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东南极冰盖中山站至Dome A断面冰床粗糙度计算及冰底过程研究

项目名称: 东南极冰盖中山站至Dome A断面冰床粗糙度计算及冰底过程研究
项目类型: 2011年中国极地考察战略基金资助项目
项目负责人: 崔祥斌
项目成员: 张栋; 李鑫
项目编号:
父项目编号:
规划期: 十二五规划
立项时间: 2011-10-01
预期结束: 2013-10-01
实际结束:
金额(万元): 2
目录

详细描述


立项依据与研究基础


(1)立项依据

南极冰盖是地球系统的重要组成部分,其物质平衡和稳定性对海洋温盐环流和全球气候变化有重要的影响,同时,南极冰盖也深受全球变化的影响。

过去,南极冰盖物质平衡和稳定性研究,主要体现在冰盖长期的物质输入和支出的观测和比较。不过,最近几年,伴随着新的观测事实的出现,科学家发现南极冰盖无论是过去还是现在,都经历着快速变化——这种快速变化不再是千年以上时间尺度的变化,而是年际/年代际的变化,这样的现象迅速成为科学家关注的热点。关于南极冰盖快速变化的认识主要基于以下观测事实:(1)在东南极冰盖下方发现的大量而且活跃的冰下湖以及广泛发育的冰下水系;(2)对南极冰盖起到支撑作用的冰架系统正在以前所未有的速度崩解,包括2002年的南极半岛Larsen冰架的崩解和2008年Wilkins冰架的崩解等,都引发了广泛的关注;(3)南极冰盖冰架接地线也由于冰架底部消融的加剧而发生后撤;(3)南极冰盖边缘地区冰体厚度在加速变薄;(4)最近,White等通过研究东南极查尔斯王子山脉的冰川沉积所记录的更新世晚期冰厚变化,发现东南极冰盖对气候变化有着超出之前认识的强烈敏感性。

冰盖的快速变化研究,涉及的首要问题便是冰盖底部环境和过程的不确定性,而冰底环境和过程的一个重要内容是冰下地形、地貌特征和过程.

冰床粗糙度,即冰床的不规则程度,是冰底滑动和冰下侵蚀共同作用于冰下基岩的结果,主要受冰流方向、冰下干/湿条件、基岩岩性和冰下地质的影响。了解冰床粗糙度及其空间变化,有助于区分冰下地形和地貌,认识冰底地形地貌的形成和作用过程,从而为冰盖的快速变化研究提供依据。

冰床粗糙度定量研究的原理主要是通过对冰雷达获得的冰下地形高程进行快速傅立叶变换(FFT),生成波长相关的正则化功率谱分布,然后按波长的大小划分粗糙度尺度,进而分析冰底的动力过程。粗糙度尺度的划分一般在102~105m范围内,因为大部分冰床形态,包括鼓丘、冰碛沉积渠道、中型山脉、山谷和峡谷等,都集中在这个尺度范围。Siegert在东南极冰床粗糙度区域性研究中选择了波长大于20km、10~20km、5~10km 3种粗糙度尺度。冰床粗糙度中的冰下地形的起伏振幅和起伏频率方面的信息,可以帮助识别冰下地貌特征的目的。

2004年,通过冰雷达数据,Siegert等在西南极Siple Coast获得的研究结果表明冰流发育的地方冰床粗糙度较小,而冰脊、冰穹下的冰床粗糙度较大,但Kamb冰流侧面冰脊下的冰床粗糙度很小,是个例外,研究认为是冰流横向移动的结果。在东南极的研究结果类似于西南极:冰脊B和冰穹A下的冰床粗糙度较大,但冰穹C下的冰床粗糙度却较小。

在之前冰床粗糙度的计算方法的基础上,2010年,项目申请人所在课题组成员李鑫等提出基于傅立叶变换的双参数冰床粗糙度计算算法,考虑了冰床垂向和水平向的不规则变化(包括冰床起伏的幅度和坡度),丰富了早前冰床粗糙度计算的不足之处。

本研究将首次采用该算法,选择中山站至Dome A断面,通过冰雷达探测获取的冰下地形高程,利用双参数的冰床粗糙度计算算法,得到沿测线方向的冰床粗糙度信息。根据计算得到的冰床粗糙度分布,分析冰下地形和地貌,并研究冰底过程。

(2)研究基础

a)项目申请人出身于地球物理专业,有较强的数据处理和分析能力,通过地球物理方法观测研究的能力突出。自2007年起,长期从事冰雷达在南极冰盖的探测研究工作,掌握了冰雷达数据的处理分析流程,熟悉冰雷达探测研究南极冰盖的原理和前沿科学问题,并且取得了一些研究成果,包括东南极冰盖中山站至Dome A区间的冰厚和冰下地形研究、Dome A深冰芯钻探选址研究、 南极冰盖的起源和演化研究。此外,还协助团队成员完成了包括冰盖内部结构、双参数算法冰床粗糙度的冰川学意义和冰盖物质平衡等方面的研究。因此,项目申请人完全具备完成本项目所必须的研究基础。

b)项目申请人所在的课题组拥有本项目研究所必须的完整冰雷达数据和冰床粗糙度双参数算法,包括2004/05年的中国第21次南极科学考察和2007/08年的中国第24次南极科学考察期间,分别运用双频(60MHz和179MHz)冰雷达和单频多极化冰雷达在中山站至Dome A的断面探测以及Dome A区域3维网格探测。两次野外工作所使用的冰雷达系统是当时国际上最为先进的车载冰雷达系统,结果数据得到了国际同行的普遍认可。因此,项目申请人拥有完成本项目所必须的完成冰雷达数据。


研究内容与工作目标

  本项目的主要研究内容包括:(1)从冰雷达探测结果中,提取用于本研究的中山站至Dome A断面的冰下地形高程;(2)根据冰下高程值,利用双参数冰床粗糙度计算算法,定量计算中山站至Dome A断面以及Dome A区域沿测线方向的冰床粗糙度;(3)根据冰床粗糙度信息,研究测线覆盖区域的冰下地形、地貌的特征和冰底过程。

本项目研究的目标是得到定量的中山站至Dome A断面的冰床粗糙度信息,然后在此基础上,分析研究中山站至Dome A断面冰下地形、地貌的特征和冰底过程。