唐學(xué)遠(yuǎn) 孫波 馬紅梅 趙勵(lì)耘喬剛 田一翔郭井學(xué) 崔祥斌 李霖

研究進(jìn)展

南極冰蓋深部結(jié)構(gòu)、冰下過(guò)程及其對(duì)冰蓋穩(wěn)定性和海平面的影響

唐學(xué)遠(yuǎn)1孫波1馬紅梅1趙勵(lì)耘2喬剛3田一翔3郭井學(xué)1崔祥斌1李霖1

(1自然資源部極地科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 中國(guó)極地研究中心, 上海, 200136;2北京師范大學(xué)全球變化與地球系統(tǒng)科學(xué)研究院, 北京, 100875;3同濟(jì)大學(xué)測(cè)繪與地理信息學(xué)院,上海, 200092)

冰蓋結(jié)構(gòu)、冰下過(guò)程對(duì)冰蓋穩(wěn)定性、氣候環(huán)境變化和全球海平面上升的影響正成為南極科學(xué)研究的前沿與熱點(diǎn)。然而, 目前針對(duì)不同時(shí)空尺度上影響南極冰蓋穩(wěn)定性的關(guān)鍵物理過(guò)程及其效應(yīng)仍缺乏系統(tǒng)研究, 致使多年來(lái)國(guó)際極地科學(xué)界在有關(guān)南極冰蓋冰下過(guò)程對(duì)全球氣候變化的影響機(jī)理的議題上存在廣泛的爭(zhēng)議。利用中國(guó)自2015年以來(lái)開展的東南極冰蓋伊麗莎白公主地考察及其航空地球物理探測(cè)資料, 通過(guò)歸納最近南極冰蓋研究的新認(rèn)識(shí), 厘清南極冰蓋深部結(jié)構(gòu)與冰下過(guò)程涉及的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題, 闡述將冰蓋典型區(qū)域的強(qiáng)化觀測(cè)和冰蓋數(shù)值模擬相結(jié)合來(lái)研究南極冰蓋冰下深部結(jié)構(gòu)與冰下過(guò)程的物理機(jī)理可能遇到的問(wèn)題和解決方式, 并提煉出與冰蓋穩(wěn)定性變異機(jī)制及其對(duì)海平面上升影響相關(guān)的研究目標(biāo)、核心內(nèi)容、有效途徑及科學(xué)價(jià)值。期望對(duì)定量估算南極冰蓋的物質(zhì)平衡及其對(duì)未來(lái)海平面上升的影響這一人類迄今認(rèn)識(shí)最少的南極冰蓋研究領(lǐng)域作出科學(xué)貢獻(xiàn)。

東南極冰蓋 伊麗莎白公主地 深部結(jié)構(gòu) 冰下過(guò)程 航空地球物理探測(cè)

0 引言

南極冰蓋是地球上最大的冰蓋, 若其完全融化, 全球平均海平面將上升約58 m[1-2]。IPCC《氣候變化中的海洋與冰凍圈特別報(bào)告2019》(SROCC 2019)明確指出, 精確量化海平面上升速度與幅度的最大挑戰(zhàn)是來(lái)自對(duì)冰蓋變化的機(jī)制認(rèn)知有限[3]。自2013年以來(lái), 南極冰蓋呈現(xiàn)出加速流失物質(zhì)的態(tài)勢(shì), 源自南極冰蓋的加速融化可能促使未來(lái)全球海平面的上升幅度突破IPCC AR5設(shè)定范圍的上限[3]。隨著南極衛(wèi)星遙感、機(jī)載地球物理探測(cè)和數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展, 有關(guān)南極冰蓋深部結(jié)構(gòu)與冰下過(guò)程的研究取得了顯著的進(jìn)展。研究表明, 南極冰蓋在通常情況下并不穩(wěn)定, 冰蓋內(nèi)部的冰流在歷史上存在過(guò)突然轉(zhuǎn)向現(xiàn)象[4];冰蓋底部存在廣泛的液態(tài)水體, 已發(fā)現(xiàn)的冰下湖多達(dá)402個(gè)[5]。模擬表明, 占南極冰蓋面積約3.7%的底部可能存在12000多個(gè)冰下湖[6]。最近針對(duì)冰下環(huán)境及其關(guān)鍵過(guò)程的探測(cè)與機(jī)理研究是南極冰蓋的主要關(guān)注點(diǎn), 并逐步取得一些突破性的認(rèn)識(shí)。在南極冰蓋形成以前就已存在的地表湖可能演化為冰下湖; 底部地?zé)岙惓?dǎo)致融水的集中匯成冰下水系并加速冰體流動(dòng)[7]; 冰下火山或放射性熱巖引起的異常冰溫能產(chǎn)生大量融水[8];某些冰下湖相互連通, 存在水體交換甚至發(fā)生冰下洪水的現(xiàn)象[9]。這些因素會(huì)增強(qiáng)冰蓋底部的快速滑動(dòng)和冰流的速率, 對(duì)冰蓋的物質(zhì)平衡和穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

對(duì)南極冰蓋的新認(rèn)識(shí)促使人們變革對(duì)南極冰蓋穩(wěn)定性的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)。過(guò)去南極冰蓋被認(rèn)為是地球氣候系統(tǒng)中千年尺度上緩慢變化的部分, 現(xiàn)在迫切需要在年代際尺度上闡明冰蓋不穩(wěn)定性的物理機(jī)制, 發(fā)展并優(yōu)化冰蓋模式動(dòng)力學(xué)框架和參數(shù)化方案, 從而提升預(yù)估未來(lái)海平面變化的能力[9-10]。預(yù)估冰蓋變化的不確定性主要在于對(duì)調(diào)控冰蓋物質(zhì)平衡過(guò)程的關(guān)鍵因素仍不清楚。涉及的要素主要包括: 冰蓋內(nèi)部結(jié)構(gòu)、冰蓋深部流變和底部的熱力狀況、冰流突變、冰下融水的產(chǎn)生及其分布、觸地線遷移。目前, 無(wú)論在觀測(cè)、理論分析層面抑或數(shù)值模擬層面都對(duì)此缺乏基本的理解[11-12]。在使用數(shù)值技術(shù)模擬溢出冰川、快速冰流和觸地線等特殊區(qū)域時(shí), 低分辨率的地形數(shù)據(jù)通常限制了對(duì)小尺度冰蓋運(yùn)動(dòng)過(guò)程的理解[10]。由于缺乏對(duì)冰蓋典型區(qū)域的高精度精細(xì)測(cè)量, 以及對(duì)冰蓋運(yùn)動(dòng)及其不穩(wěn)定性的物理過(guò)程缺少基于模式的精確定量化估計(jì), 從而導(dǎo)致在建立南極冰蓋與全球氣候變化的定量關(guān)聯(lián)時(shí), 直接性和準(zhǔn)確度都不高[13]。因此, 有必要通過(guò)對(duì)冰蓋關(guān)鍵區(qū)域的系統(tǒng)觀測(cè)對(duì)南極冰蓋深部結(jié)構(gòu)和冰下過(guò)程做系統(tǒng)性的研究。

目前, 南極冰蓋冰下環(huán)境參數(shù)主要由機(jī)載地球物理探測(cè)獲得, 并在此基礎(chǔ)上, 已建立冰下地形和冰厚數(shù)據(jù)庫(kù)Bedmap及其升級(jí)版Bedmap 2[14]。Bedmap 2較Bedmap大幅地提升了觀測(cè)數(shù)據(jù)的覆蓋范圍和精度, 然而絕大部分地區(qū)的分辨率仍大于5 km, 特別是位于東南極冰蓋的伊麗莎白公主地及其近海冰架/冰蓋觸地線區(qū)域是當(dāng)今南極冰蓋的最大數(shù)據(jù)空白區(qū)域。該地區(qū)是我國(guó)南極考察及科學(xué)研究具有優(yōu)勢(shì)的區(qū)域, 已經(jīng)系統(tǒng)開展過(guò)中山站-冰穹A斷面的冰川與氣象等綜合觀測(cè), 獲得了中山站-冰穹A冰厚、冰下地形、冰下等時(shí)層結(jié)構(gòu)和年代信息[15]; 并驗(yàn)證了冰穹A地區(qū)可能是深冰芯鉆探的一個(gè)理想地點(diǎn)[16-17]; 揭示了甘布爾采夫山脈(Gamburtsev Mountains) 冰下山脈的起源與南極冰蓋的早期演化歷史[18]。在尚未使用機(jī)載航空調(diào)查方式應(yīng)用于南極考察之前, 中國(guó)在該領(lǐng)域的相關(guān)研究大多限于中山站至冰穹A橫穿斷面沿線, 探測(cè)范圍有限, 這限制了對(duì)南極冰下環(huán)境特別是冰下冰流地形效應(yīng)、融水等機(jī)理的理解。總體上, 人類對(duì)該區(qū)域的冰蓋關(guān)鍵參數(shù)和冰下過(guò)程缺乏基本的認(rèn)知[19]。自2015年以來(lái), 該地區(qū)正逐漸成為南極研究的熱點(diǎn)區(qū)域[20]。2015—2020年, 中國(guó)南極考察使用雪鷹601固定翼飛機(jī)對(duì)東南極冰蓋開展了5次系統(tǒng)性的機(jī)載航空地球物理探測(cè), 使用航空地磁、重力儀器、激光高度計(jì)、冰雷達(dá)等多種技術(shù)協(xié)同探測(cè)冰蓋內(nèi)部結(jié)構(gòu), 總計(jì)獲得了超過(guò)1.63×105km測(cè)線, 覆蓋了伊麗莎白公主地面積約9.0×105km2的區(qū)域。這基本涵蓋了伊麗莎白公主地、埃默里冰架和西冰架, 并延伸到了東方湖(Lake Vostok)冰下湖和B冰脊(Ridge B)等重點(diǎn)區(qū)域(圖1)。

“南極冰蓋深部結(jié)構(gòu)、冰下過(guò)程及其對(duì)海平面的影響”研究嘗試?yán)弥袊?guó)南極科學(xué)考察隊(duì)(CHINARE)自2015/2016年以來(lái)在東南極冰蓋, 尤其是伊麗莎白公主地及其觸地線區(qū)域的航空地球物理數(shù)據(jù)及地面觀測(cè)資料, 通過(guò)強(qiáng)化探測(cè)獲取東南極冰蓋典型區(qū)域(包括伊麗莎白公主地、蘭伯特冰川流域、冰穹A-B冰脊-東方湖-南極點(diǎn)、埃默里冰架觸地線等)冰雷達(dá)數(shù)據(jù), 提取高精度冰下地形和內(nèi)部等時(shí)層, 揭示冰蓋內(nèi)部和底部的凍結(jié)/融化; 發(fā)展包含冰下關(guān)鍵過(guò)程的冰蓋模式, 進(jìn)行三維冰蓋數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn), 與觀測(cè)數(shù)據(jù)相結(jié)合研究解析東南極冰蓋及觸地線區(qū)域的冰下內(nèi)部結(jié)構(gòu)和底部融水過(guò)程; 診斷冰下水熱干濕環(huán)境, 識(shí)別冰下融水、冷冰和冰下湖空間分布, 確定可能影響冰下環(huán)境和冰蓋觸地區(qū)域變化的關(guān)鍵物理過(guò)程; 定量估算冰蓋的物質(zhì)平衡、穩(wěn)定性及其對(duì)海平面變化的影響, 為探索這一人類認(rèn)識(shí)最為缺少的冰蓋區(qū)域作出科學(xué)貢獻(xiàn)。

1 南極冰蓋深部結(jié)構(gòu)與冰下過(guò)程關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題

1.1 東南極冰蓋穩(wěn)定性變異機(jī)制

在當(dāng)前全球加速變暖背景下, 南極冰蓋一方面受周邊海洋和大氣的顯著影響, 呈現(xiàn)快速消融的趨勢(shì); 另一方面在冰蓋復(fù)雜的底部環(huán)境和反向地形的作用下, 可能觸發(fā)觸地線加速后撤, 導(dǎo)致冰蓋出現(xiàn)潛在的不穩(wěn)定性。在冰蓋深部, 由于底部的熱力狀況變化, 冰蓋內(nèi)部流變可能突破閾值, 誘導(dǎo)冰流突變、冰下融水和冰下水系的形成, 加速冰蓋滑動(dòng), 從而導(dǎo)致冰蓋不穩(wěn)定性趨勢(shì)的增強(qiáng)。冰下湖和冰下水系的發(fā)育和分布, 會(huì)顯著影響冰蓋的動(dòng)力過(guò)程和不穩(wěn)定性, 但其機(jī)制非常復(fù)雜。首先, 冰下水的存在會(huì)潤(rùn)滑冰底, 進(jìn)而加速冰蓋的流動(dòng); 其次, 冰下水匯入特定冰下水流通道后, 反過(guò)來(lái)會(huì)縮小冰下水的分布范圍進(jìn)而增大冰底阻力, 減慢冰蓋流動(dòng)。內(nèi)陸冰蓋底部和冰蓋邊緣觸地線區(qū)域亞千米級(jí)的地形條件、水文過(guò)程、凍結(jié)與融化,及冰蓋/海洋/大氣的相互作用等可能成為調(diào)控冰蓋穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。影響冰蓋穩(wěn)定性在10年際甚至年際變異的原因極有可能來(lái)自冰蓋的深部。然而對(duì)影響其變異機(jī)制的主導(dǎo)因素, 特別是對(duì)冰蓋深部/底部的關(guān)鍵過(guò)程目前仍缺乏最基本的理解。因此, 探索冰蓋深部結(jié)構(gòu)和冰下過(guò)程, 研究其對(duì)冰蓋穩(wěn)定性的潛在變異機(jī)制具有重要的科學(xué)價(jià)值。

圖1 中國(guó)在東南極冰蓋伊麗莎白公主地的航空地球物理測(cè)線分布圖.底圖的地形數(shù)據(jù)來(lái)自Bedmap 2[14]

Fig.1.Aerogeophysical lines of Princess Elizabeth Land in the East Antarctic ice sheet surveyed by Chinese National Antarctic Research Expedition.The bed topography data are from Bedmap 2[14]

相對(duì)于具有海洋性冰蓋不穩(wěn)定性特征的西南極冰蓋而言, 東南極冰蓋呈現(xiàn)非海洋性冰蓋特征且區(qū)域差異顯著。當(dāng)今人類對(duì)影響東南極冰蓋穩(wěn)定性的關(guān)鍵物理過(guò)程及其機(jī)制的認(rèn)知仍非常有限, 其關(guān)鍵在于缺少對(duì)冰蓋內(nèi)部和底部過(guò)程的探測(cè)。衛(wèi)星遙感技術(shù)僅能獲取冰蓋表面的特征信息, 而取得研究突破的關(guān)鍵是利用包括機(jī)載測(cè)冰雷達(dá)在內(nèi)的航空科學(xué)探測(cè)手段, 將冰蓋觀測(cè)從冰表拓展到冰蓋深部, 并獲取冰蓋立體化結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)近70年的國(guó)際南極冰蓋探測(cè)調(diào)查, 以及最近5年中國(guó)進(jìn)行的機(jī)載航空地球物理探測(cè)獲得伊麗莎白公主地這最后一塊冰下環(huán)境拼圖后, 已經(jīng)接近完成覆蓋整個(gè)南極冰蓋的冰下地形制圖。到目前為止, 超過(guò)85%的測(cè)線間距大于5 km, 仍不能顯著降低預(yù)估極地冰蓋在年代際至百年尺度上引發(fā)全球海平面變化的不確定性。為能捕捉到冰蓋內(nèi)部, 尤其是快速冰流、陡峭深谷和觸地線區(qū)域的高分辨率冰下地形和冰下環(huán)境特征, 仍需強(qiáng)化對(duì)冰蓋典型區(qū)域的衛(wèi)星遙感與航空地球物理的綜合探測(cè)。建立系統(tǒng)的衛(wèi)星/機(jī)載/地面相結(jié)合的系統(tǒng)探測(cè)體系并選擇伊麗莎白公主地作為調(diào)查區(qū)域, 對(duì)冰蓋深部、冰下過(guò)程開展系統(tǒng)觀測(cè)研究, 將推進(jìn)對(duì)南極冰蓋穩(wěn)定性變異機(jī)制的理解。

1.2 東南極冰蓋穩(wěn)定性對(duì)冰蓋物質(zhì)平衡及其海平面上升的影響

未來(lái)氣候變化最大的不確定因素是極地冰蓋對(duì)海平面上升的影響。東南極冰蓋穩(wěn)定性對(duì)冰蓋物質(zhì)平衡及其海平面上升的影響是未來(lái)一段時(shí)間南極冰蓋研究的重大課題。然而, 要系統(tǒng)厘清并理解東南極冰蓋深部過(guò)程與海平面變化的相互關(guān)系, 需要對(duì)冰蓋內(nèi)部結(jié)構(gòu)、冰下熱狀況、凍融狀態(tài)、冰下水系統(tǒng)有系統(tǒng)的理解。大陸尺度規(guī)模的冰蓋模式模擬發(fā)現(xiàn),只有將內(nèi)部和底部過(guò)程的物理特性納入其中, 才能捕捉到冰蓋內(nèi)部, 尤其是快速冰流、陡峭深谷和觸地線區(qū)域的小尺度細(xì)節(jié)。要考慮納入的環(huán)境要素包括: 亞千米級(jí)的冰下地形特征、冰下干濕特征、冰下熱通量異常、冰下水(湖泊及其水系)。為了解決此類問(wèn)題,目前模式通常通過(guò)人為假設(shè)的方式減少基底阻力來(lái)調(diào)整其表面冰速,然后通過(guò)衛(wèi)星測(cè)量冰流數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。這一模式產(chǎn)生的解決方案雖然模仿了冰蓋的流動(dòng)和形式,但是顯然存在兩個(gè)重要缺陷: (1)基底阻力減少掩蓋了實(shí)際的冰川運(yùn)動(dòng)過(guò)程,這意味著真正的冰流運(yùn)動(dòng)過(guò)程并沒(méi)有適當(dāng)?shù)丶{入冰蓋模式;(2)隨著冰蓋的演化,冰蓋的各種物理參數(shù)在缺乏某些真實(shí)物理?xiàng)l件的假設(shè)情境下的有效性將逐步減弱, 并偏離實(shí)際情形。結(jié)果將可能很難從根本上降低物質(zhì)平衡項(xiàng)中冰下過(guò)程的貢獻(xiàn), 例如冰下排入海洋的融水量的統(tǒng)計(jì)在容易發(fā)生重大冰損失的地區(qū)可能出現(xiàn)較大偏差的低估。因此,大陸冰蓋模式如果以該方式運(yùn)行, 將無(wú)法有效降低預(yù)測(cè)海平面變化的不確定性。

由此可見, 如何從航空遙感數(shù)據(jù)、特別是雷達(dá)數(shù)據(jù)中成功地提取冰蓋深部結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵過(guò)程信息, 以及如何依托觀測(cè)發(fā)展數(shù)據(jù)處理算法將冰蓋底部?jī)鼋Y(jié)/融水/底部滑動(dòng)過(guò)程、底部融化等物理機(jī)制參數(shù)化并嵌入冰蓋模式或地球系統(tǒng)模式, 這兩個(gè)問(wèn)題是評(píng)估冰蓋物質(zhì)平衡及其對(duì)海平面上升的影響取得突破的關(guān)鍵所在。

2 南極冰蓋深部結(jié)構(gòu)、冰下過(guò)程及其對(duì)海平面影響研究

為探索東南極冰蓋的深部結(jié)構(gòu)和底部水文過(guò)程, 確定影響南極冰蓋穩(wěn)定性和變化的關(guān)鍵物理機(jī)理, 以南極冰蓋航空科學(xué)探測(cè)為基礎(chǔ), 結(jié)合衛(wèi)星遙感、再分析數(shù)據(jù)和冰蓋數(shù)值模擬, 通過(guò)對(duì)冰蓋典型區(qū)域伊麗莎白公主地的強(qiáng)化觀測(cè), 開展冰下過(guò)程及其與冰蓋運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)聯(lián)系、冰蓋的物質(zhì)平衡及對(duì)未來(lái)海平面上升影響的定量研究。研究框架涉及觀測(cè)、模擬和機(jī)理三個(gè)層面(如圖2)。

圖2 南極冰蓋深部結(jié)構(gòu)、冰下過(guò)程及其對(duì)海平面影響的研究框架

Fig.2.The framework of the study on deep structure and subglacial processes of the Antarctic ice sheet, and its influence on the sea level

2.1 東南極冰蓋航空地球物理強(qiáng)化觀測(cè)

鑒于南極現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)環(huán)境的極端特殊性與嚴(yán)酷性, 目前取得的觀測(cè)數(shù)據(jù)資料仍然有限。在南極冰蓋仍有大片地區(qū)沒(méi)有觀測(cè)數(shù)據(jù), 目前85%的南極冰蓋沒(méi)有分辨率1 km以上的冰下地形測(cè)量數(shù)據(jù), 50%的地區(qū)沒(méi)有分辨率達(dá)5 km以上的測(cè)量數(shù)據(jù)。雖然中國(guó)在伊麗莎白公主地已開展多次機(jī)載地球物理測(cè)量, 伊麗莎白公主地仍有面積超過(guò)9×104km2的區(qū)域尚未開展任何測(cè)量。整合已有地面及航空探測(cè)、衛(wèi)星遙感和再分析數(shù)據(jù), 以南極科考多年來(lái)構(gòu)建起來(lái)的設(shè)施平臺(tái)、觀測(cè)/監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為基礎(chǔ), 強(qiáng)化東南極伊麗莎白公主地(64°56'S～ 90°00'S, 73°35'E～87°43'E)、埃默里冰架和西冰架等觸地線區(qū)域(覆蓋威廉二世地、瑪麗王后地、B冰脊、東方湖和中山站、昆侖站等關(guān)鍵區(qū)域)機(jī)載地球物理探測(cè), 使用航空攝影、冰雷達(dá)、重力和磁力等綜合立體探測(cè)方式, 繪制出高精度的冰下地形和冰厚圖, 將空間分辨率提高至優(yōu)于1 km的精度, 形成冰蓋結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集。在此基礎(chǔ)上, 獲取南極冰蓋/觸地線區(qū)域先前未知的冰蓋內(nèi)部基本特征, 辨識(shí)冰下湖及冰下水系、冰蓋底部?jī)鼋Y(jié)/融化狀態(tài)、觸地線區(qū)域地形地貌的時(shí)間/空間異常特征, 分析對(duì)海平面變化有潛在影響的南極冰蓋高/低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域, 為研究冰蓋不穩(wěn)定性與精確評(píng)估未來(lái)海平面變化提供數(shù)據(jù)支撐。

2.2 構(gòu)建冰蓋數(shù)值模式模擬南極冰蓋冰下環(huán)境

使用中國(guó)歷次地面/航空冰厚和冰下地形數(shù)據(jù)、Bedmap2數(shù)據(jù)集、NASA 發(fā)布的MEaSUREs衛(wèi)星遙感冰流速度、區(qū)域大氣模式RACMO2 的表面物質(zhì)平衡數(shù)據(jù), 并采用BedMachine質(zhì)量守恒模式來(lái)構(gòu)建精細(xì)冰下地形, 填補(bǔ)雷達(dá)測(cè)線外的數(shù)據(jù)空白區(qū), 反演雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)無(wú)法穿透的大部分冰下深槽的冰厚, 構(gòu)建網(wǎng)格大小為1 km的冰下地形。

基于大范圍航空探測(cè)高精度數(shù)據(jù)以及衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)和其他觀測(cè)資料, 使用全斯托克斯方程的 Elmer/Ice或BISICLES等冰蓋模式, 改進(jìn)數(shù)值模式所包含的動(dòng)力學(xué)過(guò)程, 完善冰蓋三維熱力耦合動(dòng)力學(xué)模式, 優(yōu)化現(xiàn)有物理參數(shù)化方案, 設(shè)計(jì)敏感性實(shí)驗(yàn), 分析冰下過(guò)程對(duì)冰蓋穩(wěn)定性的動(dòng)力學(xué)影響。針對(duì)東南極冰蓋典型冰流流域, 如快速冰流區(qū)和觸地線區(qū)域, 模擬冰內(nèi)溫度、冰底水熱環(huán)境、凍融狀況, 深化對(duì)影響南極冰蓋穩(wěn)定性的熱力/動(dòng)力學(xué)關(guān)鍵過(guò)程的理解。

基于冰蓋模式(CISM)和地球系統(tǒng)模式(CESM), 開展冰蓋數(shù)值建模, 使其包含基于物理過(guò)程構(gòu)建的高分辨率冰下地形、冰蓋內(nèi)部結(jié)構(gòu)、流動(dòng)特性和基底地?zé)釛l件, 用數(shù)據(jù)同化方法將此類數(shù)據(jù)和新的認(rèn)識(shí)納入冰蓋模式。最終, 使冰蓋模型不再依賴于對(duì)基底阻力的過(guò)度參數(shù)化估計(jì), 在計(jì)算中逐漸逼近冰的實(shí)際流動(dòng), 從而改善實(shí)際冰流量的估計(jì), 減少預(yù)測(cè)未來(lái)冰蓋行為演變的不確定性。

2.3 南極冰蓋冰下過(guò)程的物理機(jī)理與海平面變化趨勢(shì)的影響研究

2.3.1 南極冰蓋冰下深部結(jié)構(gòu)和冰下過(guò)程的物理機(jī)理

基于大范圍的航空冰雷達(dá)數(shù)據(jù), 通過(guò)冰蓋深部冰層的幾何結(jié)構(gòu)反推古冰蓋表面的物質(zhì)積累、古冰蓋表面地形與流場(chǎng)變化、底部融化, 進(jìn)而估算冰蓋物質(zhì)平衡變化、診斷冰流突變、解析冰下地貌演變、冰下干濕環(huán)境, 對(duì)東南極冰蓋典型區(qū)域的冰晶組構(gòu)張量特征值進(jìn)行參數(shù)化處理, 嵌入特定冰蓋模式(如Elmer/Ice三維各向異性冰蓋模式), 模擬冰蓋內(nèi)部溫度場(chǎng), 評(píng)估冰下地?zé)嵬亢捅滤倪^(guò)程的調(diào)控因素, 探索冰下深部結(jié)構(gòu)和冰下過(guò)程的物理機(jī)理。

將觀測(cè)與數(shù)值模擬結(jié)合起來(lái), 獲取冰蓋關(guān)鍵參數(shù), 綜合診斷伊麗莎白公主地冰下冰溫異常區(qū)域, 辨識(shí)地?zé)嵬慨惓?dǎo)致的融水、冰下湖、冰下水系的空間分布; 探求冰下水體驅(qū)動(dòng)加速冰流運(yùn)動(dòng)的相關(guān)機(jī)制(例如冰體本身性質(zhì)的時(shí)空差異如何影響融水的生成); 探討冰下融水與其上的冰流如何相互作用(如融水的存在增強(qiáng)冰蓋底部的潤(rùn)滑性從而加速冰流流動(dòng), 或融水的排放反過(guò)來(lái)增強(qiáng)底部的阻力等), 冰下水系統(tǒng)通過(guò)觸地線向冰架下方的海腔排放液態(tài)水的路徑及其動(dòng)力來(lái)源; 解析從南極內(nèi)陸到南極沿?；鶐r海拔逐漸升高的冰下地形反向坡與觸地線后退及冰蓋底部加速融化不穩(wěn)定性的關(guān)系。通過(guò)對(duì)冰蓋內(nèi)部各種動(dòng)力學(xué)過(guò)程的深入研究, 發(fā)展模擬快速冰流和冰下水環(huán)境, 增強(qiáng)預(yù)測(cè)快速冰流和冰蓋內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化的能力并降低其不確定性, 逐步厘清其細(xì)節(jié)。

2.3.2 南極冰蓋冰下過(guò)程對(duì)海平面變化趨勢(shì)的影響

基于南極冰蓋不同圈層的各類觀測(cè), 整合ICESat、ERS-1/2、Envisat和ICESat-2極地衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù), 綜合冰蓋模式與大氣模式結(jié)果, 研究南極冰蓋典型區(qū)域物質(zhì)平衡變異的時(shí)空分布特征; 通過(guò)篩選優(yōu)化模式, 進(jìn)行控制實(shí)驗(yàn)和參數(shù)化模擬分析在南極氣候變化趨勢(shì)下, 大氣-冰蓋圈層作用下表面物質(zhì)平衡特征和基巖-冰蓋-海洋圈層作用下的底部物質(zhì)平衡特征; 使用雷達(dá)數(shù)據(jù), 結(jié)合冰蓋模式和氣候耦合數(shù)值模式, 模擬冰蓋冰下水體的可能分布。依據(jù)前述模擬計(jì)算結(jié)果, 估計(jì)由于冰下水活動(dòng)引起的局部或整體物質(zhì)平衡變化, 確定南極冰蓋各個(gè)典型流域的物質(zhì)平衡是否存在異常, 研判物質(zhì)平衡異常可能發(fā)生的時(shí)間。對(duì)比東南極冰蓋在IPCC AR5不同排放路徑情景下的氣候冰蓋物質(zhì)損失/增量的自然變率和平均變率, 評(píng)估全球變暖條件下南極冰蓋對(duì)海平面變化的影響, 探索氣候評(píng)估中海平面變化預(yù)測(cè)的不確定性。

3 項(xiàng)目的科學(xué)價(jià)值與展望

加深南極冰蓋對(duì)氣候變化的響應(yīng)及其影響的理解以及減少冰蓋對(duì)全球海平面貢獻(xiàn)預(yù)估的不確定性是南極科學(xué)研究的重要前沿領(lǐng)域, 已成為包括IPCC AR5、Future Earth和SCAR等科學(xué)組織所計(jì)劃的優(yōu)先研究?jī)?nèi)容, 也是我國(guó)極地基礎(chǔ)科學(xué)優(yōu)先領(lǐng)域確立的主要研究主題。利用先進(jìn)的航空科學(xué)調(diào)查技術(shù)手段大范圍探測(cè)東南極冰蓋, 確定冰下內(nèi)部結(jié)構(gòu)各要素之間及其與冰蓋表面過(guò)程、冰下底部熱通量的定量關(guān)系; 綜合引入機(jī)載地球物理、衛(wèi)星遙感、地面觀測(cè)資料和數(shù)值模擬研究手段, 系統(tǒng)揭示研究區(qū)域的冰下暖冰、融水、冰下湖空間變化, 闡述各要素之間的相互影響; 使用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、BedMachine新方法與三維各向異性冰蓋耦合模式構(gòu)建精細(xì)冰下地形, 揭示先前未知的冰下基本特征, 對(duì)研究冰蓋物質(zhì)平衡及其對(duì)氣候變化尤其是海平面變化的響應(yīng)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

“南極冰蓋深部結(jié)構(gòu)、冰下過(guò)程及其對(duì)海平面的影響”研究旨在揭示東南極冰蓋伊麗莎白公主地這一南極冰蓋最大的研究薄弱區(qū)域的冰下環(huán)境, 獲取冰蓋內(nèi)部成層結(jié)構(gòu)并厘清冰下地?zé)嵬慨惓^(qū)域和融水分布。其核心科學(xué)問(wèn)題就是揭示東南極冰蓋伊麗莎白公主地這一南極冰蓋最大的數(shù)據(jù)空白區(qū)域和研究薄弱區(qū)域的冰下環(huán)境特征, 獲取冰蓋內(nèi)部成層結(jié)構(gòu)、冰下高精度精細(xì)地形, 厘清冰下地?zé)嵬慨惓^(qū)域、融水分布。這一問(wèn)題是反映東南極冰蓋穩(wěn)定性與海平面變化復(fù)雜關(guān)系中最基本的科學(xué)問(wèn)題。逐步解決該關(guān)鍵問(wèn)題, 有望在涉及南極冰蓋冰下環(huán)境演化的觀測(cè)和冰蓋穩(wěn)定性理論研究層面取得突破, 并有助于加深對(duì)東南極冰蓋穩(wěn)定性與海平面變化這一南極研究最基本科學(xué)問(wèn)題的認(rèn)識(shí)。

該項(xiàng)目的未來(lái)研究成果有望從四個(gè)方面提升對(duì)南極冰蓋的認(rèn)識(shí): (1)解析東南極冰蓋的冰層結(jié)構(gòu)和底部水文過(guò)程; (2)確定影響南極冰蓋穩(wěn)定性和變化的關(guān)鍵物理過(guò)程及其效應(yīng); (3)厘清南極大氣、海洋和冰下基巖與冰蓋變化的動(dòng)力學(xué)聯(lián)系; (4)精確評(píng)估在地球系統(tǒng)變化背景下南極冰蓋對(duì)未來(lái)海平面上升的影響。在實(shí)踐應(yīng)用層面, 研究成果有助于提升我國(guó)南極氣候和全球海平面變化的預(yù)測(cè)能力, 服務(wù)于我國(guó)在全球變化領(lǐng)域涉及的國(guó)家極地戰(zhàn)略重大需求。

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The deep structure and subglacial processes of the Antarctic ice sheet,and its influence on the ice sheet instability and sea level

Tang Xueyuan1, Sun Bo1, Ma Hongmei1, Zhao Liyun2, Qiao Gang3, Tian Yixiang3,Guo Jingxue1, Cui Xiangbin1, Li Lin1

(1Key Laboratory of Polar Science, MNR, Polar Research Institute of China, Shanghai 200136, China;2College of Global Change and Earth System Science, Beijing Normal University, Beijing 100875, China;3College of Surveying and Geo-Informatics, Tongji University, Shanghai 200092, China)

The effects of ice sheet structure and subglacial processes on ice sheet stability, climate change and global sea-level rise are becoming the frontiers of Antarctic scientific research.However, systematic research remains insufficient on the key physical processes and their effects on the stability of the Antarctic ice sheet at different time-space scales, which has led to wide controversy on the impacts of subglacial processes on global climate change in the international polar scientific community for many years.Based on the aerogeophysical exploration of the Princess Elizabeth Land of the East Antarctica ice sheet, carried out by Chinese National Antarctic Research Expedition since 2015/2016, we summarize the recent research, and clarify the key scientific issues involved in understanding the deep structure and subglacial processes of the Antarctic ice sheet.We expound the obstacles and solutions encountered in the study of the physical mechanisms of the deep structure and processes of the Antarctic ice sheet, by combining intensive observations of the typical areas with the numerical simulations to explore ice sheet stability and its impact on sea level rise.This study contributes to the quantitative estimation of the mass balance of the Antarctic ice sheet and its impact on the future sea level rise.

East Antarctic ice sheet, Princess Elizabeth Land, deep structure, subglacial processes, aerogeophysical observation

2020年12月收到來(lái)稿, 2021年2月收到修改稿

國(guó)家自然科學(xué)基金(41941006)資助

唐學(xué)遠(yuǎn), 男, 1978年生。副研究員, 主要從事極地冰川學(xué)研究。E-mail: tangxueyuan@pric.org.cn

唐學(xué)遠(yuǎn),E-mail: tangxueyuan@pric.org.cn; 孫波, E-mail: sunbo@pric.org.cn

10.13679/j.jdyj.20210002