南极冰盖接地线研究综述
自我介绍1分钟常沛;周春霞;雷皓博
【摘 要】接地线是内陆固定冰盖和漂浮冰架的分界线,其位置的准确界定直接影响到南极冰盖物质平衡的计算.随着技术的发展,接地线的提取手段已经逐步从小范围的实地无线电回波测厚和GPS探测,发展到大范围的遥感观测.遥感观测主要包括4种技术手段,即流体静力学平衡、坡度分析、重复轨道分析以及差分干涉测量.以遥感观测为基础,国际上已发布5种全南极接地线产品,包括MOA、ASAID、ICESat、MEaSUREs以及Synthesized接地线产品.随着卫星数据源的丰富,改进接地线提取方法并高精度提取接地线,扩大接地线研究的时间尺度并对全南极进行长时序的接地线动态变化监测,结合冰架底部消融、冰底地形和海洋温度等参数,深入分析其变化原因和机制以及接地线变化与气候变化相互关系的建模等,将会成为南极接地线研究的新热点.%Grounding line is the boundary between inland grounded ice sheet and floating ice shelf. The preci extraction of its location has a significant impact on the Antarctic ice sheet mass balance. Grounding line extraction method has been developed from in situ RES and GPS of small-scale to remote nsing measure-ments of large-scale.
Four main techniques of remote nsing measurements, including hydrostatic equilib-rium, slope analysis, repeated track analysis and differential SAR interferometry, lay the foundation of five relead grounding line products of the whole Antarctica, named MOA, ASAID, ICESat, MEaSUREs and Synthesized grounding line product. With the development of remote nsing technology, multi-source re-mote nsing data will be ud for grounding line extraction with high-precision, and its dynamic changes monitoring with longer temporal scale in whole Antarctica. Moreover, the change mechanism of the grounding line position coupled with bottom melt of ice shelf, bed topography and ocean temperature, and building models of its relationship with climate change will be future rearch hotpots.
【期刊名称】《极地研究》青马实践报告
【年(卷),期】2017(029)003
【总页数】9页(P305-313)种植人参
【关键词】南极冰盖;接地线;接地区域;遥感观测
【作 者】常沛;周春霞;雷皓博
【作者单位】武汉大学中国南极测绘研究中心,湖北武汉 430079;极地测绘科学国家测绘地理信息局重点实验室, 湖北 武汉430079
【正文语种】中 文内命妇
0 引言
由于南极冰盖总量巨大, 细微的冰盖变化也会对海平面产生重大影响, 这使得南极冰盖物质平衡的定量研究显得尤为重要[1-3]。接地线是内陆固定冰盖和漂浮冰架或冰舌的分界线, 只要是流出接地线的冰, 就会对海平面上升有贡献, 因为冰经过接地线之后其重力已经排开当量的海水[4-5]。接地线的位置对于物质平衡及其估算至关重要, 从南极内陆通过冰川和冰架流出到海洋的冰通量是南极冰盖物质平衡的主要支出项[6-8], 通常将上述冰通量与内陆降雪增加的冰雪质量之间的差值作为南极物质平衡的变化值。计算南极冰川和冰架流出到海洋的冰通量最准确的方法是计算流过接地线的冰通量的大小, 即利用接地线所在位置的冰流速数据和冰厚数据进行计算, 因此不准确的接地线位置会导致冰流速数据与冰厚数据的不准确,
从而给物质平衡估算引入很大的偏差[9-10]。接地线的位置对海平面的变化十分敏感[11], 且随着海平面的升降而产生进退, 因此它是全球海平面变化研究的一个重要指示器。同时, 接地线的位置是冰川变化的一个敏感指示器, 冰川厚度变化、冰川崩解等都会引起接地线位置的变化[9], 而接地线位置的变化又会对冰川厚度和冰流失产生反馈作用, 冰物质流失引起的接地线回退可能会促使该地区冰层增厚以及冰流速增大, 从而导致冰通量的持续增大[8]。理解南极冰盖的动态变化是研究其短期和长期演变过程的关键, 而建立冰川动力学模型是理解该动态过程的有效手段之一。接地线作为冰川动力学研究的重要参数, 对于接地线动态变化的模拟也是冰川动力学数字建模的重难点之一[12-13], 因此接地线位置数据是冰川动力学模型中极为重要的输入参数。
由于受到海洋潮汐的影响, 接地线的位置会在接地区域的范围内不断移动。接地区域是从完全接地的固定冰到和海洋处于流体静力学平衡的漂浮冰的冰盖区域, 如图1所示, F点为受到潮汐影响的冰曲(ice flexure)到陆地的极限点, G点为接地线位置, Ib为冰架坡度的陡变点, Im为冰架底部局部地形的最低点, 而H点为冰曲到海洋方向的极限点。在南极地区, 接地区域F-H通常有数公里或十几公里的宽度。F、G、Ib、Im和H之间的实际距离由实际冰厚和属性以及岩床地形和构造决定[9]。从内陆流来的冰在接地线G点开始漂浮在海面上, 在H点
之后受海水浮力处于流体静力学平衡状态。对于任意一条冰流而言, 其接地线位置的精确确定比较困难,因为它会随冰流底部的增厚或减薄而发生变化[14]。
图1 接地区域特征点剖面示意图[15]Fig. 1. Key features of grounding zone[15]
目前对于南极接地线的研究, 主要分为接地线提取方法研究以及接地线动态变化分析两大领域。其中, 接地线的提取方法目前主要有实地观测和遥感提取。随着遥感平台和技术手段的发展,遥感提取接地线的方法也在不断发展。以接地线的高精度提取为基础, 对于接地线动态变化的分析以及其变化机理的研究, 也在南极地区的典型冰川展开。总之, 接地线的研究对于计算冰盖物质平衡、建立冰盖动力学的数值模型以及研究冰与海洋的交互作用机理十分重要。
1 接地线提取方法
接地线实地观测主要包括无线电回波测厚(Radio Echo Sounding, RES)和GPS现场观测法。而使用遥感手段提取接地线主要分为流体静力学平衡法、坡度分析、卫星测高数据重复轨道分析和雷达差分干涉测量(DInSAR)。虽然实地观测可信度较高, 但是受到南极地区
恶劣自然条件的制约, 实地观测数据一般十分缺乏。遥感手段则具有大范围、长时序和可重复观测等巨大优势, 而且随着技术手段的发展, 遥感技术接地线提取精度也在不断提高,目前已成为提取接地线的主要技术手段。
1.1 实地观测推荐一本书200字
1.1.1 无线电回波测厚(RES)
在冰架上进行无线电回波测厚(RES)时, 由于在冰和海水的交界处的反射系数非常强, 因此现场测量时回波信号通常都很强, 对回波信号进行处理可以得到冰厚信息。一般来说, 每个 RES数据点包含经纬度、表面高程和冰厚度, 结合冰架或冰川底部的海底地形数据, 就可以判断接地的地区, 从而得到接地线的位置。王清华等[16]在2002年利用澳大利亚和苏联南极考察队在Amery冰架及周围区域得到的 RES数据, 对东南极Amery冰架与陆地冰的分界线进行了重新划定,指出 Amery冰架接地线的位置最南端达到73.2°S。该方法虽然测量精度很高, 但是观测设备成本昂贵, 同时需要进行大量野外实测工作, 而在南极这种自然条件恶劣的区域, 观测数据获取难度极大, 并且该方法无法在短时间内获得大范围的接地线结果。除此以外, RES信号无法穿透海洋冰的特性也制约了利用RES探测冰厚的精度[17-18]。
1.1.2 GPS观测
实地布设GPS观测点, 是利用漂浮冰架受到潮汐作用而产生冰面周期性垂直运动的特征来区分陆地冰和漂浮冰。很多学者都利用该方法来对遥感手段提取的接地线位置进行检验。王清华等[16]在2002年利用1998年澳大利亚考察队在Amery冰架最南端布设的两个GPS点进行观测, 发现两个 GPS点垂直方向的运动特征符合正弦波曲线,验证了 Amery冰架最南端达到 73.2°S的推论。Fricker等[15,19]在2002和2006年都利用GPS观测点来验证Amery冰架的接地区域提取结果。该方法测量精度较高, 并能进行长时间序列的观测,但是只能给出单点数据, 同时与RES观测方法一样, GPS观测接地线需要进行大量的野外工作,因此该观测方法适合于常年考察区域。
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芝麻的作用与功效1.2 遥感提取
1.2.1 流体静力学平衡法森林作用
假定漂浮的冰处于流体静力学平衡状态, 则
其中, ir和wr分别为冰和海水的平均密度, T为冰厚度, H为出水高度, g为重力加速度。卫星
测高以及 InSAR技术的不断发展, 使得南极地区DEM 分辨率和精度都在不断提高, 全球的海平面模型也在不断完善, 这也意味着通过公式(2)就可以计算得到准确的冰厚信息, 结合冰架或冰川底部的冰下地形, 就可以判断接地线的位置[19]。该方法依赖于南极地区高精度的冰面地形、冰下地形和干舷高度信息才能进行测定。
1.2.2 坡度分析法
Weertman[20]早在 1974年就指出, 对于理想的冰床和完全弹性冰盖而言, 通过接地线位置处的表面坡度会突然减小, 因为冰体脱离冰床开始漂浮后, 底部剪应力会突然消失。所以基于 Weertman的观点, 最简单最直接的方法就是用表面坡度的突变来确定接地线的位置。利用坡度对接地线探测可以分为两种方法: (1)利用高精度 DEM生成坡度图提取接地线; (2)利用坡度突变在可见光影像中引起的亮度差异提取接地线。
Horgan等[21]在2006年使用ICESat激光测高数据生成Siple Coast地区的DEM, 并对DEM进行平滑去噪和坡度分析, 发现Siple Coast坡度较大, 四周冰架和冰流的坡度较小, 提取两者斜坡的中点作为接地线并和实测GPS比较, 验证提取结果, 与历史数据对比证明Siple Coast的接地线位置在近 20 年里基本保持不变。
Scambos等[22]在 2007年基于 MODIS影像的MOA (Mosaic of Antarctica), 通过调整MOA地表形貌数据集得到高对比度的影像, 人工跟踪该影像上海岸线靠内陆方向的冰表面的坡度陡变位置来得到MOA接地线产品。而Bindschadler等[23]在2011年基于 Landsat-7影像, 通过半自动的方法来探测坡度陡变位置对应的 ETM+影像像元的亮度变化,并在局部区域参考 ICESat的接地线产品调整接地线位置得到ASAID (Antarctic Surface Accumulation and Ice Discharge)接地线产品。这两种产品都利用光学影像的坡度跟踪方法来提取接地线。此外, Xie等[24]在 2016年利用最小二乘方法将 ICESat与Landsat-8数据相结合生成Amery冰架接地线结果。由于有充足的数据源, 利用光学遥感影像坡度跟踪方法可以获得完整的南极地区接地线结果, 但是该方法测量精度较低, 因此通常利用测高数据提高光学遥感影像提取接地线的精度。
