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.     

基于GRACE资料研究南极冰盖消减对海平面的影响

利用5年的GRACE重力数据,计算了南极1°×1°等效水量时间序列,得到每个格网的趋势项,结果表明在西南极Amundsen区域有明显的负增长,超过-80 mm/a,南极半岛存在着负增长,东南极Enderby Land地区质量增长;计算得到2002年7月到2007年9月南极、东南极和西南极冰盖的等效体积变化分别为-78±37 km³/a,-3±46 km³/a和-75±50 km³/a,对应海平面变化的贡献为0.21±0.1 mm/a,0.008±0.127 mm/a和0.2±0.14 mm/a.该结果与国际最新研究结果一致.同时发现冰后回弹是影响利用GRACE研究南极冰盖质量变化的关键因素.     

基于ICESat轨道交叉点分析的东南极Lambert-Amery系统当前高程变化特征分析

南极冰盖物质平衡仍然是全球海平面变化估计的最大不确定因素.本文使用2003～2007年ICESat/GLAS获取的高精度冰盖测高数据,利用我们开发的高精度高程变化提取程序,首次获取了东南极最大冰流系统-Lambert-Amery地区在ICESat卫星轨道交叉点处的高程变化序列.依据冰川动力学原理,对该流域进行详细划分,...     

冰盖消融的海平面指纹变化及其对GRACE监测结果的影响

全球变暖背景下的冰盖消融以及由此带来海平面上升日益明显,直接影响地球表面的陆地水质量平衡,以及固体地球瞬间弹性响应,研究冰盖质量变化的海平面指纹能够帮助深入了解未来海平面区域变化的驱动因素.本文基于海平面变化方程并考虑负荷自吸效应（SAL）与地球极移反馈的影响,借助美国德克萨斯大学空间研究中心（Center for Space Research,CSR）发布的2003年到2012年十年期间的GRACE重力场月模型数据（RL05）,结合加权高斯平滑的区域核函数,反演得到格陵兰与南极地区冰盖质量变化的时空分布,并利用海平面变化方程计算得到了相对海平面的空间变化,结果表明：格陵兰与南极冰盖质量整体呈明显的消融趋势,变化速率分别为-273.31 Gt/a及-155.56 Gt/a,由此导致整个北极圈相对海平面降低,最高可达约-0.6 cm·a^-1;而南极地区冰盖质量变化趋势分布不一,导致西南极近海相对海平面下降,而东南极地区近海相对海平面上升,最高可达约0.2 cm·a^-1.远离质量负荷区域的全球海平面以上升趋势为主,平均全球相对海平面上升0.71 mm·a^-1,部分远海地区相对海平面上升更加突出（例如北美与澳大利亚）,高出全球平均海平面上升速率将近30%.此外,本文也重点探讨了GRACE监测冰盖消融结果中由于极地近海海平面变化导致的泄漏影响,经此项影响校正后的结果表明：海平面指纹效应对GRACE监测格陵兰与南极地区2003-2012期间整体冰盖消融速率的贡献分别为约3%与9%,建议在后期利用GRACE更精确地估算研究区冰盖质量变化时,应考虑海平面指纹效应的渗透影响.     

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.     

基于ICESat块域分析法探测2003～2008年南极冰盖质量变化

利用2003～2008年间的ICESat卫星激光测高数据,通过块域交叉点分析提取南极大陆冰盖表面高程变化信息,同时探讨了卫星激光测高不同任务间的系统偏差,结合冰盖地表粒雪密度模型探测南极大陆冰盖质量变化,并对其原因做了初步分析.结果显示南极大陆冰盖高度变化具有明显的年周期信号,平均周年振幅为2.21 cm.在南极大陆的...     

GRACE重力卫星探测南极冰盖质量平衡及其不确定性

2002年GRACE重力卫星的成功发射为南极冰盖质量平衡的研究提供了重力探测的新纪元.本文利用美国德克萨斯大学CSR公布的2003年1月到2013年12月期间的RL05版本GRACE月重力场数据,采用最优平均核函数法和组合滤波法两种GRACE后处理方法反演了南极冰盖质量的时空变化.结果表明:在2003—2013年期间南极冰盖物质平衡呈明显的负增长状态,质量变化趋势为-163±50Gt/a(GW13)、-129±41Gt/a(IJ05)、-81±27Gt/a(W12a),加速度为-8±10Gt/a2,质量消融的主要区域分布在西南极阿蒙森海岸和南极半岛的北部.另外本文还重点探讨了可能影响到估算结果的各项误差及不确定性,分析结果显示影响南极冰盖质量平衡估算结果的最大误差源为GIA改正.通过假设检验和信息准则对时间序列分析中拟合参数的合理选取进行了探讨和分析,在联合周年项、半年项和S2、K2、K1潮汐混频项进行拟合分析时发现K1项对拟合结果的加速度影响比其他周期项稍大,尽管考虑该项的合理性因当前GRACE数据时间序列长度有限而无法确切证实,但K1项的影响值得后续关注.对比两种GRACE后处理方法的结果发现:当采用的数据时间跨度一致,误差改正方法相同,两种相异的后处理方法,其估算结果也具有较好的一致性.     

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.     

南极冰盖物质平衡最新研究进展

探明南极冰盖物质平衡状况,对研究全球变暖背景下海平面变化具有重要意义,也是南极冰川学的重要基础工作.在ITASE计划(International Trans Antarctic Scientific Expedition)和ISMASS计划(Ice Sheet MassBalance and Sea Level)的指导下,各国科学家对南极几个主要流域进行了大范围的实地观测,获取了一些重要成果.此外,由于极地测高卫星和重力卫星的应用,南极冰盖整体物质平衡状况评估在近期得到长足发展.无论是实地研究还是卫星遥感,都有其局限性,两者结合可以弥补各自的缺陷,是未来研究的主要发展方向,但目前仍未引起足够的重视.因此,本文综述了南极冰盖物质平衡研究的最新研究进展,将有关研究分局域和洲际尺度进行了介绍,并对国内的研究提出建议.     

1994-2014年南极沿岸验潮站海平面绝对变化确定与分析

鉴于卫星测高技术在南极周边海域会受到海面浮冰影响,且在利用测高序列分析海平面周期性动态变化时还会受到潮汐周期混叠效应的影响,为此,本文开展了基于GPS和验潮数据联合的南极大陆附近海域从1994-2014年间海平面的绝对变化研究.研究结果显示：在围绕南极大陆及附近海域的15个验潮站中,海平面绝对变化速度最大的是Diego Ramirez验潮站,达到11.10±0.04 mm·a^-1;在西南极南极半岛的德雷克海峡,海平面变化最为活跃,变化均值在8.31±0.05 mm·a^-1;在东南极,从Syowa站依次到Casey站,海平面的绝对变化速度相对平稳,四个潮位站海平面变化均值为3.35±0.04 mm·a^-1;在罗斯冰架右下侧的罗斯岛附近,由于冰川崩解入海导致Scott Base站处的海平面上升速度较快,达到了9.61±0.07 mm·a^-1.综合15个验潮站计算结果可得南极半岛德雷克海峡和罗斯岛附近海域,海平面绝对变化速度要高于同期南大洋海平面绝对变化速度,而东南极4个潮位站海平面绝对变化均值则与其相当.这也进一步反映了南极不同海域间海平面变化的差异性,相比较于对南大洋海平面变化的一个整体研究,分区研究海平面变化更具针对性,能更好地了解南极不同区域冰盖、冰架崩解和消融的情况.     

Greenland and Antarctica Ice Sheet Mass Changes and Effects on Global Sea Level

Thirteen years of GRACE data provide an excellent picture of the current mass changes of Greenland and Antarctica, with mass loss in the GRACE period 2002–2015 amounting to 265 ± 25 GT/year for Greenland (including peripheral ice caps), and 95 ± 50 GT/year for Antarctica, corresponding to 0.72 and 0.26 mm/year average global sea level change. A significant acceleration in mass loss rate is found, especially for Antarctica, while Greenland mass loss, after a corresponding acceleration period, and a record mass loss in the summer of 2012, has seen a slight decrease in short-term mass loss trend. The yearly mass balance estimates, based on point mass inversion methods, have relatively large errors, both due to uncertainties in the glacial isostatic adjustment processes, especially for Antarctica, leakage from unmodelled ocean mass changes, and (for Greenland) difficulties in separating mass signals from the Greenland ice sheet and the adjacent Canadian ice caps. The limited resolution of GRACE affects the uncertainty of total mass loss to a smaller degree; we illustrate the “real” sources of mass changes by including satellite altimetry elevation change results in a joint inversion with GRACE, showing that mass change occurs primarily associated with major outlet glaciers, as well as a narrow coastal band. For Antarctica, the primary changes are associated with the major outlet glaciers in West Antarctica (Pine Island and Thwaites Glacier systems), as well as on the Antarctic Peninsula, where major glacier accelerations have been observed after the 2002 collapse of the Larsen B Ice Shelf.     

High-accuracy topographical information extraction based on fusion of ASTER stereo-data and ICESat/GLAS data in Antarctica

In order to better support Antarctic inland ice sheet expedition from Zhongshan Station to Dome A, the topographic data are necessary. At present, although the entire Antarctic DEM provided by RAMP (Radarsat Antarctic Mapping Project) was estimated at the highest horizontal (spatial) resolution of about 200 m, the real horizontal resolution of the DEM varies from place to place depending on the density and scale of the original source data. For ice shelves and the inland ice sheet, the horizontal resolution is about 5 km; the vertical accuracy is estimated to be ±50 m in interior East Antarctic ice sheet and away from the mountain ranges. Therefore, more accurate topographic data are unavailable in Antarctica. In order to meet the requirements of high-accuracy topographic information for further researches, this paper mainly addresses a fusion study of ASTER stereo pairs and ICESat/GLAS altimetry data for extraction of high-accuracy DEM in East Antarctica, based on the high horizontal resolution (15 m) of ASTER and vertical accuracy (13.8 cm) of ICESat/GLAS. First, some altimetry data were selected as vertical control points to reduce errors of image correlation matching during the extraction of ASTER-based DEM. Second, ice sheet altimetry data derived from ICESat were used to generate DEM ranging from 75° to 81°S because existing ASTER data do not cover this area and high density of the coverage of ICESat altimetry data. Finally, the DEM in coverage of the expedition route was produced. The analysis of result reveals that the DEM accuracy is improved significantly. The absolute vertical accuracy of DEM is higher than 15 m in some cases and higher than 30 m for all the areas along the expedition route except from the 009-001 scene; the interior accuracy is higher than 15 m and higher than 7 m in some cases. It can meet the requirements of topographic map at 1:50000 scale, which is an economic and advantageous method to produce the topographic products. Supported by National Natural Science Foundation (Grant No. 40606002), Surveying and Mapping in Chinese Antarctic Expedition Area (Grant No. 1469990711109-1), National Key Technology R & D Program (Grant No. 2006BAD18B01), and GLA12 dataset of ICESat/GLAS in National Snow and Ice Data Center (NSIDC)     

冰川均衡调整对南极冰质量平衡监测的影响及其不确定性

本文研究了新的全球冰川均衡调整(GIA)模型对南极冰盖质量平衡监测的影响,考虑现有冰川负荷模型和地幔黏滞度模型的差异,完整评估了结果的不确定性,最后结合GRACE和卫星测高的结果进行了对比分析.结果表明,GIA对GRACE监测的等效水柱变化有重大影响,较大的GIA影响出现在西南极,沿罗斯冰架-卡姆布冰流-罗尼冰架-南极...     

Ice Sheets and Sea Level: Thinking Outside the Box

Until quite recently, the mass balance (MB) of the great ice sheets of Greenland and Antarctica was poorly known and often treated as a residual in the budget of oceanic mass and sea level change. Recent developments in regional climate modelling and remote sensing, especially altimetry, gravimetry and InSAR feature tracking, have enabled us to specifically resolve the ice sheet mass balance components at a near-annual timescale. The results reveal significant mass losses for both ice sheets, caused by the acceleration of marine-terminating glaciers in southeast, west and northwest Greenland and coastal West Antarctica, and increased run-off in Greenland. At the same time, the data show that interannual variability is very significant, masking the underlying trends.