位方法,其功能包括遥感传感子系统、遥感空中控制子系统、无人机平台、无人机地面控制子系统、三维模型影像重建以及目标定位分析。重建地震灾区的三维影像模型时,先提取地震灾区的DEM数据,将无人机GPS遥感测量得到的影像纹理映射到DEM上,构建地震灾区的三维地物模型;目标定位分析采用测距目标定位法,利用无人机在不同位置对目标进行定位分析,实现对地震灾后区域的定位分析,得到目标的坐标结果。实验结果说明,所提方法能提高目标定位的精度,缩短目标定位用时。