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。     

极地冰盖冰雷达探测技术的发展综述

分三个阶段,即早期冰雷达系统(20世纪60至80年代)、第二代冰雷达系统(20世纪8O年代至2000年)和新冰雷达系统(2ooo年之后),综述了极地冰盖冰雷达探测技术的发展。最后,展望了冰雷达探测技术未来的发展趋势。     

基于深度学习算法的冰雷达图像冰面与基岩界面提取

极地冰盖底部的冰-基岩界面记录了冰盖的历史演变,反映了冰层的几何特征和冰底环境属性,是推断冰盖动力学和解释冰下地貌的重要指标。机载冰雷达是一种有效的极地冰盖探测方法,但雷达数据受探测环境和仪器自身局限性的影响,会包含各类噪声。为了高效准确地提取冰雷达图像中基岩界面和冰面、降低噪声干扰,利用2015—2016年度中国第32次南极科学考察在伊丽莎白公主地的航空冰雷达观测数据,基于深度学习的pix2pix算法建立了一种自动化提取雷达图像冰面和基岩界面的模型。实验结果表明,该模型提取冰面/基岩界面的精确率为0.863/0.948,峰值信噪比为24.814 dB,均高于以往的K-SVD和CycleGAN同类算法,能更有效地去除噪声、提高图像质量,更高精度地还原现在通用的人工提取效果。     

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。     

极地冰雪探测冰雷达技术发展回顾与展望

冰雷达是用于极地冰雪探测的主要技术手段,为研究极地冰雪的几何特征、内部结构、冰下地形地貌和冰底环境提供了重要的基础观测数据。20世纪50年代,人类首次发现特定频段的电磁波可以“穿透”南极冰盖,进而在60年代研制出用于极地冰盖冰下探测的冰雷达系统。之后60多年里,随着计算机、电子信息和卫星定位导航等技术的发展,冰雷达技术研究取得快速发展,形成了适用于极地冰盖、海冰及其上覆积雪不同探测需求的多样化冰雷达系统。本文在简要回顾了早期冰雷达技术发展的基础上,着重从极地冰盖深部探测、极地冰盖和海冰浅表层探测以及新型极地冰雪探测冰雷达技术3个方面,回顾总结了近10年来国内外主要进展。未来,为适应极地冰盖、海冰及其上覆积雪观测研究的多种需求,需要进一步提升冰雷达系统性能(探测深度、跨轨迹向分辨率、垂向分辨率等),并且研制满足新型平台(无人机、卫星等)搭载需求的小型、低功耗冰雷达系统,以及发展多通道、多频、多极化集同观测模式的综合冰雷达技术。     

机载冰雷达原始数据质量监测系统及其应用进展

高水平的研究都需要基于精准的原始数据,如何克服极地恶劣环境的影响提升原始数据采集的鲁棒性,是南极科学考察中一项极富挑战的工作,这些原始数据将会直接影响后续一系列重要科研成果。由于意识到原始数据质量监测过程的重要性,冰桥计划和雪鹰601中都采用了相应的数据质量监测方案,在一定程度上提升了机载冰雷达数据采集和运输过程中原始数据的完整性和安全性。然而,脱离数据本质的质量监测成效甚微,若要有效提升机载冰雷达数据质量,一方面需要从机载冰雷达数据特征入手进行监测;另一方面需要结合同时采集的多源数据,通过构建时空维度的全方位监管,展开对关联原始数据质量控制的研究,才能在全生命周期有效保障原始数据的安全。     

用雷达电磁波探测研究南极冰盖浅层散射特征:以中山站至Dome A冰盖断面为例

本研究运用双频雷达(60MHz和179MHz)获取的南极中山站-Dome A断面的雷达回波探测数据,对冰盖浅部100-700m的雷达内部反射层和接收功率变化定量计算分析表明,60MHz的雷达回波能量比179MHz衰减得更快;中山站-Dome A断面冰盖浅层700m以上的雷达反射层形成的主导原因是冰密度的变化;断面上不同测站点间同一深度的接收功率差值达到10dB,表明冰盖浅层散射存在显著差异。     

南极无冰区古海蚀龛沉积──古环境研究的新材料

首次在西南极菲尔德斯半岛长城站地区发现了保存完好的古海蚀龛沉积物 ,研究表明它是后期冰水湖泊沉积环境下的产物 ,该沉积剖面的形成环境反映了本地区距今 46 0 0年以来地貌演化、冰盖进退与古气候的演化过程。古海蚀龛沉积剖面的发现 ,为目前主要基于湖泊沉积物、海洋沉积物及冰芯等进行的南极无冰区古环境研究领域 ,提供了一种新的研究载体。     

冰雷达探测数据处理方法研究——以南极冰盖Dome A地区的数据处理为例

提出了冰雷达数据处理的流程,详细论述了冰雷达数据处理中常规修正的关键技术：静态校正、增益控制、带通滤波以及偏移处理等。以中国第24次南极科学考察（CHINARE 24）所获取的Dome A 地区30 km×30 km范围冰雷达原始数据处理作为实例,提取得到了该区域冰盖内部等时层埋深以及冰盖的冰厚数据。通过插值展现了冰盖等时层以及冰岩界面的三维空间形态。结合该区域ICESat冰盖表面高程数据,构建出了Dome A地区涵盖冰盖表面、冰盖等时层以及冰岩界面形态特征的三维模型。     

Detection of ground ice using ground penetrating radar method

The paper presents the results of a ground penetrating radar (GPR) application for the detection of ground ice. We combined a reflection traveltime curves analysis with a frequency spectrogram analysis. We found special anomalies at specific traces in the traveltime curves and ground boundaries analysis, and obtained a ground model for subsurface structure which allows the ground ice layer to be identified and delineated.     

天山1号冰川厚度和冰下地形探测与冰储量分析

通过对天山乌鲁木齐河源 1号冰川的雷达回波探测 ,清晰地揭示出冰川底部冰 /岩界面的位置及其起伏变化特征 ,显示出雷达波对山地冰川良好的穿透能力和对冰下地形的高分辨能力 ,冰川雷达测厚的误差小于 1 .2 %。研究结果显示 ,1号冰川东支冰川平均厚度为 5 8.77m ,西支冰川平均厚度为 44.84m ,冰体厚度最大值发育于冰川中部趋于主流线位置。冰川冰储量计算表明 ,东支冰储量为 0 .0 5 1 868km3,西支冰储量为 0 .0 2 0 2 1 0km3。表面和底部地形有明显差异 ,主要因冰川动力过程对基岩强烈的地貌作用所致 ,意味着冰床的起伏地形对冰川浅层冰体的运动过程影响不显著。     

南极冰架-海洋相互作用研究综述

本文介绍了近期南极冰架-海洋相互作用的研究进展。冰架底部融化速率大于前缘崩解通量,成为南极冰盖质量损失的首要途径。冰架下的海洋按照底部融化驱动因素的不同,可以分为由高密度陆架水驱动的冷冰腔和由变性绕极深层水驱动的暖冰腔。威德尔海的菲尔希纳-龙尼冰架和罗斯海的罗斯冰架属于冷冰腔,占南极冰架总面积的2/3,却只贡献了15%的净融化;东南太平洋扇区阿蒙森海和别林斯高晋海等若干属于暖冰腔的小型冰架,虽然只占南极冰架总面积的8%,却贡献了超过一半的冰架融水。以往看做冷冰腔的东南极托滕冰架和埃默里冰架,也相继发现有变性绕极深层水进入冰腔并造成底部融化。冰架对海洋有冷却和淡化的作用。冷冰腔输出的冰架水具有海洋中最低的温度,对南极陆架水性质乃至南极底层水的形成都有影响。冰架融化加剧,可能是近期观测到的南极底层水淡化的原因。     

Discovery of an ice cave in the Yatude Valley, Langhovde, Dronning Maud Land, East Antarctica

A circular hole was discovered on the downstream side of a glacier dam in the Yatude Valley, Langhovde, East Antarctica, during the 2005–2006 austral summer. The opening of this hole is the first opportunity enabling us to observe the interior of the dam. The opening led to a large cave in the dam, raising the possibility of meltwater drainage through the dam. The Yatude Valley is an approximately U-shaped fluvial valley. The valley floor has been incised to form a box-shaped inner valley that contains fluvial terraces and large boulders upon the valley floor. The origin of these features can be explained by a large amount of running water; however, we consider it unlikely that a regular current has flowed through this site for a long period. Instead, it is more likely that large quantities of lake water have been periodically discharged due to collapse of the glacier dam or spilling out through a tunnel channel within the cave. The discovered hole and the ice cave are key features in understanding the historical development of the Yatude Valley in relation to the melting history of the Antarctic ice sheet.     

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。     

极地冰川底部微生物多样性及对气候变化响应的研究概况及其前景

极地冰盖/冰川底部微生物的生命形态特征及其适应机制研究是当前最前沿的方向之一。越来越多的研究表明: 极地冰盖/冰川底部存在液态水和有机质, 可以为微生物生存提供生境。此外, 微生物参与冰盖/冰川底部地球化学风化过程, 对受气候变化驱使的环境变化尤为敏感。围绕着极地冰川底部微生物多样性及其对气候变化响应的研究主题, 重点介绍极地冰川底部微生物的生命形态特征、可能来源、所参与的地球化学反应机制以及与C、N循环的相互作用。旨在为未来关于冰川底部的研究提供参考。     

Role of Antarctic ice mass balance in present-day sea-level change

The Antarctic ice sheet is arguably the most critical in terms of future sea-level rise, primarily because it contains 70% of the world's fresh water. While there exists evidence of accelerated ice-sheet ablation during the past decade, the possibility that the ice sheets contributed little to 20th century sea-level rise could result in Antarctica becoming the largest contributor to sea-level rise during the 21st century. Here we review the findings of studies published following the 2007 Intergovernmental Panel for Climate Change (IPCC) study, focusing on the role of Antarctica in present-day (1992–2006) sea-level rise. We show that the choice of glacial isostatic adjustment (GIA) model significantly affects GRACE-estimated Antarctic mass loss, adding 0.25–0.45 mm/yr to the estimate of sea-level rise. The current estimate of Antarctica's contribution to sea-level rise has a wide range: from −0.12 to +0.52 mm/yr. The discrepancy between observed sea-level trend of 1.8 mm/yr and those estimated from various geophysical sources (2.10 ± 0.99 mm/yr) is 0.30 mm/yr. The role of Antarctica in sea-level rise might be better constrained by lengthening satellite observations, using long-term GPS data to discriminate subglacial vertical motion from ice mass balance, and detecting the sea-level signal due to elastic loading from the melting ice-sheets.     

南极无冰区典型沉积环境石英砂表面结构特征及其在沉积环境识别中的应用

本文利用电镜扫描方法 (SEM)对比分析了南极乔治王岛无冰区海滩沉积、冰碛物以及阿德雷岛湖泊沉积等典型沉积环境中的石英砂表面结构特征 ,得出了乔治王岛各典型沉积环境中石英砂表面结构特征的颗粒频率曲线。结果表明 :不同沉积环境下的石英砂颗粒表面结构特征具有相似性 ,这主要和南极地区广泛发育的冰川作用有关 ,同时 ,它们也有各自典型的特征组合 ,这些典型特征组合的不同反映了石英砂后期的搬运历史和沉积环境的差异。本文还依据石英砂表面特征的颗粒出现频率 ,利用聚类分析方法对研究区内三级海岸阶地上的沉积物和一个未知成因的样品进行了沉积环境的判别分析 ,结果证明石英砂微形貌特征可以作为南极地区沉积环境识别的有效手段