南极冰盖东印度洋沿岸冰架/冰川动态变化研究

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东南极冰盖拥有全球最大的淡水储藏量,如何准确评估其物质平衡状况成为未来海平面上升预测一个最大的不确定性因素。虽然如此,由于传统观点认为东南极相对稳定,且对未来的气候变暖不是很敏感,所以东南极相对于西南极和格陵兰冰盖反而得到了较少的研究和关注。然而,最近的一些研究表明,东南极冰盖比学者们之前认为的更脆弱。不仅如此,由于东南极冰盖的底部有相当一部分位于海平面以下,这些海洋性冰盖的量是西南极的5倍,足以使全球海平面上升19 m,所以其潜在的海洋性冰盖不稳定性同样值得我们高度关注。目前,对于东南极冰盖动态变化的监测渐渐增多,但其对全球变暖的响应机制仍然缺乏深入的研究和理解。例如,气温升高、海洋暖化和海冰密集度的变化分别会对冰川运动速度造成多大的影响?冰架底部融化存在哪些时空特征?底部的冰-水相互作用又主要受哪些因素的控制?对这些知识缺乏深入的理解也间接导致了现阶段基于模型估算东南极对海平面上升的贡献仍然存在很大的不确定性。因此,本文基于多源遥感数据,围绕冰架/冰川的动态变化特征,包括冰川流速、冰架底部融化和冰盖物质平衡等,研究其动态变化机制和对全球变暖的反馈。结合高精度冰面流速和其他环境因素,分析了流速的年际及季节性变化的物理机制;获取了冰架底部融化的时空分布;准确估算了流域的物质平衡状况。本文的主要研究内容和结论包括:(1)冰川表面运动研究利用多源遥感影像,对位于东南极中山站附近的Polar Record冰川的冰面流速动态变化进行了深入研究。首先基于2005-2015年间的年际及季节性流速变化,分析了这些变化的时空特征。结果表明,冰架部分的冰面流速都呈现一个长期增加的趋势,而在冰盖部分,流速并没有呈现明显的加速趋势。季节性变化趋势总体呈现为冰面流速自9/10月份开始上升,在12月份达到最大值,然后将这个最大速度维持到1月,最后自2月开始到4月,流速快速的下降,达到一个全年的最低点。结合气温、海温、冰面融化量和海冰密集度等参量,分析了一系列环境因素对流速变化的影响,发现冰川流速的年际变化主要是受到温暖的m CDW对冰架空腔入侵的影响。m CDW对冰腔的入侵会导致更多的冰架底部融化,冰架的变薄会导致背应力的减小从而使得冰川加速。其流速变快特征与ECCO2海洋温度显现出来的变化特征相一致。冰川的季节性流速变化在不同阶段主要取决于不同因素:冰架前沿的海冰自春季开始逐渐变薄,硬度减小,这有可能引发了冰架最初的自9月末/10月开始的加速过程;在此以后,冰架流速的加快则主要由冰架表面的融水引起。冰架流速在一月初达到最大值,而一月也是全年气温最高的时候,此时冰架表面的融水面积最大。本文推测夏季的冰流加速是由于冰面融水进入冰架内部引起的冰架结构的弱化和冰架温度的升高引起。(2)冰架底部融化研究利用卫星测高数据,对Shackleton冰架的冰面高程和底部融化状况进行研究和分析。首先基于Cryo Sat-2卫星测高数据,利用近重复轨道模型对冰架表面高程和高程变化进行计算。冰架表面的平均高程变化在欧拉坐标系下为-0.084±0.39m/yr,高程变化较大的地方达到了约1 m/yr;而平均拉格朗日高程变化为-0.26±0.84 m/yr。比较两者的空间分布结果发现,相对于欧拉高程变化,拉格朗日高程变化结果的噪声明显降低了,且呈现更加明显的空间特征。高程变化的RMSE均值从欧拉坐标系下的0.92 m/yr减小到拉格朗日坐标系下的0.78 m/yr,表明计算拉格朗日高程变化能够有效减小粗糙的冰架表面的平流对解算冰架表面高程和高程变化的影响。然后利用拉格朗日坐标系下的冰面高程变化,估算了Shackleton冰架底部的总融化量和融化率的空间分布特征。Shackleton冰架底部2010-2018年间的总融化量为53.3±9.4 Gt/yr,平均融化率为2.1±0.4 m/yr,略小于其在2003-2008年间的年融化量与平均融化率。冰架在靠近接地线的位置有着极高的底部融化率,局部超过了50 m/yr,远大于之前的估算结果。其量级甚至超越了东南极普遍认为冰架底部融化最迅速的Totten冰架,与阿蒙森海区域冰架底部融化率量级相当。分析表明,Shackleton冰架区域的基岩高程信息极少,现有数据存在很大的误差,这阻碍了研究者对冰架底部的冰-水相互作用开展详细研究,也说明需要在Shackleton冰架区域开展更多的海洋/冰架观测工作。(3)流域物质平衡研究计算威尔克斯地区域冰架表面的2018年流速图,研究并分析了2008-2018年间流速的变化情况。然后基于流速的结果计算威尔克斯地区域三个流域的冰通量,并对2008-2018年间的冰通量变化进行了分析。对于C-Cp流域,2018年的冰通量大小为118.1±35.9 Gt/yr,而2008年的冰通量大小为112.8±34.5 Gt/yr,2018年较2008年冰通量增长了约5.4 Gt/yr。本文推测2018年较2008年的冰通量增长主要由Denman冰川的流速加快造成。对于Cp-D流域,2018年的冰通量大小为219.8±29.8 Gt/yr,2008年的冰通量大小为219.0±25.1 Gt/yr。冰通量在2008-2018年间并没有发生明显变化,其差值仅为0.8 Gt/yr,和位于该流域的Totten冰川在2007年之后流速的稳定状态相符的。对于D-Dp流域,2018年的冰通量大小为105.9±13.1 Gt/yr,2008年的冰通量大小为104.9±13.5 Gt/yr。和Cp-D流域相似,D-Dp流域的冰通量在2008-2018年间也没有发生明显变化,其差值仅为0.9 Gt/yr。威尔克斯地区域总的冰通量在2008-2018年间增长了约7.1Gt/yr,考虑到冰通量的绝对大小与冰通量计算的不确定度,本文认为在2008-2018年间威尔克斯地区域总的冰通量基本保持稳定。结合表面物质平衡结果,计算了威尔克斯地区域流域的物质平衡。结果表明C-Cp、Cp-D和D-Dp这三个流域在2008-2018年间都呈现微弱的正物质平衡状态,其大小分别为11.8±43.4 Gt/yr、8.6±53.2 Gt/yr和13.9±27.4 Gt/yr。综合以上结果表明,威尔克斯地区域的总物质呈现微小的正物质平衡状态。由于在毛德皇后地区域物质一直呈现增长,故本文推测在2008-2018年间东南极冰盖仍然呈现微弱的正物质平衡状态。
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