利用测高和重力卫星研究南极冰盖高程及质量时空格局变化

发布时间：2020-03-29 18:15

【摘要】：南极气候变化和全球气候的整体变化有着密切的关系,而南极冰盖高程和质量变化是南极气候变化幅度和特征的一个重要的指标量,南极冰盖的消融和亏损会直接导致全球海平面的上升,进而剧烈地影响全球生产生活的平稳开展,据统计,南极冰盖质量每消融360Gt,全球海平面高度会上升1mm左右,可见其对全球气候的重要影响。测高卫星和重力卫星作为两个重要的遥感测量工具在极地研究方面展现了其巨大的优势,测高卫星可以直接测得南极冰盖表层厘米级高程数据,通过多期的测高数据进行比较就可以得出冰盖高程随时间序列的变化情况。而重力卫星则可以获取地球表层每一点的质量的变化情况,进而可以转化为等效水柱高度(EWH)来进行重力观测。因此,在进行南极冰盖变化观测时,可以将测高卫星和重力卫星相结合,发挥其各自的优势,共同进行南极冰盖变化方面的分析研究。得益于其在南极高纬度地区稠密的卫星星下轨迹,以CryoSat-2为代表的测高卫星被应用在南极局部典型地区的研究,研究区分别选取南极半岛地区、西南极洲内陆地区和冰穹A及其附近地区。此外,考虑到数字高程模型在南极地区各个研究领域都有着重要作用,本文利用CryoSat-2数据进行了南极地区最新的数字高程模型构建。以GRACE为代表的重力卫星主要应用在南极大尺度方面,其研究范围覆盖整个南极洲地区。经过对上述两个方面展开研究,分析了南极洲局部和整体冰盖变化的时空规律,主要得到以下研究成果。1、南极半岛地区冰川整体上处于加速消融迁移的态势。在20个研究样区冰川中,有15个冰川展现为消融或迁移的趋势,仅有5个冰川为累积态势。2、西南极洲内陆地区和冰穹A地区(DomeA)存相似的冰盖高程变化特征,总体来讲,两个研究区中冰盖高程变化随时间没有显著的变化规律。西南极洲地区2011年—2018年冰盖年平均变化量为0.046m,其中在2011年到2013年冰盖为积累状态,在2013年到2015年冰盖质量为消融或迁移迹象,在2015年之后,整个研究区呈现冰盖积累特征;冰穹A(DomeA)地区2011年到2018年冰盖高程的年平均变化量为-0.024m,在2014年之前,DomeA地区呈现累积—消融交替特征,而在2014年之后,DomeA地区的冰盖质量存在明显的消融迹象,在DomeA研究区内的低纬度地区,冰盖消融—累积特点更为复杂,总体上,西南极洲内陆地区较DomeA地区冰盖变化较为活跃。并且研究发现,结合GIS格网法和交叉点法可以更加详尽地分析冰盖高程变化特征。3、利用CryoSat-2卫星数据建立了最新的全南极洲的数字高程模型CryoSat-2DEM,并利用ICESat数据集的冰盖测高数据和IceBridge冰桥数据对其进行了高程精度的评价,发现其在88°S以北地区的高程精度为10.88m,优于RAMP V2 DEM和ERS-1 5km DEM的精度水平。4、通过重力卫星GRACE研究南极表面等效水柱高度变化发现,南极地区的冰盖质量亏损在西南极地区沿海的玛丽伯得等地区最为严重,而冰盖质量累积主要出现在西南极的坎普冰川和东南极的恩德比地和毛德皇后地;通过流域分析后,得到了每个流域的等效水柱高度变化量和冰盖质量的变化量,发现全南极洲27个流域中有19个流域冰盖质量正处于消融或迁移态势,并且变化幅度较大的流域主要集中在西南极洲。在2003年到—2016年间,西南极洲的年冰盖变化量为-118.95±7.50Gt,东南极洲的年冰盖质量变化量为2.76±19.02Gt,南极洲整体的年冰盖质量变化量为-106.97±12.86Gt。每年南极地区冰盖融化造成全球海平面上升0.33mm,大约占当前全球每年海平面增长量的9.71%,超过以往的8%左右。5、经过集合经验模态分解(EEMD)之后,最终提取出5种不同周期的南极冰盖质量变化的驱动因素。其中影响程度最大的是大尺度、长时间周期的全球大气候驱动因素(模态分量6以及残差)。此外,还包括了周期约为半年和一年的季节性驱动因素、周期约为7.45年的“厄尔尼诺—拉尼娜”的气候驱动因子、周期为2.56年的极其微弱的隐性驱动因素以及周期为2.75个月的突变驱动因素。
【图文】：

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盖的变化对于地球表层各个物理系统都有着深刻且广泛的影移以及环境变化的研究中有着重要的指导意义[1][2]，在 20 世纪，南极冰盖的消融对于全球海平面上升速率的贡献程度比较平消融所导致的全球海平面上涨只占所有因素驱动的 8%左右[3由于全球工业发展和气候系统本身的混沌性影响，其可能会面上升”的反馈机制失去平衡，造成南极冰盖的消融所占权重个 20 世纪，全球海平面的上升速率不到 1.7mm/yr[4]，但是在年的 26 年间，全球海平面上升速率却达到了 3.4mm/yr，见图。Levermann 等人[5]在利用动态冰盖消融响应函数进行南极冰升的预测时发现，在 21 世纪，南极冰盖消融可能最大会导致，是整个 20 世纪海平面上升量的 2.5 倍以上，且海平面上升量的气候变化时期内有较大差异[6]。同时也有研究表明[7]，对于部消融也存在地区分异性。

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图 1-2 1860 年来全球温度变化(数据来自 NASA)作为全球最大的冰盖覆盖大陆，其常年冰雪覆盖面积占全由于其温度低，距离人类活动剧烈的地区较为遥远，因此影响的程度和其他大洲相比较为微弱，导致南极洲百年来是由于南极洲气候的稳定性，也造成了全球气候的总体变馈较关系较为敏感，这种敏感主要呈现在两个方面，一是变化之间存在复杂的正负反馈关系，，二是南极洲自身的气分异特征关系。
【学位授予单位】：西北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：P332;P467

【参考文献】