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“智汇极地”学术沙龙第31期


——走进南极冰盖冰下世界:我国南极雷达冰川学研究回顾

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发布时间:2020-12-24 10:29:11
浏览:173 次

核心提示:

南极冰盖不稳定性对全球气候和海平面影响的评估和预测仍然存在较大的不确定性,其主要原因是对冰盖底部环境和过程认识的不足。冰雷达是冰盖冰下探测最有效的手段,可以提供详细的冰盖内部结构和底部环境信息。本报告将主要介绍我国在南极开展的冰雷达观测研究历程和未来的发展方向。

人物介绍:

崔祥斌,中国极地研究中心副研究员,极地冰川学学科负责人,主要从事南极雷达冰川学、南极地面和航空地球物理学观测和研究。曾先后2次参加南极内陆考察和4次参加南极航空科学考察。设计并完成冰穹A区域的精细冰厚和冰下地形测绘,相关成果发表于《科学通报》和《Nature》等。2008年至今,作为核心成员持续参与了我国南极考察首架固定翼飞机“雪鹰601”航空科考体系建设和航空科学考察。主持高分专项项目1项、自然基金项目多项,并参与国家863973和极地专项项目等。发表各类究论文60多篇,获多项国家专利,获海洋局创新成果奖二等奖和海洋科学技术奖二等奖各1项。SCAR“南极冰下制图计划”——Bedmap 3核心组成员,APECS China首届理事。

报告详情:

20201223日晚上7点,由武汉大学中国南极测绘研究中心举办的“智汇极地”学术沙龙第31期在中心三楼会议室以及腾讯会议成功举办,2020级博士陈颖主持了本次讲座。本期讲座嘉宾为崔祥斌老师,来自中国极地研究中心,报告主要介绍我国在南极开展的冰雷达观测研究历程和未来的发展方向。

1 报告PPT首页

1. 背景

报告首先从南极冰盖与全球海平面的关系引入,介绍了南极雷达冰川学的研究背景。目前南极冰盖对海平面影响的观测、评估和预测在观测手段和数据、冰盖和地球系统模式方面取得了较大进展,但还存在一些挑战,最主要的就是冰下环境认知有所欠缺,对冰下环境和冰盖动力学的关系认识不足,影响冰盖物质平衡和不稳定性研究。

2 南极冰盖对海平面影响的观测、评估和预测的进展和挑战

雷达冰川学是应用冰雷达方法,开展冰盖、冰架、冰川的冰下观测和研究。报告对冰雷达的观测内容、科学价值、发展历史和相关设备等内容进行了详细介绍。

3 雷达冰川学

上世纪50年代,美国的DC-3飞机在南极因雷达高度计读数不准不慎坠毁,却意外发现电磁波具有穿透冰盖的能力。1963年,英国剑桥大学斯科特极地研究所(SPRI)研制出第一台冰雷达系统,并在野外测试的基础上不断升级。与此同时,多个国家的许多研究组开始研制自己的冰雷达系统,包括美国军事电子实验室(USAEL)、英国南极局(BAS)和丹麦技术大学(TUD)等。19671979年,英国剑桥大学斯科特极地研究中心、美国自然基金委(NSF)和丹麦技术大学在南极冰盖上共同实施了第一次大范围的冰雷达探测,形成了“SPRI-NSF-TUD”冰雷达数据库。2001年,英国南极局基于“SPRI-NSF-TUD”数据库,综合了之前冰雷达探测和其它研究的结果,形成了以冰雷达数据为主的南极BEDMAP数据库。继BEDMAP之后,南极冰盖上的冰雷达探测主要包括东南极Coats LandAmundsen Sea、横贯南极山脉到内陆断面、Dronning Maud Land及其附近区域以及国际横穿南极计划(ITASE)。2013年,BEDMAP之后的调查数据被整理编译生成BEDMAP2数据库。

4 冰雷达观测的历史

 

如今冰雷达成为冰盖冰下探测最有效的手段,可以提供详细的冰盖内部结构和底部环境信息。其中,地面冰雷达观测效率低、很难到达和保障,适合局域详细勘测;航空冰雷达,高效、到达性更强,因此被各国科考队广泛使用。一个国家在南极的航空水平,是其极地考察综合能力的象征。过去60年,以美国、俄罗斯、英国、德国为主的国家,通过各种大型航空科考计划,几乎把南极全部飞了个遍,图5右上角最新的南极冰下制图数据集Bedmap 2,收录了数百万公里的测线,数千万的观测数据。

5 南极冰下观测方法

2. 内陆冰穹A及断面考察研究

报告第二部分介绍了冰雷达观测在内陆冰穹A及断面的相关研究。

我国开展南极冰雷达观测始于中国第21次南极科学考察(CHINARE 212004/05),之后陆续在CHINARE 24(2007/08)28(2011/12)29(2012/13)31(2014/15)32-36(2015/16到现在)期间开展过针对内陆断面和冰穹A区域的冰雷达探测。图6中的表格是历次南极考察中使用的不同类型的冰雷达系统及其观测研究的区域、目标。

6 历次南极考察使用的冰雷达系统及其观测研究的区域、目标

中国在第21次南极科学考察,首次抵达冰穹A开展冰雷达观测,是国际上首次从地面抵达这一南极冰盖最高点,并通过冰雷达测绘沿线和冰穹A区域的冰盖几何特征和冰下地形地貌,为我国南极深冰芯的钻探和昆仑站建站选址提供了科学依据。中国第24次南极科学考察,基于21次队结果,聚焦核心区域,开展精细冰雷达观测。目前,在冰穹A区域的冰雷达测线分布,是国际上观测最为精细的区域之一。

7 冰穹A核心区域冰盖厚度和冰下甘伯采夫山脉地形地貌

8 中山站至冰穹A断面的冰厚和冰下地形

9 沿“中国墙”的冰下地形

10 冰穹A区域的内部层结构

报告中讨论了超过百万年最古老深冰芯的问题——冰穹A区域很可能存在南极最古老的冰芯。

11 冰穹A区域的深冰芯年代模拟(1

12 冰穹A区域的深冰芯年代模拟(2

3. 航空冰雷达观测研究

报告第三部分介绍了在我国的航空冰雷达观测研究,即雪鹰601固定翼飞机、机载科考系统和航空冰雷达在伊丽莎白公主地的观测等应用。

1)雪鹰601

雪鹰601固定翼飞机,具有较大的载重和较长的航程等优点,也有较强的极区起降能力,极大拓宽了我国南极考察科学考察的研究范围、数据获取能力和研究深度。以中山站为基地,辐射我国南极考察传统区域,雪鹰601已连续完成五次南极航空科学考察任务,总的年飞行小时数超过300小时。

13 雪鹰601的运营

2机载科考系统

14 机载科考系统

机载科考设备通过ELSA(Environment for Linked Streams Acquisition)实现系统高度集成和同步观测。航空观测数据由机上观测数据、地面站观测数据和其他数据组成。机上系统集成设备数据,按高精度时间戳(Time Stamp)依次记录在两个文件,一个是冰雷达数据文件,另一个是ELSA数据文件。由于航空冰雷达是非商用设备,其硬件、软件和数据处理方法还没有标准,全部由设备使用和研制团队自行定义和开发,航空观测数据的初步处理和质量控制具有独特性和复杂性。南极航空科学调查时间窗口短、飞行任务重、后勤保障耗费大,因此要及时掌握观测数据结果,了解设备性能和运行状况,判断数据结果对研究目标的贡献,及时调整飞行观测计划,发现新的科学问题线索等。

3)航空冰雷达在伊丽莎白公主地的观测

东南极伊丽莎白公主地是南极冰盖冰下环境研究的最大短板,由于缺乏观测数据,冰盖物质平衡和不稳定性研究几乎空白。可能的大型冰下湖以及从内陆延伸至冰盖沿岸的峡谷系统,其存在对流域内冰盖的物质平衡有重要影响,甚至可能促发冰盖/冰架的不稳定性。

2015年以来,连续5年的南极航空科学考察,总测线近18万公里(伊丽莎白公主地为主,辐射埃默里冰架等),对南极冰盖/冰架快速变化和不稳定性、南极大陆岩石学和地质构造、最古老深冰芯选址、南极冰盖演化等问题进行了研究。

伊丽莎白公主地高分辨率冰下地形模型,使用前4个年度航空冰雷达观测结果,经过聚焦、冰岩界面追踪和提取处理等,获得了更准确详细的冰下地貌,推断冰盖演化过程;提升了冰盖动力和物质平衡模拟的准确性;获取了控制冰下水流路径、评估冰底滑动阻力、影响冰流运动的小尺度地形信息。

15 伊丽莎白公主地高分辨率冰下地形模型

伊丽莎白公主地冰下湖的识别和湖深反演,利用20152016年的数据,定性提取了多个新冰下湖,未来利用全部测线数据和定性结合定量方法(冰底反射率+镜面反射+地热通量),可分析全区域的冰下湖和冰下水体分布。

16 伊丽莎白公主地冰下湖的识别和湖深反演

另外,报告还简要介绍了航空冰雷达在南极中山站雪冰环境勘察和机场选址、南极最古老深冰芯钻探选址等方面的应用。

4.总结和展望

过去15年以来,我国雷达冰川学观测研究取得了不错的进展,探明了冰穹A、内陆断面和伊丽莎白公主地的冰盖几何特征,在南极冰盖演化、高分辨率冰下地形地貌、深冰芯钻探和年代评估、冰雷达技术等多个方面,填空白补短板,成为了国际雷达冰川学研究的重要力量;2015年以来,航空平台的投入,进一步增强了我国南极雷达冰川学的观测能力,极大拓展了研究范围,推动了国内和国际上雷达冰川学的深入研究。

对于我国雷达冰川学的发展,报告中提出了如下展望:

1)聚焦伊丽莎白公主地冰底环境、埃默里冰架底部过程和接地线变化研究;加强关键区域航空观测,例如潜在最古老深冰芯存在区域(冰脊B),重点冰架(Nansen, West, Shackleton冰架),冰盖/冰架/南大洋相互作用的接地线区域,陆海衔接区域等;

2)建立航空考察数据处理分析的流程和标准,为更广泛的国内和国际合作提供条件,从而积极和广泛地开展南极及其气候和海平面变化影响研究;

3)在国际南极数据集成计划中发挥更加积极和重要的作用:Bedmap ADMAPAntGGAntarchitecture等;

4)冰雷达技术方面,开展不同类型(深部、浅部、多极化、多通道等)、不同搭载平台(车、飞机和卫星)冰雷达系统的研制和应用。

报告结束后,与会的各位老师和同学与崔祥斌老师进行了热烈讨论,大家纷纷表示收获颇丰。

 

(编辑:蔡祎  审核:郝卫峰)

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