【摘 要】
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在全球变暖的背景下,南极冰盖物质平衡对全球海平面的变化影响日益增加。降雪是冰盖物质平衡中最主要的物质输入来源,但南极降雪的变化与其对冰盖物质平衡以及冰盖表面平衡的影响还未被深入的研究。由于南极恶劣的环境导致南极尚未有降雪地面观测网,降雪连续观测数据在南极地区,尤其在南极冰盖内陆地区几乎是空白的。多数研究都只能使用间接降雪数据在南极开展相关研究,这不仅影响了对南极降雪及其变化的研究,还阻碍了降雪对物
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在全球变暖的背景下,南极冰盖物质平衡对全球海平面的变化影响日益增加。降雪是冰盖物质平衡中最主要的物质输入来源,但南极降雪的变化与其对冰盖物质平衡以及冰盖表面平衡的影响还未被深入的研究。由于南极恶劣的环境导致南极尚未有降雪地面观测网,降雪连续观测数据在南极地区,尤其在南极冰盖内陆地区几乎是空白的。多数研究都只能使用间接降雪数据在南极开展相关研究,这不仅影响了对南极降雪及其变化的研究,还阻碍了降雪对物质平衡影响的研究,并且制约了气候模式模拟精度的提高。为了弥补南极内陆连续降雪直接观测数据的空白,提高对南极降雪以及对冰盖物质和冰盖表面物质变化的理解,并提高再分析资料降雪数据精度评估结果的准确性,本文基于多源数据(Cloud Sat数据冰雪反射率数据、ICESat测高数据、MODIS云掩膜数据和ERA5气象数据),使用新的方法重新反演了南极降雪,提高了南极降雪数据的精度,并在南极大部分区域解算连续降雪数据,弥补了南极连续降雪数据的空白。本文的主要研究内容和成果包括:(1)基于冰雪反射率数据的特点,本文提出了多条件约束方法来反演南极降雪数据。通过分析Cloud Sat产品数据集中存在的问题,结合多源数据在多条件约束的基础上,重新反演南极降雪数据。多条件约束方法包括了:使用基于ICESat构建的南极DEM来提高卫星脚点位置的准确性,并评估地表粗糙度来确定近地表层位置;使用MODIS云掩膜数据来帮助确定降雪环境;使用ERA5温度数据来确定降雪形态。结果表明,与地面实测降雪数据相比,重反演的南极降雪数据更加接近真实降雪数据,与Cloud Sat原有降雪产品数据相比偏差降低了约63%。原有数据与真实降雪偏差较大,也表明了提高南极降雪数据精度是十分必要的。(2)提出了在天尺度上解算南极连续降雪数据的方法,并解算出南极较大区域的降雪数据,弥补了南极较大区域内降雪直接观测数据的空白。在重反演降雪数据的基础上,通过分析Cloud Sat卫星脚点和轨道在南极冰盖的分布情况,基于南极区域降雪的特点,采用区域雷达脚点检索的方法评估了基于卫星数据解算的天尺度南极降雪数据的可行性,对南极不同地区可获取的最大时间分辨率的连续降雪数据进行了分析,并解算出相应时间分辨率的降雪数据。结果表明,基于此方法解算的天尺度连续降雪数据有较好的准确性,能极大丰富南极现有降雪观测数据库。(3)使用所解算的降雪直接数据评估了ERA5降雪数据在不同时间尺度上的精度,并对比了基于间接降雪数据的精度评估结果。结果表明,所解算的降雪数据与ERA5降雪数据在不同时间尺度都有较好的一致性,ERA5对降雪事件的捕获率也较高(71.5%)。而基于间接降雪数据的评估结果中,间接降雪数据只有在月和年尺度与各类再分析资料有一定的相关性,在天尺度的相关性极差。这表明间接降雪数据在天尺度上的代表性较差,需要使用真实降雪数据来对再分析资料数据精度进行评估。同时,虽然ERA5中没有同化南极降雪数据,但其与Cloud Sat数据的一致性增强了两类降雪数据的可信度。(4)基于所解算得降雪直接观测数据分析了其与冰盖物质和冰盖表面物质变化的影响,以及风吹雪对降雪和雪积累的影响。结果表明,极端降雪事件发生时的平均风速和最大风速较平时升高;极端降雪事件并没有与雪积累完全对应,约32%的极端雪积累事件发生时,没有观测到明显的降雪;而区域范围内的表面物质与降雪变化在长时间尺度上较为一致。这说明风吹雪在天尺度对积累率的影响是十分显著的,并且能造成较大的雪积累量。而冰盖总物质平衡与降雪率的直接关联较弱,只在冰盖物质年损失量较少的区域中,冰盖物质量和表面物质量以及降雪量三者的变化较为一致。(5)南极冰盖物质损失对南大洋部分海洋环境有显著联系,而降雪/水在南大洋分布的区域性差异较小,其对海洋环境的影响不明显。通过相关性分析,结果表明在南大洋不同生态区内,冰盖的物质损失对叶绿素浓度和净初级生产力都有明显的施肥作用,进而会提高海洋的储碳能力。冰盖损失对海洋环境的影响表明了其对全球气候变化的负反馈作用是十分明显和重要的。
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