基于ICESat和冰雷达数据的南极Lambert冰川流域冰盖特征提取研究

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迄今为止,由于科学认知水平与技术条件的限制,人类对高影响冰盖变化的动力机制研究比较薄弱,造成海平面上升的预估结果仍具有很大的不确定性。因此,为了更准确的预测海平面的上升结果,急需强化对极地冰盖由表及里的观测,获取高时空分辨率和高精度的数据,为冰盖动力机制的理论分析和数值模拟等研究提供观测支撑和数据基础。  Lambert冰川流域是研究冰盖物质平衡对海平面影响的重点区域之一。但是,目前国际上对其观测仍有许多不足之处。在冰川流域表面,缺乏对其高时空分辨率的物质平衡分布研究,不易为不同区域冰流动力过程提供直观的认识;在其底部,缺少亚公里分辨率尺度的冰下地形特征,而这种尺度的地形对分析不同类型的冰流动力机制具有重要的意义。  为此,本文采用测高数据提取Lambert冰川流域表面高时空分辨率的高程变化信息,识别冰流变化的区域性特征。对其亚公里分辨率尺度的冰下地形特征提取主要集中在两个区域。一个是Lambert冰川流域源头的DomeA区域,另一个是冰川流域东侧的中山站—DomeA断面。主要研究内容和结论包括:  (1)为提取表面高程变化特征,在对ICESat相邻工作期中重叠点对因坡度引起的高程差进行消除的基础上,计算了重叠点对的高程变化。然后采用反距离加权、自然邻域、径向基函数和ANUDEM(Australian National University DEM)等方法对每个阶段内高程变化进行插值,并选用插值精度最高的结果作为整个表面的高程变化。  研究结果表明,本文的高程差消除方法效果更好,ANUDEM插值结果的精度最高。在时间上,Lambert冰川流域高程平均每年增长约0.002cm,且增长的加速度在减缓。因此,其物质处于相对平衡的状态。除接地线附近存在高程减小超过2m/a的区域外,多数区域的高程变化量都小于1m/a。在空间上,高程变化具有显著的区域性特征。纬度方向上,下游地区高程呈减小的趋势且减小的加速度在升高;上游高程增长0.84cm/a,但增长的加速度在减缓。经度方向上,三大支流高程均处于增长的趋势,其中Fisher支流增长最快,平均增长1.09cm/a。但三大支流高程增长的加速度也在变缓,以Mellor支流变缓的程度最大。通过与流速数据结合分析可知,高程减小超过1m/a的区域主要分布于Lambert和Mellor支流,二者流速大于100m/a的区域均深入内陆约200km,而Fisher支流的相应区域仅深入内陆75km,表明其所受冰流作用小于其它两个支流。  (2)为了提取DomeA区域的冰下地形特征,首先建立了一种半自动方法从冰雷达数据中获取了各断面上覆冰层的厚度。然后采用多种方法对DomeA区域的冰厚和表面高程进行插值实验,从中确定出精度最好的结果(ANUDEM获得)作为冰厚和表面高程模型。最后将冰厚与表面高程结合,生成DomeA底部冰下地形数据。  研究结果表明,半自动法所得交叉点厚度绝对差值在50m之内的点占76%,100m之内的点占92%,而人工数字化方法的对应值则分别为61%和89%。且半自动法所得结果与国际上AGAP(Antarcticas Gamburtsev Province)数据的一致性也明显优于人工数字化方法,表明半自动法所得结果的一致性和精度比之前方法均有所提高。通过采用AGAP数据将所得冰厚模型与人工数字化并插值后的结果进行对比,可知本文结果的厚度差均值仅为3.5m,远优于人工数字化方法的结果(17.7m)。因此,新的DomeA区域冰下三维地形精度最佳,对区域冰盖模式的模拟、冰流动力过程理解和冰盖演化过程分析均具有重要意义。基于此方法,创建了在DomeA区域运行Elmer/Ice模式所需的数据集,为DomeA区域底部温度场分布和冰层深度—年代关系研究提供数据支撑。  (3)为提取中山站—DomeA断面的冰下地形特征,采用快速傅立叶变换计算了滑动窗口内冰岩界面的粗糙度双参数,用于定量描述冰岩界面高程的异常变化。在提取的过程中,除了获取冰岩界面的总粗糙度外,由于可以采用快速傅里叶变换将冰岩界面分解为一系列不同波长尺度的周期波,所以还将构成冰岩界面的波分为长波(大于1680m),中波(840-1680m)和短波(420-840m)三个类别,分析了不同波长尺度下的粗糙度分布。  在本文采用的窗口尺度下,断面的冰岩界面主要有两种类型:ξ和η值均小对应高程起伏幅度小而水平变化频率快的冰岩界面类型;ξ和η值均大对应高程起伏幅度大而水平变化频率低的冰岩界面类型。结果表明,Lambert冰川支流南侧断面的冰岩界面起伏幅度普遍大于北侧,而且与北侧同为高大山峰的地形相比,其山峰的坡度也较大。通过不同波长尺度下的粗糙度分析,发现整个断面冰岩界面以长波尺度的地形为主要形式,但也存在一些特殊地形区域。例如,Lambert支流北侧断面两端高程起伏幅度不超过200m的区域,经分析发现以中短波的地形为主要特征。而南侧部分区域的冰岩界面则以中波尺度的地形特征为主要形式,短波尺度的地形则被侵蚀了。
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